TBM变转速变排量泵控电液推进系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种TBM变转速变排量泵控电液推进系统及控制方法。变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵作为控制系统的流量和压力输出，变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵经多个插装阀通断装置连接到TBM的推进液压缸组，插装阀通断装置用于控制油路的通断使油路中的油液改变流向，实现推进液压缸组的正常推进、差动快速推进、快速缩回和空载快速推进的四种状态。通过本发明使得TBM在软岩地段掘进和空载推进时，能使用差动快速推进功能来提高推进速度，节省工作时间，提高工作效率，提升系统效率。

说明书

技术领域

本发明涉及全断面硬岩隧道掘进机技术领域，具体地说，特别涉及一种TBM变转速变排量泵控电液推进系统及控制方法。

背景技术

全断面硬岩隧道掘进机(Full Face Hard Rock Tunnel Boring Machine，国内简称TBM)广泛应用于硬岩隧道建设工程中，是国家的基施建工程的刚需。

推进液压系统是提供给TBM向前掘进所需推力的主要系统，在TBM推进过程中，推进液压系统输出推力的大小和推进液压缸收缩速度的速度是TBM向前掘进快慢的重要影响因素。

现有的TBM推进液压系统只有一个推进过程，且驱动供油泵的电机使用异步电机，不能提供较高转速，供给较大的流量，且现有推进液压系统，能量浪费严重。

发明内容

为了解决背景技术中全断面硬岩隧道掘进机推进液压系统存在的问题，提出了一种TBM变转速变排量泵控电液推进系统及控制方法，系统中使用变频电机驱动变排量液压泵供给高压油源，并且使用差动方式使推进液压缸推进，能够提升TBM推进系统工作效率，减少系统能耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一、一种TBM变转速变排量泵控电液推进系统

本发明包括变频电机变排量液压泵、变频电机低压大排量液压泵、多个插装阀通断装置和安全阀，变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵作为控制系统的流量和压力输出，变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵经多个插装阀通断装置连接到TBM的推进液压缸组，变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵各自的输出端连接有安全阀；插装阀通断装置用于控制油路的通断使油路中的油液改变流向，实现推进液压缸组的正常推进、差动快速推进、快速缩回和空载快速推进的四种状态。

所述的变频电机变排量液压泵包括第二变频电机和变排量液压泵，第二变频电机驱动变排量液压泵向系统的推进液压缸组提供高压油源。

所述的变频电机低压大排量液压泵包括第一变频电机和低压大排量定量泵，第一变频电机驱动低压大排量定量泵向系统的推进液压缸组输出油液流量，在推进液压缸缩回时，输入到推进液压缸组中的油液增加，使推进液压缸快速缩回。

包括四个所述的插装阀通断装置，分别为第一插装阀通断装置、第二插装阀通断装置、第三插装阀通断装置和第四插装阀通断装置；第二插装阀通断装置安装在两个液压泵与推进液压缸组无杆腔之间的连接油路中，第三插装阀通断装置安装在两个液压泵与推进液压缸组有杆腔之间的连接油路中；第一插装阀通断装置一端连接于推进液压缸组无杆腔出油油路，另一端连接油箱；第四插装阀通断装置一端连接到推进液压缸组有杆腔出油油路，另一端连接油箱；

变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵输出端经各自的安全阀后再与第二插装阀通断装置和第三插装阀通断装置连接。安全阀其保护作用，限制泵出来的油压力不能过高，通常情况下，安全阀是关闭的，它有一个设定压力，一旦油液压力超出该设定压力，安全阀就会导通，油液就从安全阀留到油箱，此时压力开始下降，等到压力低于设定压力后，安全阀又关闭。

所述第一插装阀通断装置、第二插装阀通断装置、第三插装阀通断装置和第四插装阀通断装置内部油路结构均相同，均包括二位三通阀、梭阀和二通插装阀，二位三通阀的A口与二通插装阀的压力控制口连接，梭阀的两个输入口分别和二通插装阀两油路端口连接，梭阀的输出口与二位三通阀的P口连接，二位三通阀的T口连接油箱；

第一插装阀通断装置和第四插装阀通断装置内部油路结构中，二通插装阀一个油路端口与油箱连接，二通插装阀另一个油路端口与推进液压缸组无杆腔或者有杆腔连接；第二插装阀通断装置和第三插装阀通断装置内部油路结构中，二通插装阀一个油路端口与两个液压泵连接，二通插装阀另一个油路端口与推进液压缸组无杆腔或者有杆腔连接。

