一种TBM混合驱动式刀盘的能量回馈系统

摘要

本发明公开了一种TBM混合驱动式刀盘的能量回馈系统。包括开关阀、第一梭阀和能量回馈油路，开关阀的一个工作油口和第一梭阀的一个工作油口均连接到第一液压马达的一油口，开关阀的另一个工作油口和第一梭阀的另一个工作油口均连接到第一液压马达的另一油口，能量回馈油路连接到第一液压马达的一油口和另一油口之间，从而构成类似容积调速型液压系统，第一梭阀的高压油口与开关阀的控制油口相连。本发明实现了驱动回路和能量回馈回路在正常掘进过程中的在线可靠切换，提高了驱动性能和液压回路安全性，以适应TBM施工的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于TBM的油路系统，尤其涉及一种TBM混合驱动式刀盘的能量回馈系统。

背景技术

TBM混合驱动式刀盘通常使用变频电机和液压马达作为驱动源，变频电机额定转速下效率较高但低转速工作条件下效率低下，且功率密度和额定扭矩均远小于同功率的液压马达。液压马达可在低速工况下产生较大的扭矩，但其效率较低。故为了发挥两种驱动源的长处，正常掘进情况下使用单一变频电机作为驱动源，在遭遇复杂地质需较大驱动力矩时，使用变频电机和液压马达双驱动源联合驱动进行刀盘脱困。在正常掘进中，为了适应地质变化以达到最佳破岩效率，刀盘转速需实时进行调节。

发明内容

为了达到实现TBM混合驱动式刀盘在正常掘进过程中的能量回馈和改善TBM混合驱动式刀盘液压驱动部分的驱动性能这两个目的，同时兼顾可靠性和安全性的设计准则。本发明的目的在于提出了一种TBM混合驱动式刀盘的能量回馈系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明包括液粘调速离合器、第一液压马达、第一安全阀、第二安全阀、冲洗阀和溢流阀，液粘调速离合器通过花键轴与第一液压马达的轴连接，第一液压马达的一油口分别与第一安全阀的进油口、第二安全阀的出油口、冲洗阀的正向液压控制油口和冲洗阀的P口相连，第一液压马达的另一油口分别与第一安全阀的出油口、第二安全阀的进油口、冲洗阀的反向液压控制油口、冲洗阀的T口相连，冲洗阀的A口所流出的液压油液经由溢流阀回到油箱。

还包括开关阀、第一梭阀和能量回馈油路，开关阀的一个工作油口和第一梭阀的一个工作油口均连接到第一液压马达的一油口，开关阀的另一个工作油口和第一梭阀的另一个工作油口均连接到第一液压马达的另一油口，能量回馈油路连接到第一液压马达的一油口和另一油口之间，从而构成类似容积调速型液压系统，第一梭阀的高压油口与开关阀的控制油口相连。

所述的能量回馈油路包括第二液压马达、第一电磁开关阀、发电机、第二电磁开关阀、第二梭阀、变频电机、液压泵、蓄能器、补油泵、油箱、第一单向阀和第二单向阀；第一电磁开关阀的A口连接到第一液压马达的一油口，第二电磁开关阀的A口连接到第一液压马达的另一油口；第一电磁开关阀的P口连接至第二液压马达的一油口，第二电磁开关阀的P口连接至第二液压马达的另一油口，第二液压马达的轴经花键轴与发电机机械连接；第一电磁开关阀的T口分别与第二梭阀的一工作油口、液压泵的一工作油口和第一单向阀的出油口相连，第二电磁开关阀的T口分别与第二梭阀的另一工作油口、液压泵的另一工作油口和第二单向阀的出油口相连，第二梭阀的高压出口所流出的液压油分为两路，分别连接到第一、第二电磁开关阀的控制油口；补油泵进油口连接至油箱，出油口分别与蓄能器、第一单向阀的进油口、第二单向阀的进油口相连；补油泵和液压泵之间通轴驱动连接，液压泵的轴通过花键轴与变频电机机械连接。

