專利名稱：慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于隧道機(jī)械領(lǐng)域，涉及盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)及控制方法，具體涉及慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著城市建設(shè)快速發(fā)展和城市人口急劇膨脹，許多城市都不同程度地出現(xiàn)了建筑用地緊張、生存空間擁擠、交通阻塞、基礎(chǔ)設(shè)施落后、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化等城市病，給人們的居住生活帶來(lái)了很大的影響，也制約了城市經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展。開(kāi)發(fā)利用地下空間，已成為城市實(shí)現(xiàn)立體化交通、提高運(yùn)行效率的重要途徑。為此，地下空間開(kāi)發(fā)技術(shù)已取得了重大進(jìn)展，具有代表性的是發(fā)展了隧道盾構(gòu)法暗挖施工技術(shù)，但也存在一些問(wèn)題，其中確保盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定和提高設(shè)備運(yùn)行效率問(wèn)題成為急需解決的主要技術(shù)難題。
土壓平衡(Earth Pressure Balance，簡(jiǎn)稱EPB)技術(shù)是隧道挖掘盾構(gòu)機(jī)較為廣泛采用的穩(wěn)定開(kāi)挖面的技術(shù)。該技術(shù)利用開(kāi)挖的泥土支撐挖掘面，通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速(出土量)控制推進(jìn)轉(zhuǎn)刀室(盾構(gòu)土倉(cāng))的泥土壓力，以將地基沉降減至最低程度。螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速EPB自動(dòng)控制通常是由電液伺服變量泵和液壓定量馬達(dá)等組成的泵控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于受挖掘的土質(zhì)、變量泵的死區(qū)特性等時(shí)變和非線性因素以及盾構(gòu)推進(jìn)速度的影響，該泵控系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)特性難以達(dá)到工程要求，由此可能帶來(lái)開(kāi)挖面崩塌等潛在的危險(xiǎn)。而且，該系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)的液壓刀盤系統(tǒng)、液壓推進(jìn)系統(tǒng)等均是各自獨(dú)立工作的，盾構(gòu)機(jī)泵站數(shù)量多，裝機(jī)容量大，能量利用也不盡合理。
盾構(gòu)法施工技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的地下隧道全機(jī)械化開(kāi)挖施工技術(shù)，其技術(shù)本身具有先進(jìn)性和復(fù)雜性，因盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)具有功率大、負(fù)載多和總效率低等特點(diǎn)，使得對(duì)其可靠性提出了更高的要求。
盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生于英國(guó)，發(fā)展于日本、德國(guó)。近30年來(lái)，通過(guò)對(duì)土壓平衡式、泥水式盾構(gòu)機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)(如盾構(gòu)機(jī)的有效密封，確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定、控制地表隆起及塌陷在規(guī)定范圍之內(nèi)，刀具的使用壽命以及在密封條件下的刀具更換等)的探索和研究解決，使盾構(gòu)機(jī)有了很快的發(fā)展。
目前，確保盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定的土壓平衡控制技術(shù)主要采用流量耦聯(lián)的液壓容積傳動(dòng)技術(shù)，即通過(guò)動(dòng)力源液壓泵流量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。流量耦聯(lián)的液壓系統(tǒng)缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢、無(wú)法回收制動(dòng)能量。80年代德國(guó)學(xué)者提出了一種壓力耦聯(lián)的液壓容積傳動(dòng)技術(shù)，即將多個(gè)負(fù)載馬達(dá)連接在同一個(gè)恒壓源上，組成液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各負(fù)載馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的控制。近年研究表明，這種壓力耦聯(lián)液壓系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量的回收，也比流量耦聯(lián)系統(tǒng)響應(yīng)速度快。因此，將該技術(shù)原理應(yīng)用于大型盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)能量回收、減少泵站數(shù)量、降低工程成本，也可以提高盾構(gòu)EPB系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和控制精度，使盾構(gòu)開(kāi)挖面崩塌等危險(xiǎn)減至最低程度。
