專利名稱：慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于隧道機械領域，涉及盾構土壓平衡系統(tǒng)，具體涉及慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)。
背景技術：
隨著城市建設快速發(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、基礎設施落后、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化等城市病，給人們的居住生活帶來了很大的影響，也制約了城市經(jīng)濟與社會的進一步發(fā)展。開發(fā)利用地下空間，已成為城市實現(xiàn)立體化交通、提高運行效率的重要途徑。為此，地下空間開發(fā)技術已取得了重大進展，具有代表性的是發(fā)展了隧道盾構法暗挖施工技術，但也存在一些問題，其中確保盾構開挖面穩(wěn)定和提高設備運行效率問題成為急需解決的主要技術難題。
土壓平衡(Earth Pressure Balance，簡稱EPB)技術是隧道挖掘盾構機較為廣泛采用的穩(wěn)定開挖面的技術。該技術利用開挖的泥土支撐挖掘面，通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速(出土量)控制推進轉(zhuǎn)刀室(盾構土倉)的泥土壓力，以將地基沉降減至最低程度。螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速EPB自動控制通常是由電液伺服變量泵和液壓定量馬達等組成的泵控系統(tǒng)來實現(xiàn)的。由于受挖掘的土質(zhì)、變量泵的死區(qū)特性等時變和非線性因素以及盾構推進速度的影響，該泵控系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)特性難以達到工程要求，由此可能帶來開挖面崩塌等潛在的危險。而且，該系統(tǒng)與盾構機的液壓刀盤系統(tǒng)、液壓推進系統(tǒng)等均是各自獨立工作的，盾構機泵站數(shù)量多，裝機容量大，能量利用也不盡合理。
盾構法施工技術是目前國內(nèi)外廣泛采用的地下隧道全機械化開挖施工技術，其技術本身具有先進性和復雜性，因盾構機液壓系統(tǒng)具有功率大、負載多和總效率低等特點，使得對其可靠性提出了更高的要求。
盾構機產(chǎn)生于英國，發(fā)展于日本、德國。近30年來，通過對土壓平衡式、泥水式盾構機中的關鍵技術(如盾構機的有效密封，確保開挖面的穩(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，使盾構機有了很快的發(fā)展。
目前，確保盾構開挖面穩(wěn)定的土壓平衡控制技術主要采用流量耦聯(lián)的液壓容積傳動技術，即通過動力源液壓泵流量的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對液壓馬達驅(qū)動的螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速控制。流量耦聯(lián)的液壓系統(tǒng)缺點是響應速度慢、無法回收制動能量。80年代德國學者提出了一種壓力耦聯(lián)的液壓容積傳動技術，即將多個負載馬達連接在同一個恒壓源上，組成液壓恒壓網(wǎng)絡，通過各負載馬達的排量調(diào)節(jié)實現(xiàn)驅(qū)動負載的控制。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)制動能量的回收，也比流量耦聯(lián)系統(tǒng)響應速度快。因此，將該技術原理應用于大型盾構機液壓系統(tǒng)，不但可以實現(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EPB系統(tǒng)的動態(tài)特性和控制精度，使盾構開挖面崩塌等危險減至最低程度。
目前，有關隧道盾構法施工機械的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠嗉性谛滦投軜嫏C設備、施工工藝和具體結(jié)構等方面，如“半盾構挖掘機”(專利號02105894，日本株式會社小松制作所)、“隧道挖掘機”(專利號02122451，日本三菱重工業(yè)株式會社)、“盾構掘進式隧道鉆孔機”(專利號95120602.8，日本大豐建設株式會社)、“組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機”(專利號02136207，中國上海隧道工程股份有限公司)等均屬于新型盾構機設備的發(fā)明，“盾構法掘進隧道用撓性扇形襯砌塊”(專利號93120718.5，日本維克托利克株式會社)、盾構掘進機的刀頭”(專利號02107428.3，日本株式會社小松制作所)等均屬于施工工藝和具體結(jié)構的發(fā)明。各發(fā)明專利所屬的技術領域，均未涉及基于液壓恒壓網(wǎng)絡的“慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)及控制方法”。
