敞口式盾构机、支护装置及支护装置控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种敞口式盾构机、支护装置、及支护装置控制系统，该控制系统可用于控制支护装置的插刀被动回缩，包括插刀油缸，其活塞杆上设置插刀；比例溢流阀，比例溢流阀的进油口与插刀油缸的无杆腔连通，比例溢流阀的出油口连接油箱，用于调整比例溢流阀溢流压力的控制器；以及，检测插刀伸出位移的位移传感器，位移传感器与控制器连接。本实用新型的支护装置控制系统能够实现插刀被动回缩，使插刀缩回的速度基本与盾构机前行的速度相当，从而使支护装置支护的土体保持稳定；而且该控制系统还无需操作人员实时监控和操作，降低操作人员的劳动强度，并减少因人为操作不当引发的土体坍塌事故。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及液压控制领域，特别涉及一种敞口式盾构机、支护装置及支护装 置控制系统。 敞口式盾构机、支护装置及支护装置控制系统
【背景技术】
[0002] 敞口式盾构机适用于开挖面有一定自稳能力的地层，其前端没有刀盘，开挖面与 内舱之间无封闭隔板，能够直接看到全部开挖面状况。为了避免土石坍塌或倒流至盾构机 的内舱，敞口式盾构机在其前端顶部设置有支护装置，支护装置由插刀和支撑挡板组成，插 刀用于向前插入土层中，支护上方的土体，防止坍塌，支撑挡板用于支护前方开挖面，防止 开挖面土体坍塌倒流。插刀及支撑挡板数量根据隧道直径大小及地层而定。
[0003] 插刀的伸出和缩回一般由液压系统控制，它可在一定范围内任意伸出和回缩，插 刀向前伸出插入开挖面土体中，此时通过液压系统的控制，将插刀油缸的无杆腔回油锁定， 防止插刀缩回，使其可以承受拱顶土体的压力，防止坍塌。在工作时，插刀先伸出一定的行 程，将前方的土体支护起来，然后挖掘机构将支护部分的土体挖除，随后盾构机再推进油缸 作用下前行，推进过程中插刀油缸缩回，完成一个工作循环。在盾构机前行时，如果插刀马 上主动回缩，则很容易会因为拱顶土体无插刀的支撑力而导致坍塌，因此为了使前方开挖 面土体保持稳定，插刀油缸不能马上主动回缩，而是需要被动的回缩，并要保证插刀的回缩 速度与盾构机前行推进速度基本一致。
[0004] 然而，现有的敞口式盾构机结构中，插刀的回缩要么是通过人工设置一个压力阈 值，当插刀受到的阻力（土体的反作用力）大于该压力阈值时，插刀回缩，但是该压力阈值 是一个固定值，无法适应多变的地层结构；另一种实现插刀回缩的方式是通过操作人员对 支护装置进行实时监控和操作，尽量保证插刀回缩与盾构机向前推进保持同步，但是对操 作人员要求很高，增加了操作人员的工作量，且极易操作不当导致插刀回缩与盾构机推进 速度不一致，引发土体坍塌事故。 实用新型内容
[0005] 有鉴于此，本实用新型提出一种敞口式盾构机、支护装置及支护装置支护装置控 制系统，敞口式盾构机的支护装置设置有该支护装置控制系统时，能够根据敞口盾构机向 前推进的速度自动控制支护装置的插刀被动回缩，使插刀回缩速度与盾构机推进速度保持 一致。
[0006] -方面，本实用新型提供了一种支护装置控制系统，用于控制所述支护装置的插 刀被动回缩，包括：
[0007] 插刀油缸，其活塞杆上设置所述插刀；
[0008] 比例溢流阀，所述比例溢流阀的进油口与所述插刀油缸的无杆腔连通，所述比例 溢流阀的出油口连接油箱，
[0009] 用于调整所述比例溢流阀溢流压力的控制器；
[0010] 以及，检测所述插刀伸出位移的位移传感器，所述位移传感器与所述控制器连接。
[0011] 进一步地，所述比例溢流阀为电磁比例溢流阀，所述控制器与所述电磁比例溢流 阀的控制端连接。
[0012] 进一步地，所述位移传感器为电位器式位移传感器。
[0013] 进一步地，所述支护装置控制系统还包括第一油路、第二油路以及用于控制所述 插刀油缸伸缩的换向阀，所述换向阀分别通过所述第一油路和所述第二油路与所述插刀油 缸的无杆腔和有杆腔连通。