开关阀经由第一梭阀选择第一液压马达高压侧压力进入开关阀的控制油口，以机械方式控制开关阀在第一液压马达进行制动到停止这段工作时间内打开，使得两侧连通进行泄压，从而避免因马达停止后液压管路中的剩余压差导致第一液压马达反向旋转。

通过第二梭阀选择液压泵两侧的高压侧压力同时输入第一电磁开关阀和第二电磁开关阀的控制油口，推动电磁开关阀的阀芯移动，使得第一电磁开关阀和第二电磁开关阀同时切换，保证能量回馈油路驱动回路的连通，实现能量回馈。

本发明系统采用电磁开关阀切换方式，配合液粘调速离合器的控制和机械梭阀的压力反馈，可实现驱动回路和能量回馈回路在正常掘进过程中的在线可靠切换。

现有技术中，开关阀处采用电比例阀，在第一液压马达进行制动到停止这段工作时间内，电液联合驱动时液压马达会产生回弹，造成了安全风险。而本发明在闭式回路中加装开关阀和梭阀，可有效避免在电液联合驱动时液压马达产生回弹，降低施工过程中的安全风险。设计补油泵后蓄能器以进一步提高驱动性能和液压回路安全性，以适应TBM施工的需要。

针对TBM掘进过程中负载变化快，冲击负载相对较高的特殊工况，设计补油泵后蓄能器以防止正常电液联合驱动时液压闭式回路低压侧出现吸空现象。

本发明具有的有益效果是：

本发明在TBM混合驱动式刀盘在小负载条件下由单变频电机源提供驱动力矩以调节刀盘转速实时配合负载需要，此时通过液粘调速离合器控制液压系统与刀盘齿轮齿圈系统的接合程度和调节电磁开关阀，使刀盘在减速时液压系统处于能量回馈回路，能量能够回馈到电力系统当中同时提高刀盘系统的响应速度。

本发明在TBM混合驱动式刀盘在大负载条件下需要变频电机和液压马达联合驱动，此时同样通过调节液粘调速离合器和电磁开关阀可方便的转换为驱动回路以满足刀盘大驱动力矩的需要。

本发明同时由于引入开关阀、梭阀和补油泵出口蓄能器，可有效避免刀盘减速时液压马达回弹和因冲击负载导致的闭式系统低压侧吸空现象。液压系统设计实现安全可靠的模式切换，整个系统绝大多数液压阀均采用机械反馈方式实现，降低系统失效风险。

附图说明

图1是本发明的液压原理图。

图中：1，液粘调速离合器，2、第一液压马达，3、第一安全阀，4、第二安全阀，5、冲洗阀，6、溢流阀，7、开关阀，8、第一梭阀，9、第二液压马达，10、第一电磁开关阀，11、发电机，12、第二电磁开关阀，13、第二梭阀，14、变频电机，15、液压泵，16、蓄能器，17、补油泵，18、油箱，19、第一单向阀，20、第二单向阀。

图2是本发明处于驱动状态的液压油路状态图。

图3是本发明处于能量回馈状态的液压油路状态图。

图4是本发明的在防反弹原理工作时的液压油路状态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包括液粘调速离合器1、第一液压马达2、第一安全阀3、第二安全阀4、冲洗阀5、溢流阀6、开关阀7、第一梭阀8以及主要由第二液压马达9、第一电磁开关阀10、发电机11、第二电磁开关阀12、第二梭阀13、变频电机14、液压泵15、蓄能器16、补油泵17、油箱18、第一单向阀19和第二单向阀20构成的能量回馈油路。

液粘调速离合器1通过花键轴与第一液压马达2的轴连接，液粘调速离合器1通过联轴器与TBM的齿轮齿圈系统相连接，第一液压马达2的一油口2A分别与第一安全阀3的进油口、第二安全阀4的出油口、冲洗阀5的正向液压控制油口5M、冲洗阀5的P口、开关阀7的一个工作油口7A和第一梭阀8的一个工作油口8A和第一电磁开关阀10的A口相连，第一液压马达2的另一油口2B分别与第一安全阀3的出油口、第二安全阀4的进油口、冲洗阀5的反向液压控制油口5N、冲洗阀5的T口、开关阀7的另一个工作油口7B和第一梭阀8的另一个工作油口8B和第二电磁开关阀12的A口相连，冲洗阀5的A口所流出的液压油液经由溢流阀6回到油箱18；冲洗阀5的P口为正向工作油口，冲洗阀5的T口为反向工作油口，冲洗阀5的A口为输出油口。

