泥水盾构机四段分程调节空气保压装置

技术领域：

本发明涉及盾构机技术领域，特别涉及一种大型的泥水盾构机四段分程调节空气保压装置。

背景技术：

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。传统的小型(直径6.28m以下)土压盾构或泥水盾构保压系统采用DN80以下小口径调节阀进行气动控制调节空气保压。

大型盾构机(12m以上)，由于调压仓容积很大，必须用DN200阀门进行供气排气调节。

其缺点在于：1、由于阀门体积较大，管径也较大，受安装空间限制。2、大口径阀门进行调节控制，根据调节阀的流量特性，如果调压仓压力与设定压力接近，调节阀开度较小，对于大口径阀门，在小开度下工作，阀门容易喘振，调节性能差，不稳定。3、若调压仓压力与设定压力差值较大，大口径阀门开启，进气量或排气量也随之加大，尤其带压换刀，供气量大对带压进舱人员身体有所伤害，同时对前面掌子面泥膜影响很大。

发明内容：

有鉴于此，有必要提供一种泥水盾构机四段分程调节空气保压装置，该装置特别适用于12m以上的泥水平衡盾构机的空气保压。

一种泥水盾构机四段分程调节空气保压装置，包括第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、调压仓、第一主气路、第一压力变送器、第一过滤减压阀、第一控制仪和备用控制系统，第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀分别与调压仓连接，第一压力变送器和与调压仓连接，第一控制仪与第一压力变送器和第一过滤减压阀连接，第一主气路与第一过滤减压阀连接，第一过滤减压阀与第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀并联，第三控制阀和第四控制阀的排气口分别与第一消声器连接，备用控制系统与调压仓连接。

优选的，备用控制系统包括第二主气路、第二压力变送器、第二过滤减压阀、第二控制仪、第五控制阀、第六控制阀、第七控制阀和第八控制阀，第二主气路与第二过滤减压阀连接，第二过滤减压阀与第五控制阀、第六控制阀、第七控制阀和第八控制阀并联，第二压力变送器与调压仓连接，第二控制仪与第二压力变送器和第二过滤减压阀连接，第七控制阀和第八控制阀的排气口分别与第二消声器连接。

优选的，泥水盾构机四段分程调节空气保压装置还包括第一减压阀和第二减压阀，第一减压阀与第一过滤减压阀连接，第二减压阀与第二过滤减压阀连接。

优选的，第一主气路和第二主气路上配装压力表。

优选的，第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀、第六控制阀、第七控制阀和第八控制阀上分别安装第一定位器、第二定位器、第三定位器、第四定位器、第五定位器、第六定位器、第七定位器和第八定位器。

本发明提供一种大型泥水盾构机用四段分程控制空气保压装置，该装置为四段分程控制，可以克服大口径阀门流量大，流速快，难以控制的技术难题，容易实现保压系统灵敏结构，增强了保压系统的稳定畅通，特别是在大型泥水盾构机掘进或带压更换刀具时提高了盾构机保压系统的适用性。

在泥水盾构中，被潜水墙壁隔开的土仓和调压仓，通过潜水墙壁下部的开孔相通。膨润土泥浆和碴土混合成的悬浮液充满土仓，并充填调压仓的下部空间，而调压仓的上部空间则充满压缩空气。通过压缩空气来间接地自动调节土仓内悬浮液的压力，使之与开挖面的水土压力相平衡，从而实现支撑作用。压缩空气垫能够调节泥浆的平面高度，即使在发生漏水或水从开挖面进入的情况下，它起着一个吸振器的作用并最终可消除压力峰值。调压仓的压缩空气不断补偿悬浮液的波动，及时满足或补充掘进工作面对膨润土液的需求。这种调整可以达到比较精确的程度。能使泥水盾构工作面的泥水压力的波动范围控制在±0.1bar以内。如果平衡状态被打破，空气控制系统会自动迅速向土仓或调压仓内补充高压空气，或排出高压空气，保证压力的平衡状态。过压的高压空气通过安全阀或调节阀排出。

