土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统及控制方法与流程

本发明涉及一种地下盾构施工设备，尤其涉及一种土压平衡盾构机比例

控制高精度推进液压系统及控制方法。

背景技术：

在地下盾构施工推进系统领域，一般采用采用定量泵供油，存在溢流损失

和节流损失，系统能量损失大、效率低；采用普通控制阀进行速度和压力控制，无法精确控制推进系统的运动且无法进行无级调速；当液压执行机构需要快速缩

回时也无法进行精确控制。

技术实现要素：

为了克服现有技术中土压平衡盾构机液压推进系统的上述缺点，本发明提供了一种土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统，包括：PLC控制器、变量泵、过滤器、溢流阀、比例减压阀、单向阀、液控单向阀、二位三通电磁换向阀、三位四通电液换向阀、压力传感器、位移传感器、执行机构，变量泵作为主动力源为系统供能，位移传感器布置在执行机构上，可检测执行机构的位移和移动速度，并将位移和移动速度信号反馈给PLC控制器，PLC控制器输出端与变量泵连接，可调整变量泵输出流量大小，变量泵与位移传感器构成闭环控制；变量泵的输出管路与比例减压阀的输入管路连接，压力传感器可实时监测执行机构的压力，并将压力信号反馈给PLC控制器，PLC控制器控制比例减压阀根据负载的变化对系统的压力做出调整，用比例减压阀进行分区控制以调整盾构机各区的推进压力，比例减压阀与压力传感器构成闭环实时监测；变量泵的输出管路通过溢流阀回油；比例减压阀的输出管路与三位四通电液换向阀的P端连接；第一单向阀作为背压阀使用，其一端与三位四通电液换向阀的T端连接，另一端与回油管路连接，使三位四通电液换向阀换向平稳，第二单向阀的输入、输出端分别与第一单向阀和第一液控单向阀连接，用于隔绝油路；二位三通电磁单向阀与第一液控单向阀及三位四通电液换向阀连接，控制此回路通断并起到泄压作用，防止由推进模式进入拼装模式时压力过大发生危险，并使执行机构快速缩回，第二液控单向阀一端与三位四通电液换向阀的A端连接，另一端与执行机构的无杆腔连接，实现对执行机构的单向锁紧，防止执行机构意外缩回；三位四通电液换向阀的B端与执行机构的有杆腔连接。

优选地，PLC控制器通过放大器对比例减压阀和变量泵进行控制；

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用前述的土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统进行控制的方法，其特征在于：

1）盾构机分为推进和拼装两种工作模式，在推进模式下，PLC控制器控制执行机构为盾构机提供前进的动力，并且与刀盘螺旋输送机配合，提供与土层相平衡的压力，保持实现土压平衡施工；

2）通过安装于执行机构的位移传感器检测盾构机的开挖进尺以及移动速度、通过压力传感器实时监测执行机构的压力，并将其反馈给PLC控制器，PLC控制器通过控制比例减压阀对系统压力作出调整，改变执行机构移动速度、改变分区的压力比例和进行执行机构的不同组合以改变推力的大小以及推力的方向，使盾构机按照指定的路线轨迹做轴线前进，包括转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及直线推进时的同步运动；

3）在拼装模式下，通过PLC控制器控制安装混凝土管片所对应的执行机构活塞杆快速缩回，其它执行机构的撑靴保持足够压力与管片接触，以确保拼装模式下管片的安全、混凝土管片之间密封的压力并维持开挖室里的限定压力；当一片管片安装完毕，重新伸出活塞杆与管片接触并施加压力时，控制执行机构的撑紧压力，避免盾构机向前移动、损坏拼装机的安装臂或造成己安装好的管片开裂。