目前，有關(guān)隧道盾構(gòu)法施工機(jī)械的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠?，多集中在新型盾?gòu)機(jī)設(shè)備、施工工藝和具體結(jié)構(gòu)等方面，如“半盾構(gòu)挖掘機(jī)”(專利號(hào)02105894，日本株式會(huì)社小松制作所)、“隧道挖掘機(jī)”(專利號(hào)02122451，日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社)、“盾構(gòu)掘進(jìn)式隧道鉆孔機(jī)”(專利號(hào)95120602.8，日本大豐建設(shè)株式會(huì)社)、“組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機(jī)”(專利號(hào)02136207，中國(guó)上海隧道工程股份有限公司)等均屬于新型盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的發(fā)明，“盾構(gòu)法掘進(jìn)隧道用撓性扇形襯砌塊”(專利號(hào)93120718.5，日本維克托利克株式會(huì)社)、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的刀頭”(專利號(hào)02107428.3，日本株式會(huì)社小松制作所)等均屬于施工工藝和具體結(jié)構(gòu)的發(fā)明。各發(fā)明專利所屬的技術(shù)領(lǐng)域，均未涉及基于液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)的“慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)及控制方法”。
目前，有關(guān)基于液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)應(yīng)用的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠喑鲎缘聡?guó)，如德國(guó)力士樂(lè)(REXROTH)公司的“靜油壓驅(qū)動(dòng)裝置”(專利號(hào)3525097)、“可變泵馬達(dá)”(專利號(hào)3844401)、“板成形的流體驅(qū)動(dòng)裝置”(專利號(hào)4308198)等，其專利所屬的技術(shù)領(lǐng)域也尚未涉及基于液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)的“慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)及控制方法”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要針對(duì)目前盾構(gòu)機(jī)存在的土壓平衡控制精度不高、系統(tǒng)響應(yīng)速度慢和能耗較大等問(wèn)題，提出了基于液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)的盾構(gòu)土壓平衡控制原理，在此原理基礎(chǔ)上，提出了螺旋機(jī)慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡控制方法，并設(shè)計(jì)制造了慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)。
本發(fā)明的慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，包括有螺旋輸送機(jī)、液壓變量馬達(dá)/泵、液壓變壓器、蓄能器、液壓恒壓變量泵、土壓平衡控制器和土壓傳感器；上述螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達(dá)/泵的傳動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器直接連接；液壓恒壓變量泵作為液壓恒壓油源，輸出油液的壓力恒定，流量與負(fù)載相適應(yīng)；上述液壓變壓器是一種變壓比可調(diào)的壓力轉(zhuǎn)換液壓元件；上述液壓變量馬達(dá)/泵、液壓變壓器、蓄能器、液壓恒壓變量泵通過(guò)液壓管路相互連接；上述土壓平衡控制器與液壓變量馬達(dá)/泵、液壓變壓器、土壓傳感器通過(guò)信號(hào)線連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)定、監(jiān)測(cè)土壓以及運(yùn)算和輸出土壓平衡控制信號(hào)、液壓變壓器的控制信號(hào)。
上述螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達(dá)/泵的傳動(dòng)軸通過(guò)減速器連接。
上述的液壓變量馬達(dá)/泵是電液比例(伺服)變量馬達(dá)/泵。
上述液壓變壓器由一個(gè)變量元件和一個(gè)定量元件同軸剛性連接組成，其中變量元件是電液比例(伺服)變量馬達(dá)/泵，定量元件是液壓定量馬達(dá)/泵。
上述土壓平衡控制器由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集卡組成。
上述土壓平衡控制器由可編程序控制器構(gòu)成。
本發(fā)明的慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡控制方法包括如下步驟1)當(dāng)盾構(gòu)土倉(cāng)的土壓低于設(shè)定的土壓時(shí)，需要螺旋輸送機(jī)減速以控制土壓增加，維持土壓平衡，這時(shí)土壓平衡控制器控制液壓變量馬達(dá)/泵反向調(diào)節(jié)排量，使其由原來(lái)的馬達(dá)工況轉(zhuǎn)為泵工況，依靠負(fù)載的慣性帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在減速調(diào)節(jié)過(guò)程中，蓄能器通過(guò)液壓變壓器回收螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)泥土加在螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的慣性能量；2)當(dāng)盾構(gòu)土倉(cāng)的土壓高于設(shè)定的土壓時(shí)，需要螺旋輸送機(jī)加速以控制土壓減小，維持土壓平衡，這時(shí)土壓平衡控制器控制液壓變量馬達(dá)/泵恢復(fù)正向調(diào)節(jié)排量，使其返回馬達(dá)工況，在加速調(diào)節(jié)過(guò)程中，蓄能器通過(guò)液壓變壓器與液壓恒壓變量泵一起向液壓變量馬達(dá)/泵提供負(fù)載所需的流量，在控制土壓減小的過(guò)程中，重新利用了蓄能器回收的能量；3)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在工作每一環(huán)后停車時(shí)，需要控制螺旋輸送機(jī)減速制動(dòng)，這時(shí)液壓變量馬達(dá)/泵轉(zhuǎn)為泵工況，蓄能器也同樣通過(guò)液壓變壓器回收螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上負(fù)載的慣性能量，回收的能量供下一工作循環(huán)周期再利用。
