專利名稱：一種采用成組蓄能器的節能型盾構刀盤閉環液壓控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及流體壓力執行機構，尤其涉及一種采用成組蓄能器的盾構 刀盤閉環節能液壓控制系統。
背景技術：
盾構掘進機是一種專用于地下隧道工程施工的現代化高科技掘進裝備。與 傳統的施工方法相比，盾構法具有施工安全、快速、工程質量高、地面擾動小、 勞動強度低等許多優點。由于采用了先進的開挖面穩定技術，盾構掘進尤其在 地質條件復雜多變和施工環境惡劣的隧道工程建設中顯出了獨特的優勢。此外， 盾構在滿足復雜路線掘進方面也發揮著其它掘進形式不可替代的作用。隨著科 技發展和社會進步，盾構掘進將逐步取代傳統方法。
刀盤驅動系統是盾構掘進機的重要組成部分，刀盤轉動負責切削前方的土 體，刀盤系統所需要能量大，在盾構機中扮演越來越重要的作用，同推進系統、 螺旋輸送機、管片拼裝系統構成了完整的盾構機。這幾部分系統同步運作、緊 密配合，共同完成盾構掘進任務。由于盾構工作條件惡劣且負載很大，刀盤、 推進、螺旋系統、管片拼裝系統均采用液壓驅動。盾構刀盤大多采用的是大閉 式控制系統，而其他的系統均采用開式的閥控系統，所以把刀盤控制系統單獨 來設計。
盾構掘進是一種典型的大功率、大負載工況，因此系統的裝機功率巨大。 在能耗如此大的系統中，工作效率對系統性能而言是一個極其重要的影響因素。 傳統盾構掘進機中大多采用閥控方式，該控制方式從一定程度上會造成很大的 節流和溢流損失，最終造成系統整體效率降低和能量的損失。系統效率低不僅 浪費了能量、影響了設備壽命，而且惡化了施工環境，帶來諸多不利因素。但 是相對于閥控系統而言泵控馬達的閉式容積調速系統有著響應慢，存在滯后的 缺點，這些問題在一些情況下可能影響了盾構的整體性能的提高，或是增加整 體的裝機功率，浪費能量，因此如何在確保盾構掘進系統正確高效完成掘進任 務的情況下實現液壓系統的節能控制和實現快速響應性是盾構掘進中的一個關 鍵技術問題。 發明內容
本實用新型的目的是為了克服盾構刀盤系統在施工過程中存在系統響應 慢、裝機功率大的問題兼顧系統節能的要求，提供了一種采用成組蓄能器的盾
4構刀盤大閉環液壓節能控制系統。
采用成組蓄能器變量泵控制變量馬達的盾構刀盤驅動液壓節能系統包括第 二電機、第二聯軸器、定量泵、第一電機、第一聯軸器、雙向變量泵、吸油口 過濾器、出油口過濾器、帶油訊發生裝置的進油口過濾器、帶油訊發生裝置的 出油口過濾器、二位三通換向闊、比例溢流閥、第一單向閥、第二單向閥、第 三單向閥、低壓蓄能器、高低壓蓄能器、二位四通插裝閥、第一安全閥、第二 安全閥、第一壓力表、第二壓力表、梭閥、油箱、第一分油閥塊、第二分油閥 塊、第一變量馬達控制單元、第二變量馬達控制單元、第三變量馬達控制單元、 第n變量馬達控制單元；第一電機通過第一聯軸器與雙向變量泵剛性連接，雙 向變量泵的吸油口與帶油訊發生裝置的吸油口過濾器連通，變量泵的出油口與 帶有油訊發生裝置的出油口過濾器進油口連接，出油口過濾器出油口與主油路 連接，二位四通插裝閥的進油口、第二單向閥、分油閥塊、第一安全閥一端、 第二安全閥 一端、第一壓力表、梭閥的一端和第一分油閥塊的一端與主油路 連接，第二壓力表、第一安全閥另一端、第二安全閥的另一端、梭閥的另一端 和第二分油閥塊的一端與主回油路連接，蓄能器和二位四通插裝閥的A 口相連； 蓄能器和二位四通插裝閥的B 口相連，第一分油閥塊分別接通第一變量馬達控 制單元的一端、第二變量馬達控制單元的一端、第三變量馬達控制單元的一端、 第n變量馬達控制單元的一端；第二分油閥塊分別接通第一變量馬達控制單元
的另一端、第二變量馬達控制單元的另一端、第三變量馬達控制單元的另一端、
