掘進機刀盤定變排量組合液壓馬達驅動系統及控制方法與流程

本發明涉及隧道掘進機技術領域，具體地說，特別涉及一種掘進機刀盤定變排量組合液壓馬達驅動系統及控制方法，達到最大限度的提高隧道掘進機的工作效率、提升系統可靠性和降低工程成本的目的。

背景技術：

隧道掘進機廣泛用于供水工程、電力工程、道路建設、城市地鐵等國家基礎設施工程，它是一種集機-電-液多學科領域于一體的大型地下工程機械裝備，其主機主要由刀盤及其驅動系統、推進系統和護盾支護系統等構成。

刀盤液壓系統是保證掘進機實現向前掘進工作的十分重要的關鍵部分。通常，掘進機所處的掘進工況惡劣，面臨的地質條件復雜多變，要求刀盤主驅動系統提供較大的功率和扭矩。為了提高掘進機的掘進速度，適應不同的工程地質條件，要求掘進機刀盤能夠適應負載的動態變化，提供較大的扭矩，多種轉速變化，在滿足以上條件下，還要求系統盡量減小能耗，提升系統可靠性、工作效率和降低成本。

目前使用的掘進機的刀盤液壓系統完全采用了多個變排量液壓馬達并聯作為扭矩和轉速輸出，但是變排量液壓馬達造價高昂，每個變排量液壓馬達均單獨配置了沖洗馬達裝置，導致更高的成本，并且變排量液壓馬達可靠性較定排量液壓馬達低，工作效率也不如定排量液壓馬達。

技術實現要素：

為了解決背景技術中掘進機的刀盤液壓系統存在的問題，提出了一種掘進機刀盤定變排量組合液壓馬達驅動系統及控制方法，用于掘進機刀盤系統在針對不同工況需求下的自由調整，達到降低工程成本、提高系統效率和可靠性的目的。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案及其步驟如下：

一、一種掘進機刀盤定變排量組合液壓馬達驅動系統：

系統包括變排量液壓馬達組、定排量液壓馬達組和變排量液壓泵組，變排量液壓馬達組、定排量液壓馬達組和變排量液壓泵組均接入到掘進機刀盤系統的主油路中，變排量液壓泵組輸入流量到主油路，變排量液壓馬達組和定排量液壓馬達組從主油路得到流量。

以定排量液壓馬達和變排量液壓馬達組合方式構建系統，并以排量組合控制方式控制定排量液壓馬達組和變排量液壓馬達組的排量，由兩個馬達組的馬達排量和泵組的泵排量決定輸出給掘進機刀盤的轉速。

所述的變排量液壓馬達組包括多個并聯連接到主油路的變排量液壓馬達，每個變排量液壓馬達的兩端分別接入到主油路的兩路，即一端接入到主油路的的油路A，另一端接入主油路的油路B，變排量液壓馬達組中的各個變排量液壓馬達同時或分別控制，若變排量液壓馬達組中有e個變排量液壓馬達，e個變排量液壓馬達可同時或分別控制；

所述的定排量液壓馬達組包括多個并聯連接到主油路的定排量液壓馬達，每個定排量液壓馬達的兩端分別接入到主油路的兩路，即一端接入主油路的油路A，另一端接入主油路的油路B，若定排量液壓馬達組中有f個定排量液壓馬達，f個定排量液壓馬達同時控制。

所述的定排量液壓馬達組中定排量液壓馬達的總數取為以下公式計算得到的馬達個數x的整數部分m，并且定排量液壓馬達排量的最大值為V_gmax：

其中，V_gmax表示定排量液壓馬達自身的最大排量，V為根據實際工程負載確定系統達到最高設計轉速所需馬達的總排量；

所述的變排量液壓馬達組中的變排量液壓馬達的總數為n-m，n為掘進機刀盤設計要求中的馬達總數量，并且變排量液壓馬達排量的最小值為設計最大值為V_gmax′，V_gmax′表示變排量液壓馬達自身的最大排量。

