盾构管片拼装驱动系统中的能量回收装置

摘要

本发明公开了一种盾构管片拼装驱动系统中的能量回收装置。包括电机、泵、单向阀、液压马达/泵、溢流阀、蓄能器、三位四通换向阀、液压变压器和液压缸。该系统采用马达/泵、蓄能器、液压变压器作为能量转换和回收元件，将盾构管片拼装机周向回转和垂直升降运动中的部分机械能转换为液压能储存，供拼装作业利用。液压系统的执行元件马达/泵工作在马达状态时驱动拼装机转动，工作在泵状态时将负载能量回馈到蓄能器中。通过切换液压变压器的工作状态实现升降液压缸的升降动作及重力负载能量回收。由于系统中没有节流元件，能量传递效率高，避免了节流调速系统中的能量损失，具有明显的节能效果。

权利要求

1.一种盾构管片拼装驱动系统中的能量回收装置，其特征在于：电机(2)与泵(3)刚性连接，泵(3)的吸油口与油箱(1)连接，泵(3)的出油口与单向阀(4)进油口和溢流阀(5)进油口连接，单向阀(4)出油口与蓄能器(6)进油口、溢流阀(5)控制油口、第一个三位四通换向阀(7)的P1口、液压变压器(10)的P口和A口、第一单向阀(8.1)和第二单向阀(8.2)出油口、执行机构相连，第三单向阀(8.3)、第四单向阀(8.4)进油口连接油箱(1)，第一个三位四通换向阀(7)的A1口与液压马达/泵(9)一端油口、第一单向阀(8.1)进油口和第三单向阀(8.3)出油口相接，第一个三位四通换向阀(7)的B1口与液压马达/泵(9)另一端油口、第二单向阀(8.2)进油口和第四单向阀(8.4)出油口相接，第一个三位四通换向阀(7)的T1口连接回油路，液压马达/泵(9)的输出轴驱动管片拼装机旋转，液压变压器(10)的T口连接回油路，B口连接第二个三位四通换向阀(11)的P2口，第二个三位四通换向阀(11)的A2口与两个并联的液压缸(12、13)无杆腔相连，第二个三位四通换向阀(11)的B2口与两个并联的液压缸(12、13)有杆腔相连，第二个三位四通换向阀(11)的T2口连接回油路。

说明书

盾构管片拼装驱动系统中的能量回收装置

技术领域

[0001] 本发明涉及流体压力执行机构，尤其涉及一种盾构管片拼装驱动系统中的能量回收装置。

背景技术

[0002] 管片拼装是隧道掘进成形的关键步骤。管片拼装系统作为盾构掘进机的一大组成部分，承担着将预制管片沿盾构开挖隧洞拼装成形的任务。在管片拼装过程中，拼装机通常需具有足够数量的自由度以到达环形隧洞任意位置实施拼装作业。位置和姿态自由借助于拼装驱动液压系统中各执行元件的动作来实现。在管片拼装诸多动作中，周向回转与垂直升降这两个动作在竖直平面内完成，因此系统承受典型的重力负载。管片拼装机构本身往往重达数吨，即使在拼装完每块管片之后空机下降到隧道底端，其自身重力势能也相当可观，因此其自重也可以看作是一种重力负载。传统管片拼装液压系统中这两个动作的控制均借助于节流元件实现，在对重力做功和重力做功的情况下，系统均有节流损失，且重力负载能量全部浪费。因此，如何在确保管片拼装系统正确高效完成拼装任务的情况下更加有效利用液压系统的能量是一个关键问题。

发明内容

[0003] 为了克服背景技术中存在的问题兼顾系统节能的要求，本发明的目的在于提供一种盾构管片拼装驱动系统能量回收装置，将管片拼装机作业时回转和升降运动中可回收的重力负载能量回收，采用液压马达/泵和液压变压器作为能量转换元件，将回收能量存储在蓄能器中再利用，从而达到节能的目的。

