《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》是浙江大學於2004年3月12日申請的發明專利，該專利申請號為2004100169393，公布號為CN1560482，專利公布日為2005年1月5日，發明人是楊華勇、龔國芳、胡國良，該發明涉及流體壓力執行機構。
《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》包括二位二通電磁球閥、比例調速閥、比例溢流閥、三位四通電磁換向閥、液壓鎖、平衡閥、壓力感測器及帶內置式位移感測器的液壓油缸。推進系統中採用比例調速閥控制推進速度，採用比例溢流閥控制推進壓力，通過合適的控制策略實現推進速度和推進壓力的複合控制。該發明由於採用了比例流量壓力複合控制技術，可實時控制盾構推進過程中的推進速度和推進壓力，從而實現在施工過程中對土倉壓力、地層穩定和地表沉降的控制。採用該發明的推進系統能夠使盾構適應各種複雜的地層，實現精確的姿態和方向控制，系統節能效果好。適合於大功率、大流量、變負載的套用場合。
2010年11月10日，《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統
- 公布號：CN1560482
- 公布日：2005年1月5日
- 申請號：2004100169393
- 申請日：2004年3月12日
- 申請人：浙江大學
- 地址：浙江省杭州市西湖區浙大路38號
- 發明人：楊華勇、龔國芳、胡國良
- 代理機構：杭州求是專利事務所有限公司
- 代理人：林懷禹
- Int.Cl.：F15B13/042、E21D9/093
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
盾構是一種全斷面隧道掘進機，它在一個既能支撐地層壓力又能在地層中推進的圓形或矩形和馬蹄形等特殊形狀鋼筒結構的掩護下，能完成挖掘、出土、隧道支護等工作。其最大特點就是整個隧道掘進過程都是在這個被稱作護盾的鋼結構的掩護下完成的，從而可最大限度地避免明塌和地表變形。與傳統的隧道掘進技術相比，盾構法施工具有安全可靠、機械化程度高、工作環境好、土方量少、進度快、施工成本低等優點，尤其在地質條件複雜、地下水位高而隧道埋深較大時，只能依賴盾構。
盾構掘進機推進系統承擔著整個盾構機械的頂進任務，要求在任何負載情況下都能精確及時地對盾構的姿態和方向進行控制，使得盾構掘進機能精確地沿著事先設定好的路線前進，是盾構掘進機的關鍵系統之一。盾構的動力傳遞及控制系統具有傳遞功率大、負載多變、運動複雜、控制精度和可靠性要求高、安裝空間小和環境惡劣等特點。液壓傳動及控制系統固有的特點恰恰能夠滿足盾構的這種需求。2004年3月之前，迅速發展的電液控制（系統）技術綜合利用了電子技術在信號檢測、放大、處理和傳輸方面的優勢與液壓在功率轉換放大和執行上的優勢，成了盾構動力傳遞和控制不可替代的方式。
2004年3月之前，盾構控制地表沉降和減少對士體擾動的最基本和有效的方法是採用壓力平衡（泥水平衡和土壓平衡〉技術。要求根據工作面實際壓力的變化及時調整推進速度和出土量，保證工作面有合適的支撐壓力。比較初級的方法是通過預先設定土倉內壓力值以達到穩定地層的目的，在施工中根據地表沉降情況再進行調整，是一種“滯後式”的土壓糾正。由於開挖面上土層的原始應力比較複雜，這種預先設定與滯後調整的結果會使地面產生較大隆起或塌陷，地層穩定和地表沉降控制的效果在很大程度上取決於施工人員的經驗，施工質量難以保證。因此，如何根據工作面土壓或地表變形實時調整推進速度和出土量是關係盾構可靠掘進的關鍵技術問題。
通過液壓缸的協調動作使盾構保持合適的姿態是盾構能沿著設計的路線方向準確地向前推進的有效措施。但在實際過程中，由於土層條件的複雜和施工中諸多不可預見因素的作用，常使盾構推進過程中發生姿態的變化，出現盾構偏離設計軸線的情況。當盾構機在曲線推進、糾偏、抬頭推進或叩頭推進過程中，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓，一方面造成不必要的超挖影響掘進速度，另一方面會加劇土體擾動增加地表變形，這種影響隨盾構偏離程度的增加而急劇增加。因此如何通過控制液壓缸保持盾構正確的姿態和及時糾正偏差也是保證盾構高效掘進的關鍵技術問題。
