專利名稱：拓寬調(diào)速范圍的盾構(gòu)刀盤液壓控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，尤其涉及一種拓寬調(diào)速范圍的盾構(gòu)刀盤液 壓控制系統(tǒng)。
技術(shù)背景盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種專用于地下隧道工程施工的現(xiàn)代化高科技掘進(jìn)裝備，廣 泛應(yīng)用在各種地質(zhì)條件復(fù)雜多變和施工環(huán)境惡劣的隧道工程建設(shè)中。盾構(gòu)掘進(jìn) 在地下空間開發(fā)和利用中發(fā)揮著其它掘進(jìn)形式不可替代的作用。隨著科技發(fā)展 和社會(huì)進(jìn)步，盾構(gòu)掘進(jìn)將逐步取代傳統(tǒng)方法。刀盤是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其主要功能有開挖、穩(wěn)定和攪拌。因 為整個(gè)施工過程中掘進(jìn)斷面的土質(zhì)狀況變化范圍很大，掘進(jìn)深度不同，刀盤所 需的切削力矩及轉(zhuǎn)速有很大區(qū)別，導(dǎo)致刀盤驅(qū)動(dòng)的工況很復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率大且 變化范圍寬。由于盾構(gòu)在軟質(zhì)地層中掘進(jìn)時(shí)刀盤的典型工況為低速大扭矩，而在硬質(zhì)地 層中掘進(jìn)時(shí)的工況為高速小扭矩。傳統(tǒng)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中兼顧這兩種 工況，使得系統(tǒng)總裝機(jī)功率十分巨大。能耗如此大的系統(tǒng)在低負(fù)載工況下能量 利用率不高對(duì)系統(tǒng)整體性能有極其重要的影響。因此，如何拓寬刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 的調(diào)速范圍使系統(tǒng)能夠以較小的總裝機(jī)功率適應(yīng)各種地層掘進(jìn)需要是刀盤驅(qū)動(dòng) 中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。 發(fā)明內(nèi)容為了克服盾構(gòu)施工過程中存在的問題兼顧系統(tǒng)整體性能的要求，本發(fā)明的 目的在于提供一種拓寬調(diào)速范圍的盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)液壓控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)刀盤的每 個(gè)液壓馬達(dá)可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的切換，在低負(fù)載工況時(shí)通過減少工作在馬 達(dá)狀態(tài)的執(zhí)行元件個(gè)數(shù)達(dá)到用較小排量泵實(shí)現(xiàn)刀盤高轉(zhuǎn)速的目的，同時(shí)工作在 泵狀態(tài)下的執(zhí)行元件也可以作為動(dòng)力源與液壓泵一起驅(qū)動(dòng)工作在馬達(dá)狀態(tài)的執(zhí) 行元件，大大增加了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。刀盤也可通過調(diào)節(jié)液壓泵和執(zhí)行元件的 排量來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與恒壓變量泵剛性連接，恒壓變量泵吸油口與油箱連接，恒 壓變量泵出油口與總單向閥進(jìn)油口連接，總單向閥出油口分別與蓄能器進(jìn)油口、溢流閥進(jìn)油口和四組結(jié)構(gòu)相同的馬達(dá)/泵部件連接，溢流閥出油口接油箱；現(xiàn)將 其中第一組的馬達(dá)/泵結(jié)構(gòu)說明如下總單向閥出油口、蓄能器進(jìn)油口和溢流閥 進(jìn)油口分別接第一三位四通換向閥的& 口和第一單向閥的出油口；第二單向閥 和第三單向閥的出油口相連后接第一單向閥的進(jìn)油口，第四單向閥和第五單向 閥的進(jìn)油口相連后接油箱，第二單向閥的進(jìn)油口和第四單向閥的出油口相連后 分別接第一三位四通換向閥的B！ 