一種盾構隧道掘進機混合驅動系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種盾構隧道掘進機混合驅動系統及其控制方法，具體是液壓系統輔助多電機驅動盾構刀盤，實現降低主電機功率，克服峰值載荷，并且能夠達到快速啟停和節能的目的。
【背景技術】
[0002]盾構掘進機(護盾式隧道掘進機)是集機械、電器、液壓、測量、控制等多學科技術于一體的、專用于地下隧道工程開挖的技術密集型超大工程裝備。盾構掘進機已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程。
[0003]刀盤是盾構隧道掘進機的重要組成部分，是進行掘進作業的主要工作裝置。雖然盾構的刀盤工作轉速不高，但由于地質構造復雜、刀盤作業直徑較大，要求刀盤的驅動系統需具備:大功率、大轉矩輸出、抗沖擊、轉速雙向連續可調，在滿足使用要求的前提下減小裝機功率、節能降耗等工作特點。
[0004]目前盾構刀盤的驅動方式主要有液壓驅動和電機驅動兩大類。液壓驅動起動力矩大，但是工作效率較低，發熱量大，使隧道內溫度較高；電機驅動，啟停過程響應較慢，需要較長的時間才能完成啟動和制動，并且在出現峰值載荷時，主電機功率瞬間增大，損壞主驅動電機。
【發明內容】
[0005]本發提供一種盾構隧道掘進機混合驅動系統及其控制方法，其目的是為了克服峰值載荷，降低主電機功率，并且縮短主電機的啟停過程，降低損耗，實現節能減排。
[0006]基于上述目的，本發明所采取的措施是:一種盾構隧道掘進機混合驅動系統，其特征是包括輔助驅動的液壓系統和多電機驅動系統;輔助驅動的液壓系統和多電機驅動系統通過第一聯軸器連接。
[0007]所述輔助驅動的液壓系統包括補油栗電動機、液壓栗、第一安全閥、第一電磁換向閥、第二安全閥、第二電磁換向閥、壓力傳感器、液壓蓄能器組、四個液壓回路、液壓栗/馬達;補油栗電動機驅動液壓栗，液壓栗出油口通過第一安全閥與第一電磁換向閥的進油口連通，第一電磁換向閥與液壓蓄能器組的進出油口連通，液壓蓄能器的出油口同時與第二電磁換向閥的進油口連通，且液壓蓄能器組由壓力傳感器檢測壓力，第二電磁換向閥的出油口與液壓栗的出油口連通，第二電磁換向閥通過第二安全閥分別與四個液壓回路的壓力油口連通，第一液壓回路的兩個工作油口分別與液壓栗/馬達的進油口、出油口連通。
[0008]所述多電機驅動系統包括主驅動電機、電流互感器、變頻器、轉速傳感器、第二聯軸器、齒輪減速裝置、盾構刀盤;主驅動電機通過導線與變頻器連接，電流互感器檢測主驅動電機的電流變化，主驅動電機的輸出軸與第二聯軸器連接，轉速傳感器測量主驅動電機轉速并由導線連接變頻器，第二聯軸器連接齒輪減速裝置輸入端，齒輪減速裝置輸出端與盾構刀盤連接。
[0009]所述盾構隧道掘進機混合驅動系統整體是由控制器集中控制，轉速傳感器的輸出信號η、液力傳感器的輸出信號P和電流互感器的輸出信號i經過導線輸入到控制器，指令信號經過導線輸入控制器，控制器的輸出端經過導線分別與變頻器、第一電磁換向閥、補油栗電動機、第二電磁換向閥和四個液壓回路的控制端連接。
[0010]所述液壓回路可以是開式液壓回路，也可以是閉式液壓回路。
[0011 ] 一種盾構隧道掘進機混合驅動系統的控制方法:
當盾構刀盤啟動前，通過控制器給出控制指令連通第一電磁換向閥，斷開第二電磁換向閥并啟動補油栗電動機驅動液壓栗給液壓蓄能器組充液，達到充液壓力的預定值，此時，液壓回路處于中位，進出油口同時與油箱連通。
[0012]當盾構刀盤啟動時，通過控制器給出指令信號，變頻器控制主驅動電機啟動，第二電磁換向閥連通，通過控制液壓回路使液壓栗/馬達處于液壓馬達工況，液壓蓄能器組驅動液壓栗/馬達輔助主驅動電機啟動。轉速傳感器檢測主驅動點轉速，達到預設值后，轉速傳感器輸出信號輸入控制器，控制器給出指令信號，液壓回路回中位，液壓栗/馬達停止工作，第二電磁換向閥斷開，液壓蓄能器組停止工作，液壓控制回路對主電動機的運行無影響，主電動機正常運行。此過程，降低了主驅動電機的啟動功率，縮短啟動時間。