所述的變排量液壓馬達采用對排量無極設定的變排量液壓馬達，具體為液壓比例控制變排量液壓馬達或者電氣比例控制變排量液壓馬達等。

所述的變排量液壓馬達采用將排量設置為V_gmin和V_gmax兩檔的變排量液壓馬達，具體為兩點式液壓控制變排量液壓馬達或者電子兩點式控制變排量液壓馬達等，

所述的變排量液壓馬達組、定排量液壓馬達組中的軸承的沖洗和降溫有兩種方式：一是采用馬達自帶沖洗裝置，二是采用馬達集中式沖洗裝置如圖2所示。馬達集中式沖洗裝置連接在變排量液壓馬達組、定排量液壓馬達組和主油路之間，包括調速閥、蓄能器和二位三通閥，二位三通閥的P口接主油路的油路B，T口接主油路的油路A，二位三通閥的A口經調速閥與蓄能器連接，通過調速閥調節油液的流速，蓄能器分別經節流閥連接到變排量液壓馬達組和定排量液壓馬達組的馬達殼體中，對馬達軸承進行沖洗和降溫，沖洗降溫后的油液流回油箱。為防止由于刀盤制動過程導致背壓側油壓過大引起沖洗流量出現峰值，在油液通過調速閥進入馬達之前的油路中接入蓄能器。

二、一種掘進機刀盤定變排量組合液壓馬達驅動系統的控制方法：

以定排量液壓馬達和變排量液壓馬達組合方式連接到掘進機刀盤系統的主油路中以構建掘進機刀盤系統，并以特定排量組合方式設定定排量液壓馬達和變排量液壓馬達的排量，由定排量液壓馬達和變排量液壓馬達的馬達排量以及變排量液壓泵的泵排量輸出掘進機控制轉速。

所述的特定排量組合方式具體如下：

首先根據實際工程負載確定系統達到最高設計轉速所需馬達的總排量為V，在掘進機刀盤系統工作在最大排量下，采用以下公式獲得所有馬達均采用定排量液壓馬達工作時所需要的馬達個數x為：

其中，V_gmax表示定排量液壓馬達自身的最大排量；

取個數x的整數部分m作為定排量液壓馬達組中定排量液壓馬達的總數，取n-m為變排量液壓馬達組中變排量液壓馬達的總數，n為掘進機刀盤設計要求中的馬達總數量，n實際表示變排量液壓馬達組、定排量液壓馬達組中的所有馬達的總數；

并且針對變排量液壓馬達組，將其中每個變排量液壓馬達的排量的范圍設置為即將變排量液壓馬達排量的設計最小值設置為V_gmax′表示變排量液壓馬達自身的最大排量。

本發明在滿足掘進機主驅動設計轉速要求的前提下，盡量多地采用定排量液壓馬達，盡量減少變排量液壓馬達的數量，達到最大限度的降低成本，提高系統可靠性和效率的目的。

所述的變排量液壓馬達采用對排量無極設定的變排量液壓馬達，具體為液壓比例控制變排量液壓馬達或者電氣比例控制變排量液壓馬達等。

所述的變排量液壓馬達采用將排量設置為V_gmin和V_gmax兩檔的變排量液壓馬達，具體為兩點式液壓控制變排量液壓馬達或者電子兩點式控制變排量液壓馬達等，

本發明控制原理如下：

1)首先，根據實際工程負載確定系統達到最高設計轉速所需馬達的總排量為V，定排量液壓馬達最大排量為V_gmax，變排量液壓馬達的最大排量為V_gmax′，掘進機刀盤設計要求中的馬達總數量為n，n表示變排量液壓馬達組、定排量液壓馬達組中的所有馬達的總數；

2)接著，確定所有馬達工作在最大排量下需要的個數為

3)然后，x整數部分的數值為m，確定定排量液壓馬達的數量小于或者等于m，在滿足設計轉速要求的前提下，盡量多采用定排量液壓馬達并且盡量減少變排量液壓馬達的數量，以達到最優選擇，因此確定最優定排量液壓馬達的數量為m，則變排量液壓馬達數量確定為n-m，其需要的總排量為(x-m)·V_gmax，分到每一個變排量液壓馬達的排量為變排量液壓馬達的排量范圍為