口和第一液壓馬達(dá)/泵的一端口，第三單向閥的 進(jìn)油口和第五單向閥的出油口相連后分別接第一三位四通換向閥的A, 口和第一 液壓馬達(dá)/泵的另一端口，第一三位四通換向閥的T,口與第二、第三和第四三位 四通換向閥的T2 口、 T3 口和T4 口相連，第一液壓馬達(dá)/泵的輸出軸通過第一齒 輪減速器G驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。 本發(fā)明具有的有益效果是-液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件馬達(dá)/泵實(shí)行單獨(dú)控制，每個(gè)執(zhí)行元件工作在馬達(dá)狀態(tài) 時(shí)驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工作在泵狀態(tài)時(shí)給系統(tǒng)補(bǔ)充液壓油，通過組合優(yōu)化各個(gè)執(zhí)行 元件的工作狀態(tài)，可以使刀盤轉(zhuǎn)速在不增大液壓泵規(guī)格的情況下具有更大的調(diào) 節(jié)范圍，更好地適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。


附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖中1、油箱，2、電機(jī)，3、聯(lián)軸器，4、恒壓變量泵，5、單向閥，6、 溢流閥，7、蓄能器，8.1、 8.2、 8.3、 8.4、三位四通換向閥，9.1、 9.2、 9.3、 9.4、10.1、 10.2、 10.3、 10.4、 11.1、 11.2、 11.3、 11.4、 12.1、 12.2、 12.3、 12.4、 13.1、13.2、 13,3、 13.4為單向閥，14.1、 14.2、 14.3、 14.4為液壓馬達(dá)/泵，15、刀盤， 16、 17、 18、 19、 20、 21、 22、 23、 24、 25、 26、 27、 28、 29、 30、 31、 32、 33、 34、 35、 36、 37、 38、 39、 40、 41、 42、 43、 44、 45、 46、 47、 48、 49、 50、 51、 52、 53、 54、 55、 56、 57、 58、 59、 60、 61、 62、 63、 64、 65、 66、 67為管路。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如附圖所示，本發(fā)明的電機(jī)2經(jīng)聯(lián)軸器3與恒壓變量泵4剛性連接，恒壓 變量泵4吸油口經(jīng)管路18與油箱1連接，恒壓變量泵4出油口經(jīng)管路19與總 單向閥5進(jìn)油口連接，總單向閥5出油口經(jīng)管路17分別與蓄能器7進(jìn)油口、溢 流閥6進(jìn)油口和四組結(jié)構(gòu)相同的馬達(dá)/泵部件連接，溢流閥6出油口經(jīng)管路16接 油箱；現(xiàn)將其中第一組的馬達(dá)/泵結(jié)構(gòu)說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進(jìn)油口和溢流閥6進(jìn)油口分別經(jīng)管路20接第一三位四通換向閥的Pi 口和經(jīng)管路 21接第一單向閥9.1的出油口；第二單向閥11.1和第三單向閥10.1的出油口經(jīng) 管路38相連后經(jīng)管路39接第一單向閥9.1的進(jìn)油口，第四單向閥13.1和第五 單向閥12.1的進(jìn)油口相連后經(jīng)管路40接油箱，第二單向閥11.1的進(jìn)油口經(jīng)管 路36和第四單向閥13.1的出油口經(jīng)管路37相連后分別經(jīng)管路35接第一三位四 通換向閥的B, 口和第一液壓馬達(dá)/泵14.1的一端口，第三單向閥10.1的進(jìn)油口 經(jīng)管路33和第五單向閥12.1的出油口經(jīng)管路34相連后分別經(jīng)管路32接第一三 位四通換向閥的A 口和第一液壓馬達(dá)/泵14.1的另一端口，第一三位四通換向 閥的T！ 口經(jīng)管路28和管路29與第二三位四通換向閥的T2 口相連，第二三位四 通換向閥的T2 口經(jīng)管路29和管路30與第三三位四通換向閥的T3 口相連，第三 三位四通換向閥的T3口經(jīng)管路30和管路31與第四三位四通換向閥的T4口相連， 第一液壓馬達(dá)/泵14.1的輸出軸通過第一齒輪減速器G驅(qū)動(dòng)刀盤15轉(zhuǎn)動(dòng)。