第n變量馬達控制單元的另一端，定量泵通過第二聯軸器和第二電機剛性連接， 定量泵的吸油口和吸油口過濾器連接，定量泵的排油口分別與出油口過濾器和 二位三通換向閥連接；二位三通換向閥閥的A、 B油口分別和比例溢流閥和油 箱連接；比例溢流閥出油口和油箱連通。
所述的變量馬達控制單元包括第四單向閥、雙向變量馬達、二位三通插裝 閥、蓄能器、二位二通閥、節流閥，變量馬達的進油口同二位三通插裝閥的B 口連接、變量馬達的出油口同二位三通插裝閥的A 口連接，蓄能器經二位二通 閥、節流閥與二位三通插裝閥的P 口連接，雙向變量馬達的出油口與分油閥塊 連接，第四單向閥的一端與蓄能器連接，第四單向閥的另一端同第三單向閥連 接。
本實用新型與背景技術相比，具有的有益效果是
1)液壓系統采用閉環系統，故油液循環流動，所需要的油箱較小，同時占 用空間比較小，這對于地下施工的盾構掘進而言具有一定的實用價值。2) 蓄能器成組控制，集中布置，在地下布置時候可以節省空間和利于集中控制。
3) 蓄能器的出油口可以根據刀盤的正反轉可以及時通過控制二位四通插裝 閥來改變方向，始終能和高壓端連接，蓄能器在關鍵時候可以充當輔助能源的 作用，同時在遇到沖擊負載的時候可以很好的吸收震動，減小裝機功率
4) 在模式切換的時候可以充當輔助能源，加快閉式系統的響應，提高快速性。
5) 系統中采用泵控馬達形式，負載敏感，同時沒有節流元件，能量傳遞效 率高，避免了節流調速系統中的能量損失，具有明顯的節能效果。


圖1是采用成組蓄能器的盾構刀盤閉環節能液壓控制系統結構示意圖； 圖2是本實用新型的變量馬達控制單元的結構示意圖中第二電機l、第二聯軸器2、定量泵3、第一電機4、第一聯軸器5、 雙向變量泵6、吸油口過濾器7、出油口過濾器8、帶油訊發生裝置的進油口過 濾器9、帶油訊發生裝置的出油口過濾器10、 二位三通換向閥ll、比例溢流閥 12、第一單向閥13.1、第二單向閥13.2、第三單向閥13.3、第四單向閥13.4、 低壓蓄能器14、高低壓蓄能器15、 二位四通插裝閥16、雙向變量馬達17、 二 位三通插裝閥18、蓄能器19、第一安全闊20.1、第二安全閥20.2、第一壓力表 21.1、第二壓力表21.2、梭閥22、油箱23、第一分油閥塊24、第二分油閥塊25、 二位二通閥26、節流閥27、第一變量馬達控制單元T1、第二變量馬達控制單元 T2、第三變量馬達控制單元T3、第n變量馬達控制單元Tn。
具體實施方式

如圖1所示，釆用成組蓄能器變量泵控制變量馬達的盾構刀盤驅動液壓節 能系統包括第二電機l、第二聯軸器2、定量泵3、第一電機4、第一聯軸器5、 雙向變量泵6、吸油口過濾器7、出油口過濾器8、帶油訊發生裝置的進油口過 濾器9、帶油訊發生裝置的出油口過濾器IO、 二位三通換向閥ll、比例溢流閥 12、第一單向閥13.1、第二單向闊13.2、第三單向閥13.3、低壓蓄能器14、高 低壓蓄能器15、 二位四通插裝閥16、第一安全閥20.1、第二安全閥20.2、第一 壓力表21.1、第二壓力表21.2、梭閥22、油箱23、第一分油閥塊24、第二分油 閥塊25、第一變量馬達控制單元T1、第二變量馬達控制單元T2、第三變量馬 達控制單元T3、第n變量馬達控制單元Tn;第一電機4通過第一聯軸器5與雙 向變量泵6剛性連接，雙向變量泵6的吸油口與帶油訊發生裝置的吸油口過濾