該發(fā)明是用于地下隧道工程土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的節(jié)能型液壓系統(tǒng)。它在調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速(出土量)進(jìn)行盾構(gòu)土倉(cāng)泥土壓力的土壓平衡控制過(guò)程中，能夠利用工作于液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)上的液壓變量馬達(dá)/泵，以液壓能形式回收并再利用螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的慣性能。該系統(tǒng)采用連接在液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)上的液壓變量馬達(dá)/泵驅(qū)動(dòng)螺旋輸送機(jī)，克服了傳統(tǒng)的泵控定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式存在的裝機(jī)容量大等缺點(diǎn)，能夠利用液壓變量馬達(dá)/泵具有正反向調(diào)節(jié)排量的功能，轉(zhuǎn)換泵和馬達(dá)的工況，在螺旋輸送機(jī)減速、制動(dòng)時(shí)以液壓能形式回收負(fù)載的慣性能量，加速時(shí)再以液壓能形式向負(fù)載輸送回收的能量，因而可減小裝機(jī)功率，使原動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率；比采用傳統(tǒng)的泵控定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度快，抗負(fù)載干擾能力強(qiáng)，因而可提高土壓平衡控制的精度，降低地基沉降的危險(xiǎn)性；在液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)上，可以并聯(lián)多個(gè)液壓變量馬達(dá)/泵，實(shí)現(xiàn)多個(gè)螺旋輸送機(jī)的土壓平衡協(xié)調(diào)控制與能量回收和再利用，為實(shí)現(xiàn)大斷面異型盾構(gòu)的土壓平衡控制與高效節(jié)能提供了技術(shù)可能性；該系統(tǒng)采用普通的液壓元、輔件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作原理可行，易于工程實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)裝置示意中各編號(hào)含義1螺旋輸送機(jī)2液壓變量馬達(dá)/泵3液壓變壓器4蓄能器5液壓恒壓變量泵6土壓平衡控制器7土壓傳感器具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。
慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，如說(shuō)明書(shū)附圖所示，主要由螺旋輸送機(jī)1、液壓變量馬達(dá)/泵2、液壓變壓器3、蓄能器4、液壓恒壓變量泵5、土壓平衡控制器6等和土壓傳感器7組成；液壓恒壓變量泵5作為液壓恒壓油源，輸出油液的壓力恒定，流量與負(fù)載相適應(yīng)；液壓變量馬達(dá)/泵2是電液比例(伺服)變量馬達(dá)/泵，其排量正反向調(diào)節(jié)由土壓平衡控制器6控制，其傳動(dòng)軸與螺旋輸送機(jī)1的旋轉(zhuǎn)軸直接(或通過(guò)減速器)連接；為了提高能量回收率，這里采用的液壓變壓器3是實(shí)現(xiàn)壓力轉(zhuǎn)換的一種液壓元件，由一對(duì)液壓馬達(dá)/泵同軸剛性連接組成，其中元件a為電液比例(伺服)變量馬達(dá)/泵，其排量由土壓平衡控制器6控制，元件b為液壓定量馬達(dá)/泵，兩者組成一個(gè)變壓比可調(diào)的液壓變壓器。上述液壓變量馬達(dá)/泵2、液壓變壓器3、蓄能器4、液壓恒壓變量泵5通過(guò)液壓管路相互連接；上述土壓平衡控制器6由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，與液壓變量馬達(dá)/泵2、液壓變壓器3和土壓傳感器7通過(guò)信號(hào)線連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)定、監(jiān)測(cè)土壓以及運(yùn)算和輸出土壓平衡控制信號(hào)和液壓變壓器的控制信號(hào)。
當(dāng)盾構(gòu)土倉(cāng)的土壓低于設(shè)定的土壓時(shí)，需要螺旋輸送機(jī)1減速以控制土壓增加，維持土壓平衡；這時(shí)土壓平衡控制器6控制液壓變量馬達(dá)/泵2反向調(diào)節(jié)排量，使其由原來(lái)的馬達(dá)工況轉(zhuǎn)為泵工況，依靠負(fù)載的慣性帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；在減速調(diào)節(jié)過(guò)程中，蓄能器4通過(guò)液壓變壓器3回收螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)泥土加在螺旋輸送機(jī)1旋轉(zhuǎn)軸上的慣性能量。
當(dāng)盾構(gòu)土倉(cāng)的土壓高于設(shè)定的土壓時(shí)，需要螺旋輸送機(jī)1加速以控制土壓減小，維持土壓平衡；這時(shí)土壓平衡控制器6控制液壓變量馬達(dá)/泵2恢復(fù)正向調(diào)節(jié)排量，使其返回馬達(dá)工況。在加速調(diào)節(jié)過(guò)程中，蓄能器4通過(guò)液壓變壓器3與液壓恒壓變量泵5一起向液壓變量馬達(dá)/泵2提供負(fù)載所需的流量，在控制土壓減小的過(guò)程中，重新利用了蓄能器4回收的能量。
當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在工作每一環(huán)后停車時(shí)，需要控制螺旋輸送機(jī)1減速制動(dòng)。這時(shí)液壓變量馬達(dá)/泵2轉(zhuǎn)為泵工況，蓄能器4也同樣通過(guò)液壓變壓器3回收螺旋輸送機(jī)1旋轉(zhuǎn)軸上負(fù)載的慣性能量，回收的能量供下一工作循環(huán)周期再利用。
