一种盾构机多模式协调冷却控制系统和方法与流程

1.本发明属于隧道施工温度控制技术领域，特别涉及一种盾构机多模式协调冷却控制系统和方法。


背景技术：

2.盾构机是集机械、液压、光电于一体的大型隧道施工设备。盾构法在隧道施工中具有安全可靠、机械化程度高、环境好、工作效率高等优点，然而盾构机在正常的工作过程中，其液压和润滑系统在压力转化为机械能的过程中会产生大量的热能，会使油温及周围的环境温度升高。过高的温度不但会影响机器的正常运行，还会减少元件的使用寿命，所以，必须采用有效的措施使其及时冷却。
3.由于影响温度升高的因素有很多种，传统的冷却系统控制方式单一，很难达到理想的降温效果。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种盾构机多模式协调冷却控制系统和方法，根据温度实际值与设定值的差值选择冷却系统相应的的工作模式，以起到最佳的降温效果。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种盾构机多模式协调冷却控制系统，包括控制模块、温度采集模块、变频器、第一冷却单元和第二冷却单元；
7.所述控制模块与温度采集模块、第二冷却单元中的制冷设备和变频器分别通信连接；所述变频器与第一冷却单元通信连接；
8.所述温度采集模块设置在待冷却油箱内，用于采集油箱内的温度；所述控制模块获取所述温度采集模块采集的温度；并将温度值与预设温度初始值对比，根据比较的结果控制变频器工作模式；所述变频器的工作模式包括按照当前转速工作、升高变频器转速以启动第一冷却单元进行水循环降温和第二冷却单元进行水循环制冷。
9.进一步的，所述第一冷却单元包括若干降温循环管道和制冷水箱；其中每条降温循环管道均与制冷水箱串联，使高温水经过制冷水箱后降低温度。
10.进一步的，所述降温循环管道包括串联的水泵、单向阀、球阀和压力表；
11.所述水泵用于输送制冷水箱中的制冷液体；
12.所述单向阀用于控制降温循环管道中液体的流动方向；
13.所述球阀用于切断、分配或者改变降温循环管道中液体的流动方向；
14.所述压力表用于测量降温循环管道内部的压力。
15.进一步的，所述第二冷却单元包括制冷设备、截止阀和制冷循环管道；
16.所述制冷设备通过制冷循环管道与制冷水箱串联，通过制冷水箱降低制冷循环管道中液体的温度；所述制冷水箱上还设置截止阀，用于为制冷水箱提供补水管路。
17.进一步的，所述制冷循环管道包括串联的水泵、单向阀、球阀和压力表；
18.所述水泵用于输送制冷水箱中的制冷液体；
19.所述单向阀用于控制制冷循环管道中液体的流动方向；
20.所述球阀用于切断、分配或者改变制冷循环管道中液体的流动方向；
21.所述压力表用于测量制冷循环管道内部的压力。
22.进一步的，所述制冷设备包括主制冷设备和备制冷设备，且主制冷设备和备制冷设备均此采用风冷螺杆式冷水机组。
23.进一步的，所述制冷设备包括蒸发器31、节流阀32、干燥过滤器33、冷凝器34、螺杆压缩机311、冷却风扇312、压力测量控制装置、载冷剂出入口装置；其中压力测量控制装置包括高压测量控制装置和低压测量控制装置；
24.所述蒸发器31、干燥过滤器33、冷凝器34和螺杆压缩机311串联；所述蒸发器31上设置载冷剂出入口装置；所述螺杆压缩机311的内部设置高压测量控制装置，所述螺杆压缩机311的外部设置低压测量控制装置；所述冷凝器34上设置冷却风扇312；所述蒸发器31和干燥过滤器33之间设置节流阀32。
25.进一步的，所述制冷设备的工作流程为：从蒸发器31出来后的状态为气体冷媒，然后经过螺杆压缩机311绝热压缩变成高温高压状态，然后在冷凝器34中冷却之后变化成液态冷媒，再经过节流阀32膨胀到低压，变成气液混合物，其中低压状态的液体冷媒在蒸发器31中重新变成气态冷媒；气态冷媒重新进入螺杆压缩机311形成循环过程。
26.一种盾构机多模式协调冷却控制方法，是基于一种盾构机多模式协调冷却控制系统实现的，所述方法包括以下步骤：
27.设置液压系统中油箱内预设温度初始值t
预设值
；
28.通过温度传感器采集所述油箱内的当前温度值t(t)；判断所述当前温度值t(t)与预设温度初始值t
预设值
之间的大小关系；如果t(t)＜t
预设值
，则液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；如果t(t)＞t
预设值
，则控制变频器加速，加快水路循环。
29.进一步的，所述方法还包括：
30.判断t(t+1)时刻的温度值与t(t)时刻温度值的大小，如果t(t+1)＜t(t)，则液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；如果t(t+1)＞t(t)，则启动主制冷设备，对循环水快速降温，从而实现降低油温的目的；
