超大直径盾构用螺旋输送机无级调速液压驱动系统的制作方法

本发明涉及螺旋输送机液压控制技术领域，涉及一种超大直径盾构用螺旋输送机无级调速液压驱动系统，能够满足超大直径盾构机所需要的大扭矩、高转速螺旋输送机驱动系统需求。

背景技术：

目前，螺旋输送机做为盾构机的关键组成系统之一，主要将开挖土仓内的渣土输送到皮带机等渣土转运系统。现有盾构机的螺旋输送机驱动机构是由一个液压马达提供驱动动力，输出扭矩较小，出土能力低，严重影响盾构机施工的整机推进速度，增加施工成本等问题。螺旋输送机的可靠、高效关系到盾构施工的速度及安全，特别是大直径盾构机的螺旋输送机系统更是需要大扭矩、高转速的驱动系统，针对这种需求目前没有可靠地液压驱动系统。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供一种超大直径盾构用螺旋输送机无级调速液压驱动系统，解决目前大直径盾构螺旋输送机驱动系统存在驱动扭矩小、脱困扭矩不足、转速低、渣土输送能力不足等问题，能够适应大扭矩、高转速的工况需求，同时能够实现无级调速、过载保护、双向旋转等功能，运行性能稳定，使用效果好。

按照本发明所提供的设计方案，一种超大直径盾构用螺旋输送机无级调速液压驱动系统，包含油箱、液压泵组、调速液压回路、减速机、液压马达组、及控制单元，液压泵组通过调速液压回路与液压马达组连接，调速液压回路中设置有分油集油阀模块、冲洗控制阀模块、控制泵、及传感器模块，分油集油阀模块、冲洗控制阀模块及传感器模块均与控制单元通讯连接，所述液压泵组包含液压泵一和液压泵二，所述的液压泵一、液压泵二均通过分油集油阀模块与液压马达组连接，所述液压泵一、液压泵二均设置有排量调节机构，所述液压马达组包含同步运转的液压马达一和液压马达二，液压马达一、液压马达二均设置有输出变量调节机构，所述排量调节机构、输出变量调节机构均与控制单元通讯连接。

上述的，分油集油阀模块还包含热油阀组，热油阀组与油箱相连接。

优选的，热油阀组包含热油阀一、热油阀二；所述的热油阀一、热油阀二均包含：液控阀、背压阀，液控阀控制端与液压马达组相连接，液控阀另一端与背压阀连接，液控阀与背压阀的连接管路上还设置有阻尼孔，背压阀出口端通过回油管路与油箱连接。

上述的，液压泵一、液压泵二均为斜盘式轴向柱塞泵。

上述的，排量调节机构包含：补油泵、补油溢流阀、电比例方向控制阀，补油泵输出端通过电比例方向控制阀与螺旋输送机补油侧连接，电比例方向控制阀与控制单元信号相连接。

优选的，传感器模块包含分别与控制单元相信号连接的液压输出压力传感器、补油压力传感器、泄油温度传感器、转速传感器、及摆角传感器，液压输出压力传感器用于检测液压泵组高压输出口压力信号，补油压力传感器用于检测补油泵补油端的压力信号，泄油温度传感器用于检测驱动电机泄油口温度信号，转速传感器用于检测液压马达组的转速信号，摆角传感器用于检测液压马达组的同步信号。

上述的，液压马达一、液压马达二均为斜轴式轴向柱塞变量马达。

上述的，输出变量调节机构包含：电比例压力控制阀、及伺服滑阀，电比例压力控制阀进油侧与冲洗控制阀模块相连接，电比例压力控制阀出油侧与伺服滑阀相连接，电比例压力控制阀与控制单元相信号连接。

上述的，冲洗控制阀模块包含冲洗减压阀、冲洗电磁阀、转速控制减压阀及转速控制电磁阀，冲洗减压阀、冲洗电磁阀均与液压马达组连接，转速控制减压阀、转速控制电磁阀与液压马达组连接。