第二組的馬達(dá)/泵結(jié)構(gòu)說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進(jìn)油口和溢 流閥6進(jìn)油口分別經(jīng)管路22接第二三位四通換向閥的P2 口和經(jīng)管路23接第六 單向閥9.2的出油口；第七單向閥11.2和第八單向閥10.2的出油口經(jīng)管路48相 連后經(jīng)管路44接第六單向閥9.2的進(jìn)油口，第九單向閥13.2和第十單向閥12.2 的進(jìn)油口相連后經(jīng)管路49接油箱，第七單向閥11.2的進(jìn)油口經(jīng)管路46和第九 單向閥13.2的出油口經(jīng)管路47相連后分別經(jīng)管路45接第二三位四通換向閥的 82口和第二液壓馬達(dá)/泵14.2的一端口，第八單向閥10.2的進(jìn)油口經(jīng)管路42和 第十單向閥12.2的出油口經(jīng)管路43相連后分別經(jīng)管路41接第二三位四通換向 閥的A2 口和第二液壓馬達(dá)/泵14.2的另一端口 ，第二液壓馬達(dá)/泵14.2的輸出軸 通過第二齒輪減速器G驅(qū)動(dòng)刀盤15轉(zhuǎn)動(dòng)。第三組的馬達(dá)/泵結(jié)構(gòu)說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進(jìn)油口和溢 流閥6進(jìn)油口分別經(jīng)管路24接第三三位四通換向閥的P3 口和經(jīng)管路25接第十 一單向閥9.3的出油口；第十二單向閥11.3和第十三單向閥10.3的出油口經(jīng)管 路57相連后經(jīng)管路55接第十一單向閥9.3的進(jìn)油口，第十四單向閥13.3和第 十五單向閥12.3的進(jìn)油口相連后經(jīng)管路58接油箱，第十二單向閥11.3的進(jìn)油 口經(jīng)管路54和第十四單向閥13.3的出油口經(jīng)管路53相連后分別經(jīng)管路56接第 三三位四通換向閥的B3 口和第三液壓馬達(dá)/泵14.3的一端口，第十三單向閥10.3 的進(jìn)油口經(jīng)管路51和第十五單向閥12.3的出油口經(jīng)管路52相連后分別經(jīng)管路 50接第三三位四通換向閥的A3 口和第三液壓馬達(dá)/泵14.3的另一端口，第三液 壓馬達(dá)/泵14.3的輸出軸通過第三齒輪減速器G驅(qū)動(dòng)刀盤15轉(zhuǎn)動(dòng)。第四組的馬達(dá)/泵結(jié)構(gòu)說明如下總單向閥5出油口、蓄能器7進(jìn)油口和溢 流闊6進(jìn)油口分別經(jīng)管路26接第四三位四通換向閥的P4 口和經(jīng)管路27接第十 六單向閥9.4的出油口；第十七單向閥1L4和第十八單向閥10.4的出油口經(jīng)管 路67相連后經(jīng)管路65接第十六單向閥9.4的進(jìn)油口，第十九單向閥13.4和第 二十單向閥12.4的進(jìn)油口相連后經(jīng)管路66接油箱，第十七單向閥11.4的進(jìn)油 口經(jīng)管路63和第十九單向閥13.4的出油口經(jīng)管路62相連后分別經(jīng)管路64接第 四三位四通換向閥的B4 口和第四液壓馬達(dá)/泵14.4的一端口，第十八單向閥10.4 的進(jìn)油口經(jīng)管路60和第二十單向閥12.4的出油口經(jīng)管路61相連后分別經(jīng)管路 59接第四三位四通換向閥的A4口和第四液壓馬達(dá)/泵14.4的另一端口，第三液 壓馬達(dá)/泵14.4的輸出軸通過第四齒輪減速器G驅(qū)動(dòng)刀盤15轉(zhuǎn)動(dòng)。本發(fā)明的工作原理如下電機(jī)2得電啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)恒壓變量泵4轉(zhuǎn)動(dòng)，恒壓變量泵4吸油口從油箱1 中吸油，恒壓變量泵4打出的壓力油通過管路19、總單向閥5送到恒壓管路27， 同時(shí)有一部分油液進(jìn)入溢流閥6和蓄能器7的進(jìn)油口以及管路20、 21、 22、 23、 24、 25、 26、 27。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，如果遇到軟土地層條件則刀盤的工況為低速大扭矩，此時(shí)四 組馬達(dá)/泵同時(shí)工作，使系統(tǒng)輸出大扭矩。由于四組馬達(dá)/泵工作原理相同，現(xiàn)以 第一組為例進(jìn)行說明。三位四通換向閥8.1左位電磁鐵得電，管路27中的高壓油經(jīng)三位四通換向 閥8.1P1 口、三位四通換向閥8.1A1 口、管路32流進(jìn)馬達(dá)/泵14.1一端油口，馬 達(dá)/泵14.1另一端油口液壓油經(jīng)管路35、三位四通換向閥8.1B1 口、三位四通換 向閥8.1T1口、管路28流回油箱。