一种液压油箱自动加压系统、盾构机及TBM

技术领域

本发明涉及隧道地下工程设备技术领域，更具体地说，涉及一种液压油箱自动加压系统。本发明还涉及一种包括上述液压油箱自动加压系统的盾构机和TBM。

背景技术

随着我国科学技术和经济体系的持续发展，隧道建设项目日益增多，其中有大量工程在高原低气压环境下开展，在一千米以上的高海拔、低气压环境下，盾构机或TBM(Tunnel Boring Machine，隧道掘进机)的建设使用也越来越多。由于高海拔地区空气稀薄，平均气压相对较低，盾构机或TBM的液压柱塞泵吸油口压力过低，易产生“液柱分离”的情况，对滑靴、回程盘、定间隙压板螺栓这三种零件金属材料产生疲劳破坏力，以及引起固体壁面的剥蚀，即“气蚀现象”。所以常规设计使用的盾构机或TBM在高海拔、低气压区域使用时会出现较多问题。

现有技术中，液压油箱加压系统采用预压式油箱，在预压式油箱的顶部设置预压式空气滤清器，同时在气路上配置冷干机，在预压式油箱的顶部还设有干燥空气进口。在高海拔、低气压工况下外界的压缩空气经过干燥后直接通入预压式油箱顶部，使得液压油箱内压缩空气压力达到满足液压泵吸油压力要求值。

但是，液压油箱内压缩空气压力由手动减压阀和预压式空气滤清器进行控制，无法随环境大气压力变化而自动调节油箱内压缩空气压力，以使其达到液压泵吸油压力要求值。

当液压油箱内液面反复变化时，油箱内压缩空气压力也反复变化，无法自动调节油箱内压缩空气压力，则需人员根据气路上的压力传感器打开阀门将外界的压缩空气重复通入液压油箱内，所以无法自动加压以实时、精确的调节所需的压缩空气进气流量，导致压缩空气气源的需求量较大，进而增加系统能耗，以及易使大量压缩空气的水分进入液压油箱导致液压油液乳化。

此外，油箱容积过小，未预留足够的空气层，液压油箱内压力波动范围大，需反复向油箱通入压缩空气以将油箱内压缩空气压力稳定在需求范围内，导致液压油箱内压缩空气需求量较大，以及导致油液内气泡含量过高，易形成液柱分离与气蚀现象。

因此，如何通过极少的压缩空气供应量以使油箱内压缩空气压力稳定在需求范围内，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种液压油箱自动加压系统，该系统能够通过极少的压缩空气供应量以使油箱内压缩空气压力稳定在需求范围内。

本发明的另一目的是提供一种包括上述液压油箱自动加压系统的盾构机及TBM。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种液压油箱自动加压系统，包括：

液压油箱；

供气装置，用于向所述液压油箱的空气层输送压缩空气，所述供气装置包括用于辅助加压的气罐与用于调节所述气罐和所述液压油箱的进气流量的气动控制阀，所述气动控制阀、所述气罐及所述液压油箱的空气层通过供气管道依次连接，且所述气罐与所述液压油箱的空气层连通；

控制装置，用于控制所述供气装置向所述液压油箱输送的压缩空气气源量，所述控制装置包括用于采集所述液压油箱的气压信号的压力变送器与用于控制所述气动控制阀的开关的气动控制器，所述液压油箱、所述压力变送器、所述气动控制器及所述气动控制阀通过信号线连接。