压力传感器安装在开挖舱，随时检测压力值。压力调节器比较测得值与设定值，然后控制进气阀修正支撑压力。如果开挖舱过压，则通过卸压阀卸压。调压系统精度为±0.1bar。

精确的工作面支撑压力调节是通过操作员控制泥浆循环系统的进、出量及独立气平衡系统来实现的。平衡系统包括两个压力调节阀，一个升压，另一个减压。同时，安装有两套调节系统，一套是工作系统，另一套是备用控制系统，一旦工作系统出现故障，备用控制系统马上可以启用。压缩空气调节系统是全气动操作装置。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为泥水盾构机四段分程调节空气保压装置的结构示意图；

图1中：第一控制阀1、第二控制阀2、第三控制阀3、第四控制阀4、调压仓5、第一主气路6、第一压力变送器7、第一过滤减压阀8、第一控制仪9、第一消声器10、第二主气路11、第二压力变送器12、第二过滤减压阀13、第二控制仪14、第五控制阀15、第六控制阀16、第七控制阀17、第八控制阀18、第二消声器19、第一减压阀20、第二减压阀21、压力表22、第一定位器23、第二定位器24、第三定位器25、第四定位器26、第五定位器27、第六定位器28、第七定位器29、第八定位器30。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

本发明提供了以下具体的实施例。

请参阅图1，泥水盾构机四段分程调节空气保压装置包括第一控制阀1、第二控制阀2、第三控制阀3、第四控制阀4、调压仓5、第一主气路6、第一压力变送器7、第一过滤减压阀8、第一控制仪9和备用控制系统。第一控制阀1、第二控制阀2、第三控制阀3和第四控制阀4分别与调压仓5连接，第一压力变送器7和与调压仓5连接，第一控制仪9与第一压力变送器7和第一减压阀20连接，第一主气路6与第一过滤减压阀8连接，第一过滤减压阀8与第一控制阀1和第二控制阀2连接，第一过滤减压阀8与第一控制阀1、第二控制阀2、第三控制阀3和第四控制阀4并联。

第三控制阀3和第四控制阀4的排气口与第一消声器10连接，备用控制系统与调压仓5连接。

备用控制系统包括第二主气路11、第二压力变送器12、第二过滤减压阀13、第二控制仪14、第五控制阀15、第六控制阀16、第七控制阀17和第八控制阀18，第二主气路11与第二过滤减压阀13连接，第二过滤减压阀13与第五控制阀15、第六控制阀16连接、第七控制阀17和第八控制阀18并联。

第二压力变送器12与调压仓5连接，第二控制仪14与第二压力变送器12和第二过滤减压阀13连接，第七控制阀17和第八控制阀18的排气口与第二消声器19连接。

泥水盾构机四段分程调节空气保压装置还包括第一减压阀20和第二减压阀21，第一减压阀20与第一过滤减压阀8连接，第二减压阀21与第二过滤减压阀13连接。

第一主气路6和第二主气路11上配装压力表22。

第一控制阀1、第二控制阀2、第三控制阀3、第四控制阀4、第五控制阀15、第六控制阀16、第七控制阀17和第八控制阀18上分别安装第一定位器23、第二定位器24、第三定位器25、第四定位器26、第五定位器27、第六定位器28、第七定位器29和第八定位器30。

本发明提供一种大型泥水盾构机用四段分程控制空气保压装置，该装置为四段分程控制，可以克服大口径阀门流量大，流速快，难以控制的技术难题，容易实现保压系统灵敏结构，增强了保压系统的稳定畅通，特别是在大型泥水盾构机掘进或带压更换刀具时提高了盾构机保压系统的适用性。

在泥水盾构中，被潜水墙壁隔开的土仓和调压仓5，通过潜水墙壁下部的开孔相通。膨润土泥浆和碴土混合成的悬浮液充满土仓，并充填调压仓5的下部空间，而调压仓5的上部空间则充满压缩空气。通过压缩空气来间接地自动调节土仓内悬浮液的压力，使之与开挖面的水土压力相平衡，从而实现支撑作用。压缩空气垫能够调节泥浆的平面高度，即使在发生漏水或水从开挖面进入的情况下，它起着一个吸振器的作用并最终可消除压力峰值。调压仓5的压缩空气不断补偿悬浮液的波动，及时满足或补充掘进工作面对膨润土液的需求。这种调整可以达到比较精确的程度。能使泥水盾构工作面的泥水压力的波动范围控制在±0.1bar以内。如果平衡状态被打破，空气控制系统会自动迅速向土仓或调压仓内补充高压空气，或排出高压空气，保证压力的平衡状态。过压的高压空气通过安全阀或调节阀排出。