能量回馈油路连接到第一液压马达2的一油口2A和另一油口2B之间，从而构成类似容积调速型液压系统，第一梭阀8的高压油口8C与开关阀7的控制油口7M相连。

如图1所示，能量回馈油路中，第一电磁开关阀10的P口连接至第二液压马达9的一油口9A，第二电磁开关阀12的P口连接至第二液压马达9的另一油口9B，第二液压马达9的轴经花键轴与发电机11机械连接；第一电磁开关阀10的T口分别与第二梭阀13的一工作油口13A、液压泵15的一工作油口15A和第一单向阀19的出油口相连，第二电磁开关阀12的T口分别与第二梭阀13的另一工作油口13B、液压泵15的另一工作油口15B和第二单向阀20的出油口相连，第二梭阀13的高压出口13C所流出的液压油分为两路，分别连接到第一、第二电磁开关阀10、12的控制油口10M、12M；补油泵17进油口连接至油箱17，出油口分别与蓄能器16、第一单向阀19的进油口、第二单向阀20的进油口相连；补油泵17和液压泵15之间通轴驱动连接，液压泵15的轴通过花键轴与变频电机14机械连接。

第一电磁开关阀10和第一电磁开关阀10的A口是位于一侧单独的一个工作油口，T口和P口是位于同一侧一起布置的两个工作油口。

由于开关阀7的油口7A与第一液压马达2的油口2A相连，开关阀7的油口7B与第一液压马达2的油口2B相连，使得开关阀7经由第一梭阀8选择第一液压马达2高压侧压力进入开关阀7的控制油口7M，以机械方式控制开关阀7在第一液压马达2进行制动到停止这段工作时间内打开，使得两侧连通进行泄压，从而避免因马达停止后液压管路中的剩余压差导致第一液压马达反向旋转。

通过第二梭阀13选择液压泵15两侧的高压侧压力同时输入第一电磁开关阀10和第二电磁开关阀12的控制油口10M、12M，推动电磁开关阀的阀芯移动，使得第一电磁开关阀10和第二电磁开关阀12同时切换，保证能量回馈油路驱动回路的连通，实现能量回馈。

本发明具体实施中，液粘调速离合器1、变频电机14、第一电磁开关阀10、第二电磁开关阀12均采用电控方式，而其他液压阀、泵和马达均采用机械控制方式。

本发明的工作过程原理如下：

齿轮齿圈系统直接与TBM刀盘刚性机械连接，液粘调速离合器1输入输出轴分别与齿轮齿圈系统和第一液压马达2刚性连接。由于液粘调速离合器1具有无级变速的特点，因此可通过控制液粘调速离合器1的接合实现液压系统模式切换从而避免模式切换时的突然换向导致的压力冲击(水击)对液压系统损害。

当TBM混合驱动式刀盘工作在小负载条件下时，为了达到最佳的驱动效率，此时选择单变频电机源作为TBM刀盘的力矩来源，液压系统不作为驱动源使用。为了在复杂地质条件下达到最佳破岩效率，TBM刀盘转速需要随着负载大小进行实时调节。通过液粘调速离合器1的接合状态控制，在刀盘进行减速时接入能量回馈回路，此时，第一电磁开关阀10得电，第二电磁开关阀12得电，此时变频电机14转速为0，液压泵15和补油泵17均不处于工作状态，导致液压泵进出口压力均为较小值，故对第一电磁开关阀10和第二电磁开关阀12的运行无影响。此时第一液压马达2工作在泵工况，通过液粘调速离合器1从齿轮齿圈系统获得驱动力矩，其泵送处的液压油液供给第二液压马达9进行旋转做功，通过发电机11将机械能转换为电能进行储存再利用。