优选的，所述液压油箱的顶部设有预压式空气滤清器和/或溢流阀。

优选的，所述液压油箱的内部设有隔板，以使所述液压油箱形成连通的回油区和吸油区，所述回油区设有回油扩散器，所述吸油区设有与泵吸油口连通的吸油过滤器。

优选的，所述液压油箱的最低处设有排污口，以便收集油箱内油液中沉淀析出的水分与杂质。

优选的，所述液压油箱的外壳设有用于实时检测油箱内气压的压力传感器，所述压力传感器与主控室远程连接。

优选的，所述供气装置包括冷干机和空气处理单元，所述冷干机通过所述供气管道依次连接所述空气处理单元、所述气动控制阀及所述气罐。

优选的，所述气罐的位置低于所述液压油箱的空气层所在水平高度。

优选的，所述气动控制阀、所述气动控制器及所述压力变送器与所述供气管道连接处均设有减压阀和压力表。

一种盾构机，包括液压油箱自动加压系统，所述液压油箱自动加压系统包括上述任一项所述的液压油箱自动加压系统。

一种TBM，包括液压油箱自动加压系统，所述液压油箱自动加压系统包括上述任一项所述的液压油箱自动加压系统。

相较于上述背景技术，本发明提供了一种液压油箱自动加压系统，包括液压油箱、供气装置及自动控制装置，供气装置包括用于辅助加压的气罐与用于调节气罐和液压油箱的进气流量的气动控制阀，气动控制阀、气罐及液压油箱的空气层通过供气管道依次连接，且气罐与液压油箱的空气层连通；控制装置包括用于采集液压油箱的气压信号的压力变送器与用于控制气动控制阀的开关的气动控制器，液压油箱、压力变送器、气动控制器及气动控制阀通过信号线连接。

控制装置中压力变送器用于将采集到液压油箱的气压信号值传递给气动控制器，气动控制器通过比较实际气压信号值与气压目标值以发出气压控制信号控制气动控制阀，以使气动控制阀实时、精确调节气罐与液压油箱的空气层的进气流量。

因而，采用上述控制装置可以根据油箱内压缩空气压力实时、精确的调节所需的压缩空气进气流量，可减少压缩空气气源的需求量。同时，由于气罐与液压油箱的空气层连通以形成充足的压缩空气容积，所以充足的压缩空气容积大于液压油箱内因液压油箱液位变化而引起的体积变化，极大的降低了油箱内油液上升工况下压缩空气的减压率，有效减少油液内气泡含量，进而避免压缩空气中的气泡进入液压油引起液压元件气蚀现象。

此外，充足的压缩空气容积可以补偿液压油箱内油液液位变化所引起的油箱内空气压力变化，有效减少液压油箱内压力波动范围，可减少了压缩空气需求量，进而可以避免大量压缩空气充入液压油箱而引起的油液乳化等问题。

所以，气罐和液压油箱的连通使其空气层能够提供充足压缩空气容积，将控制装置与气罐和液压油箱配合，实现了通过极少的压缩空气供应量即可将液压油箱内压缩空气压力稳定在需求范围内，减少了压缩空气气源的需求量，进而减少了能耗，同时避免了大量压缩空气中水分充入液压油箱而引起的油液乳化的问题，以及避免了压缩空气中的气泡进入液压油引起液压元件的气蚀现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种液压油箱自动加压系统的结构示意图。

图中：

1为液压油箱、11为预压式空气滤清器、12为溢流阀、13为隔板、14为回油扩散器、15为吸油过滤器、16为排污口、17为压力传感器、18为泵吸油口、20为供气管道、21为冷干机、22为空气处理单元、23为气动控制阀、24为气罐、25为球阀、31为压力变送器、32为气动控制器、33为减压阀、34为压力表。

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。

本发明的核心是提供一种液压油箱自动加压系统，该液压油箱自动加压系统能够通过极少的压缩空气供应量以使油箱内压缩空气压力稳定在需求范围内。

本发明的另一核心是提供一种包括上述液压油箱自动加压系统的盾构机及TBM。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种液压油箱自动加压系统的结构示意图。

需要说明的是，下文所述的加压压力是油箱内气压目标值与实际气压值之差的绝对值。

在本具体实施例中，提供了一种液压系统自动加压系统，包括液压油箱1、供气装置和控制装置，其中，供气装置用于向液压油箱的空气层输送压缩空气，控制装置用于控制供气装置向液压油箱1输送的压缩空气气源量。

