一种用于盾构机的慢速推进液压系统及盾构机

技术领域

本发明属于盾构机技术领域，具体涉及一种慢速推进液压系统及盾构机。

背景技术

盾构机推进液压系统在盾构机掘进过程中有着极其重要的作用，其持续性和稳定性等对盾构机的掘进速度、掘进效率有着极为重要的影响，是盾构机能够按照设定线路准确推进的关键所在。盾构机推进系统具有大功率、变负载、安装空间小等特点。盾构机在掘进时，地质情况往往比较复杂，盾构机盾体受到地层的阻力不同，容易使盾构机的掘进方向发生偏离，同时在进行曲线推进时，需要盾构机盾体实现前倾、后仰、左右摆动或者复合方向上的姿态调整，可能无法按指定线路前进，这时就需要精准控制推进液压缸来纠偏，在盾构机掘进过程中，推进液压系统的作用有以下两点：1）推进模式下，提供盾构机前进的动力以及盾构机姿态调整的扭转力矩，在盾构施工中，隧道轴线与设计轴线的偏差量是衡量盾构施工质量的一个重要标准，因此为达到施工要求，推进液压系统采用分区控制，合理调节推进液压系统各个分区的推进压力可以得到所需扭转力矩，从而完成盾构机姿态的调整；2）拼装模式下，盾构机完成一段掘进后，实现管片的拼装成环，这时推进油缸可以保持管片的定位，防止管片掉落，同时克服推进面的水土压力，防止盾构机后退。

在现有软土刀盘EPB盾构机中，推进液压系统由液压泵站，调速、调压机构，换向控制阀组及推进油缸组成，其配备的32根油缸分16组均布的安装在盾构中体内圆壁上，并分为上、下、左、右四个可调整液压压力的区域，为盾构机的前进提供推进力、推进速度，通过调整四个区域的压力差来实现盾构机的转弯调向及纠偏功能。其中推进系统的液压泵站是由一恒压变量泵组成，功率为75KW，恒压变量泵为盾构机的前进提供恒定的动力。恒压泵的压力可通过油泵上的电液比例溢流阀调整，流量在0-qmax范围内变化时，调整后的泵供油压力保持恒定。恒压式变量泵常用于阀控系统的恒压油源以避免溢流损失。由恒压变量泵输出的高压油分别送达A、B、C、D四组并联的推进方向控制阀组，经过阀组的流量、压力调整和换向后再去控制推进油缸，从而使推进油缸的推进速度、推力大小及方向得到一定的控制。

但是这种设计方式在遇到前方有固定桩或者遍布岩石的时候不易控制好盾构机的掘进速度以及掘进姿态，因为其推进系统配备的动力单元是变量泵，盾构机在施工时，切削固定桩或者岩石的过程中，盾构机刀盘的前进推力主要依赖于此变量泵，由于变量泵输出流量的不稳定，导致刀盘向前推进的磨桩速度也不稳定，如果盾构机磨桩速度过快则会导致盾构机刀盘受损，减少刀盘的使用寿命，因此极大增加了盾构司机的操作难度。基于以上原因，有必要发明一种可以解决上述问题的具有磨桩功能的慢速推进液压系统，以实现盾构机在磨桩时既能够达到一个可控的掘进速度，同时也可以保护刀盘本体不受磨损或磨损量在一个可控的水平。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于盾构机的慢速推进液压系统及盾构机，能够有效减少盾构机因推进速度过快而造成刀盘的损坏。

本发明是这样实现的：一种用于盾构机的慢速推进液压系统，包括变量泵系统、过滤器、调速阀、换向阀I、油缸、慢速推进泵、流量控制阀、单向阀I、插装阀I、插装阀II、溢流阀I和换向阀II；

所述变量泵系统、过滤器、调速阀和换向阀I依次连接，所述换向阀I与所述油缸连接，所述油缸的无杆腔引出一路回油油路I与油路连接，所述插装阀II连接在所述回油油路I上，所述换向阀II与所述插装阀II的阀前油路和控制油路连接，并控制所述插装阀II启闭；