31.判断t(t+2)时刻的温度值与t(t+1)时刻温度值的大小，如果t(t+2)＜t(t+1)，则液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；如果t(t+2)＞t(t+1)，则启动备制冷设备，并且发出油温过高预警，进行异常检查。
32.发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
33.本发明提出了一种盾构机多模式协调冷却控制系统和方法，该系统包括控制模块、温度采集模块、变频器、第一冷却单元和第二冷却单元；控制模块与温度采集模块、第二冷却单元中的制冷设备和变频器分别通信连接；变频器与第一冷却单元通信连接；温度采集模块设置在待冷却油箱内，用于采集油箱内的温度；控制模块获取所述温度采集模块采集的温度；并将温度值与预设温度初始值对比，根据比较的结果控制变频器工作模式；变频器的工作模式包括按照当前转速工作、升高变频器转速以启动第一冷却单元进行水循环降
温和第二冷却单元进行水循环制冷。基于一种盾构机多模式协调冷却控制系统，还提出了一种盾构机多模式协调冷却控制方法。本发明利用温度传感器采取温度信号，根据温度实际值与设定值的差值选择冷却系统相应的的工作模式，以起到最佳的降温效果。
34.本发明中制冷设备包括主制冷设备和从制冷设备，当其中一台主制冷机工作过程中发生故障或难以达到所要求的冷却效果时，启用另一台从制冷机开始工作。首先，各个系统内的温度传感器获取内部的温度值，与温度设定值作比较，根据比较的结果去控制变频器，若温度在允许范围内，变频器按当前模式继续工作；若温度高出了预设值，则控制变频器自动升速，加快水路循环，提升系统的热交换效率；若系统温度继续升高，则启动制冷机，有效缓解自然冷却慢，效果较差的特点，以满足对循环水快速降温，从而实现对设备降温的目的，如此不断地调整，最终使温度冷却至设定值范围内。实现了智能调整，以及使温度调整到最佳状态，而且在油温过高时发出异常报警，提高设备的安全性。
附图说明
35.如图1为本发明实施例1液压系统水路循环制冷系统结构示意图；
36.如图2为本发明实施例1一种盾构机多模式协调冷却控制系统结构示意图；
37.如图3为本发明实施例1制冷设备结构示意图；
38.如图4为本发明实施例2一种盾构机多模式协调冷却控制方法流程图；
39.另外：11.压力表、12.球阀、13.单向阀、14.额定功率为7.5kw的刀盘水路循环水泵、15.额定功率为11kw的内密封系统和润滑系统水路循环水泵、16.额定功率为11kw的外密封系统和液压系统水路循环水泵、17.截止阀、18.额定功率为45kw的外循环系统循环水泵；
40.31.蒸发器、32.节流阀、33.干燥过滤器、34.冷凝器、311.螺杆压缩机、312.冷却风扇、39.高压压力控制器、310高压压力表、37.低压压力表、38.低压压力控制器、35.载冷剂出口和36.载冷剂入口。
具体实施方式
41.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
42.实施例1
43.本发明实施例1提出了一种盾构机多模式协调冷却控制系统，如图2为本发明实施例1一种盾构机多模式协调冷却控制系统结构示意图。该系统包括控制模块、温度采集模块、变频器、第一冷却单元和第二冷却单元；
44.控制模块与温度采集模块、第二冷却单元中的制冷设备和变频器分别通信连接；变频器与第一冷却单元通信连接。
45.控制模块采用plc控制模块，控制模块与温度采集模块、第二冷却单元中的制冷设
备和变频器分别通信连接，可以采用远程通信。
46.其中温度采集模块设置在待冷却油箱内，用于采集油箱内的温度；本发明实施例1中设置3个温度传感器。控制模块获取温度采集模块采集的温度；并将温度值与预设温度初始值对比，根据比较的结果控制变频器工作模式；变频器的工作模式包括按照当前转速工作、升高变频器转速以启动第一冷却单元进行水循环降温和第二冷却单元进行水循环制冷。
47.如图1为本发明实施例1液压系统水路循环制冷系统结构示意图；液压系统水路循环作为内循环水系统的一条支路，由液压系统水路循环水泵将与外循环水通过冷却水箱冷却后的内循环水泵送到液压油箱附近，与油箱内循环的液压油通过板式换热片进行热交换，带走液压油的热量，降低油温。
48.第一冷却单元为本发明实施例1中的内循环水系统，第二冷却单元为本发明实施例1中的外循环水系统。
49.第一冷却单元包括若干降温循环管道和制冷水箱；其中每条降温循环管道均与制冷水箱串联，使高温水经过制冷水箱后降低温度。即图1中的三台循环水泵(11kw、11kw、7.5kw)和一个冷却水箱(10000l)，其中每台循环水泵都是独立的。
50.每台循环水泵的降温循环管道包括串联的水泵、单向阀、球阀和压力表；水泵用于输送制冷水箱中的制冷液体；单向阀用于控制降温循环管道中液体的流动方向；球阀用于切断、分配或者改变降温循环管道中液体的流动方向；压力表用于测量降温循环管道内部的压力。
