掘进机刀盘定变排量组合液压马达驱动系统及控制方法与流程

本发明涉及隧道掘进机技术领域，具体地说，特别涉及一种掘进机刀盘定变排量组合液压马达驱动系统及控制方法，达到最大限度的提高隧道掘进机的工作效率、提升系统可靠性和降低工程成本的目的。

背景技术：

隧道掘进机广泛用于供水工程、电力工程、道路建设、城市地铁等国家基础设施工程，它是一种集机-电-液多学科领域于一体的大型地下工程机械装备，其主机主要由刀盘及其驱动系统、推进系统和护盾支护系统等构成。

刀盘液压系统是保证掘进机实现向前掘进工作的十分重要的关键部分。通常，掘进机所处的掘进工况恶劣，面临的地质条件复杂多变，要求刀盘主驱动系统提供较大的功率和扭矩。为了提高掘进机的掘进速度，适应不同的工程地质条件，要求掘进机刀盘能够适应负载的动态变化，提供较大的扭矩，多种转速变化，在满足以上条件下，还要求系统尽量减小能耗，提升系统可靠性、工作效率和降低成本。

目前使用的掘进机的刀盘液压系统完全采用了多个变排量液压马达并联作为扭矩和转速输出，但是变排量液压马达造价高昂，每个变排量液压马达均单独配置了冲洗马达装置，导致更高的成本，并且变排量液压马达可靠性较定排量液压马达低，工作效率也不如定排量液压马达。

技术实现要素：

为了解决背景技术中掘进机的刀盘液压系统存在的问题，提出了一种掘进机刀盘定变排量组合液压马达驱动系统及控制方法，用于掘进机刀盘系统在针对不同工况需求下的自由调整，达到降低工程成本、提高系统效率和可靠性的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案及其步骤如下：

一、一种掘进机刀盘定变排量组合液压马达驱动系统：

系统包括变排量液压马达组、定排量液压马达组和变排量液压泵组，变排量液压马达组、定排量液压马达组和变排量液压泵组均接入到掘进机刀盘系统的主油路中，变排量液压泵组输入流量到主油路，变排量液压马达组和定排量液压马达组从主油路得到流量。

以定排量液压马达和变排量液压马达组合方式构建系统，并以排量组合控制方式控制定排量液压马达组和变排量液压马达组的排量，由两个马达组的马达排量和泵组的泵排量决定输出给掘进机刀盘的转速。

所述的变排量液压马达组包括多个并联连接到主油路的变排量液压马达，每个变排量液压马达的两端分别接入到主油路的两路，即一端接入到主油路的的油路A，另一端接入主油路的油路B，变排量液压马达组中的各个变排量液压马达同时或分别控制，若变排量液压马达组中有e个变排量液压马达，e个变排量液压马达可同时或分别控制；

所述的定排量液压马达组包括多个并联连接到主油路的定排量液压马达，每个定排量液压马达的两端分别接入到主油路的两路，即一端接入主油路的油路A，另一端接入主油路的油路B，若定排量液压马达组中有f个定排量液压马达，f个定排量液压马达同时控制。

所述的定排量液压马达组中定排量液压马达的总数取为以下公式计算得到的马达个数x的整数部分m，并且定排量液压马达排量的最大值为V_gmax：

其中，V_gmax表示定排量液压马达自身的最大排量，V为根据实际工程负载确定系统达到最高设计转速所需马达的总排量；

所述的变排量液压马达组中的变排量液压马达的总数为n-m，n为掘进机刀盘设计要求中的马达总数量，并且变排量液压马达排量的最小值为设计最大值为V_gmax′，V_gmax′表示变排量液压马达自身的最大排量。

所述的变排量液压马达采用对排量无极设定的变排量液压马达，具体为液压比例控制变排量液压马达或者电气比例控制变排量液压马达等。

所述的变排量液压马达采用将排量设置为V_gmin和V_gmax两档的变排量液压马达，具体为两点式液压控制变排量液压马达或者电子两点式控制变排量液压马达等，

所述的变排量液压马达组、定排量液压马达组中的轴承的冲洗和降温有两种方式：一是采用马达自带冲洗装置，二是采用马达集中式冲洗装置如图2所示。马达集中式冲洗装置连接在变排量液压马达组、定排量液压马达组和主油路之间，包括调速阀、蓄能器和二位三通阀，二位三通阀的P口接主油路的油路B，T口接主油路的油路A，二位三通阀的A口经调速阀与蓄能器连接，通过调速阀调节油液的流速，蓄能器分别经节流阀连接到变排量液压马达组和定排量液压马达组的马达壳体中，对马达轴承进行冲洗和降温，冲洗降温后的油液流回油箱。为防止由于刀盘制动过程导致背压侧油压过大引起冲洗流量出现峰值，在油液通过调速阀进入马达之前的油路中接入蓄能器。