[0004] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 本发明的电机与泵刚性连接，泵的吸油口与油箱连接，泵的出油口与单向阀进油口和溢流阀进油口连接，单向阀出油口与蓄能器进油口、溢流阀控制油口、第一个三位四通换向阀的P1口、液压变压器的P口和A口、第一单向阀和第二单向阀出油口、执行机构相连，第三单向阀、第四单向阀进油口连接油箱，第一个三位四通换向阀的A1口与液压马达/泵一端油口、第一单向阀进油口和第三单向阀出油口相接，第一个三位四通换向阀的B1口与液压马达/泵另一端油口、第二单向阀进油口和第四单向阀出油口相接，第一个三位四通换向阀的T1口连接回油路，液压马达/泵的输出轴驱动管片拼装机旋转，液压变压器的T口连接回油路，B口连接第二个三位四通换向阀的P2口，第二个三位四通换向阀的A2口与两个并联的液压缸无杆腔相连，第二个三位四通换向阀的B2口与两个并联的液压缸有杆腔相连，第二个三位四通换向阀的T2口连接回油路。

[0006] 本发明具有的有益效果是：

[0007] 液压系统的执行元件马达/泵工作在马达状态时驱动拼装机转动，工作在泵状态时将负载能量回馈到蓄能器中。通过切换液压变压器的工作状态实现升降液压缸的升降动作及重力负载能量回收。由于系统中没有节流元件，能量传递效率高，避免了节流调速系统中的能量损失，具有明显的节能效果。

附图说明

[0008] 附图是本发明的的结构原理示意图。

[0009] 图中：1.油箱，2.电机，3.泵，4.单向阀，5.溢流阀，6.蓄能器，7、11为三位四通换向阀，8.1、8.2、8.3、8.4为单向阀，9.液压马达/泵，10.液压变压器，12、13为液压缸。

具体实施方式

[0010] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0011] 如附图所示，本发明中的电机2与泵3刚性连接，泵3的吸油口与油箱1连接，泵3的出油口与单向阀4进油口和溢流阀5进油口连接，单向阀4出油口与蓄能器6进油口、溢流阀5控制油口、第一个三位四通换向阀7的P1口、液压变压器10的P口和A口、第一单向阀8.1和第二单向阀8.2出油口、执行机构相连，第三单向阀8.3、第四单向阀8.4进油口连接油箱1，第一个三位四通换向阀7的A1口与液压马达/泵9一端油口、第一单向阀8.1进油口和第三单向阀8.3出油口相接，第一个三位四通换向阀7的B1口与液压马达/泵9另一端油口、第二单向阀8.2进油口和第四单向阀8.4出油口相接，第一个三位四通换向阀7的T1口连接回油路，液压马达/泵9的输出轴驱动管片拼装机旋转，液压变压器10的T口连接回油路，B口连接第二个三位四通换向阀11的P2口，第二个三位四通换向阀11的A2口与两个并联的液压缸12、13无杆腔相连，第二个三位四通换向阀11的B2口与两个并联的液压缸12、13有杆腔相连，第二个三位四通换向阀11的T2口连接回油路。

[0012] 本发明的工作原理如下：

[0013] 电机2得电启动，驱动泵3转动，泵3吸油口从油箱1中吸油，变量泵3打出的压力油送到溢流阀5和单向阀4进油口，通过单向阀4送到蓄能器6的进油口、第一个三位四通换向阀7的P1口、液压变压器10的P口和A口以及管片拼装系统的其它执行机构。

[0014] 拼装管片时，首先由升降液压缸将管片抓举机构降低到待拼管片堆放位置。

[0015] 调节液压变压器10中变量泵/马达排量，使得变量泵/马达处于“马达”状态，P口压力油经T口到回油路，定量泵/马达处于“泵”状态。当第二个三位四通换向阀11左端电磁铁通电时，来自液压缸12和13无杆腔的压力油经第二个三位四通换向阀11的A2口、P2口进入液压变压器10的B口，并经过定量泵/马达至液压变压器A口，将下降过程的重力势能转化为液压能储存在蓄能器6里。液压缸12、13的有杆腔经第二个三位四通换向阀11的B2口、T2口、回油路从油箱吸油。