51.图1中，11为压力表；12为球阀；13为单向阀；14是额定功率为7.5kw的刀盘水路循环水泵；15是额定功率为11kw的内密封系统和润滑系统水路循环水泵；16是额定功率为11kw的外密封系统和液压系统水路循环水泵；17为截止阀；18是额定功率为45kw的外循环系统循环水泵。
52.三台循环水泵分别控制刀盘电机水路循环、外密封系统及液压系统水路循环、内密封系统及润滑系统水路循环，使高温水经过热交换器后降低温度。
53.第二冷却单元即外循环系统，外循环系统主要是有一台45kw的循环水泵，与隧道外部冷却水池组成外循环，同时还需要配备冷却塔来降低外循环水的温度，再通过热交换器带走内循环系统所产生的热量。
54.外循环系统中的制冷循环管道包括串联的水泵、单向阀、球阀和压力表；水泵用于输送制冷水箱中的制冷液体；单向阀用于控制制冷循环管道中液体的流动方向；球阀用于切断、分配或者改变制冷循环管道中液体的流动方向；压力表用于测量制冷循环管道内部的压力。
55.本发明中，制冷设备包括主制冷设备和备制冷设备，且主制冷设备和备制冷设备均此采用风冷螺杆式冷水机组。如图3为本发明实施例1中制冷设备结构示意图；包括蒸发器31、节流阀32、干燥过滤器33、冷凝器34、螺杆压缩机311、冷却风扇312、压力测量控制装置、载冷剂出入口装置；其中压力测量控制装置包括高压测量控制装置和低压测量控制装置。
56.高压测量控制装置包括高压压力控制器39和高压压力表310；低压测量控制装置包括低压压力表37和低压压力控制器38，载冷剂出入口装置包括载冷剂出口35和载冷剂入
口36。
57.制冷设备的工作流程为：从蒸发器31出来后的状态为气体冷媒，然后经过螺杆压缩机311绝热压缩变成高温高压状态，然后在冷凝器34中冷却之后变化成液态冷媒，再经过节流阀32膨胀到低压，变成气液混合物，其中低压状态的液体冷媒在蒸发器31中重新变成气态冷媒；气态冷媒重新进入螺杆压缩机311形成循环过程。
58.实施例2
59.基于本发明实施例1提出的一种盾构机多模式协调冷却控制系统，本发明实施例2提出了一种盾构机多模式协调冷却控制方法。如图4为本发明实施例2一种盾构机多模式协调冷却控制方法流程图，该方法包括以下步骤：
60.设置液压系统中油箱内预设温度初始值t
预设值
；
61.通过温度传感器采集所述油箱内的当前温度值t(t)；判断所述当前温度值t(t)与预设温度初始值t
预设值
之间的大小关系；如果t(t)＜t
预设值
，则液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；如果t(t)＞t
预设值
，则控制变频器加速，加快水路循环。
62.该方法还包括：
63.判断t(t+1)时刻的温度值与t(t)时刻温度值的大小，如果t(t+1)＜t(t)，则液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；如果t(t+1)＞t(t)，则启动主制冷设备，对循环水快速降温，从而实现降低油温的目的；
64.判断t(t+2)时刻的温度值与t(t+1)时刻温度值的大小，如果t(t+2)＜t(t+1)，则液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；如果t(t+2)＞t(t+1)，则启动备制冷设备，并且发出油温过高预警，进行异常检查。
65.一般情况下，液压系统油温不宜超过65℃，润滑系统油温不宜超过60℃，当温度超过60℃时,不但会严重影响机器的正常使用，还会减少机械元件的使用寿命,增加盾构机的维修成本。以液压系统的冷却为例，液压系统油温设定值为60℃，温度传感器实时采取液压系统的油温，与油温设定值作比较，设t(t)为t时刻温度传感器测量的液压系统油温，其冷却系统控制过程如下：
66.若t(t)<60℃，液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；若t(t)>60℃，控制变频器自动升速，加快水路循环。
67.若t(t+1)<t(t)，液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；若t(t+1)>t(t)，启动制冷机，对循环水快速降温，从而实现降低油温的目的。
68.若t(t+2)<t(t+1)，液压系统水路循环冷却过程按当前工作模式进行；若t(t+2)>t(t+1)，启动备用制冷机，油温过高报警，进行异常检查。
69.液压系统水路循环在控制系统中的整体循环路径为：液压系统水路循环作为内循环水系统的一条支路，由液压系统水路循环水泵将与外循环水通过冷却水箱冷却后的内循环水泵送到液压油箱附近，与油箱内循环的液压油通过板式换热片进行热交换，带走液压油的热量，降低油温。
70.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护
范围以内。