上述的，还包含报警模块、及上位机，报警模块与控制单元相通讯连接，控制单元与上位机连接。

本发明的有益效果：

1、本发明结构简单、紧凑，设计新颖、合理，解决现有技术中大直径盾构螺旋输送机驱动系统存在驱动扭矩小、脱困扭矩不足、转速低、渣土输送能力不足等问题，根据实际使用工况和液压特性，采用闭式、容积调速液压回路，通过液压泵组、液压马达组加分油集油模块，构造能够满足大扭矩高转速需求的液压驱动系统，实现变速调节、过载保护、双向旋转的功能，安全可靠，有效保障螺旋输送机运行性能的稳定性。

2、本发明通过螺旋输送机尾部双马达驱动的设计使减速机受力更均匀延长使用寿命，采用大排量马达，相同工作压力的情况下螺旋输送机能输出更大的扭矩；螺旋输送机马达带有摆角传感器，摆角传感器与控制单元相连，使两个马达的同步性更高；集油分油阀块的设计，使得即使两个泵在输出的流量不同的情下，两个马达也能输出相同的转速，避免产生偏载扭矩，同时可以使螺旋输送机的转速范围更广，低速稳定性更强；固定流量的热油阀设计能最大限度的将螺旋输送机马达工作过程中产生的带有杂质热油置换出去，同时不影响补油泵的补油效果，通过补油泵对置换的热油进行补充，补充的油液是经过过滤冷却的油，保证了系统长期运行的稳定可靠；液压泵采用电比例控制，泵的输出流量能在0-100％之间无级变量，连接至泵行程活塞的反馈手柄可将任何给定电流的泵的流量保持在控制范围之内，压力切断阀的设置使螺旋输送机在超载的情况下泵输出最小的排量，避免了能量损失，同时泵本身集成有溢流阀，在压力切断阀失效的情况下能提供二次保护，使泵的性能更加可靠；系统集成有压力传感器、摆角传感器、转速传感器，可以实时的对螺旋输送机转速、螺旋输送机扭矩进行监测并反馈在控制界面上，操作人员可以根据推进速度及时的对螺旋输送机转速进行调整，同时在需要大扭矩的情况下，可以通过适当降低螺旋输送机转速来实现；恶劣工况，螺旋输送机扭矩过大时还可以通过反转螺旋输送机实现脱困；所述的冲洗控制阀组采用的整体集成阀组，节省空间。

附图说明：

图1为本发明的原理示意图；

图2为斜盘式轴向柱塞泵示意图；

图3为斜轴式轴向柱塞变量马达示意图；

图4为热油阀组示意图；

图5为冲洗控制阀示意图。

具体实施方式：

图中标号，标号2代表液压泵，标号3代表分油集油阀模块，标号4代表热油阀，标号5代表驱动电机，标号6代表冲洗控制阀模块，标号7代表马达变量缸，标号a代表补油泵，标号b代表补油溢流阀，标号c代表电比例方向控制阀，标号d代表螺旋输送机溢流阀，标号e代表螺旋输送机压力切断阀，标号f代表补油压力传感器，标号g代表液压输出压力传感器，标号k代表电比例压力控制阀，标号l代表泄油温度传感器，标号r代表转速传感器，标号s代表摆角传感器，标号t代表伺服滑阀，标号h代表液控阀，标号i代表阻尼孔，标号j代表背压阀，标号m代表冲洗减压阀，标号n代表冲洗电磁阀，标号o代表转速控制减压阀，标号p代表转速控制电磁阀。

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1所示，一种超大直径盾构用螺旋输送机无级调速液压驱动系统，包含油箱、液压泵组、调速液压回路、减速机、液压马达组、及控制单元，液压泵组通过调速液压回路与液压马达组连接，调速液压回路中设置有分油集油阀模块、冲洗控制阀模块、控制泵、及传感器模块，分油集油阀模块、冲洗控制阀模块及传感器模块均与控制单元通讯连接，所述液压泵组包含液压泵一和液压泵二，所述的液压泵一、液压泵二均通过分油集油阀模块与液压马达组连接，所述液压泵一、液压泵二均设置有排量调节机构，所述液压马达组包含同步运转的液压马达一和液压马达二，液压马达一、液压马达二均设置有输出变量调节机构，所述排量调节机构、输出变量调节机构均与控制单元通讯连接。