管路32中的一部分高壓油通過單向閥10.1、 管路38、管路39至單向閥9.1進(jìn)油口。由于管路27中的高壓油經(jīng)管路21至單 向閥9.1出油口，其壓力略高于經(jīng)換向閥口節(jié)流損失之后的管路38中液壓油的 壓力，因此單向閥9.1不打開。此時(shí)刀盤正向轉(zhuǎn)動(dòng)。三位四通換向閥8.1右位電磁鐵得電，管路27中的高壓油經(jīng)三位四通換向 閥8.1P1 口、三位四通換向閥8.1B1 口、管路35流進(jìn)馬達(dá)/泵14.1另一端油口， 馬達(dá)/泵14.1 一端油口液壓油經(jīng)管路32、三位四通換向閥8.1A1 口、三位四通換 向閥8.1T1口、管路28流回油箱。管路35中的一部分高壓油通過單向閥11.1、 管路38、管路39至單向閥9.1進(jìn)油口。由于管路27中的高壓油經(jīng)管路21至單 向閥9.1出油口，其壓力略高于經(jīng)換向閥口節(jié)流損失之后的管路38中液壓油的 壓力，因此單向閥9.1不打開。此時(shí)刀盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)遇到硬巖地層條件時(shí)，刀盤工作在高速小扭矩工況。此時(shí)在不 增大恒壓變量泵排量的情況下，通過改變馬達(dá)/泵的工作狀態(tài)，使系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速 增大。實(shí)際工作中可根據(jù)工況條件確定馬達(dá)/泵執(zhí)行元件工作在泵狀態(tài)和馬達(dá)狀 態(tài)的元件數(shù)量，且盡可能使驅(qū)動(dòng)元件沿刀盤主軸承周向均勻布置以減小偏心效 應(yīng)。馬達(dá)/泵工作狀態(tài)的切換是通過控制三位四通換向閥電磁鐵通斷電來實(shí)現(xiàn)的。 下面以第二組馬達(dá)/泵工作在泵狀態(tài)，其它各組馬達(dá)/泵工作在馬達(dá)狀態(tài)為例進(jìn)行 說明，而工作在馬達(dá)狀態(tài)下的系統(tǒng)原理與上述情況相同。當(dāng)馬達(dá)/泵14.1、 14.3、 14.4正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過齒輪減速器帶動(dòng)刀盤15正向 轉(zhuǎn)動(dòng)，由于馬達(dá)/泵14.2與刀盤15通過減速器齒輪剛性連接在一起，馬達(dá)/泵14.2 在旋轉(zhuǎn)刀盤15的帶動(dòng)下被迫正向轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)三位四通換向閥8.2電磁鐵斷電， 管路41和管路45被切斷，且管路41中短時(shí)間內(nèi)形成一定的負(fù)壓。油箱中的液 壓油經(jīng)管路49、單向閥12.2、管路43到達(dá)馬達(dá)/泵14.2—端油口，并從馬達(dá)/泵 14.2另一端油口經(jīng)管路46、單向閥11.2、管路48、管路44、單向閥9.2、管路 23流回到主油路27中。主油路27中液壓油流量的增加以及工作于馬達(dá)狀態(tài)的 執(zhí)行器馬達(dá)/泵元件數(shù)量的減少，使得系統(tǒng)在不增加主驅(qū)動(dòng)泵排量的前提下，能 夠?qū)崿F(xiàn)大范圍調(diào)速。當(dāng)馬達(dá)/泵14.1、 14.3、 14.4反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過齒輪減速器帶動(dòng)刀盤15反向 轉(zhuǎn)動(dòng)，由于馬達(dá)/泵14.2與刀盤15通過減速器齒輪剛性連接在一起，馬達(dá)/泵14.2 在旋轉(zhuǎn)刀盤15的帶動(dòng)下被迫反向轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)三位四通換向閥8.2電磁鐵斷電， 管路41和管路45被切斷，且管路45中短時(shí)間內(nèi)形成一定的負(fù)壓。油箱中的液 壓油經(jīng)管路49、單向閥13.2、管路47到達(dá)馬達(dá)/泵14.2另一端油口，并從馬達(dá)/ 泵14,2—端油口經(jīng)管路42、單向閥10.2、管路48、管路44、單向閥9.2、管路 23流回到主油路27中。