优选地，在推进模式下，通过直接控制变量泵的斜盘摆角，实现执行机构移动速度的控制。

本发明的土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统，工作原理如下：

盾构机分为推进和拼装两种工作模式，在推进模式下，执行机构油缸为盾构机提供前进的动力，并且与刀盘螺旋输送机配合，提供与土层相平衡的压力，保持实现土压平衡施工，通过安装于执行机构的位移传感器检测盾构机的开挖进尺以及移动速度、通过压力传感器实时监测执行机构的压力，并将其反馈给PLC控制器，PLC控制器通过控制比例减压阀对系统压力作出调整，改变执行机构移动速度可以改变影响施工的出土量，进而影响施工进度，改变分区的压力比例和执行机构的不同组合可以改变推力的大小以及推力的方向，影响隧道的轨迹。盾构机在掘进施工中，盾构机需要按照指定的路线轨迹做轴线前进，包括转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及直线推进时的同步运动，但是由于地质情况比较复杂，由于不同施工地层土质及其水土压力的变化，需要对压力进行无级调节，使其达到控制要求范围内；盾构机推进液压系统采用比例压力控制系统，在执行机构液压缸中设置压力传感器，并通过设置比例减压阀构成闭环实时监测执行机构的压力并控制推力大小。在推进模式下，操作手通过控制主控室的电位计旋钮，直接控制变量泵的斜盘摆角，进而实现执行机构移动速度的控制；通过执行机构位移传感器反馈执行机构实际行程，PLC控制器计算实际运行速度与给定信号的偏差，并利用偏差信号改变变量泵的排量使液压缸推进速度与设定值相同，使盾构机按照给定的速度前进；通过比例变量泵的速度控制，推进工况下，可在工作过程中避免由于加速和减速过程引起的冲击，达到快速而平稳的转换速度。

隧道挖掘出一段距离后，需要在挖掘出的空间内拼装管片，在拼装模式下，一方面需要稳定住隧道的形状，另一方面需要为继续挖掘提供支点；在拼装过程中，正在安装混凝土管片所对应的执行机构油缸需快速缩回，其它油缸的撑靴保持足够压力与管片接触，以确保安装期间管片的安全、混凝土管片之间密封的压力以及维持开挖室里的限定压力；当一片管片安装完毕，重新伸出执行机构油缸活塞与管片接触并施加压力时，要控制推进油缸的撑紧压力(此压力可以很容易地进行预先设定)，以避免盾构机向前移动、损坏拼装机的安装臂或造成己安装好的管片开裂。

液压系统油路工作流程：

执行机构伸出：

进油路：油箱→过滤器2.1→变量泵1→比例减压阀4→电液换向阀8（b得电）→液控单向阀6.2→执行机构11无杆腔。

回油路：执行机构11有杆腔→电液换向阀8（b得电）→单向阀5.1→过滤器2.2→油箱。

执行机构快速缩回：

进油路：油箱→过滤器2.1→变量泵1→比例减压阀4→电液换向阀8（a得电）→执行机构11有杆腔。

回油路：执行机构11无杆腔→液控单向阀6.2→电液换向阀8（a得电）→单向阀5.1→过滤器2.2→油箱；执行机构11无杆腔→液控单向阀6.1→电液换向阀8（a得电）→单向阀5.2→单向阀5.1→过滤器2.2→油箱。

本发明采取比例减压阀、电液比例换向阀和变量泵对系统的压力和流量进行控制，比例减压阀和变量泵与执行机构的压力传感器和位移传感器形成闭环控制，提高系统对速度和压力的控制精度，使盾构机可以在掘进施工中按照指定路线轨迹做轴线运动及精确的实现同步运动，并能够改善液压系统效率低问题。