二、一种TBM变转速变排量泵控电液推进系统的控制方法：

采用上述装置通过插装阀通断装置控制油路的通断使油路中的油液改变流向，实现推进液压缸组的正常推进、差动快速推进、快速缩回和空载快速推进的四种状态。

通过插装阀通断装置控制实现推进液压缸组正常推进状态具体是：关闭变频电机低压大排量液压泵，打开变频电机变排量液压泵，调节第一插装阀通断装置和第三插装阀通断装置中的二位三通阀A口通P口，调节第二插装阀通断装置和第四插装阀通断装置中的二位三通阀A口通T口，此时第一插装阀通断装置和第三插装阀通断装置不通油液，第二插装阀通断装置和第四插装阀通断装置通油液，变频电机变排量液压泵输出高压油经过第二插装阀通断装置进入到推进液压缸组的无杆腔，使得推进液压缸组的液压缸活塞推出，实现正常推进，有杆腔的油液经第四插装阀通断装置流回油箱。

通过插装阀通断装置控制实现推进液压缸组差动快速推进状态具体是：关闭变频电机低压大排量液压泵，打开变频电机变排量液压泵，调节第一插装阀通断装置和第四插装阀通断装置中的二位三通阀A口通P口，调节第二插装阀通断装置和第三插装阀通断装置中的二位三通阀A口通T口，此时第一插装阀通断装置和第四插装阀通断装置不通油液，第二插装阀通断装置和第三插装阀通断装置通油液，推进液压缸组处于差动油路中，液压泵出来的油液和推进液压缸有杆腔流出的油液均进入推进液压缸组的无杆腔，使得推进液压缸组的液压缸活塞快速推出，实现差动快速推进功能。

通过插装阀通断装置控制实现推进液压缸组快速缩回状态具体是：打开变频电机低压大排量液压泵和变频电机变排量液压泵，调节第二插装阀通断装置和第四插装阀通断装置中的二位三通阀A口通P口，调节第一插装阀通断装置和第三插装阀通断装置中的二位三通阀A口通T口，此时第二插装阀通断装置和第四插装阀通断装置不通油液，第一插装阀通断装置和第三插装阀通断装置通油液，从变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵共同输出的大流量油液经过第三插装阀通断装置进入到推进液压缸组的有杆腔，使得推进液压缸组的液压缸活塞快速缩回，无杆腔的油液经第一插装阀通断装置流回油箱。

通过插装阀通断装置控制实现推进液压缸组空载快速推进状态具体是：打开变频电机低压大排量液压泵和变频电机变排量液压泵，调节第一插装阀通断装置和第四插装阀通断装置中的二位三通阀A口通P口，调节第二插装阀通断装置和第三插装阀通断装置中的二位三通阀A口通T口，此时第一插装阀通断装置和第四插装阀通断装置不通油液，第二插装阀通断装置和第三插装阀通断装置通油液，推进液压缸组处于差动油路中，液压泵出来的油液和推进液压缸有杆腔流出的油液均进入推进液压缸组的无杆腔，使得推进液压缸组的液压缸活塞快速推出，实现空载快速推进状态功能。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

本发明由于使用了多个插装阀通断装置相配合控制油路，使液压推进缸组可以正常推进和快速推进，这样当TBM掘进在软岩条件时，能够使用差动快速推进功能来增加推进速度，当TBM空载推进时，也能使用差动推进和大流量推进功能，从而节省工作时间，提高工作效率，减少了能耗。

相较于背景技术中使用的异步电机，变频电机可以提供可变的转速，并可与变排量液压泵进行配合，调节到使系统效率最高的状态，提升系统效率。

附图说明

图1是本发明系统的原理示意图。

图中：1、低压大排量液压泵，2、第一变频电机，3、单向阀，4、二位三通阀，5、梭阀，6、二通插装阀，7、推进液压缸组，8、第一安全阀，9、变排量液压泵，10、第二变频电机，11、第二安全阀；E1、第一插装阀通断装置，E2、第二插装阀通断装置，E3、第三插装阀通断装置，E4、第四插装阀通断装置，E5、变频电机变排量液压泵，E6，变频电机低压大排量液压泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括变频电机变排量液压泵E5，变频电机低压大排量液压泵E6，插装阀通断装置E1、E2、E3、E4，安全阀8和推进液压缸组7，变频电机变排量液压泵E5、变频电机低压大排量液压泵E6作为整个系统的流量和压力输出，四个插装阀通断装置E1、E2、E3、E4可切断油路，使油液改变流向，从而使系统工作在不同状态，安全阀8限定油路压力，推进液压缸组7实现推进和收缩。