二、一种掘进机刀盘定变排量组合液压马达驱动系统的控制方法：

以定排量液压马达和变排量液压马达组合方式连接到掘进机刀盘系统的主油路中以构建掘进机刀盘系统，并以特定排量组合方式设定定排量液压马达和变排量液压马达的排量，由定排量液压马达和变排量液压马达的马达排量以及变排量液压泵的泵排量输出掘进机控制转速。

所述的特定排量组合方式具体如下：

首先根据实际工程负载确定系统达到最高设计转速所需马达的总排量为V，在掘进机刀盘系统工作在最大排量下，采用以下公式获得所有马达均采用定排量液压马达工作时所需要的马达个数x为：

其中，V_gmax表示定排量液压马达自身的最大排量；

取个数x的整数部分m作为定排量液压马达组中定排量液压马达的总数，取n-m为变排量液压马达组中变排量液压马达的总数，n为掘进机刀盘设计要求中的马达总数量，n实际表示变排量液压马达组、定排量液压马达组中的所有马达的总数；

并且针对变排量液压马达组，将其中每个变排量液压马达的排量的范围设置为即将变排量液压马达排量的设计最小值设置为V_gmax′表示变排量液压马达自身的最大排量。

本发明在满足掘进机主驱动设计转速要求的前提下，尽量多地采用定排量液压马达，尽量减少变排量液压马达的数量，达到最大限度的降低成本，提高系统可靠性和效率的目的。

所述的变排量液压马达采用对排量无极设定的变排量液压马达，具体为液压比例控制变排量液压马达或者电气比例控制变排量液压马达等。

所述的变排量液压马达采用将排量设置为V_gmin和V_gmax两档的变排量液压马达，具体为两点式液压控制变排量液压马达或者电子两点式控制变排量液压马达等，

本发明控制原理如下：

1)首先，根据实际工程负载确定系统达到最高设计转速所需马达的总排量为V，定排量液压马达最大排量为V_gmax，变排量液压马达的最大排量为V_gmax′，掘进机刀盘设计要求中的马达总数量为n，n表示变排量液压马达组、定排量液压马达组中的所有马达的总数；

2)接着，确定所有马达工作在最大排量下需要的个数为

3)然后，x整数部分的数值为m，确定定排量液压马达的数量小于或者等于m，在满足设计转速要求的前提下，尽量多采用定排量液压马达并且尽量减少变排量液压马达的数量，以达到最优选择，因此确定最优定排量液压马达的数量为m，则变排量液压马达数量确定为n-m，其需要的总排量为(x-m)·V_gmax，分到每一个变排量液压马达的排量为变排量液压马达的排量范围为

至此，定排量液压马达数量为m，变排量液压马达的数量为n-m，变排量液压马达的排量范围为0～V_gmax，变排量液压马达的排量范围为即是确定了变排量液压马达排量的控制初始值和终止值。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

在保证提供给刀盘的转速可调节，转速范围满足需求的条件下，由于将定排量液压马达引入系统且定排量液压马达具有成本低，可靠性高及输入精度高的特点，

所以本液压系统提高了系统的可靠性和控制精度，降低了工程成本；

同时，本系统灵活性较高，可以根据工程需求灵活的选用定排量液压马达和变排量液压马达的组合方式，增加了隧道掘进机刀盘系统的工程适用性。

附图说明

图1是本发明的变排量液压马达、定排量液压马达的组合系统的原理示意图；

图2是本发明的变排量液压马达、定排量液压马达的组合系统添加马达集中式冲洗装置的原理示意图；

图3是本发明变排量液压马达可选类型的HD型液压比例控制变排量液压马达原理示意图；

图4是本发明变排量液压马达可选类型的HD压力控制型液压比例控制变排量液压马达原理示意图；

图5是本发明变排量液压马达可选类型的EP型电气比例控制变排量液压马达原理示意图；

图6是本发明变排量液压马达可选类型的EP压力控制型电气比例控制变排量液压马达原理示意图；

图7是本发明变排量液压马达可选类型的HZ两点式液压控制变排量液压马达原理示意图；

图8是本发明变排量液压马达可选类型的EZ电子两点式控制变排量液压马达原理示意图。

图中：E1、E2、…，Ee均为变排量液压马达，F1、F2、…Ff均为定排量液压马达，G1…Gg均为变排量液压泵，1、节流阀，2、调速阀，3、蓄能器，4二位三通阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括e个变排量液压马达E1、E2、……、Ee，f个定排量液压马达F1、F2、……、Ff，g个变排量液压泵G1、……、Gg和主油路A、B，变排量液压马达E1的油口B11接入主油路B，油口A11接入主油路A；变排量液压马达E2的油口B12接入主油路B，油口A12接入主油路A；变排量液压马达Ee的油口B1e接入主油路B，油口A1e接入主油路A。需要说明的是，此处的变排量液压马达的数量e根据方法确定，图中给出省略画法，并用下标B11到B1e表示变排量液压马达的数量为e，而非确定值，每个变排量液压马达均连接至主油路A和B。定排量液压马达F1的油口B21接入主油路B，油口A21接入主油路A；定排量液压马达F2的油口B22接入主油路B，油口A22接入主油路A；定排量液压马达Ff的油口B2f接入主油路B，油口A2f接入主油路A。需要说明的是，此处的定排量液压马达的数量f根据方法确定，图中给出省略画法，并用下标B21到B2f表示定排量液压马达的数量为f，而非确定值，每个定排量液压马达均连接至主油路A和B。变排量液压泵G1的油口PB1接入主油路B，油口PA2接入主油路A；变排量液压泵Gg的油口PBg接入主油路B，油口PAg接入主油路A。需要说明的是，此处的变排量液压泵的数量g根据实际要求而确定的，所以图中给出省略画法，并用下标PB1到PBg表示变排量液压泵的数量为g，而非确定值，每个变排量液压泵均连接至主油路A和B。