本发明根据实际使用工况和液压特性，采用闭式、容积调速液压回路，通过液压泵组、液压马达组加分油集油模块，构造能够满足大扭矩高转速需求的液压驱动系统，实现变速调节、过载保护、双向旋转的功能，安全可靠，有效保障螺旋输送机运行性能的稳定性；解决现有技术中大直径盾构螺旋输送机驱动系统存在驱动扭矩小、脱困扭矩不足、转速低、渣土输送能力不足等问题，结构简单、紧凑，能够满足大扭矩、高转速的工况需求，同时能够实现无级调速、过载保护、双向旋转等功能，运行性能稳定，使用效果好。

实施例二，参见图1~5所示，与实施例一基本相同，不同之处在于：分油集油阀模块还包含热油阀组，热油阀组与油箱相连接。

优选的，热油阀组包含热油阀一、热油阀二；所述的热油阀一、热油阀二均包含：液控阀、背压阀，液控阀控制端与液压马达组相连接，液控阀另一端与背压阀连接，液控阀与背压阀的连接管路上还设置有阻尼孔，背压阀出口端通过回油管路与油箱连接。

上述的，液压泵一、液压泵二均为斜盘式轴向柱塞泵。参见图1中所示，分油集油阀模块是整体阀块，斜盘式轴向柱塞泵A、B口分别连接分油集油阀的A、B口，所述的分油集油阀A口与B口内部通道连通；参见图4所示，热油阀集成有液控阀、固定阻尼孔、背压阀，液控阀控制端分别连接液压马达组的A、B口压力油，液控阀出口连接固定阻尼孔，固定阻尼孔连接背压阀，背压阀出口通过回油管路与油箱连接。

上述的，排量调节机构包含：补油泵、补油溢流阀、电比例方向控制阀，补油泵输出端通过电比例方向控制阀与螺旋输送机补油侧连接，电比例方向控制阀与控制单元相信号连接。

优选的，传感器模块包含分别与控制单元相信号连接的液压输出压力传感器、补油压力传感器、泄油温度传感器、转速传感器、及摆角传感器，液压输出压力传感器用于检测液压泵组高压输出口压力信号，补油压力传感器用于检测补油泵补油端的压力信号，泄油温度传感器用于检测驱动电机泄油口温度信号，转速传感器用于检测液压马达组的转速信号，摆角传感器用于检测液压马达组的同步信号。

参见图2所示，液压输出压力传感器采集螺旋输送机高压侧油路的压力信号，补油压力传感器采集螺旋输送机补油管路侧的压力信号，螺旋输送机溢流阀通过内部通道连通螺旋输送机A、B油路；补油泵内置于液压泵，起到向螺旋输送机驱动系统进行补油及冷却闭式回路油液的作用。

上述的，液压马达一、液压马达二均为斜轴式轴向柱塞变量马达。

上述的，输出变量调节机构包含：电比例压力控制阀、及伺服滑阀，电比例压力控制阀进油侧与冲洗控制阀模块相连接，电比例压力控制阀出油侧与伺服滑阀相连接，电比例压力控制阀与控制单元信号相连接。

参见图3所示，电比例压力控制阀进油侧与冲洗控制阀模块相连，电比例压力控制阀出油侧连接伺服滑阀，泄油温度传感器连接液压马达组的泄油口。

上述的，冲洗控制阀模块包含冲洗减压阀、冲洗电磁阀、转速控制减压阀及转速控制电磁阀，冲洗减压阀、冲洗电磁阀均与液压马达组连接，转速控制减压阀、转速控制电磁阀与液压马达组连接。参见图5所示，冲洗控制阀模块集成有冲洗减压阀、冲洗电磁阀、转速控制减压阀、转速控制电磁阀，冲洗减压阀与冲洗电磁阀均设置在液压马达组冲洗连接管路，转速控制减压阀与转速控制电磁阀均设置在液压马达组转速控制连接管路上。