目前，有關基于液壓恒壓網(wǎng)絡的工業(yè)應用的發(fā)明或?qū)嵱眯滦蛯＠喑鲎缘聡?，如德國力士?REXROTH)公司的“靜油壓驅(qū)動裝置”(專利號3525097)、“可變泵馬達”(專利號3844401)、“板成形的流體驅(qū)動裝置”(專利號4308198)等，其專利所屬的技術領域也尚未涉及基于液壓恒壓網(wǎng)絡的“慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)及控制方法”。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型主要針對目前盾構機存在的土壓平衡控制精度不高、系統(tǒng)響應速度慢和能耗較大等問題，提出了基于液壓恒壓網(wǎng)絡的盾構土壓平衡控制原理，在此原理基礎上，提出并設計制造了慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)。
本實用新型的慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)，包括有螺旋輸送機、液壓變量馬達/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，上述螺旋輸送機的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達/泵的傳動軸通過聯(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，流量與負載相適應；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/泵、液壓變壓器、蓄能器、液壓恒壓變量泵通過液壓管路相互連接；上述土壓平衡控制器與液壓變量馬達/泵、液壓變壓器、土壓傳感器通過信號線連接，實現(xiàn)設定、監(jiān)測土壓以及運算和輸出土壓平衡控制信號、液壓變壓器的控制信號。
上述螺旋輸送機的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達/泵的傳動軸通過減速器連接。
上述的液壓變量馬達/泵是電液比例(伺服)變量馬達/泵。
上述液壓變壓器由一個變量元件和一個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/泵，定量元件是液壓定量馬達/泵。
上述土壓平衡控制器由工業(yè)控制計算機及數(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成。
該實用新型是用于地下隧道工程土壓平衡式盾構機實現(xiàn)螺旋輸送機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的節(jié)能型液壓系統(tǒng)。它在調(diào)節(jié)螺旋輸送機轉(zhuǎn)速(出土量)進行盾構土倉泥土壓力的土壓平衡控制過程中，能夠利用工作于液壓恒壓網(wǎng)絡上的液壓變量馬達/泵，以液壓能形式回收并再利用螺旋輸送機旋轉(zhuǎn)軸上的慣性能。該系統(tǒng)采用連接在液壓恒壓網(wǎng)絡上的液壓變量馬達/泵驅(qū)動螺旋輸送機，克服了傳統(tǒng)的泵控定量馬達驅(qū)動方式存在的裝機容量大等缺點，能夠利用液壓變量馬達/泵具有正反向調(diào)節(jié)排量的功能，轉(zhuǎn)換泵和馬達的工況，在螺旋輸送機減速、制動時以液壓能形式回收負載的慣性能量，加速時再以液壓能形式向負載輸送回收的能量，因而可減小裝機功率，使原動機工作在高效率區(qū)，提高整個系統(tǒng)的工作效率；比采用傳統(tǒng)的泵控定量馬達驅(qū)動響應速度快，抗負載干擾能力強，因而可提高土壓平衡控制的精度，降低地基沉降的危險性；在液壓恒壓網(wǎng)絡上，可以并聯(lián)多個液壓變量馬達/泵，實現(xiàn)多個螺旋輸送機的土壓平衡協(xié)調(diào)控制與能量回收和再利用，為實現(xiàn)大斷面異型盾構的土壓平衡控制與高效節(jié)能提供了技術可能性；該系統(tǒng)采用普通的液壓元、輔件組成，系統(tǒng)結(jié)構簡單，工作原理可行，易于工程實現(xiàn)。


圖1是本實用新型系統(tǒng)裝置示意圖圖中各編號含義1螺旋輸送機2液壓變量馬達/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8盾構土倉具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述，但本實用新型的實施方式不僅限于此。
慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)，如說明書附圖所示，主要由螺旋輸送機1、液壓變量馬達/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，流量與負載相適應；液壓變量馬達/泵2是電液比例(伺服)變量馬達/泵，其排量正反向調(diào)節(jié)由土壓平衡控制器6控制，其傳動軸與螺旋輸送機1的旋轉(zhuǎn)軸直接(或通過減速器)連接；為了提高能量回收率，這里采用的液壓變壓器3是實現(xiàn)壓力轉(zhuǎn)換的一種液壓元件，由一對液壓馬達/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/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/泵，兩者組成一個變壓比可調(diào)的液壓變壓器。上述液壓變量馬達/泵2、液壓變壓器3、蓄能器4、液壓恒壓變量泵5通過液壓管路相互連接；上述土壓平衡控制器6由工業(yè)控制計算機和數(shù)據(jù)采集卡構成，與液壓變量馬達/泵2、液壓變壓器3和土壓傳感器7通過信號線連接，實現(xiàn)設定、監(jiān)測土壓以及運算和輸出土壓平衡控制信號和液壓變壓器的控制信號。
當盾構土倉的土壓低于設定的土壓時，需要螺旋輸送機1減速以控制土壓增加，維持土壓平衡；這時土壓平衡控制器6控制液壓變量馬達/泵2反向調(diào)節(jié)排量，使其由原來的馬達工況轉(zhuǎn)為泵工況，依靠負載的慣性帶動旋轉(zhuǎn)；在減速調(diào)節(jié)過程中，蓄能器4通過液壓變壓器3回收螺旋轉(zhuǎn)動泥土加在螺旋輸送機1旋轉(zhuǎn)軸上的慣性能量。
當盾構土倉的土壓高于設定的土壓時，需要螺旋輸送機1加速以控制土壓減小，維持土壓平衡；這時土壓平衡控制器6控制液壓變量馬達/泵2恢復正向調(diào)節(jié)排量，使其返回馬達工況。在加速調(diào)節(jié)過程中，蓄能器4通過液壓變壓器3與液壓恒壓變量泵5一起向液壓變量馬達/泵2提供負載所需的流量，在控制土壓減小的過程中，重新利用了蓄能器4回收的能量。
當盾構機在工作每一環(huán)后停車時，需要控制螺旋輸送機1減速制動。這時液壓變量馬達/泵2轉(zhuǎn)為泵工況，蓄能器4也同樣通過液壓變壓器3回收螺旋輸送機1旋轉(zhuǎn)軸上負載的慣性能量，回收的能量供下一工作循環(huán)周期再利用。
權利要求1.一種慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)，包括有螺旋輸送機、液壓變量馬達/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的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達/泵的傳動軸通過聯(lián)軸器直接連接；上述液壓變量馬達/泵與液壓變壓器、液壓恒壓變量泵通過液壓管路相互連接，上述液壓變壓器與蓄能器相互連接；上述土壓平衡控制器與液壓變量馬達/泵、液壓變壓器、土壓傳感器通過信號線連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于上述的螺旋輸送機的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達/泵的傳動軸通過減速器連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于上述的液壓變量馬達/泵是電液比例(伺服)變量馬達/泵。
4.根據(jù)權利要求1所述的慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)，其特征在于上述液壓變壓器由一個變量元件和一個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/泵，定量元件是液壓定量馬達/泵。
專利摘要本實用新型公開了一種慣性能再利用的盾構土壓平衡系統(tǒng)，包括有螺旋輸送機、液壓變量馬達/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，上述螺旋輸送機的旋轉(zhuǎn)軸與液壓變量馬達/泵的傳動軸通過聯(lián)軸器直接連接；上述液壓變量馬達/泵、液壓變壓器、蓄能器、液壓恒壓變量泵通過液壓管路相互連接；上述土壓平衡控制器與液壓變量馬達/泵、液壓變壓器、土壓傳感器通過信號線連接；該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的盾構土壓平衡系統(tǒng)存在裝機容量大等缺點，可使原動機工作在高效率區(qū)，提高整個系統(tǒng)的工作效率；該系統(tǒng)響應速度快，抗負載干擾能力強，土壓平衡控制精度高，可降低地基沉降的危險程度，易于工程實現(xiàn)。
文檔編號E21D9/093GK2804387SQ200420046690
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月8日 優(yōu)先權日2004年6月8日
發(fā)明者李笑, 吳冉泉 申請人:廣東工業(yè)大學