6器9連通，變量泵6的出油口與帶有油訊發生裝置的出油口過濾器10進油口連 接，出油口過濾器10出油口與主油路連接，二位四通插裝閥16的進油口、第 二單向閥13.2、分油閥塊24、第一安全閥20.1—端、第二安全閥20.2 —端、 第一壓力表21.1、梭閥22的一端和第一分油閥塊24的一端與主油路連接，第 二壓力表21.2、第一安全閥20.1另一端、第二安全閥20.2的另一端、梭閥22 的另一端和第二分油閥塊24的一端與主回油路連接，蓄能器14和二位四通插 裝閥16的A 口相連；蓄能器15和二位四通插裝閥16的B 口相連，第一分油閥 塊24分別接通第一變量馬達控制單元Tl的一端、第二變量馬達控制單元T2的 一端、第三變量馬達控制單元T3的一端、第n變量馬達控制單元Tn的一端； 第二分油閥塊25分別接通第一變量馬達控制單元T1的另一端、第二變量馬達 控制單元T2的另一端、第三變量馬達控制單元T3的另一端、第n變量馬達控 制單元Tn的另一端，定量泵3通過第二聯軸器2和第二電機1剛性連接，定量 泵3的吸油口和吸油口過濾器7連接，定量泵3的排油口分別與出油口過濾器8 和二位三通換向閥11連接；二位三通換向閥閥11的A、 B油口分別和比例溢 流閥12和油箱23連接；比例溢流閥12出油口和油箱23連通。
如圖2所示，變量馬達控制單元包括第四單向閥13.4、雙向變量馬達17、 二位三通插裝閥18、蓄能器19、 二位二通閥26、節流閥27，變量馬達17的進 油口同二位三通插裝閥18.1的B 口連接、變量馬達17的出油口同二位三通插裝 閥18.1的A 口連接，蓄能器19經二位二通閥26、節流閥27與二位三通插裝閥 18的P 口連接，雙向變量馬達17的出油口與分油閥塊25連接，第四單向閥13.4 的一端與蓄能器19連接，第四單向閥13.4的另一端同第三單向閥13.3連接。
本實用新型的工作原理如下-
第一電機得電啟動，驅動雙向變量泵轉動，變量泵的吸油口從油箱中吸油， 變量泵排出的壓力油通過出油口過濾器送到恒壓管路中，同時有一部分油液分 別進入第一安全閥、第二安全閥、梭閥和二位四通插裝閥的進油口P。梭閥是把 變量泵兩端的高壓油引入到變量泵控制口來控制排量，第一安全閥、第二安全 閥是用來保證液壓油在正反向流動時候，保證刀盤系統壓力過高時來限制最高 的壓力即從高壓油端進入低壓油端。定量泵系統主要是為了及時向系統內補充 油液來補償泄漏。比例溢流閥用來保證壓力的無級調節，使得定量泵提供的油 液壓力同系統相一致。第一單向閥是為了避免油液回流到定量泵和沖破過濾器 的濾芯；第二單向閥、第三單向閥主要是為了避免蓄能器里的油液回流到變量 泵和沖破過濾器的濾芯。刀盤變量馬達控制系統共分為n組，圓周對稱分布，每組均由變量馬達、第四單向閥、二位二通閥、節流閥、蓄能器、二位三通插 裝閥組成。變量馬達控制單元中加入蓄能器用以吸收脈動，作為輔助能源用以 脫困，起到輔助系統模式快速切換的目的。定量泵系統根據系統的要求來及時 向系統補油以補償泄漏和滿足蓄能器的要求。輸出速度可以通過改變變量馬達 和變量泵的排量來控制，系統壓力根據負載來決定。由于n組變量馬達的控制
方式相同，在此以第一組為例說明其工作原理。
由于盾構的工作地質環境是復雜多變的，所以我們分別以沙質地層，粘性 土，硬巖地層等復合地質條件下來分析該系統原理。
首先第二電機啟動，通過第二聯軸器帶動定量泵啟動，定量泵的出油口通 過出油口過濾器進入閉式油路從而向閉式油路供油以補償泄漏，同時一部分向 蓄能器供油，蓄能器內安裝有壓力表以及時觀測壓力值的大小，第四單向閥是 為了避免蓄能器里的油液回流到定量泵中，二位二通閥可以通過控制其得電和 失電來保證定量泵單獨向蓄能器供油，二位三通換向閥分別連接油箱和比例溢 流閥，當二位三通換向閥得電時候，其工作在右位，這時候定量泵卸荷，即系 統不需要補油時候，以減小系統發熱損失。當二位三通閥失電的時候定量泵出 口端的壓力通過比例溢流閥來確定，該比例溢流閥根據系統的要求來自動設定 溢流壓力。
當雙向變量泵正轉時候，油液順時針流動，二位四通插裝閥里的二位四通 閥在彈簧力的作用下工作在左位，這時候系統里的高壓端和高壓蓄能器連接， 變量泵的吸油口同低壓蓄能器連接，這兩個蓄能器采用囊式蓄能器，容積較小， 主要是吸收各個封閉容腔內的沖擊震動。當泵反轉時候，即刀盤反轉的時候， 變量泵的吸油區和排油區互換，二位三通插裝閥內的二位四通閥的電磁鐵得電 克服彈簧力工作在右位，變量泵的吸油區和低壓蓄能器連接，排油區和高壓蓄 能器連接。