变频电机变排量液压泵E5包括第二变频电机10和变排量液压泵9，第二变频电机10驱动变排量液压泵9向系统的推进液压缸组7提供高压油源，使推进液压缸组推进时获得高压，从而使TBM向前推进。

变频电机低压大排量液压泵E6包括第一变频电机2和低压大排量定量泵1，第一变频电机2驱动低压大排量定量泵1向系统的推进液压缸组7输出油液流量，在推进液压缸缩回时，输入到推进液压缸组7中的油液增加，使推进液压缸快速缩回。第一变频电机10根据实际情况调节转速，从而调节推进液压缸的缩回速度，第一变频电机10也可以换作异步电机，只是不能调节电机转速，从而输出流量固定，性能较差。

变排量液压泵9经第一安全阀8输出油液，低压大排量定量泵1依次经第二安全阀11和单向阀3后输出油液，安全阀包括一个溢流阀，连接在液压泵出油的油路上，可以控制油路的最高压力。

具体实施的插装阀通断装置包括一个二通插装阀、一个梭阀和一个二位三通阀，系统中插装阀通断装置共有4处，分别为第一插装阀通断装置E1，第二插装阀通断装置E2，第三插装阀通断装置E3和第四插装阀通断装置E4。第二插装阀通断装置E2安装在两个液压泵与推进液压缸组7无杆腔之间的连接油路中，第三插装阀通断装置E3安装在两个液压泵与推进液压缸组7有杆腔之间的连接油路中；第一插装阀通断装置E1一端连接于推进液压缸组7无杆腔出油油路，另一端连接油箱；第四插装阀通断装置E4一端连接到推进液压缸组7有杆腔出油油路，另一端连接油箱；第二插装阀通断装置E2和第三插装阀通断装置E3的连接点之前安装安全阀，变频电机变排量液压泵E5和变频电机低压大排量液压泵E6输出端经各自的安全阀8、11后再与第二插装阀通断装置E2和第三插装阀通断装置E3连接。

第二插装阀通断装置E2的二通插装阀一端连接液压泵出油和E2中的梭阀的P2口，另一端连接至推进液压缸的无杆腔和E2中的梭阀的P1口，二通插装阀的控制口C连接二位三通阀的A口，二位三通阀的P口连接梭阀的出油口SA，二位三通阀的T口连接油箱，当二位三通阀处于右位即A口连接T口至油箱，二通插装阀打开，第二插装阀通断装置E2通油，来自液压泵的油液通过第二插装阀通断装置E2进入推进液压缸的无杆腔，当二位三通阀处于左位即A口连接P口，二通插装阀关闭，油液不能通过第二插装阀通断装置E2。

第一插装阀通断装置E1的二通插装阀一端连接第二插装阀通断装置E2的出油油路和E1中的梭阀的P1口，另一端连接至油箱和E1中的梭阀的P2口，E1中的二通插装阀的控制口C连接E1中的二位三通阀的A口，二位三通阀的P口连接梭阀的出油口SA，二位三通阀的T口连接油箱，当E1中的二位三通阀处于右位即A口连接T口至油箱，二通插装阀打开，第一插装阀通断装置E1通油，推进液压缸无杆腔的油液通过第一插装阀通断装置E1进入油箱，当二位三通阀处于左位即A口连接P口，二通插装阀关闭，油液不能通过第一插装阀通断装置E1。

第三插装阀通断装置E3的二通插装阀一端连接推进液压缸的有杆腔和E3中的梭阀的P2口，另一端连接至液压泵出油油路和E3中的梭阀的P1口，E3中的二通插装阀的控制口C连接E3中的二位三通阀的A口，二位三通阀的P口连接梭阀的出油口SA，二位三通阀的T口连接油箱，当E3中的二位三通阀处于右位即A口连接T口至油箱，二通插装阀打开，第三插装阀通断装置E3通油，当二位三通阀处于左位即A口连接P口，二通插装阀关闭，油液不能通过第三插装阀通断装置E3。