上述的，还包含报警模块、及上位机，报警模块与控制单元相通讯连接，控制单元与上位机连接。

本发明中，两台轴向柱塞变量泵输出的高压油流至分油集油阀块，分油集油阀块将高压油均匀分至斜轴式轴向柱塞马达，分油集油阀组集成有热油阀组，工作过程中产生的带有杂质高温液压油经过热油阀回到油箱进行冷却过滤，高压油驱动轴向柱塞马达转动，经过减速机减速后转换为螺旋输送机转速及扭矩，轴向柱塞泵与轴向柱塞马达均带有变量机构，通过分别控制液压泵和液压马达的排量，实现螺旋输送机转速的无级调节，通过改变马达的排量来改变螺旋输送机的输出功率，在不需要大扭矩的工况下有很好的节能效果。

采用双泵驱动双马达的闭式液压回路，具体工作过程如下：螺旋输送机启动之前，控制泵需优先启动，同时冲洗控制阀模块冲洗电磁阀得电，控制泵输出的高压油经冲洗减压阀减压后，通过冲洗电磁阀到达螺旋输送机液压马达轴承处，为轴承提供冲洗润滑，控制单元得到控制泵启动的信号后，螺旋输送机液压泵允许启动；启动螺旋输送机液压泵电机，在不给螺旋输送机转速信号时，螺旋输送机主泵斜盘在中位，螺旋输送机泵不输出高压油，此时补油泵处于工作状态，补油泵输出的高压油经过过滤后到达螺旋输送机补油侧，为闭式回路补油，同时补油泵输出的高压油通过电比例方向控制阀到达螺旋输送机泵变量缸，用来控制螺旋输送机泵排量，初始时电比例方向控制阀阀芯位于中位，补油泵a的高压油通过阀芯均匀的作用在变量缸两端，使柱塞泵斜盘位于中位，补油溢流阀用于限定补油泵输出压力，使螺旋输送机补油压力恒定，螺旋输送机补油压力传感器检测到补油压力后，反馈到控制单元，检测的压力为设定补油压力范围中的值时允许启动螺旋输送机，检测压力不在设定范围中时通过报警模块，向工作人员发出警示，提醒检查螺旋输送机系统；当补油压力正常时可以给螺旋输送机转速，操作人员给出螺旋输送机转速信号，电比例方向控制阀接受到转速信号，阀芯发生移动，移动位移X与电信号成正比，阀芯的偏移量会对阀芯进口补油泵的高压油产生减压作用，减压值P1与阀芯位移X成比例，补油泵输出的压力油P1作用柱塞泵变量缸的一侧，使变量缸带动柱塞泵斜盘发生移动，变量缸柱塞压动另一侧弹簧，直到压力油P1产生的力与弹簧产生的力达到平衡，变量缸与斜盘都稳定在一定位置，柱塞泵的摆角与泵的排量正相关，泵输出恒定流量。螺旋输送机扭矩超载时，在高压作用下压力切断阀打开，控制变量油回到油箱，螺旋输送机斜盘回到中位不输出排量，对螺旋输送机起保护作用。压力切断阀失效的情况下，高压油通过螺旋输送机溢流阀回到吸油侧，提供二级保护，所述的螺旋输送机溢流阀带有单向阀功能，正常情况先，补油泵的油通过螺旋输送机溢流阀为螺旋输送机补油。

轴向柱塞泵的油路走向是：补油泵压力油→电比例方向控制阀b→电比例方向控制阀接受电信号阀芯偏移X→补油泵压力油经电比例方向控制阀减压得到压力P1→压力P1作用在变量缸活塞推动变量缸移动→变量缸驱动柱塞泵斜盘产生摆角→变量缸另一侧弹簧受压缩产生弹簧力→压力P1作用力与弹簧力平衡，变量缸稳定在一个位移处→泵斜盘产生固定倾角，泵输出固定排量。