發明內容
專利目的
《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》可以保證液壓系統能夠在非線性大負載工況下實現流量壓力的複合控制，並具有較高的靈敏度和精度。
技術方案
《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》包括：二位二通電磁球閥、比例調速閥、比例溢流閥、三位四通電磁換向閥、液壓鎖、平衡閥、壓力感測器、帶內置式位移感測器的液壓油缸。二位二通電磁球閥的進油口P，與比例調速閥的進油口P2連通，二位二通電磁球閥的出油口T1分別與比例調速閥的出油口T2、比例溢流閥的進泊口P3、三位四通電磁換向閥的進泊口P4連通，比例溢流閥的出油口T3與三位四通電磁換向閥的回泊口T.連通接油箱，液壓鎖的進油口A2與三位四通電磁換向閥的出泊口A，連通，液壓鎖的進油口B2與三位四通電磁換向閥的出油口B，連通，平衡閥的進泊口F與液壓鎖的出油口也連通，平衡閥的出泊口V分別與壓力感測器和帶內置式位移感測器的液壓泊缸的無桿腔連通，平衡閥的控制泊口S分別與液壓鎖的出泊口B3和帶內置式位移感測器的液壓油缸的有桿腔連通。
改善效果
1）《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》在各分組區採用比例調速閥和比例溢流閥來實現流量壓力的複合控制，可以根據盾構姿態和土倉壓力實時調整液壓油缸的推進速度和推進壓力，並保持液壓泊缸的協調與同步。
2）採用該系統可準確地控制推進過程中的推進速度和推進壓力。並具有較高的靈敏度和精度。
該發明能夠使盾構適應各種複雜的地層，實現精確的姿態和方向控制，系統節能效果好。適合於大功率、大流量、變負載的套用場合。
附圖說明
附圖為《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》原理圖。
圖中：1.二位二通電磁球閥，2.比例調速閥，3.比例溢流閥，4.三位四通電磁換向閥，5.液壓鎖，6.平衡閥，7.壓力感測器，8.帶內置式位移感測器的液壓泊缸，9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25為管路。
權利要求
《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》包括平衡閥、比例溢流閥、液壓油缸：其特徵在子還包括：二位二通電磁球閥（1）、比例調速閥（2）、三位四通電磁換向閥（4）、液壓鎖（5）、壓力感測器（7）；二位二通電磁球閥（1）的進油口P，與比例調速閥（2）的進油口P2連通，二位二通電磁球閥（1）的出油口T1分別與比例調速閥（2）的出油口T2、比例溢流閥（3）的進油口P3、三位四通電磁換向閥（4）的進油口P4連通，比例溢流閥（3）的出泊口T3與二位四通電磁換向閥（4）的回油口T4連通接油箱，液壓鎖（5）的進油口A2與三位四通電磁換向閥（4）的出油口A1連通，液壓鎖（5）的進泊口B2與三位四通電磁換向閥（4）的出油口B1連通，平衡閥（6）的進油口F與液壓鎖（5）的出油口A3連通，平衡閥（6）的出油口V分別與壓力感測器（7）和帶內置式位移感測器的液壓油缸（8）的無桿腔連通，平衡閥（6）的控制油口S分別與液壓鎖（5）的出油口B3和帶內置式位移感測器的液壓油缸（8）的布桿腔連通。
實施方式