[0014] 进一步地，所述换向阀为三位四通换向阀，其具有第一工作油口、第二工作油口、 进油口和回油口，所述第一工作油口通过所述第一油路与所述插刀油缸的无杆腔连通，所 述第二工作油口通过所述第二油路与所述插刀油缸的有杆腔连通；
[0015] 所述三位四通换向阀在中位时，所述第一工作油口、所述第二工作油口均与所述 回油口连通。
[0016] 进一步地，所述第一油路上设置有用于选择性地防止所述插刀油缸无杆腔液压油 回流的开关阀。
[0017] 进一步地，所述开关阀为液控单向阀，所述液控单向阀的进油口与所述换向阀的 第一工作油口连通，所述液控单向阀的出油口与所述插刀油缸的无杆腔连通，所述液控单 向阀的控制油口与所述换向阀的所述第二工作油口连通。
[0018] 进一步地，所述插刀油缸的有杆腔通过单向阀或背压阀连接油箱，形成补油油路。
[0019] 另一方面，本实用新型还提供一种支护装置，其设置有如上任意一项所述的支护 装置控制系统。
[0020] 又一方面，本实用新型还提供一种敞口式盾构机，其设置有如上所述的支护装置。
[0021] 本实用新型的支护装置控制系统借助一个独立的比例溢流阀锁定插刀油缸无杆 腔的液压油，并通过逐渐降低比例溢流阀的溢流压力实现插刀缩回的速度基本与盾构机前 行的速度相当，从而使支护装置支护的土体保持稳定；而且本实用新型的支护装置控制系 统无需操作人员实时监控和操作，降低操作人员的劳动强度，并减少因人为操作不当引发 的土体坍塌事故。
[0022] 本实用新型的敞口式盾构机和支护装置都具有上述的支护装置控制系统，因此具 有相同的技术效果实用新型，均不赘述。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新 型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在 附图中：
[0024] 图1为本实用新型第一优选实施例提供的支护装置控制系统的示意图。
[0025] 附图标记说明
[0026] 1 -换向阀，2-液控单向阀，3-比例溢流阀，4-插刀油缸，5-单向阀，6-控制器， 7_位移传感器，8-油箱。
【具体实施方式】
[0027] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可 以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
[0028] 图1为本实用新型第一优选实施例提供的支护装置控制系统的示意图，作为较为 完善的技术方案，该优选实施例中的支护装置控制系统不仅包括控制插刀智能回缩的油 路，还包括了控制插刀主动伸缩的油路以及补油油路。本实用新型的第二实施例还提供一 种支护装置，其设置有上述的支护装置控制系统；进一步地，本实用新型第三实施例还提供 一种敞口式盾构机，其设置有上述的支护装置。下面结合图1，以敞口式盾构机的支护装置 设置有该支护装置控制系统为例，对本实用新型的第一优选实施例进行详细介绍。
[0029] 如图1所示，该支护装置控制系统包括插刀油缸4,其活塞杆上设置有插刀（未示 出）；比例溢流阀3,该比例溢流阀3的进油口与插刀油缸4的无杆腔连通，比例溢流阀3的 出油口连接至油箱8 ;还包括控制器6,用于调整比例溢流阀3的溢流压力；以及用于检测 插刀伸出位移的位移传感器6,其与控制器6连接，用于将插刀的伸出位移信息传递至控制 器6。
[0030] 在敞口式盾构机向前推进时，由于比例溢流阀3将插刀油缸4无杆腔内的液压油 锁定，将比例溢流阀3初始的溢流压力设定为大于插刀受到土体的阻力，因而插刀无法回 缩，位移传感器7检测的插刀位移不发生变化，此时，位移传感器3将检测的信息传递至控 制器6,控制器6根据该信息将比例溢流阀3的溢流阀逐渐调低，直至插刀受到的土体的阻 力克服比例溢流阀3的溢流压力回缩，保持调整后的溢流压力，即可实现插刀被动回缩，保 持插刀缩回的速度基本与盾构机前行的速度相当，从而使支护装置支护的土体保持稳定； 而且本实用新型的控制系统还无需操作人员实时监控和操作，降低操作人员的劳动强度， 并减少因人为操作不当引发的土体坍塌事故。