两个液压泵工作流程相同，假设泵B口输出高压油。

B口高压油到达分油集油模块PB1、PB2口，分油集油模块A口与B口内部通道连通，压力油在分油集油模块混合后均匀的从B1和B2口输出，B口的压力油分为两路，一路到达液压马达的B侧，一路到达热油阀的B口。

到达液压马达B侧的高压油驱动液压马达旋转，通过减速机驱动螺旋输送机产生转速和扭矩，液压马达输出轴设有转速传感器，转速传感器将检测值反馈到控制单元，通过控制单元转换为螺旋输送机转速，液压马达为变排量马达，通过改变液压马达的排量，可以得到不同的输出扭矩和转速，液压马达的排量受斜盘摆角影响，具体工作过程如下：

螺旋输送机低速运行时，例如：运行速度小于等于8转每分为低速，此时冲洗控制阀模块的转速控制电磁阀p不得电，液压马达工作在最大排量，当转速超过 8转每分时，转速控制电磁阀p得电，允许液压马达变排量，同时轴向柱塞泵为最大排量输出，螺旋输送机转速只受液压马达排量影响，控制泵输出高压油经螺旋输送机转速控制减压阀减压为P1，压力油P1通过转速控制电磁阀p到达液压马达的排量控制口，在没有给出转速信号时，电比例压力控制阀k输出压力为0，液压马达仍工作在最大排量，当操作人员给出转速信号后，电比例压力控制阀开始输出压力P2，P2的值与电信号成比例，最大不超过P1值，P2作用在液压马达伺服滑阀t左侧，推动伺服滑阀阀芯移动，液压马达的高压油P3通过伺服滑阀到达液压马达变量缸的大腔，在差动力的作用下，变量缸发生位移，液压马达的排量减小，与变量缸相连的连杆压缩伺服滑阀右侧弹簧，直到弹簧力与伺服滑阀左侧P2产生的力相平衡，伺服滑阀回到左位，变量缸停止移动，液压马达输出固定排量；摆角传感器s将检测到的液压马达摆角值反馈到控制单元，通过控制单元转换为马达的排量值。

液压马达变排量的流程：控制泵高压油到达冲洗与控制阀组⑥的P口→转速控制减压阀o减压得到压力P1→转速控制电磁阀得电导通→Ｐ１到达马达速度控制ｐ口→电比例压力控制阀接收电信号输出压力P2→P2作用在伺服滑阀左侧使伺服滑阀移动导通油路→马达高压油P3通过伺服滑阀到达变量缸大腔→变量缸移动带动马达变量→变量缸通过连杆压缩伺服阀右侧弹簧直至弹簧力与伺服阀左侧压力P2平衡伺→伺服阀回位变量结束→马达输出固定排量。

在液压马达的泄油侧装有温度传感器l，温度传感器将检测到的泄油温度反馈到控制单元，泄油温度高于设定值时，通过报警模块发出报警信号，避免油温过高损坏元器件。马达的回油从低压口A流出连接分油集油阀A1口，通过分油集油阀的油分两部分，一部分直接到达泵的吸油侧，一部分经过热油阀回油箱。到达热油阀的高压油产生控制力使液控阀h换向，连通马达回油至油箱的通路，进行换油过程，如下：马达回油→分油集油块③ A1口→液控阀f 在马达高压口控制油作用下换向连通油路→固定阻尼孔→被压阀→油箱；所述的马达低压回油压力基本固定，背压阀设定固定值，就可以使所述的固定阻尼孔进出侧压差为定值，阻尼孔的压差决定了通过阻尼孔的流量，压差恒定，流量恒定，保证了换油量不会影响泵的正常吸油。所述的背压阀压力设定值比回油压力低5-8bar。分油集油模块设置有测压点，可以监测阻尼孔进出口的压力。另一路马达的低压油通过分油集油阀模块回到液压泵的吸油侧，进行下一个循环。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。