所述换向阀I控制所述油缸的无杆腔和有杆腔的进、出油方向；所述换向阀I连接油箱；

所述慢速推进泵与所述变量泵系统并连，两者的出油口之间连接有流量控制阀、插装阀I和溢流阀I，所述溢流阀I控制所述插装阀I启闭。

进一步地，所述变量泵系统包括变量泵、斜盘油缸、换向阀III和溢流阀II；所述斜盘油缸与所述变量泵连接，并控制所述变量泵的斜盘斜度，所述换向阀III与所述斜盘油缸连接，并控制所述斜盘油缸的有杆腔和无杆腔的进、出油方向，所述溢流阀II与所述换向阀III连接。

进一步地，还包括单向阀I，所述单向阀I连接在所述换向阀I与所述油缸的无杆腔之间的油路上。

进一步地，还包括卸荷阀和溢流阀III，所述卸荷阀和溢流阀III并连在所述油缸的无杆腔和油箱之间的油路上。

进一步地，还包括单向阀II，所述单向阀II连接在所述慢速推进泵与所述过滤器之间的油路上。

进一步地，还包括溢流阀IV、换向阀IV和插装阀III；所述插装阀III并连在所述过滤器和调速阀的油路上，所述调速阀的阀后油路引出一支回油油路II连接油箱，所述溢流阀IV连接在所述回油油路II中，所述换向阀IV与所述过滤器的阀前油路、回油油路II和插装阀III的控制油路连接。

本发明还提供了一种盾构机，包括液压控制系统，所述液压控制系统为上述一种慢速推进液压系统。

本发明带来的有益效果是：能够有效减少盾构机因推进速度过快而造成刀盘的损坏同时也可以将正常掘进的控制系统与磨桩所需的控制系统区别开，在盾构机进行磨桩时可以暂停使用原有的工作模式，转而使用慢速推进模块；这样可有效降低盾构机的使用功率，减少盾构机的非必要损耗，增加系统的使用寿命，同时因为新系统的存在而有效的保护了刀盘本体，减小了盾构司机的操作难度，提高掘进效率。

附图说明

图1为本发明中一个优选实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种用于盾构机的慢速推进液压系统，包括变量泵系统、单向阀I17、单向阀II23、过滤器9、调速阀10、换向阀I12、油缸I15、油缸II16、慢速推进泵1、流量控制阀8、单向阀I24、插装阀I3、插装阀II11、溢流阀I2、溢流阀II6、换向阀II18、卸荷阀14、溢流阀III13、溢流阀IV19、换向阀III7、换向阀IV20和插装阀III21。

变量泵系统、过滤器9、调速阀10和换向阀I12依次连接，换向阀I12分别与油缸I15和油缸II16连接，油缸I15和油缸II16的无杆腔引出一路回油油路I与油路连接，插装阀II11连接在回油油路I上，换向阀II18与插装阀II11的阀前油路和控制油路连接，并控制插装阀II11启闭。换向阀I12控制油缸I15和油缸II16的无杆腔和有杆腔的进、出油方向；换向阀I12连接油箱。卸荷阀14和溢流阀III13并连在油缸I15和油缸II16的无杆腔和油箱之间的油路上。

慢速推进泵1与变量泵系统并连，两者的出油口之间连接有流量控制阀8、插装阀I3和溢流阀I2，溢流阀I2控制插装阀I3启闭。单向阀I17连接在换向阀I12与油缸I15和油缸II16的无杆腔之间的油路上。

变量泵系统包括变量泵4、斜盘油缸5、换向阀III7和溢流阀II6。斜盘油缸5与变量泵4连接，并控制变量泵4的斜盘斜度，换向阀III7为伺服换向阀，其与斜盘油缸5连接，并控制斜盘油缸5的有杆腔和无杆腔的进、出油方向，从而实现斜盘油缸5的伸缩。溢流阀II6与换向阀III7连接。单向阀II23连接在慢速推进泵1与过滤器9之间的油路上。

插装阀III21并连在过滤器9和调速阀10的油路上，调速阀10的阀后油路引出一支回油油路II连接油箱，溢流阀IV19连接在回油油路II中，换向阀IV20与过滤器9的阀前油路、回油油路II和插装阀III21的控制油路连接。

慢速推进泵1为定量泵，溢流阀II6和溢流阀IV19均为比例溢流阀，流量控制阀8为比例流量控制阀，换向阀I12为三位四通换向阀，换向阀II18、换向阀III7和换向阀IV20均为二位三通换向阀。