至此，定排量液壓馬達數量為m，變排量液壓馬達的數量為n-m，變排量液壓馬達的排量范圍為0～V_gmax，變排量液壓馬達的排量范圍為即是確定了變排量液壓馬達排量的控制初始值和終止值。

本發明與背景技術相比具有的有益效果是：

在保證提供給刀盤的轉速可調節，轉速范圍滿足需求的條件下，由于將定排量液壓馬達引入系統且定排量液壓馬達具有成本低，可靠性高及輸入精度高的特點，

所以本液壓系統提高了系統的可靠性和控制精度，降低了工程成本；

同時，本系統靈活性較高，可以根據工程需求靈活的選用定排量液壓馬達和變排量液壓馬達的組合方式，增加了隧道掘進機刀盤系統的工程適用性。

附圖說明

圖1是本發明的變排量液壓馬達、定排量液壓馬達的組合系統的原理示意圖；

圖2是本發明的變排量液壓馬達、定排量液壓馬達的組合系統添加馬達集中式沖洗裝置的原理示意圖；

圖3是本發明變排量液壓馬達可選類型的HD型液壓比例控制變排量液壓馬達原理示意圖；

圖4是本發明變排量液壓馬達可選類型的HD壓力控制型液壓比例控制變排量液壓馬達原理示意圖；

圖5是本發明變排量液壓馬達可選類型的EP型電氣比例控制變排量液壓馬達原理示意圖；

圖6是本發明變排量液壓馬達可選類型的EP壓力控制型電氣比例控制變排量液壓馬達原理示意圖；

圖7是本發明變排量液壓馬達可選類型的HZ兩點式液壓控制變排量液壓馬達原理示意圖；

圖8是本發明變排量液壓馬達可選類型的EZ電子兩點式控制變排量液壓馬達原理示意圖。

圖中：E1、E2、…，Ee均為變排量液壓馬達，F1、F2、…Ff均為定排量液壓馬達，G1…Gg均為變排量液壓泵，1、節流閥，2、調速閥，3、蓄能器，4二位三通閥。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。

如圖1所示，本發明包括e個變排量液壓馬達E1、E2、……、Ee，f個定排量液壓馬達F1、F2、……、Ff，g個變排量液壓泵G1、……、Gg和主油路A、B，變排量液壓馬達E1的油口B11接入主油路B，油口A11接入主油路A；變排量液壓馬達E2的油口B12接入主油路B，油口A12接入主油路A；變排量液壓馬達Ee的油口B1e接入主油路B，油口A1e接入主油路A。需要說明的是，此處的變排量液壓馬達的數量e根據方法確定，圖中給出省略畫法，并用下標B11到B1e表示變排量液壓馬達的數量為e，而非確定值，每個變排量液壓馬達均連接至主油路A和B。定排量液壓馬達F1的油口B21接入主油路B，油口A21接入主油路A；定排量液壓馬達F2的油口B22接入主油路B，油口A22接入主油路A；定排量液壓馬達Ff的油口B2f接入主油路B，油口A2f接入主油路A。需要說明的是，此處的定排量液壓馬達的數量f根據方法確定，圖中給出省略畫法，并用下標B21到B2f表示定排量液壓馬達的數量為f，而非確定值，每個定排量液壓馬達均連接至主油路A和B。變排量液壓泵G1的油口PB1接入主油路B，油口PA2接入主油路A；變排量液壓泵Gg的油口PBg接入主油路B，油口PAg接入主油路A。需要說明的是，此處的變排量液壓泵的數量g根據實際要求而確定的，所以圖中給出省略畫法，并用下標PB1到PBg表示變排量液壓泵的數量為g，而非確定值，每個變排量液壓泵均連接至主油路A和B。

