混合驱动的盾构隧道掘进机制造技术

本发明专利技术公开了一种混合驱动的盾构隧道掘进机，包括闸控系统、减速器、盾构刀盘，动势能储运回路与电动机复合驱动系统、控制器及超级电容器组，通过电比例四象限液压泵/马达辅助主驱动电动机驱动盾构刀盘工作。本发明专利技术公开的混合驱动的盾构隧道掘进机具有系统的能量利用率高、降低主驱动电动机的装机功率等优点。

Hybrid driven shield tunnel boring machine

The invention discloses a shield tunneling machine of hybrid drive, including the gate control system, speed reducer, cutter, pneumatic system, controller and super capacitor energy storage circuit and motor driven by electric proportional composite, four quadrant hydraulic pump / motor auxiliary drive motor driving shield cutter work. The hybrid driven shield tunnel boring machine has the advantages of high energy utilization rate of the system and reduction of the installed power of the main drive motor.

【技术实现步骤摘要】
混合驱动的盾构隧道掘进机
本专利技术属于隧道掘进机械设备领域，具体涉及一种混合驱动的盾构隧道掘进机。
技术介绍
盾构掘进机(护盾式隧道掘进机)是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体的、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型超大工程装备。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。刀盘是盾构隧道掘进机的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。虽然盾构刀盘的工作转速不高，但由于地质构造复杂、刀盘作业直径较大，要求刀盘的驱动系统需具备：大功率、大转矩输出、抗冲击且转速双向连续可调，在满足使用要求的前提下减小装机功率、节能降耗等。目前盾构刀盘的驱动方式主要有液压驱动和电机驱动两大类。液压驱动起动力矩大，但是工作效率较低，发热量大，使隧道内温度较高；电机驱动，为了满足盾构掘进机的大功率要求，电动机的体积需要很大，这使得主驱动电动机在盾构掘进机上合理布置变得较为困难，并且电动机需要处于低速大扭矩工况，受目前电动机输出扭矩的制约，必须附加减速器实现这一功能，这就使得电机整体的体积进一步增大。除此之外，电机的启停过程响应较慢，需要较长的时间才能完成启动和制动，并且，在出现峰值载荷时，主驱动电动机功率瞬间增大，容易损坏主驱动电机。
技术实现思路
针对现有技术的上述不足，本专利技术提供一种混合驱动的盾构隧道掘进机，通过回收工作装置制动过程的动能，提高能量利用率。混合驱动的盾构隧道掘进机，包括闸控系统(2)、减速器(3)、盾构刀盘(4)，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动系统(24)、控制器(10)及超级电容器组(9)；其中，动势能储运回路与电动机复合驱动系统包括：动势能储运回路(23)、电磁离合器(19)、传动器(20)、主驱动电动机(1)、转速传感器(21)、第Ⅰ变频器(6.1)、双向DC-DC变换器(7)、电流互感器(5)。所述的动势能储运回路(23)包括电比例四象限液压泵/马达(17)、安全阀(16)、恒压变量液压泵(14)、液压泵驱动电动机(15)、第Ⅱ变频器(6.2)、二位二通电磁阀(13)、蓄能器(11)、压力传感器(12)、位移传感器(18)、油箱(22)；电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、安全阀的进油口、恒压变量泵的出油口与二位二通电磁阀的A油口连通，二位二通电磁阀的B油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、安全阀的出油口、恒压变量泵的进油口均与油箱连通，位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接，液压泵驱动电动机的控制端、电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通阀的控制端均与控制器连接。主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与减速器的输入轴和传动器的一端连接，减速器的输出轴与盾构刀盘的驱动轴连接，闸控系统安装在减速器的输入轴上，传动器的另一端与电磁离合器连接，电磁离合器与动势能储运回路中的电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端和输出端分别与控制器与主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，转速传感器与主驱动电动机的第二输出轴连接，其输出信号n输入控制器，电流互感器安装在第Ⅰ变频器与主驱动电动机之间，其输出信号i输入控制器；控制器向电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ、第Ⅱ变频器发送控制指令。所述恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。所述蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。所述的动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。所述的动势能储运回路与电动机复合驱动系统通过控制主驱动电动机的转速或主驱动电动机的输出扭矩和转角，实现对盾构隧道掘进机的控制。所述主驱动电动机的第一输出轴与减速器连接或直接与盾构刀盘的驱动轴连接。与现有技术相比，本专利技术提供的一种混合驱动的盾构隧道掘进机，具有如下优点与积极效果：1、本专利技术通过电比例四象限液压泵/马达辅助主驱动电动机驱动盾构刀盘工作，在满足盾构掘进机瞬时大功率要求的前提下，使主驱动电动机不必附加减速器就可以实现低速大扭矩工况，减小了主驱动电动机的体积，为主驱动电机在盾构隧道掘进机中的合理布置提供了便利。2、本专利技术通过电比例四象限液压泵/马达和超级电容器组实现对盾构刀盘制动过程动能的回收和再利用，改善了盾构掘进机的启制动性能，提高了系统的能量利用率。3、本系统在盾构刀盘遇到峰值载荷时，通过电比例四象限液压泵/马达提供辅助扭矩，并通过超级电容器组释放电能，补充主驱动电动机的峰值电流，进而辅助主驱动电动机驱动盾构刀盘克服峰值载荷，降低主驱动电动机的装机功率，避免因峰值载荷而损坏主驱动电动机。附图说明图1为本专利技术混合驱动控制原理图；图中：1-主驱动电动机；2-闸控系统；3-减速器；4-盾构刀盘；5-电流互感器；6.1-第Ⅰ变频器；6.2-第Ⅱ变频器；7-双向DC-DC变换器；9-超级电容器组；10-控制器；11-蓄能器；12-压力传感器；13-二位二通电磁阀；14-恒压变量液压泵；15-液压泵驱动电动机；16-安全阀；17-电比例四象限液压泵/马达；18-位移传感器；19-电磁离合器；20-传动器；21-转速传感器；22-油箱；23-动势能储运回路；24-动势能储运回路与电动机复合驱动系统；具体实施方式以下结合附图介绍本专利技术详细技术方案：图1所示，混合驱动的盾构隧道掘进机，包括闸控系统2、减速器3、盾构刀盘4，动势能储运回路与电动机复合驱动系统24、控制器10及超级电容器组9，其中：动势能储运回路与电动机复合驱动系统包括：动势能储运回路23、电磁离合器19、传动器20、主驱动电动机1、转速传感器21、第Ⅰ变频器6.1、双向DC-DC变换器7、电流互感器5。所述的动势能储运回路23包括电比例四象限液压泵/马达17、安全阀16、恒压变量液压泵14、液压泵驱动电动机15、第Ⅱ变频器6.2，二位二通电磁阀13、蓄能器11、压力传感器12、位移传感器18、油箱22，电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、安全阀的进油口、恒压变量泵的出油口与二位二通电磁阀的A油口连通，二位二通电磁阀的B油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、安全阀的出油口、恒压变量泵的进油口均与油箱连通，位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接，液压泵驱动电动机的控制端、电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通阀的控制端均与控制器连接。主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与减速器的输入轴和传动器的一端连接，减速器本文档来自技高网...