[0031] 需要说明的是，该实施例提供的支护装置控制系统旨在敞口式盾构向前推进时控 制插刀被动回缩，一方面，此处的被动回缩是指在敞口式盾构机向前推进时，插刀并不是马 上主动回缩，而是被动回缩，保证插刀的回缩速度与盾构机前行推进速度基本一致；另一方 面，控制插刀的被动回缩是在插刀已经伸出并处于稳定支护状态的基础上进行的，即该支 护装置控制系统是基于已有的控制插刀主动伸缩的控制系统而设置的，并且由于插刀被动 回缩是在某阶段的挖掘工作完成后才需要执行的动作，此前插刀油缸是被锁定的，以保证 支护装置的插刀起到稳定支护作用。本实用新型实施例中的比例溢流阀3优选为电磁比例 溢流阀，控制器6与比例溢流阀3的控制端连接，便于控制器6可以直接通过电信号调整该 电磁比例溢流阀的溢流压力，控制器6可以整合在盾构机的主机控制器上，位移传感器7可 以配置为电位器式位移传感器，可以设置在支护装置上，优选检测插刀前端的位移。
[0032] 进一步参照图1所示，本实用新型优选实施例的支护装置控制系统还包括控制插 刀主动伸缩的油路，具体为，与插刀油缸4无杆腔连通的第一油路；与插刀油缸4有杆腔连 通的第二油路；以及换向阀1，其通过第一油路和第二油路分别与插刀油缸4的无杆腔和有 杆腔连通。作为优选，该换向阀1优选为三位四通阀，其第一工作口通过第一油路与插刀油 缸4的无杆腔连通，第二工作油口通过第二油路与插刀油缸4的有杆腔连通，该三位四通阀 具有三个工作位置，在第一工作位置（即图中的左位），其第一工作油口与其进油口连通， 其第二工作油口与其回油口连通；在第二工作位置（即图中的右位），其第一工作油口与其 回油口连通，其第二工作油口与其进油口连通；在第三工作位置（即图中的中位），其第一 工作油口、第二工作油口与其回油口连通。
[0033] 该三位四通阀的进油口可以直接连接液压油路中的液压泵，为插刀油缸4供油， 需要插刀伸出进行土体支护时，三位四通阀处于第一工作位置，液压油经过三位四通阀进 入插刀油缸4的无杆腔推动活塞杆和插刀伸出；需要插刀主动回缩时，三位四通阀处于第 二工作位置，液压油进入有杆腔，驱动活塞杆和插刀回缩；在支护装置及插刀进入支护位置 保持支护状态时，三位四通阀处于第三工作位置，此时换向阀的第二工作油口与回油口连 通，以便在盾构机推进且插刀被动回缩时向插刀油缸4有杆腔补油。
[0034] 该三位四通阀的中位机能优选为Y型，以便实现三位四通阀在中位时第二工作油 口与回油口连通，而此时为了能够将插刀油缸锁定，可以在第一油路上设置开关阀，以防止 插刀油缸无杆腔液压油经过第一油路和换向阀1回流。该开关阀优选液控开关阀，进一步 优选为液控单向阀2,其进油口与换向阀1的第一工作油口连通，其出油口与插刀油缸4的 无杆腔连通，其控制油口与换向阀1的第二工作油口连通，即把液控单向阀2的控制油口连 接至图中所示的第二油路上。
[0035] 在三位四通阀处于第一工作位置时，液控单向阀2不影响液压油从第一油路流向 插刀油缸1的无杆腔；在三位四通阀处于第二工作位置时，第二油路中的高压液压油控制 液压单向阀2打开，允许无杆腔中的液压油从该液控单向阀2回流；在三位四通阀处于第三 工作位置时，液控单向阀2将插刀油缸4将第一油路单向锁定，无杆腔内的液压油无法经该 液控单向阀2回流，从而该液控单向阀2可以起到选择性防止插刀油缸4无杆腔的液压油 回流的作用。
[0036] 需要说明的是，本实用新型并不是把开关阀限定为液控单向阀2,在其他实施例， 开关阀还可以配置为能够实现上述作用的其他结构。