压力传感器安装在开挖舱，随时检测压力值。压力调节器比较测得值与设定值，然后控制进气阀修正支撑压力。如果开挖舱过压，则通过卸压阀卸压。调压系统精度为±0.1bar。

精确的工作面支撑压力调节是通过操作员控制泥浆循环系统的进、出量及独立气平衡系统来实现的。平衡系统包括两个压力调节阀，一个升压，另一个减压。同时，安装有两套调节系统，一套是工作系统，另一套是备用控制系统，一旦工作系统出现故障，备用控制系统马上可以启用。压缩空气调节系统是全气动操作装置。

采用本发明工作系统进行调压仓加压，具体过程为：

调压仓5升压过程：

假设调压仓5压力为2bar，要求升压到3bar，首先接通气源，第一过滤减压阀8调压4bar，第一减压阀20将接收第一过滤减压阀8压力，将压力降至1.4bar给第一控制仪9，根据地质结构设定所需调压仓5的压力3bar，此时第一压力变送器7分别检测到调压仓5内压力小于3bar，通过气路管将0.2-1bar信号反馈给此时第一控制仪9，第一控制仪9接收信号，内部进行积分换算，此时第一控制仪9输出信号0.6bar-1bar,通过气路管先将0.6bar-0.8bar信号传输给第一定位器23，第一定位器23接收0.6bar-0.8bar信号动作，第一过滤减压阀8气源通过管路连接进入第一定位器23驱动控制阀门DN80阀门动作，第一控制阀1缓慢打开，主气路气进入调压仓5，空气流速稳定。随着信号增加，此时第一控制仪9输出信号0.8bar-1bar，通过气路管将0.8bar-1bar信号传输给第二定位器24，第二定位器24接收0.8bar-1bar信号动作，第一过滤减压阀8气源通过管路连接进入第二定位器24驱动控制阀门DN125阀门动作，第二控制阀2也打开。

当调压仓5压力接近设定3bar时，第一压力变送器7检测调压仓5压力，反馈信号从1bar逐渐将降低止0.6bar，主气路进入调压仓5压力上升至设定值。第一控制仪9接收信号，内部进行积分换算，此时第一控制仪9输出信号1.0bar-0.6bar，通过气路管先将1.0bar-0.8bar信号传输给将第二定位器24，第二定位器24接收1.0bar-0.8bar信号动作，第一过滤减压阀8气源通过管路连接进入第二定位器24驱动控制阀门DN125阀门动作，第二控制阀2缓慢关闭，主气路气进入泥水仓。随着第一压力变送器7从信号1bar逐渐将降低止0.6bar，此时第一控制仪9输出信号0.8bar-0.6bar，通过气路管将0.8bar-0.6bar信号传输给将第一定位器23，第一定位器23接收0.8bar-0.6bar信号动作，第一过滤减压阀8气源通过管路连接进入第一定位器23驱动控制阀门DN80阀门动作，当仓压值上升到设定值，第一控制阀1也逐渐关闭。

此过程中第三控制阀3排气阀DN80和第四控制阀4排气阀DN125始终关闭，第一控制阀1进气阀DN80先开后关，第二控制阀2进气阀DN125后开先关，此过程两阀门开启，关闭，此过程中进气升压平稳，保压无波动。