【技术保护点】
混合驱动的盾构隧道掘进机，包括闸控系统(2)、减速器(3)、盾构刀盘(4)，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动系统(24)、控制器(10)及超级电容器组(9)；其中，动势能储运回路与电动机复合驱动系统包括：动势能储运回路(23)、电磁离合器(19)、传动器(20)、主驱动电动机(1)、转速传感器(21)、第Ⅰ变频器(6.1)、双向DC‑DC变换器(7)、电流互感器(5)；所述的动势能储运回路(23)包括电比例四象限液压泵/马达(17)、安全阀(16)、恒压变量液压泵(14)、液压泵驱动电动机(15)、第Ⅱ变频器(6.2)、二位二通电磁阀(13)、蓄能器(11)、压力传感器(12)、位移传感器(18)、油箱(22)；电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、安全阀的进油口、恒压变量泵的出油口与二位二通电磁阀的A油口连通，二位二通电磁阀的B油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、安全阀的出油口、恒压变量泵的进油口均与油箱连通，位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接，液压泵驱动电动机的控制端、电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通阀的控制端均与控制器连接；主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与减速器的输入轴和传动器的一端连接，减速器的输出轴与盾构刀盘的驱动轴连接，闸控系统安装在减速器的输入轴上，传动器的另一端与电磁离合器连接，电磁离合器与动势能储运回路中的电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端和输出端分别与控制器与主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC‑DC变换器的一端连接，双向DC‑DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC‑DC变换器的控制端与控制器连接，转速传感器与主驱动电动机的第二输出轴连接，其输出信号n输入控制器，电流互感器安装在第Ⅰ变频器与主驱动电动机之间，其输出信号i输入控制器；控制器向电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC‑DC变换器、第Ⅰ、第Ⅱ变频器发送控制指令。...

【技术特征摘要】
1.混合驱动的盾构隧道掘进机，包括闸控系统(2)、减速器(3)、盾构刀盘(4)，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动系统(24)、控制器(10)及超级电容器组(9)；其中，动势能储运回路与电动机复合驱动系统包括：动势能储运回路(23)、电磁离合器(19)、传动器(20)、主驱动电动机(1)、转速传感器(21)、第Ⅰ变频器(6.1)、双向DC-DC变换器(7)、电流互感器(5)；所述的动势能储运回路(23)包括电比例四象限液压泵/马达(17)、安全阀(16)、恒压变量液压泵(14)、液压泵驱动电动机(15)、第Ⅱ变频器(6.2)、二位二通电磁阀(13)、蓄能器(11)、压力传感器(12)、位移传感器(18)、油箱(22)；电比例四象限液压泵/马达的第一油口P1、安全阀的进油口、恒压变量泵的出油口与二位二通电磁阀的A油口连通，二位二通电磁阀的B油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P2、安全阀的出油口、恒压变量泵的进油口均与油箱连通，位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接，液压泵驱动电动机的控制端、电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通阀的控制端均与控制器连接；主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与减速器的输入轴和传动器的一端连接，减速器的输出轴与盾构刀盘的驱动轴连接，闸...

【专利技术属性】
技术研发人员：权龙，刘辉，秦涛，权仲翊，夏连鹏，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14