[0037] 作为可选方案，该实施例中还可以单独为插刀油缸4设置补油油路，如图1所示， 插刀油缸4的有杆腔通过一个单向阀5连接油箱8,形成补油油路，单独设置该补油油路使 得插刀油缸4的补油可以不依赖于换向阀1的第三工作位置，因此，可以增大换向阀的选择 范围，而不限于上述实施例中的采用的三位四通阀。
[0038] 需要说明的是，如图所示，该单向阀5优选有一定的开启压力，即在此处的单向阀 5起到背压阀的作用，由此，可以是补油油路向有杆腔内的补充的油液具有一定压力，使其 快速补油。但是，此处的补油油路并不限定使用背压阀，普通的单向阀同样可以应用在该补 油油路中。相应地，本实用新型的第二实施例提供的支护装置，其设置有上述的支护装置 控制系统；进一步地，本实用新型第三实施例还提供一种敞口式盾构机，其设置有上述的支 护装置。上述的敞口式盾构机或支护装置都具有上述的支护装置控制系统，并利用该控制 系统控制插刀被动回缩，保持插刀缩回的速度基本与盾构机前行的速度相当，从而使支护 装置支护的土体保持稳定；并且该敞口式盾构机或支护装置还无需操作人员实时监控和操 作，降低操作人员的劳动强度，并减少因人为操作不当引发的土体坍塌事故。
[0039] 此外，本领域技术人员应当理解的是，虽然本实用新型是以敞口式盾构机的支护 装置设置有该支护装置控制系统为例做了详细介绍，但是该支护装置控制系统以及支护装 置还可以用于其他需要采用支护装置并对该支护装置进行相应控制的设备中。
[0040] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种支护装置控制系统，用于控制所述支护装置的插刀被动回缩，其特征在于，包 括： 插刀油缸，其活塞杆上设置所述插刀； 比例溢流阀，所述比例溢流阀的进油口与所述插刀油缸的无杆腔连通，所述比例溢流 阀的出油口连接油箱， 用于调整所述比例溢流阀溢流压力的控制器； 以及，检测所述插刀伸出位移的位移传感器，所述位移传感器与所述控制器连接。
2. 根据权利要求1所述的支护装置控制系统，其特征在于，所述比例溢流阀为电磁比 例溢流阀，所述控制器与所述电磁比例溢流阀的控制端连接。
3. 根据权利要求1所述的支护装置控制系统，其特征在于，所述位移传感器为电位器 式位移传感器。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述的支护装置控制系统，其特征在于，还包括第一 油路、第二油路以及用于控制所述插刀油缸伸缩的换向阀，所述换向阀分别通过所述第一 油路和所述第二油路与所述插刀油缸的无杆腔和有杆腔连通。
5. 根据权利要求4所述的支护装置控制系统，其特征在于，所述换向阀为三位四通换 向阀，其具有第一工作油口、第二工作油口、进油口和回油口，所述第一工作油口通过所述 第一油路与所述插刀油缸的无杆腔连通，所述第二工作油口通过所述第二油路与所述插刀 油缸的有杆腔连通； 所述三位四通换向阀在中位时，所述第一工作油口、所述第二工作油口均与所述回油 口连通。
6. 根据权利要求5所述的支护装置控制系统，其特征在于，所述第一油路上设置有用 于选择性地防止所述插刀油缸无杆腔液压油回流的开关阀。
7. 根据权利要求6所述的支护装置控制系统，其特征在于，所述开关阀为液控单向阀， 所述液控单向阀的进油口与所述换向阀的第一工作油口连通，所述液控单向阀的出油口与 所述插刀油缸的无杆腔连通，所述液控单向阀的控制油口与所述换向阀的所述第二工作油 口连通。
8. 根据权利要求4所述的支护装置控制系统，其特征在于，所述插刀油缸的有杆腔通 过单向阀或背压阀连接油箱，形成补油油路。
9. 一种支护装置，其特征在于，其设置有权利要求1-8中任意一项所述的支护装置控 制系统。
10. -种敞口式盾构机，其特征在于，其设置有权利要求9所述的支护装置。
【文档编号】F15B11/00GK203879512SQ201420211554
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】董炳坤, 李占伟 申请人:北京市三一重机有限公司