变排量液压马达E1、E2、……、Ee可以选择多种类型，图3到图8列出了部分可选类型。图3所示为HD型液压比例控制变排量液压马达，图4所示为HD.D型固定设置的压力控制的液压比例控制变排量液压马达，图5所示为EP型电气比例控制变排量液压马达，图6所示为EP.D型固定设置的压力控制的电气比例控制变排量液压马达，图7所示为HZ型两点式液压控制变排量液压马达，图8所示为EZ型电子两点式控制变排量液压马达。需要说明的是，此处列出的变排量液压马达类型只是众多变排量液压马达中的几种类型，本发明也涉及其他类型的变排量液压马达。

图2所示为变排量液压马达、定排量液压马达的组合系统添加马达集中式冲洗装置的原理图示意，马达集中式冲洗装置连接在变排量液压马达组、定排量液压马达组和主油路之间，包括调速阀2、蓄能器3和二位三通阀4，二位三通阀4的P口接主油路的油路B，T口接主油路的油路A，二位三通阀4的A口经调速阀2与蓄能器3连接，通过调速阀2调节油液的流速，蓄能器3分别经节流阀1连接到变排量液压马达组和定排量液压马达组的马达壳体中，对马达轴承进行冲洗和降温，冲洗降温后的油液流回油箱。为防止由于刀盘制动过程导致背压侧油压过大引起冲洗流量出现峰值，在油液通过调速阀2进入马达之前的油路中接入蓄能器3。

本发明的实施例及其实施过程如下：

实施例1

假设图1系统根据实际工程负载及其他限定条件确定需要的马达总数量n＝8个，所需要的马达的总排量V＝2200cm³，定排量液压马达和变排量液压马达的最大排量为V_gmax＝500cm³。则所有马达工作在最大排量下需要的个数为个，则定排量液压马达的数量应小于等于4，应用最优原则，即尽量多使用定排量液压马达少使用变排量液压马达，取最大值4，即定排量液压马达的数量m＝4，变排量液压马达的数量为n-m＝8-4＝4个，变排量液压马达需要提供的总排量为(x-m)·V_gmax＝(4.4-4)·V_gmax＝0.4·V_gmax＝200cm³，每一个变排量液压马达的最小排量为至此，确定了定排量液压马达的数量为4个，变排量液压马达的数量为4个，变排量液压马达的排量范围为50cm³～500cm³。

实施例2

假设图1系统根据实际工程负载及其他限定条件确定需要的马达总数量n＝9个，所需要的马达的总排量V＝2475cm³，定排量液压马达和变排量液压马达的最大排量为V_gmax＝500cm³。则所有马达工作在最大排量下需要的个数为个，则定排量液压马达的数量应小于等于4，应用最优原则，即尽量多使用定排量液压马达少使用变排量液压马达，取最大值4，即定排量液压马达的数量m＝4，变排量液压马达的数量为n-m＝9-4＝5个，变排量液压马达需要提供的总排量为(x-m)·V_gmax＝(4.95-4)×V_gmax＝0.95·V_gmax＝475cm³，每一个变排量液压马达的最小排量为至此，确定了定排量液压马达的数量为4个，变排量液压马达的数量为5个，变排量液压马达的排量范围为95cm³～500cm³。

实施例3

假设图1系统根据实际工程负载及其他限定条件确定需要的马达总数量n＝7个，所需要的马达的总排量V＝2000cm³，定排量液压马达和变排量液压马达的最大排量为V_gmax＝500cm³。则所有马达工作在最大排量下需要的个数为个，则定排量液压马达的数量应小于等于4，应用最优原则，即尽量多使用定排量液压马达少使用变排量液压马达，取最大值4，即定排量液压马达的数量m＝4，变排量液压马达的数量为n-m＝7-4＝3个，变排量液压马达需要提供的总排量为(x-m)·V_gmax＝(4-4)·V_gmax＝0·V_gmax＝0，每一个变排量液压马达的最小排量为至此，确定了定排量液压马达的数量为4个，变排量液压马达的数量为3个，变排量液压马达的排量范围为0cm³～500cm³。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。