[0016] 待管片固定在抓取机构之上后，升降液压缸将管片拼装机构提起。

[0017] 调节液压变压器10中变量泵/马达排量，使得变量泵/马达处于“泵”状态，经T口通过回油路从油箱吸油，定量泵/马达处于“马达”状态。当第个二三位四通换向阀11左端电磁铁通电时，来自液压变压器10的A口并经过定量泵/马达至液压变压器B口的压力油经第二个三位四通换向阀11的P2口、A2口进入液压缸12和13无杆腔，将拼装机构提升到一定高度。液压缸12、13有杆腔中的液压油经第二个三位四通换向阀11的B2口、T2口到回油路。

[0018] 待管片拼装机将管片提起之后，需旋转一定角度以到达圆形隧道上安装管片的特定位置，此时旋转角度只能达到一半圆周。

[0019] 第一个三位四通换向阀7左位电磁铁得电，P1口的高压油经第一个三位四通换向阀7的A1口流进液压马达/泵9一端油口，液压马达/泵9另一端油口液压油经第一个三位四通换向阀7的B1口、T1口流到回油路。P1口的高压油一部分至第一单向阀8.1进油口。由于单向阀4出油口的压力略高于经换向阀口节流损失之后液压油的压力，因此第一单向阀8.1不打开。此时液压马达/泵驱动管片机顺时针方向转动将管片送到圆周指定位置。转动速度可以通过液压马达/泵9的排量来调节。

[0020] 待管片拼装机将管片在圆周指定位置拼装好之后，需沿逆时针方向旋转一定角度下降到初始位，准备抓取下一块管片。

[0021] 第一个三位四通换向阀7所有电磁铁断电，由于管片拼装机自身重力矩作用，液压马达/泵9将工作在泵工况，经过第四单向阀8.4从油箱吸油，并经过第一单向阀8.1将液压油充给蓄能器6，实现能量回收。

[0022] 当管片拼装机在隧道圆形断面的另一半圆周工作时，旋转一定角度以到达圆形隧道上安装管片的特定位置。

[0023] 第一个三位四通换向阀7右位电磁铁得电，P1口的高压油经第一个三位四通换向阀7的B1口流进液压马达/泵9另一端油口，液压马达/泵9一端油口液压油经第一个三位四通换向阀7的A1口、T1口流到回油路。P1口的高压油一部分至第二单向阀8.2进油口。由于单向阀4出油口的压力略高于经换向阀口节流损失之后液压油的压力，因此第二单向阀8.2不打开。此时液压马达/泵驱动管片机逆时针方向转动将管片送到圆周指定位置。转动速度可以通过液压马达/泵9的排量来调节。

[0024] 待管片拼装机将管片在圆周指定位置拼装好之后，需沿顺时针方向旋转一定角度下降到初始位，准备抓取下一块管片。

[0025] 第一个三位四通换向阀7所有电磁铁断电，由于管片拼装机自身重力矩作用，液压马达/泵9将工作在泵工况，经过第四单向阀8.3从油箱吸油，并经过第一单向阀8.2将液压油充给蓄能器6，实现能量回收。

[0026] 当升降液压缸12、13由于管片拼装机旋转而倒置时，其升降动作与上述过程相反，此时第二个三位四通换向阀11右边电磁铁得电，工作在右位。

[0027] 当第一个三位四通换向阀7和第二个三位四通换向阀11两端电磁铁都断电时，阀工作在中位截至状态，回转和升降运动停止，管片拼装机停留在特定位置保持静止。

[0028] 溢流阀5的启闭通过蓄能器6中压力油压力大小来控制。当蓄能器6中的压力达到设定值时，泵3通过溢流阀5卸荷。当蓄能器力6的压力降低后不足以维持执行机构工作所需动力时，溢流阀5关闭，泵3向蓄能器充油。