随着调压仓5压力升高，当调压仓5压力到设定值，进气阀也关闭，进行保压。

调压仓5降压过程：

假设调压仓5压力3bar，调压仓5压力高于设定压力，此时压力第一变送器检测到调压仓5内压力大于3bar，通过气路管将0.2-1bar信号反馈给此时第一控制仪9。第一控制仪9接收信号，内部进行积分换算，此时第一控制仪9输出信号0.6bar-0.2bar，通过气路管先将0.6bar-0.4bar信号传输给将第三定位器25，第三定位器25接收0.6bar-0.4bar信号动作，第一过滤减压阀8气源通过管路连接进入第三定位器25驱动控制阀门DN80第三控制阀3的阀门动作；第三控制阀3缓慢打开，调压仓5泄压，排气，空气流速稳定。随着信号降低,此时第一控制仪9输出信号0.4bar-0.2bar，通过气路管将0.4bar-0.2bar信号传输给将第四定位器26，第四定位器26接收0.4bar-0.2bar信号动作，第一减压阀气源通过管路连接进入第四定位器26驱动控制阀门DN125阀门动作，第四控制阀4也打开。

当调压仓5压力接近设定3bar时，第一压力变送器7检测调压仓5压力，反馈信号从0.2bar逐渐将上升止0.6bar，主气路进入调压仓5压力上升至设定值。第一控制仪9接收信号，内部进行积分换算，此时第一控制仪9输出信号0.2bar-0.6bar，通过气路管先将0.2bar-0.4bar信号传输给将第四定位器26，第四定位器26接收0.2bar-0.4bar信号动作，第一过滤减压阀8气源通过管路连接进入第四定位器26驱动控制阀门DN125阀门动作，第四控制阀4缓慢关闭。随着信号上升，此时第一控制仪9输出信号0.4bar-0.6bar,通过气路管将0.4bar-0.6bar信号传输给将第三定位器25，第三定位器25接收0.4bar-0.6bar信号动作，第一过滤减压阀8气源通过管路连接进入第三定位器25驱动控制阀门DN80阀门动作，当调压仓5压力值降低到设定值，DN80第三控制阀3也逐渐关闭。

此过程中第一控制阀1进气阀DN80和第二控制阀2进气阀DN125始终关闭，排气阀DN80第三控制阀3先开后关，DN125第四控制阀4后开先关，此过程两阀门开启，关闭过程中排气平稳，保压无波动。

四段分程调节空气保压系统其功能在于：

1、开始进排气都是小阀门先打开，这样空气流速，进气量也小，压力升降缓慢，平稳。

2、根据调节阀流量特性，调节特性，解决了大口径阀门小开度工作，喘振的技术难题。

3、大型盾构掘进保压或人工带压进入盾构前端更换刀具。工作原理是：将控制仪压力设定到工作所需的压力，此时进气阀打开，压缩空气通过进气小口径调节阀先开启，供入工作舱，随之第二进气阀也逐渐开起，调压仓5压力升高至设定压力，大口径进气阀先关闭，随时小口径进气阀关闭，调压仓5压力通过舱压反馈管路反馈到控制仪，进、排气调节阀均关闭，保压系统保压；若工作舱压力超过设定压力，控制仪控制将小口径排气阀打开，压力过高时，第二排气阀才打开，调压仓5经排气调节阀排气。排气工作舱压力下降至控制仪设定压力，大口径排气阀先关闭，随时小口径排气阀关闭，调压仓5压力通过舱压反馈管路反馈到控制仪，进、排气调节阀均关闭，保压系统保压。

采用本发明备用控制系统进行调压仓5加压，具体过程为：

调压仓5升压过程：

假设调压仓5压力为2bar，要求升压到3bar,首先接通气源，第二过滤减压阀13调压4bar，第二减压阀21将接收第二过滤减压阀13压力，将压力降至1.4bar通1.4bar气源给第二控制仪14，根据地质结构设定所需调压仓5的压力3bar，此时第二压力变送器12分别检测到调压仓5内压力小于3bar，通过气路管将0.2-1bar信号反馈给此时第二控制仪14，第二控制仪14接收信号，内部进行积分换算，此时第二控制仪14输出信号0.6bar-1bar,通过气路管先将0.6bar-0.8bar信号传输给第五定位器27，第五定位器27接收0.6bar-0.8bar信号动作，第二过滤减压阀13气源通过管路连接进入第五定位器27驱动控制阀门DN80阀门动作，第五控制阀15缓慢打开，主气路气进入调压仓5，空气流速稳定。随着信号增加，此时第二控制仪14输出信号0.8bar-1bar，通过气路管将0.8bar-1bar信号传输给第六定位器28，第六定位器28接收0.8bar-1bar信号动作，第二过滤减压阀13气源通过管路连接进入第六定位器28驱动控制阀门DN125阀门动作，第六控制阀16也打开。