變排量液壓馬達E1、E2、……、Ee可以選擇多種類型，圖3到圖8列出了部分可選類型。圖3所示為HD型液壓比例控制變排量液壓馬達，圖4所示為HD.D型固定設置的壓力控制的液壓比例控制變排量液壓馬達，圖5所示為EP型電氣比例控制變排量液壓馬達，圖6所示為EP.D型固定設置的壓力控制的電氣比例控制變排量液壓馬達，圖7所示為HZ型兩點式液壓控制變排量液壓馬達，圖8所示為EZ型電子兩點式控制變排量液壓馬達。需要說明的是，此處列出的變排量液壓馬達類型只是眾多變排量液壓馬達中的幾種類型，本發明也涉及其他類型的變排量液壓馬達。

圖2所示為變排量液壓馬達、定排量液壓馬達的組合系統添加馬達集中式沖洗裝置的原理圖示意，馬達集中式沖洗裝置連接在變排量液壓馬達組、定排量液壓馬達組和主油路之間，包括調速閥2、蓄能器3和二位三通閥4，二位三通閥4的P口接主油路的油路B，T口接主油路的油路A，二位三通閥4的A口經調速閥2與蓄能器3連接，通過調速閥2調節油液的流速，蓄能器3分別經節流閥1連接到變排量液壓馬達組和定排量液壓馬達組的馬達殼體中，對馬達軸承進行沖洗和降溫，沖洗降溫后的油液流回油箱。為防止由于刀盤制動過程導致背壓側油壓過大引起沖洗流量出現峰值，在油液通過調速閥2進入馬達之前的油路中接入蓄能器3。

本發明的實施例及其實施過程如下：

實施例1

假設圖1系統根據實際工程負載及其他限定條件確定需要的馬達總數量n＝8個，所需要的馬達的總排量V＝2200cm³，定排量液壓馬達和變排量液壓馬達的最大排量為V_gmax＝500cm³。則所有馬達工作在最大排量下需要的個數為個，則定排量液壓馬達的數量應小于等于4，應用最優原則，即盡量多使用定排量液壓馬達少使用變排量液壓馬達，取最大值4，即定排量液壓馬達的數量m＝4，變排量液壓馬達的數量為n-m＝8-4＝4個，變排量液壓馬達需要提供的總排量為(x-m)·V_gmax＝(4.4-4)·V_gmax＝0.4·V_gmax＝200cm³，每一個變排量液壓馬達的最小排量為至此，確定了定排量液壓馬達的數量為4個，變排量液壓馬達的數量為4個，變排量液壓馬達的排量范圍為50cm³～500cm³。

實施例2

假設圖1系統根據實際工程負載及其他限定條件確定需要的馬達總數量n＝9個，所需要的馬達的總排量V＝2475cm³，定排量液壓馬達和變排量液壓馬達的最大排量為V_gmax＝500cm³。則所有馬達工作在最大排量下需要的個數為個，則定排量液壓馬達的數量應小于等于4，應用最優原則，即盡量多使用定排量液壓馬達少使用變排量液壓馬達，取最大值4，即定排量液壓馬達的數量m＝4，變排量液壓馬達的數量為n-m＝9-4＝5個，變排量液壓馬達需要提供的總排量為(x-m)·V_gmax＝(4.95-4)×V_gmax＝0.95·V_gmax＝475cm³，每一個變排量液壓馬達的最小排量為至此，確定了定排量液壓馬達的數量為4個，變排量液壓馬達的數量為5個，變排量液壓馬達的排量范圍為95cm³～500cm³。

實施例3

假設圖1系統根據實際工程負載及其他限定條件確定需要的馬達總數量n＝7個，所需要的馬達的總排量V＝2000cm³，定排量液壓馬達和變排量液壓馬達的最大排量為V_gmax＝500cm³。則所有馬達工作在最大排量下需要的個數為個，則定排量液壓馬達的數量應小于等于4，應用最優原則，即盡量多使用定排量液壓馬達少使用變排量液壓馬達，取最大值4，即定排量液壓馬達的數量m＝4，變排量液壓馬達的數量為n-m＝7-4＝3個，變排量液壓馬達需要提供的總排量為(x-m)·V_gmax＝(4-4)·V_gmax＝0·V_gmax＝0，每一個變排量液壓馬達的最小排量為至此，確定了定排量液壓馬達的數量為4個，變排量液壓馬達的數量為3個，變排量液壓馬達的排量范圍為0cm³～500cm³。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。