供气装置包括用于辅助加压的气罐24与用于调节气罐24和液压油箱1的进气流量的气动控制阀23，气动控制阀23、气罐24及液压油箱1的空气层通过供气管道20依次连接，且气罐24与液压油箱1的空气层连通。

控制装置用于控制供气装置向液压油箱1输送的压缩空气气源量，控制装置包括用于采集液压油箱1的气压信号的压力变送器31与用于控制气动控制阀23的开关的气动控制器32，液压油箱1、压力变送器31、气动控制器32及气动控制阀23通过信号线连接。

上述结构在使用过程中，压力变送器31采集到液压油箱1的压力值，并转换为气动控制器32所对应的气压信号值以传递给气动控制器32，气动控制器32通过比较实际气压信号值与气压目标值，以向气动控制阀23发出气压控制信号，气动控制阀23实时、精确调节气罐24与液压油箱1的空气层中的压缩空气进气流量，从而实现控制装置与气罐24和液压油箱1配合，以使液压油箱1内压缩空气压力稳定在需求范围内。

由于气罐24与液压油箱1的空气层连通，因而二者能够提供充足的压缩空气容积，气罐24与液压油箱1上层空气层容积之和远大于液压油箱1内因油箱液位变化而引起的体积变化，极大的降低了液压油箱1内油液上升工况下压缩空气的减压率，可有效避免压缩空气中气泡进入液压油引起液压元件气蚀等问题。

此外，充足的压缩空气容积可以补偿液压油箱1内油液液位变化所引起的油箱内空气压力变化，有效减少液压油箱1内压力波动范围，可减少了压缩空气需求量，进而可以避免大量压缩空气充入液压油箱1而引起的油液乳化等问题。同时，控制装置可以根据油箱内压缩空气压力实时、精确的调节所需的压缩空气进气流量，可减少压缩空气气源的需求量。

所以，控制装置与气罐24和液压油箱1配合，能够通过极少的压缩空气供应量即可将液压油箱1内压缩空气压力稳定在需求范围内，减少了压缩空气气源的需求量，进而减少了能耗，同时避免了大量压缩空气中水分充入液压油箱1而引起的油液乳化的问题，以及避免了压缩空气中的气泡进入液压油引起液压元件的气蚀现象。

可选的，本申请中的气动控制器32为气控PID控制器，并对其PID控制器的形式不加以限制，可在气控PID控制基础上新增电控PID控制，通过电气混合方式来调节气压目标值，可实现在主控室远程设定系统压力，以满足可实现目标值与实际设定值之间匹配的功能为目标。

可选的，本申请中的气动控制阀23可为阀的开口度可控的节流阀或者调速阀、流量阀，以满足本申请所述的控制压缩空气进气量的功能为目标。

在本具体实施例中，液压油箱1的顶部设有预压式空气滤清器11和/或溢流阀12。预压式空气滤清器11与溢流阀12均具有限制液压油箱1内气压的作用，所以预压式空气滤清器11与溢流阀12可同时用于限制液压油箱1内气压，也可任选其一设置。

上述结构在使用过程中，预压式空气滤清器11设有反向开启压力，即液压油箱1从外向内进气零阻力，从内向外排气带预压功能，只有当液压油箱1内加压压力大于预压式空气滤清器11的反向开启压力时，预压式空气滤清器11开启以使外界空气进入液压油箱1内，因而增大油箱内气压；当液压油箱1内加压压力小于预压式空气滤清器11的反向开启压力时，预压式空气滤清器11的进口关闭，以避免液压油箱1内空气泄露。此外，预压式空气滤清器11可对进入液压油箱1的压缩空气进行过滤干燥，以减少液压油箱1内部空气的泄露。同理，溢流阀12设有安全设定压力，也只有当液压油箱1内加压压力大于溢流阀12的安全设定压力时，溢流阀11开启以使外界空气进入液压油箱1内，因而增大油箱内气压；液压油箱1内加压压力小于溢流阀12的安全设定压力时，溢流阀12的进口关闭，以减少液压油箱1内部空气的泄露。