權(quán)利要求
1.一種慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，包括有螺旋輸送機(jī)、液壓變量馬達(dá)/泵、液壓變壓器、蓄能器、液壓恒壓變量泵、土壓平衡控制器和土壓傳感器，其特征在于，上述螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達(dá)/泵的傳動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器直接連接；液壓恒壓變量泵作為液壓恒壓油源，輸出油液的壓力恒定，流量與負(fù)載相適應(yīng)；上述液壓變壓器是一種變壓比可調(diào)的壓力轉(zhuǎn)換液壓元件；上述液壓變量馬達(dá)/泵、液壓變壓器、蓄能器、液壓恒壓變量泵通過(guò)液壓管路相互連接；上述土壓平衡控制器與液壓變量馬達(dá)/泵、液壓變壓器、土壓傳感器通過(guò)信號(hào)線連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)定、監(jiān)測(cè)土壓以及運(yùn)算和輸出土壓平衡控制信號(hào)、液壓變壓器的控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于，上述的螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達(dá)/泵的傳動(dòng)軸通過(guò)減速器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于，上述的液壓變量馬達(dá)/泵是電液比例(伺服)變量馬達(dá)/泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于，上述液壓變壓器由一個(gè)變量元件和一個(gè)定量元件同軸剛性連接組成，其中變量元件是電液比例(伺服)變量馬達(dá)/泵，定量元件是液壓定量馬達(dá)/泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于，上述土壓平衡控制器由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集卡組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于，上述土壓平衡控制器由可編程序控制器構(gòu)成。
7.一種權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于包括如下步驟1)當(dāng)盾構(gòu)土倉(cāng)的土壓低于設(shè)定的土壓時(shí)，需要螺旋輸送機(jī)減速以控制土壓增加，維持土壓平衡，這時(shí)土壓平衡控制器控制液壓變量馬達(dá)/泵反向調(diào)節(jié)排量，使其由原來(lái)的馬達(dá)工況轉(zhuǎn)為泵工況，依靠負(fù)載的慣性帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在減速調(diào)節(jié)過(guò)程中，蓄能器通過(guò)液壓變壓器回收螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)泥土加在螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的慣性能量；2)當(dāng)盾構(gòu)土倉(cāng)的土壓高于設(shè)定的土壓時(shí)，需要螺旋輸送機(jī)加速以控制土壓減小，維持土壓平衡，這時(shí)土壓平衡控制器控制液壓變量馬達(dá)/泵恢復(fù)正向調(diào)節(jié)排量，使其返回馬達(dá)工況，在加速調(diào)節(jié)過(guò)程中，蓄能器通過(guò)液壓變壓器與液壓恒壓變量泵一起向液壓變量馬達(dá)/泵提供負(fù)載所需的流量，在控制土壓減小的過(guò)程中，重新利用了蓄能器回收的能量；3)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在工作每一環(huán)后停車時(shí)，需要控制螺旋輸送機(jī)減速制動(dòng)，這時(shí)液壓變量馬達(dá)/泵轉(zhuǎn)為泵工況，蓄能器也同樣通過(guò)液壓變壓器回收螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)軸上負(fù)載的慣性能量，回收的能量供下一工作循環(huán)周期再利用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了慣性能再利用的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)及控制方法，它在調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速(出土量)進(jìn)行盾構(gòu)土倉(cāng)的土壓平衡控制過(guò)程中，利用工作于液壓恒壓網(wǎng)絡(luò)上的變量馬達(dá)/泵的正反向排量調(diào)節(jié)功能，轉(zhuǎn)換泵和馬達(dá)的工況，在螺旋輸送機(jī)減速、制動(dòng)時(shí)以液壓能形式回收負(fù)載的慣性能量，加速時(shí)再以液壓能形式向負(fù)載輸送回收的能量；該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的盾構(gòu)土壓平衡系統(tǒng)存在裝機(jī)容量大等缺點(diǎn)，可使原動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率；該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，抗負(fù)載干擾能力強(qiáng)，土壓平衡控制精度高，可降低地基沉降的危險(xiǎn)程度；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作原理可行，易于工程實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)E21D9/093GK1707068SQ20041002749
公開(kāi)日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2004年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者李笑, 吳冉泉 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)