附圖中二位二通電磁球閥l和比例調速閥2通過管路10、11、12、13並聯連線，二位二通電磁球閥l一端與管路12連線，另一端與管路13連線：比例調速閥2一端與管路10連線，另一端與管路11連線：比例溢流閥3一端與管路16連線，另一端與管路17連線；三位囚通電磁換向閥4的進油口P4與管路15連線，回油口T4與管路18連線，三位四通電磁換向閥4的出油口A，與管路19連線，出泊口B，與管路20連線：管路17和管路18並聯連線後回油箱：液壓鎖5的進油口A2與管路19連線，進泊口B2與管路20連線，出泊口A3與管路21連線，出油口B3與管路22連線：平衡閥6的進油口F與管路21連線，出油口V與管路25連線，控制口S與管路23連線：液壓泊缸8的無桿腔與管路25連線，液壓油缸8的有桿腔與管路24連線：壓力感測器7連線在管路25上，靠近液壓油缸8的無桿腔。
採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統的工作原理如下：
盾構掘進機朝前推進肘，二位二通電磁球閥1的電磁閥失電，關閉二位二通電磁球閥1，系統壓力泊經管路9、10進入比例調速閥2的進泊口P2，從比例調速閥2出泊口T2流出，進入管路口，經管路14、15流入三位四通電磁換向閥的進泊口民，此時三位四通電磁換向閥4處於a位置，三位四通電磁換向閥4中的進油口P4和出油口A，連通，回泊口T4和出油口B，連通，壓力泊經三位四通電磁換向閥4的出泊口A1流出，通過管路19進入液壓鎖5的進泊口A2，從液壓鎖5的出油口A3流出，經管路21流入平衡閥6的進油口F，從平衡閥6中的旁通單向閥到達出泊口V，最後通過管路25進入液壓泊缸8的無桿腔，推動液壓泊缸的柱塞桿向前運動。液壓泊缸的柱塞桿向前推進時，液壓泊缸有桿腔的液壓泊經管路24、22進入液壓鎖5的出油口B3，從液壓鎖5的進泊口B2流出，通過管路20進入三位四通電磁換向閥4的出泊口B1，然後從三位四通電磁換向閥4的回泊口T4流出，最後經管路18流回油箱。
推進過程中，推進速度的大小可由液壓泊缸8中的內置式位移感測器實時檢測推進位移，轉換成電信號反饋到比例調速閥2的比例電磁鐵上，控制比例調速閥2中節流口的開度來實現。系統中多餘的流量可通過管路11、16流入比例溢流閥3的進泊口P3，從比例溢流閥3的出泊口T3流出F經管路17流回油箱。為了保持開挖面的穩定性，還必須實時控制推進壓力，此時可由壓力感測器7檢測液壓泊缸的推進壓力，轉換成電信號反饋到比例溢流閥3的比例電磁鐵上，控制比例溢流閥3的節流口大小來實現，通過分組中的比例調速閥2和比例溢流閥3構成比例流量壓力複合控制，可以實時控制推進液壓油缸的推進速度及推進壓力。
推進液壓油缸的快速返回控制迴路可實現液壓油缸的單獨返回操作，以滿足管片拼裝的要求。快退時，二位二通電磁球閥l的電磁閥得電，二位二通電磁球閥1的進油口P1和出泊口T1連通，短路比例調速閥2，系統採用大流量供泊，系統壓力油從管路9、12進入二位二通電磁球閥l的進油口P1，從二位二通電磁球閥1的出油口T1流出，經管路13、15進入三位四通電磁換向閥進泊口民，此時三位四通電磁換向閥4切換到工作狀態b位置，三位四通電磁換向閥4的進油口P4與出油口B1連通，回泊口T4與出油口A1連通，壓力油經管路20流入液壓鎖5的進油口B2，從液壓鎖5的出泊口B3流出，流入管路22。此時壓力油分兩路，一路經管路23流入平衡閥6的控制泊口S，頂開平衡閥6中的壓力閥，使得平衡閥6的出泊口V和進油口F連通，另一路經管路24進入液壓油缸8的有桿腔，推動液壓泊缸8的柱塞桿快速回退，回退時液壓油缸8無桿腔的壓力油經管路25流入平衡閥6的出泊口V，從平衡閥6的進泊口F流出，經管路21流入液壓鎖5的出泊口島，從液壓鎖5的進泊口A2流出，進入管路19到達三位四通電磁換向閥4的出泊口兒，然後從三位囚通電磁換向閥4的回油口川流出，通過管路18流回油箱。
管片拼裝時，並非所有的液壓泊缸柱塞桿都須回退，有的液壓泊缸柱塞桿還必須頂住管片，此時相應的三位四通電磁換向閥4失電處於中位，與液壓鎖5形成鎖緊迴路，可很好的防止泊的泄漏，保證液壓油缸的活塞桿頂住管片，以利於其它管片的拼裝。液壓推進系統控制迴路中還設有一個平衡閥6，該平衡閥在管片拼裝、液壓油缸單獨返回時，能起到運動平穩的作用。
榮譽表彰
2010年11月10日，《採用比例流量壓力複合控制的盾構掘進機液壓推進系統》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