在本具体实施例中，液压油箱1的内部设有隔板13，以使液压油箱1形成连通的回油区和吸油区，回油区设有回油扩散器14，吸油区设有与泵吸油口18连通的吸油过滤器15。

上述结构在使用过程中，液压油箱1内设置隔板13，以延长油液流动路径，增加气泡从油液中扩散所需的时间。油液通过回油扩散器13改变回油区油液的流向以产生离心力，油液会把气泡挤向圆周运动的中心，气泡聚合后在通过回油扩散器13的金属网孔后气泡再次聚集，小气泡聚合生成较大气泡后上浮到液压油箱1表面破碎掉，油液在回油区减少气泡后流入吸油区，吸油过滤器12利用其内的吸油滤芯金属网孔滤除油液中的杂质以及聚集油液中的小气泡，并可选较大规格的吸油过滤器12降低吸油流速以防止部分附着在金属网上的大气泡被液压油冲掉，油液经过吸油过滤器12的过滤及减少气泡的作用后进入泵吸油口18，从而有效地减少了液压泵吸油油液气泡含量。

在本具体实施例中，液压油箱1的最低处设有排污口16，以便收集油箱内油液中沉淀析出的水分与杂质。

具体的，排污口16是一个位于油箱最低处的凹形容腔，因其位置处于液压油箱1内最低处，可设置于液压油箱1底端的两侧，以便油液中的水分和杂质会沉淀在液压油箱1底部，因此可实现收集油箱内油液中沉淀析出的水分与杂质。

可选的，本申请中的排污口16的数目、位置及形状并不唯一，可根据实际需要进行设置，只要满足能够收集油箱内油液中沉淀析出的水分与杂质即可。

在本具体实施例中，液压油箱1的外壳设有用于实时检测油箱内气压的压力传感器17，压力传感器17与主控室远程连接。

具体的，在液压油箱1的外壳固定连接压力传感器17，以使压力传感器17实时检测液压油箱1内气压，从而方便人员在液压油箱1周边便可直接读取油箱内气压数据，同时将压力传感器17与主控室远程连接，即将检测压力数据以模拟量的形式传输至主控室，调试人员可通过主控室屏幕远程查看油箱内气压数据。

可选的，本申请中的压力传感器17可与控制装置中的气动控制器32一同组成电控PID系统，以便实现液压油箱1内加压压力远程调节。

另外，可选的，本申请中的压力传感器17在液压油箱1的外壳的连接方式及位置均不加以限制，以满足实时检测液压油箱1内气压为目标。

本具体实施例中，供气装置包括冷干机21和空气处理单元22，所述冷干机22通过供气管道20依次连接空气处理单元22、气动控制阀23及气罐24。

具体的，供气装置中的供气管道20上依次串联冷干机21、空气处理单元22、气动控制阀23以及气罐24，其中冷干机21用于去除压缩空气中的水分，压缩空气从冷干机21内排出进入空气处理单元22，经过空气处理单元22的过滤、干燥后进入气罐24内，并利用气罐24与液压油箱1的空气层连通作用，以使干燥、清洁的压缩空气进入液压油箱1，进而避免了大量水分与杂质进入油液内。

可选的，为便于系统调试或拆卸检修，可在气动控制阀23与气罐24之间的供气管道20设置球阀25。

可选的，本申请中的空气处理单元2的形式并不唯一，可以其他形式的气体过滤器或气体干燥机，以达到干燥、清洁压缩空气气源为目的。

本具体实施例中，气罐24的位置低于液压油箱1的空气层所在水平高度。具体的，气罐24内压缩空气位置低于液压油箱1的空气层内压缩空气位置，气罐24与液压油箱1的空气层通过供气管道20连通，当气罐21内压缩空气流入液压油箱1的空气层的过程中，压缩空气扩散上升，受重力影响，可有效沉淀去除压缩空气内悬浮的水分。