當盾構機在沙質地層工作的時候，第一電機通過第一聯軸器帶動雙向變量 泵順時針運動，變量馬達也工作在順時針運動，這時候盾構刀盤正轉向前運動。 在沙質地層中由于含水量比較低，故其土質粘性比較低，同時運動對周圍土體 擾動較大，這種工況下刀盤所受扭矩比較低，同時轉速中等，這時候通過控制 變量泵和雙向變量馬達的排量來控制轉速，這時刀盤順時針轉動，二位三通插 裝閥里二位四通閥在彈簧力的作用下工作在左位，二位二通閥得電，這時候蓄 能器經二位二通閥和節流閥連接后與變量馬達的進油區相連，起到吸收震動的 作用，當轉速方向變化時候，二位三通插裝閥內的二位四通閥得電，使得二位
8四通閥工作在右位，使得蓄能器仍和變量馬達的進油口相連，因此可以控制二 位三通插裝閥內的二位四通閥來使蓄能器始終和變量馬達的進油口相連。
當預先要知道進入硬巖區時候，二位二通閥失電，定量泵預先向蓄能器供 油，壓力達到一定值的時候保壓。進入硬巖區時候，轉速提高，推進位移減小， 扭矩減小，由于容積調速反應慢和滯后現象比較嚴重，這時候，通過調節二位 二通閥使之得電，這時候蓄能器開始向變量馬達供油，充當輔助能源，在變量 泵變量馬達未響應前或是未切換到理想狀態時候，先給它提供輔助能源，增加 流量和輔助力，這時候速度增加，幫助系統盡快的提高切換速度，節流閥在這 時候充當液阻的作用，使得變化過程比較平穩，避免沖擊，從而提高響應，當 變量泵和馬達調整好以后，該狀態穩定。
同時在刀盤受困時候，傳統的刀盤都采用功率限制閥，避免功率升高，從 而限制了功率的進步提高，但我們可以采用以蓄能器作為輔助能源的方法來輔 助刀盤系統脫困。通過向蓄能器內供油，當刀盤受困時候，二位二通閥得電， 蓄能器通過二位二通閥、節流閥來推動變量馬達運轉，從一定程度上提高了輸 入功率，提高轉速和壓力，輔助系統脫困，但沒有增加系統的裝機功率，從一 定程度上反應了節能的思想。
當盾構刀盤工作在粘土層時候，該地層的工作特點是轉速較低，扭矩較大， 而且刀盤的轉動對周圍土體擾動比較大，當從硬巖工作轉到粘土層工作時候， 要降低刀盤的轉速，但考慮到泵控馬達容積調速存在一定的滯后性和響應慢的 缺點，我們提出一種新思路。為了降低轉速，提高響應的快速性，可以把蓄能 器當作輔助制動裝置，促進馬達的轉速降低，而后再通過變量泵和變量馬達的 排量改變來變速。即當刀盤正轉時候，油液順時針流動時候，二位三通插裝閥 內的二位四通閥得電，蓄能器經二位二通閥和節流閥，最后和變量馬達的排油 區相連。節流閥在這里充當著液阻的作用，穩定流量緩和沖擊，避免流量沖擊 大，這時候蓄能器向變量馬達排油區供油，起到制動作用，阻礙了變量馬達轉 動，輔助起到降速的作用，同時調節變量泵和變量馬達的排量來改變流量和轉 速，當轉速和壓力恢復正常以后，二位三通插裝閥里的二位四通閥失電，在彈 簧的作用下工作在左位，使得蓄能器和變量馬達的進油區相連，同樣，當刀盤 轉速方向發生變化的時候，通過調整二位三通插裝閥里的二位四通閥來使得蓄 能器的出口始終和變量馬達的進油口相連。
梭閥的作用主要是為了提取進油路和回油路的高壓油來調節變量泵的排 量，實現負載敏感和恒壓控制。第二單向閥和第三單向閥起到防止油液倒流同 時起到防吸空作用。