附图说明

图1为本发明的土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统原理图；

图2为本发明的土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统示意图；

图中所示： 1、变量泵，2、过滤器，3、溢流阀，4、比例减压阀，5、单向阀，6、液控单向阀， 7、二位三通电磁换向阀，8、三位四通电液换向阀，9、压力传感器，10、位移传感器，11、执行机构。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如图1、2所示，本发明提供了一种土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统，包括：PLC控制器、变量泵1、过滤器2、溢流阀3、比例减压阀4、单向阀5、液控单向阀6、二位三通电磁换向阀7、三位四通电液换向阀8、压力传感器9、位移传感器10、执行机构11，变量泵1作为主动力源为系统供能，位移传感器10布置在执行机构11上，可检测执行机构11的位移和移动速度，并将位移和移动速度信号反馈给PLC控制器，PLC控制器输出端与变量泵1连接，可调整变量泵1输出流量大小，变量泵1与位移传感器10构成闭环控制；变量泵1的输出管路与比例减压阀4的输入管路连接，压力传感器9可实时监测执行机构11的压力，并将压力信号反馈给PLC控制器，PLC控制器控制比例减压阀4根据负载的变化对系统的压力做出调整，用比例减压阀4进行分区控制以调整盾构机各区的推进压力，比例减压阀4与压力传感器9构成闭环实时监测；变量泵1的输出管路通过溢流阀3回油；比例减压阀4的输出管路与三位四通电液换向阀8的P端连接；第一单向阀5.1作为背压阀使用，其一端与三位四通电液换向阀8的T端连接，另一端与回油管路连接，使三位四通电液换向阀8换向平稳，第二单向阀5.2的输入、输出端分别与第一单向阀5.1和第一液控单向阀6.1连接，用于隔绝油路；二位三通电磁单向阀7与第一液控单向阀5.1及三位四通电液换向阀8连接，控制此回路通断并起到泄压作用，防止由推进模式进入拼装模式时压力过大发生危险，并使执行机构快速缩回，第二液控单向阀6.2一端与三位四通电液换向阀8的A端连接，另一端与执行机构11的无杆腔连接，实现对执行机构11的单向锁紧，防止执行机构意外缩回；三位四通电液换向阀8的B端与执行机构11的有杆腔连接。

优选地，PLC控制器通过放大器对比例减压阀和变量泵进行控制；

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用前述的土压平衡盾构机比例控制高精度推进液压系统进行控制的方法，其特征在于：

1）盾构机分为推进和拼装两种工作模式，在推进模式下，PLC控制器控制执行机构为盾构机提供前进的动力，并且与刀盘螺旋输送机配合，提供与土层相平衡的压力，保持实现土压平衡施工；

2）通过安装于执行机构的位移传感器检测盾构机的开挖进尺以及移动速度、通过压力传感器实时监测执行机构的压力，并将其反馈给PLC控制器，PLC控制器通过控制比例减压阀对系统压力作出调整，改变执行机构移动速度、改变分区的压力比例和进行执行机构的不同组合以改变推力的大小以及推力的方向，使盾构机按照指定的路线轨迹做轴线前进，包括转弯、曲线行进、姿态控制、纠偏以及直线推进时的同步运动；

3）在拼装模式下，通过PLC控制器控制安装混凝土管片所对应的执行机构活塞杆快速缩回，其它执行机构的撑靴保持足够压力与管片接触，以确保拼装模式下管片的安全、混凝土管片之间密封的压力并维持开挖室里的限定压力；当一片管片安装完毕，重新伸出活塞杆与管片接触并施加压力时，控制执行机构的撑紧压力，避免盾构机向前移动、损坏拼装机的安装臂或造成己安装好的管片开裂。

优选地，在推进模式下，通过直接控制变量泵的斜盘摆角，实现执行机构移动速度的控制。

与现有技术相比，本发明采取比例减压阀和变量泵对系统的压力和流量进行控制，比例减压阀和变量泵与执行机构的压力传感器和位移传感器形成闭环控制，提高系统对速度和压力的控制精度，使盾构机可以在掘进施工中按照指定路线轨迹做轴线运动及精确的实现同步运动，并能够改善液压系统效率低问题。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，不能解释为以此限定本发明的范围，凡在本发明的权利要求书要求保护的范围内所做出的等同的变形和改变的实施方式均在本发明所要求保护的范围内。