本具体实施例中，气动控制阀23、气动控制器32及压力变送器31与供气装置中的供气管道20连接处均设有减压阀33和压力表34。具体的，减压阀33根据实时显示各元件的气体压力的压力表34，限制气动控制阀23、气动控制器32、压力变送器31进气压力，以确保输入各元件的压缩空气的压力为所需压力。

本发明所提供的液压油箱自动加压系统运行过程如下：

首先，根据液压泵吸油压力与工作环境大气压力进行计算，例如，环境大气压0.6bar，液压泵吸油压力要求0.8bar，在气动控制器32预设气压目标值为0.8bar。

液压泵启动前，当液压油箱1内加油液至最高液位时，开启控制装置对液压油箱1进行加压，加压过程中压力变送器31采集油箱内实际气压值并传送至气动控制器32，当实际气压值小于气压目标值时，气动控制器32控制气动控制阀23继续保持开启状态，同时预压式空气滤清器11与溢流阀12也保持开启状态，以使外界空气进入油箱；当实际气压值达到气压目标值时，气动控制器32发出气压控制信号控制气动控制阀23关闭，此时油箱内加压压力小于预压式空气滤清器11的反向开启压力与溢流阀的安全设定压力，两者的进口关闭，液压油箱1内气压稳定在气压目标值0.8bar，此时气罐24与液压油箱1的空气容积为a。

液压泵启动，液压油箱1内液位首次下降，由于气罐24与液压油箱1的空气容积为a液压油箱1与气罐24内空气容积变大，因而油箱内气压降低，此时气动控制器32接收到压力变送器31采集的油箱实际气压值低于设定目标值，气动控制器控制气动控制阀23开启补入压缩空气使油箱内压力维持在气压目标值0.8bar。且当液压油箱1内液面降至最低时，气罐24与液压油箱1的空气容积为a+b。

液压油箱1内液位开始上升，由于气罐24与液压油箱1的空气容积变小，因而油箱气压升高，当液压油箱1内油液液位再次上升至最高液位，此时气罐24与液压油箱1的空气容积为a。由于气体的体积和压力变化遵循P*V＝常数，因此可算出此时油箱内空气压力＝1.0bar，此时油箱内加压压力小于预压式空气滤清器11的反向开启压力与溢流阀12的安全设定压力，预压式空滤器11与溢流阀12关闭。

液压油箱1内液位再次下降，液压油箱1与气罐24内空气容积变大、气压变低，当油箱内液面降至最低，此时油箱内的空气层容积为a+b，压力为0.8bar。

综上所述，加压系统在整个过程中仅在液压油箱1内液位首次下降、上升时需要向液压油箱1补充一定量的压缩空气，后续无论液压油箱1内油液液位高度如何变化，液压油箱1内压缩空气的压力一直在0.8bar-1.0bar之间变化，压缩空气的补充量理论上仅需满足加压系统的泄漏量即可，空气补充量极小，因而气罐24和液压油箱1的连通使其空气层能够提供充足压缩空气容积，并将控制装置与气罐24和液压油箱1配合，实现了通过极少的压缩空气供应量即可将液压油箱内压缩空气压力稳定在需求范围内，减少了压缩空气气源的需求量，进而减少了能耗，同时避免了大量压缩空气中水分充入液压油箱而引起的油液乳化的问题，以及避免了压缩空气中的气泡进入液压油引起液压元件的气蚀现象。

除此之外，本申请还提供了一种具有液压油箱自动加压系统的盾构机和TBM，包括上述具体实施例所描述的液压油箱自动加压系统；盾构机和TBM的其他部分可以参照现有技术，本文不再展开。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的液压油箱自动加压系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。