第四插装阀通断装置E4的二通插装阀一端连接推进液压缸的有杆腔和E4中的梭阀的P1口，另一端连接至油箱和E4中的梭阀的P2口，E4中的二通插装阀的控制口C连接E4中的二位三通阀的A口，二位三通阀的P口连接梭阀的出油口SA，二位三通阀的T口连接油箱，当E4中的二位三通阀处于右位即A口连接T口至油箱，二通插装阀打开，第四插装阀通断装置E4通油，推进液压缸有杆腔的油液通过第四插装阀通断装置E4进入油箱，当二位三通阀处于左位即A口连接P口，二通插装阀关闭，油液不能通过第四插装阀通断装置E4。

如图1所示，本发明的工作过程如下：

推进液压缸组7由4个液压推进缸并联组成，4个推进液压缸共同控制，系统可控制实现推进液压缸组7的正常推进、差动快速推进、快速缩回和空载快速推进的功能；

系统实现推进液压缸组7正常推进功能，其实现过程如下：关闭变频电机低压大排量液压泵，打开变频电机变排量液压泵，调节第一插装阀通断装置E1和第三插装阀通断装置E3中的二位三通阀6A口通P口，即到图1中的左位，调节第二插装阀通断装置E2和第四插装阀通断装置E4中的二位三通阀A口通T口，即到图1中的右位；此时第一插装阀通断装置E1和第三插装阀通断装置E3不通油液，第二插装阀通断装置E2和第四插装阀通断装置E4通油液，变频电机变排量液压泵10输出高压油经过第二插装阀通断装置E2进入到推进液压缸组7的无杆腔，使得推进液压缸组7的液压缸活塞推出，实现正常推进，有杆腔的油液经第四插装阀通断装置E4流回油箱。

系统实现推进液压缸组7差动快速推进功能，其实现过程如下：

关闭变频电机低压大排量液压泵，打开变频电机变排量液压泵，调节第一插装阀通断装置E1和第四插装阀通断装置E4中的二位三通阀A口通P口，即到图1中的左位，调节第二插装阀通断装置E2和第三插装阀通断装置E3中的二位三通阀A口通T口，即到图1中的右位；此时第一插装阀通断装置E1和第四插装阀通断装置E4不通油液，第二插装阀通断装置E2和第三插装阀通断装置E3通油液，推进液压缸组7处于差动油路中，液压泵出来的油液和推进液压缸有杆腔流出的油液均进入推进液压缸组7的无杆腔，使得推进液压缸组7的液压缸活塞快速推出，实现差动快速推进功能。

系统实现推进液压缸组7快速缩回功能，其实现过程如下：

打开变频电机低压大排量液压泵和变频电机变排量液压泵，调节第二插装阀通断装置E2和第四插装阀通断装置E4中的二位三通阀A口通P口，即到图1中的左位，调节第一插装阀通断装置E1和第三插装阀通断装置E3中的二位三通阀A口通T口，即到图1中的右位；此时第二插装阀通断装置E2和第四插装阀通断装置E4不通油液，第一插装阀通断装置E1和第三插装阀通断装置E3通油液，从变频电机变排量液压泵和变频电机低压大排量液压泵共同输出的大流量油液经过第三插装阀通断装置E3进入到推进液压缸组7的有杆腔，使得推进液压缸组7的液压缸活塞快速缩回，无杆腔的油液经第一插装阀通断装置E1流回油箱。

系统实现推进液压缸组7空载快速推进功能，其实现过程如下：

打开变频电机低压大排量液压泵和变频电机变排量液压泵，调节第一插装阀通断装置E1和第四插装阀通断装置E4中的二位三通阀A口通P口，即到图1中的左位，调节第二插装阀通断装置E2和第三插装阀通断装置E3中的二位三通阀A口通T口，即到图1中的右位；此时第一插装阀通断装置E1和第四插装阀通断装置E4不通油液，第二插装阀通断装置E2和第三插装阀通断装置E3通油液，推进液压缸组7处于差动油路中，液压泵出来的油液和推进液压缸有杆腔流出的油液均进入推进液压缸组7的无杆腔，使得推进液压缸组7的液压缸活塞快速推出，实现空载快速推进状态功能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。