当调压仓5压力接近设定3bar时，第二压力变送器12检测调压仓5压力，反馈信号从1bar逐渐将降低止0.6bar，主气路进入调压仓5压力上升至设定值。第二控制仪接14收信号，内部进行积分换算，此时第二控制仪14输出信号1.0bar-0.6bar，通过气路管先将1.0bar-0.8bar信号传输给将第六定位器28，第六定位器28接收1.0bar-0.8bar信号动作，第二过滤减压阀13气源通过管路连接进入第六定位器28驱动控制阀门DN125阀门动作，第六控制阀16缓慢关闭，主气路气进入泥水仓。随着从1bar逐渐将降低止0.6bar，此时第二控制仪14输出信号0.8bar-0.6bar,通过气路管将0.8bar-0.6bar信号传输给将第五定位器27，第五定位器27接收0.8bar-0.6bar信号动作，第二过滤减压阀13气源通过管路连接进入第五定位器27驱动控制阀门DN80阀门动作，当仓压值上升到设定值，第五控制阀15也逐渐关闭。

此过程中第七控制阀17排气阀DN80和第八控制阀18排气阀DN125始终关闭，进气阀DN80第五控制阀15先开后关，DN125第六控制阀16后开先关，此过程两阀门开启，关闭过程中进气平稳，保压无波动。

随着调压仓5压力升高，当调压仓5压力到设定值，进气阀也关闭，进行保压。

调压仓5降压过程：

假设调压仓5压力3bar,当调压仓5压力高于设定压力，此时第二压力变送器12检测到调压仓5内压力大于3bar，通过气路管将0.2-1bar信号反馈给此时第二控制仪14。第二控制仪14接收信号，内部进行积分换算，此时第二控制仪14输出信号0.6bar-0.2bar,通过气路管先将0.6bar-0.4bar信号传输给将第七定位器29，第七定位器29接收0.6bar-0.4bar信号动作，第二过滤减压阀13气源通过管路连接进入第七定位器29驱动控制阀门DN80阀门动作，第七控制阀17缓慢打开，调压仓5泄压，排气，空气流速稳定。随着信号降低。此时第二控制仪14输出信号0.4bar-0.2bar，通过气路管将0.4bar-0.2bar信号传输给将第八定位器30，第八定位器30接收0.4bar-0.2bar信号动作，第二减压阀气源通过管路连接进入第八定位器30驱动控制阀门DN125阀门动作，第八控制阀18也打开。

当调压仓5压力接近设定3bar时，第二压力变送器12检测调压仓5压力，反馈信号从0.2bar逐渐将上升止0.6bar，主气路进入调压仓5压力上升至设定值。第二控制仪14接收信号，内部进行积分换算，此时第二控制仪14输出信号0.2bar-0.6bar,通过气路管先将0.2bar-0.4bar信号传输给将第八定位器30，第八定位器30接收0.2bar-0.4bar信号动作，第二过滤减压阀13气源通过管路连接进入第八定位器30驱动控制阀门DN125阀门动作，第八控制阀18缓慢关闭。随着信号上升，此时第二控制仪14输出信号0.4bar-0.6bar，通过气路管将0.4bar-0.6bar信号传输给将第七定位器29，第七定位器29接收0.4bar-0.6bar信号动作，第二过滤减压阀13气源通过管路连接进入第七定位器29驱动控制阀门DN80阀门动作，当调压仓5压力值降低到设定值，DN80第七控制阀17也逐渐关闭。

此过程中第五控制阀15进气阀DN80和第六控制阀16进气阀DN125始终关闭，排气阀DN80第七控制阀17先开后关，DN125第八控制阀18后开先关，此过程两阀门开启，关闭过程中排气平稳，保压无波动。