權利要求1、一種采用成組蓄能器變量泵控制變量馬達的盾構刀盤驅動液壓節能系統，其特征在于包括第二電機(1)、第二聯軸器(2)、定量泵(3)、第一電機(4)、第一聯軸器(5)、雙向變量泵(6)、吸油口過濾器(7)、出油口過濾器(8)、帶油訊發生裝置的進油口過濾器(9)、帶油訊發生裝置的出油口過濾器(10)、二位三通換向閥(11)、比例溢流閥(12)、第一單向閥(13.1)、第二單向閥(13.2)、第三單向閥(13.3)、低壓蓄能器(14)、高低壓蓄能器(15)、二位四通插裝閥(16)、第一安全閥(20.1)、第二安全閥(20.2)、第一壓力表(21.1)、第二壓力表(21.2)、梭閥(22)、油箱(23)、第一分油閥塊(24)、第二分油閥塊(25)、第一變量馬達控制單元(T1)、第二變量馬達控制單元(T2)、第三變量馬達控制單元(T3)、第n變量馬達控制單元(Tn)；第一電機(4)通過第一聯軸器(5)與雙向變量泵(6)剛性連接，雙向變量泵(6)的吸油口與帶油訊發生裝置的吸油口過濾器(9)連通，變量泵(6)的出油口與帶有油訊發生裝置的出油口過濾器(10)進油口連接，出油口過濾器(10)出油口與主油路連接，二位四通插裝閥(16)的進油口、第二單向閥(13.2)、分油閥塊(24)、第一安全閥(20.1)一端、第二安全閥(20.2)一端、第一壓力表(21.1)、梭閥(22)的一端和第一分油閥塊(24)的一端與主油路連接，第二壓力表(21.2)、第一安全閥(20.1)另一端、第二安全閥(20.2)的另一端、梭閥(22)的另一端和第二分油閥塊(24)的一端與主回油路連接，蓄能器(14)和二位四通插裝閥(16)的A口相連；蓄能器(15)和二位四通插裝閥(16)的B口相連，第一分油閥塊(24)分別接通第一變量馬達控制單元(T1)的一端、第二變量馬達控制單元(T2)的一端、第三變量馬達控制單元(T3)的一端、第n變量馬達控制單元(Tn)的一端；第二分油閥塊(25)分別接通第一變量馬達控制單元(T1)的另一端、第二變量馬達控制單元(T2)的另一端、第三變量馬達控制單元(T3)的另一端、第n變量馬達控制單元(Tn)的另一端，定量泵(3)通過第二聯軸器(2)和第二電機(1)剛性連接，定量泵(3)的吸油口和吸油口過濾器(7)連接，定量泵(3)的排油口分別與出油口過濾器(8)和二位三通換向閥(11)連接；二位三通換向閥閥(11)的A、B油口分別和比例溢流閥(12)和油箱(23)連接；比例溢流閥(12)出油口和油箱(23)連通。
2. 根據權利要求1所述的一種采用成組蓄能器變量泵控制變量馬達的盾構 刀盤驅動液壓節能系統，其特征在于所述的變量馬達控制單元包括第四單向閥(13.4)、雙向變量馬達(17)、 二位三通插裝閥(18)、蓄能器(19)、 二位二通閥(26)、節流閥(27)，變量馬達(17)的進油口同二位三通插裝閥(18.1)的 B口連接、變量馬達(17)的出油口同二位三通插裝閥(18.1)的A口連接，蓄 能器(19)經二位二通閥(26)、節流閥(27)與二位三通插裝閥(18)的P口 連接，雙向變量馬達(17)的出油口與分油闊塊(25)連接，第四單向閥(13.4) 的一端與蓄能器(19)連接，第四單向閥(13.4)的另一端同第三單向閥(13.3) 連接。
專利摘要本實用新型公開了一種采用成組蓄能器控制的盾構刀盤液壓節能控制系統。包括由第一電機通過第一聯軸器與雙向變量泵連接組成的變量泵系統，雙向變量馬達兩端同二位三通插裝閥的A、B連接和由蓄能器經二位二通閥、節流閥和二位三通插裝閥的p口和第四單向閥連接組成的變量馬達控制單元，定量泵通過第二聯軸器和第二電機連接組成的定量泵系統。本實用新型主油路采用的是變量泵控制多組變量馬達的控制系統，泵控馬達閉式系統減少了溢流損失和節流損失，提高了系統的效率；通過成組蓄能器的設置以提高系統的速度響應，吸收油液的沖擊震動，在刀盤受困時候提供備用的流量和壓力能量用于脫困，減小了系統的裝機功率。
文檔編號F15B11/02GK201407049SQ200920120110
公開日2010年2月17日 申請日期2009年5月18日 優先權日2009年5月18日
發明者峰 劉, 周如林, 虎 施, 朱北斗, 龔國芳 申請人:浙江大學