當(dāng)盾構(gòu)刀盤需要停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三位四通換向閥8.1、 8.2、 8.3、 8.4電磁鐵斷 電，所有液壓馬達(dá)/泵在旋轉(zhuǎn)盾構(gòu)刀盤的慣性作用下瞬間繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，然后按照與 上述液壓馬達(dá)/泵14.2在三位四通換向閥8.2電磁鐵斷電情況下相同的工作原理 完成制動(dòng)過程，并將制動(dòng)能量回饋到主油路27中。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本 發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落 入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種拓寬調(diào)速范圍的盾構(gòu)刀盤液壓控制系統(tǒng)，其特征在于電機(jī)(2)經(jīng)聯(lián)軸器(3)與恒壓變量泵(4)剛性連接，恒壓變量泵(4)吸油口與油箱(1)連接，恒壓變量泵(4)出油口與總單向閥(5)進(jìn)油口連接，總單向閥(5)出油口分別與蓄能器(7)進(jìn)油口、溢流閥(6)進(jìn)油口和四組結(jié)構(gòu)相同的馬達(dá)/泵部件連接，溢流閥6出油口接油箱；現(xiàn)將其中第一組的馬達(dá)/泵結(jié)構(gòu)說明如下總單向閥(5)出油口、蓄能器(7)進(jìn)油口和溢流閥(6)進(jìn)油口分別接第一三位四通換向閥(8.1)的P1口和第一單向閥(9.1)的出油口；第二單向閥(11.1)和第三單向閥(10.1)的出油口相連后接第一單向閥(9.1)的進(jìn)油口，第四單向閥(13.1)和第五單向閥(12.1)的進(jìn)油口相連后接油箱，第二單向閥(11.1)的進(jìn)油口和第四單向閥(13.1)的出油口相連后分別接第一三位四通換向閥(8.1)的B1口和第一液壓馬達(dá)/泵(14.1)的一端口，第三單向閥(10.1)的進(jìn)油口和第五單向閥(12.1)的出油口相連后分別接第一三位四通換向閥(8.1)的A1口和第一液壓馬達(dá)/泵(14.1)的另一端口，第一三位四通換向閥(8.1)的T1口與第二、第三和第四三位四通換向閥的T2口、T3口和T4口相連，第一液壓馬達(dá)/泵(14.1)的輸出軸通過第一齒輪減速器G驅(qū)動(dòng)刀盤(15)轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種拓寬調(diào)速范圍的盾構(gòu)刀盤液壓控制系統(tǒng)。電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與恒壓變量泵剛性連接，恒壓變量泵出油口與總單向閥進(jìn)油口連接，總單向閥出油口分別與蓄能器進(jìn)油口、溢流閥進(jìn)油口和四組結(jié)構(gòu)相同的馬達(dá)/泵部件連接。將液壓馬達(dá)/泵并聯(lián)在回路中，通過恒壓變量泵與蓄能器組成的恒壓源提供動(dòng)力。液壓馬達(dá)/泵實(shí)行單獨(dú)控制，根據(jù)不同地質(zhì)條件可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各液壓馬達(dá)/泵的排量和工作狀態(tài)以控制刀盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明采用液壓馬達(dá)/泵作為執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)和泵工作狀態(tài)的切換，通過控制同時(shí)工作在不同狀態(tài)的執(zhí)行元件的數(shù)量使系統(tǒng)在供油液壓泵排量不變的情況下實(shí)現(xiàn)高低轉(zhuǎn)速工況的互換，拓寬了調(diào)速范圍，增強(qiáng)了刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)不同地質(zhì)條件的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)F15B11/02GK101403309SQ200810122370
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月11日
發(fā)明者虎 施, 朱北斗, 楊華勇, 龔國芳 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)