当TBM混合驱动式刀盘工作在大负载条件下时，为了获得较大的驱动扭矩，此时选择变频电机与液压马达双驱动源联合驱动的方式为TBM刀盘提供驱动力矩。液压系统作为驱动源使用，此时第一电磁开关阀10不得电，第二电磁开关阀不得电，变频电机14按照刀盘系统的转速要求按照一定速度带动液压泵15和补油泵17旋转向闭式液压系统进行供油，第一液压马达2工作在马达工况，通过液粘调速离合器1向齿轮齿圈系统进行力矩输出。液压泵15出油口的高压经过第二梭阀13引入第一电磁开关阀10的控制油口10M和第二电磁开关阀12的控制油口12M，进一步推动开关阀阀芯向右移动，保证驱动回路的连通。

由于TBM刀盘的负载具有强振动、强冲击的特点，为了避免第一液压马达2在和变频电机联合驱动过程当中因冲击负载导致其转速瞬间降低，第一液压马达2高压侧压力瞬间升高，从第一液压马达2流出进入闭式液压系统低压侧的流量短时间减少导致液压泵15低压侧吸空，设计补油泵17出口蓄能器16作为后备补油源，同时设计第一单向阀19、第二单向阀20作为防吸空单向阀。

如图2和4所示，以处于驱动状态下的TBM混合驱动式刀盘的能量回馈系统为例，说明防反弹阀组的工作原理：在第一液压马达2进行制动到停止这段工作时间内，闭式液压回路高压侧压力逐渐下降，高压侧和低压侧压力差逐渐降低，第一梭阀8将高压侧的压力引入开关阀7的控制油口7M以机械方式控制开关阀7的打开和关闭，随着高压侧压力的下降，开关阀7逐渐打开，使两侧连通进行泄压，从而避免因马达停止后液压管路中的剩余压差导致第一液压马达反向旋转。在第一液压马达2正常工作期间，高压侧油液将始终经由第一梭阀8保证开关阀7处于关闭状态。处于能量回馈状态的液压系统可照此同样进行分析，得到防反弹阀组可以有效避免液压管路残余压力导致的负载反向旋转的结论。

整个TBM混合驱动系统绝大多数采用纯机械式反馈和控制，以提高可靠性和安全性。同时设计第二梭阀13以确保闭式液压系统处于驱动状态时的可靠状态切换，其工作原理简述如下：如图2所示，在闭式液压系统处于驱动状态时，变频电机14带动液压泵15、补油泵17对系统进行供油，在液压泵15出油口处产生高压，第二梭阀13将此压力传递给第一电磁开关阀10的控制口10M和第二电磁开关阀12的控制口12M，推动阀芯向左移动使驱动回路部分连入闭式液压系统。即使电气控制系统出现失效或误操作，在液压泵15出油口高压的作用下，第一电磁开关阀10和第二电磁开关阀12均处于右位，从而保证系统状态可靠切换。

如图3所示，在闭式液压系统处于能量回馈状态时，变频电机14不工作，从而液压泵15两侧均为低压，使得第一电磁开关阀10、第二电磁开关阀12均可通过电磁力将阀芯推向右侧，使能量回馈回路部分连入闭式液压系统。在能量回馈状态下电气控制系统出现故障或误操作，液压油可通过闭式液压回路第一安全阀3或第二安全阀4进行卸荷。通过液压系统设计可以实现电气控制系统失效条件下的安全工作要求，提高系统可靠性和安全性。

考虑到系统发热使液压油液温度升高粘度降低，泄漏量和传动性能明显降低，在闭式回路系统设置冲洗阀5和补油泵17，以实现闭式液压回路持续换油，保证液压油温度始终处于正常使用温度范围内。由于液压传动系统阻尼较低，为了提高系统整体稳定性，在冲洗阀5后设置溢流阀6以使闭式液压系统具有一定背压，从而提高液压回路稳定性。

由此，本发明实现TBM混合驱动式刀盘的能量回馈和混合驱动时液压系统的性能提高。同时以安全性和可靠性为首要目标，设计冗余控制结构，实现故障条件下的安全工作。