[0013]當出現峰值載荷時，電流互感器檢測主驅動電機電流升高，輸出信號到控制器，控制器發出指令信號，第二電磁換向閥連通，通過控制液壓回路使液壓栗/馬達處于液壓馬達工況，液壓蓄能器組驅動液壓栗/馬達輔助主驅動電機驅動盾構刀盤。峰值載荷過后，電流互感器輸出信號到控制器，控制器發出指令信號，液壓回路回中位，液壓栗/馬達停止工作，第二電磁換向閥斷開，液壓蓄能器組停止工作，液壓控制回路對主電動機的運行無影響，主電動機正常運行。此過程，液壓輔助驅動系統輔助主驅動電機克服峰值載荷，降低主電機功率，避免因峰值載荷對主驅動電機造成損壞。
[0014]當盾構刀盤制動時，控制器發出指令信號，變頻器控制主驅動電機減速，第二電磁換向閥連通，通過控制液壓回路使液壓栗/馬達處于液壓栗工況，液壓蓄能器組成為主電動機負載，驅動液壓栗/馬達給液壓蓄能器組充液。此過程，液壓輔助驅動系統輔助主驅動電機制動，縮短制動時間，并且回收制動能量，達到節能效果。
[0015]當液壓蓄能器組能量不足時，1、在主驅動電機啟動時，壓力傳感器檢測液壓蓄能器組壓力不足，輸出信號給控制器，控制器發出指令，啟動補油栗電動機驅動液壓栗，與液壓蓄能器組同時輔助主驅動電機啟動，主驅動電機正常運行后，液壓回路回到中位，第二電磁換向閥斷開，第一電磁換向閥連通，給液壓蓄能器充液達到預定值。
[0016]2、在出現峰值載荷時，壓力傳感器檢測液壓蓄能器組壓力不足，輸出信號給控制器，控制器發出指令，啟動補油栗電動機驅動液壓栗，與液壓蓄能器組同時輔助主驅動電機驅動盾構刀盤，主驅動電機正常運行后，液壓回路回到中位，第二電磁換向閥斷開，第一電磁換向閥連通，給液壓蓄能器充液達到預定值。
[0017]本發明具有如下優點:
本發明在盾構刀盤啟動時，通過液壓系統輔助驅動，降低了主驅動電機的啟動功率，縮短了盾構刀盤的啟動時間，改善了盾構刀盤的啟動性能;在出現峰值載荷時，能夠通過液壓系統的輔助克服峰值載荷，降低主驅動電機的功率，防止主驅動電機因過載而損壞，緩沖峰值載荷造成的振動，延長主驅動電機壽命;在盾構刀盤制動時，能通過液壓系統，輔助制動，縮短盾構刀盤制動時間，并且回收和再利用制動能量，實現節能功效。
【附圖說明】
[0018]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述。
[0019]圖1是盾構刀盤驅動系統的原理結構示意圖
圖中:1:補油栗電動機;2:液壓栗;3:第一安全閥；4:第一電磁換向閥；5:第二安全閥；6:第二電磁換向閥；7:壓力傳感器;8:液壓蓄能器組;9:第四液壓回路；10:第三液壓回路；11:第二液壓回路；12:第一液壓回路;13:液壓栗/馬達;14第一聯軸器;15:主驅動電機;16:電流互感器;17:變頻器;18:轉速傳感器;19:第二聯軸器;20:齒輪減速裝置;21:盾構刀盤。
[0020]A:第一工作油口 ；B:第二工作油口 ；P:壓力油口；T:油箱口。
[0021]η:主驅動電機15的轉速(轉速傳感器18的輸出信號);P:液壓蓄能器組8的壓力(壓力傳感器7的輸出信號)；1:主驅動電機15的內部電流(電流互感器16的輸出信號)。
【具體實施方式】
[0022]圖1所示，一種盾構隧道掘進機混合驅動系統，其特征是包括輔助驅動的液壓系統和多電機驅動系統;輔助驅動的液壓系統和多電機驅動系統通過第一聯軸器14連接。
[0023]所述輔助驅動的液壓系統包括補油栗電動機1、液壓栗2、第一安全閥3、第一電磁換向閥4、第二安全閥5、第二電磁換向閥6、壓力傳感器7、液壓蓄能器組8、四個液壓回路(第一液壓回路12、第二液壓回路11、第三液壓回路10和第四液壓回路9)、液壓栗/馬達13;
補油栗電動機I驅動液壓栗2，液壓栗出油口通過第一安全閥3與第一電磁換向閥4的進油口連通，第一電磁換向閥4與液壓蓄能器組8的進出油口連通，液壓蓄能器組8的出油口與第二電磁換向閥6的進油口連通，壓力傳感器7檢測液壓蓄能器組8的壓力，第二電磁換向閥的出油口與液壓栗的出油口連通，第二電磁換向閥通過第二安全閥分別與四個液壓回路的壓力油口連通，第一液壓回路的兩個工作油口分別與液壓栗/馬