油缸I15和油缸II16的无杆腔缸径为220mm，有杆腔杆径为180mm，油缸行程为2200mm，在磨桩的情况下要求盾构机以5-10mm左右的速度前进，因此盾构机在磨桩时推进速度设定为5-10mm。

相应部件根据如下流量计算过程确定具体选型：

无杆腔面积：

A1=

式中，A1为无杆腔面积，单位为

有杆腔面积：

A2=

式中A2为无杆腔面积，单位为

因此在推进模式下：

推进速度为5mm/min时，需要流量

式中，

推进速度为10mm/min时，需要流量

式中，

经过计算得知掘进模式下，推进速度为5mm/min时系统需要提供6.08L流量，推进速度为10 mm/min时系统需要提供12.16L流量。同时在掘进模式下系统的压力能达到350Bar，因此系统所需的功率N如下：

N=

式中N为慢速推进系统所需的功率，单位为KW；P为推进模式下的工作压力，单位为Bar；Q为推进模式下的系统流量，单位为L/min。

经计算，盾构机在掘进速度为5-10mm/min时系统所需的额定功率为8.6928KW，最大功率为自身额定功率的1.2倍，因此最大功率为10.43136KW。根据这种情况，本发明的系统需选用11KW电机，作为高效异步电机，保证慢速推进泵1的运行可靠性和安全性。

参考目前主流的液压产品供应商博世力士乐的样本资料，慢速推进泵1选用一种內啮合定排量的齿轮泵来作为本发明的动力单元，该泵型号为PGH3-2X/011RE07VU2，其主要特征为定排量，工作噪音低，流量脉动低，由于该泵的密封间隙补偿，即使在低转速和低粘度油液时也有很高的效率，同时该泵适用于宽广的粘度和转速范围，可承载350Bar的工作压力并输出15L/min的流量。

同时在管路上需配备有流量控制阀8，同样参考博世力士乐的样本资料，选用了2FRE10-4X16LBK4M的比例流量控制阀，该比例流量控制阀具有二通功能，能按照提供的电信号值输出对压力和温度有很大程度补偿的相应流量，可以通过电位器来调节流量，在本发明系统中将其最大通过流量设定为16L/min即可满足设计要求。工作时，将其最大通过流量设定为16L/min。

本发明还提供了一种盾构机，包括上述一种慢速推进液压系统。

工作原理及过程：

盾构机在正常掘进模式下，换向阀II18得电，插装阀II11处于导通状态。此时，在变量泵4的作用下，液压油依次经过过滤器9和调速阀10后来到换向阀I12，此时换向阀I12左侧得电而处于左位时，液压油分别进入油缸I15和油缸II16的有杆腔中，驱动两者的活塞杆收缩。油缸I15和油缸II16的无杆腔的液压油通过插装阀II11回到油箱。换向阀II18失电，插装阀II11处于关闭状态，换向阀I12右侧得电而处于右位时，液压油分别进入油缸I15和油缸II16的无杆腔中，驱动两者的活塞杆伸出。油缸I15和油缸II16的无杆腔的液压油通过换向阀I12回到油箱。

盾构机在拼装模式下，换向阀IV20得电，插装阀III21处于导通状态，换向阀II18得电，插装阀II11处于导通状态。此时，在变量泵4的作用下，液压油依次经过插装阀III21来到换向阀I12，此时换向阀I12左侧得电而处于左位时，液压油分别进入油缸I15和油缸II16的有杆腔中，驱动两者的活塞杆收缩。油缸I15和油缸II16的无杆腔的液压油通过插装阀II11回到油箱。换向阀II18失电，插装阀II11处于关闭状态，换向阀I12右侧得电而处于右位时，液压油分别进入油缸I15和油缸II16的无杆腔中，驱动两者的活塞杆伸出。油缸I15和油缸II16的无杆腔的液压油通过换向阀I12回到油箱。

盾构机在慢速推进模式下，慢速推进泵1的作用下，液压油依次经过单向阀II23、过滤器9和调速阀10后来到换向阀I12，然后到达油缸I15和油缸II16。该模式下，盾构机可以很平稳的进入磨桩模式，极大降低了盾构司机的操作难度，如此盾构机得以更加平稳的掘进。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。