一种用于TBM的刀盘驱动系统

摘要

一种用于TBM的刀盘驱动系统，其包括：液压驱动子系统，其与TBM的减速机构连接，用于根据所接收到的液压驱动信号向所述减速机构输出相应的液压扭矩，以通过所述减速机构驱动所述TBM的刀盘运转；电气驱动子系统，其与所述减速机构连接，用于根据所接收到的电气驱动信号向所述减速机构输出相应的电气扭矩，以通过所述减速机构驱动所述刀盘的运转。本驱动系统克服了现有TBM由于单独采用变频器驱动而造成的无法提供足够大的扭矩的问题，同时，该驱动系统还通过分别测量液压驱动子系统和电气驱动子系统的驱动特性，通过自学习功能来做出速度的精确匹配，同时进行扭矩动态补偿，并对异常情况做出及时的修正和报警，从而提高了驱动系统的适用性和可靠性。

权利要求

1.一种用于TBM的刀盘驱动系统，其特征在于，所述系统包括：液压驱动子系统，其与TBM的减速机构连接，用于根据所接收到的液压驱动信号向所述减速机构输出相应的液压扭矩，以通过所述减速机构驱动所述TBM的刀盘运转；

电气驱动子系统，其与所述减速机构连接，用于根据所接收到的电气驱动信号向所述减速机构输出相应的电气扭矩，以通过所述减速机构驱动所述刀盘的运转；

控制器，其与所述液压驱动子系统和电气驱动子系统连接，用于分别向所述液压驱动子系统和电气驱动子系统输出液压驱动信号和电气驱动信号，以驱动所述液压驱动子系统和电气驱动子系统的运行；

所述控制器配置为根据所述液压驱动子系统反馈的液压扭矩和所述电气驱动子系数反馈的电气扭矩，对所述电气驱动子系统输出的电气扭矩进行调节来进行扭矩的动态补偿，以实现电气扭矩和液压扭矩的同步。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液压驱动子系统包括：液压泵，其用于根据所述液压驱动信号生成相应的液压马达控制信号；

液压马达，其与所述液压泵和减速机构连接，用于根据所述液压马达控制信号产生相应的液压扭矩，以通过所述减速机构调节所述刀盘的运转。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述液压驱动子系统还包括：比例放大器，其与所述液压泵连接，用于对所述液压驱动信号进行比例放大，并将得到的驱动信号传输给所述液压泵。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述液压驱动子系统还包括：压力传感器，其与液压马达连接，用于采集所述液压马达输出的压力数据。

5.如权利权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述电气驱动子系统包括：变频器，其用于根据所述电气驱动信号生成相应的电机驱动信号；

变频电机，其与所述变频器连接，用于根据所述电机驱动信号向所述减速机构输出相应的电气扭矩，以通过所述减速机构驱动所述刀盘的运转。

6.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器配置为根据所述液压驱动子系统在所述液压驱动信号下驱动所述刀盘的转速及其对应的时间，确定第一关系曲线。

7.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器配置为根据所述电气驱动子系统在所述电气驱动信号下驱动所述刀盘的转速及其对应的时间，确定第二关系曲线。

8.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器配置为计算所述液压扭矩与电气扭矩的差值的绝对值，并将所述绝对值与预设扭矩差值阈值进行比较，其中，如果所述绝对值大于预设扭矩差值阈值，则对所述电气驱动子系统输出的电气扭矩进行调节。

说明书

一种用于TBM的刀盘驱动系统

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道掘进机技术领域，具体地说，涉及一种用于TBM的刀盘驱动系统。

背景技术

[0002] TBM是一种用于硬岩隧道施工的掘进机，其包括推进系统、刀盘系统、皮带出渣系统等系统，该掘进机正是通过这些系统来实现隧道的开挖。其中，刀盘系统是TBM实现切削围岩的核心系统，刀盘能够直接切割围岩。

[0003] 随着长距离、大埋深、穿越不良地质隧道的出现，人们不能完全了解隧道地质情况，因此也就对用于驱动刀盘系统运转以切削围岩的刀盘驱动系统提出了更高的要求，尤其是在刀盘卡住的情况下，需要要求刀盘系统能够提供尽可能大的扭矩。

[0004] 常规的电气驱动模式由于效率高、简单以及节能的特性而得到广泛使用，但是其存在功率密度不高、空间位置有限以及扭矩储备量不大等诸多缺陷，其无法提供足够大的扭矩。

发明内容

[0005] 为解决上述问题，本发明提供了一种用于TBM的刀盘驱动系统，所述系统包括：

[0006] 液压驱动子系统，其与TBM的减速机构连接，用于根据所接收到的液压驱动信号向所述减速机构输出相应的液压扭矩，以通过所述减速机构驱动所述TBM的刀盘运转；

[0007] 电气驱动子系统，其与所述减速机构连接，用于根据所接收到的电气驱动信号向所述减速机构输出相应的电气扭矩，以通过所述减速机构驱动所述刀盘的运转。

[0008] 根据本发明的一个实施例，所述液压驱动子系统包括：

[0009] 液压泵，其用于根据所述液压驱动信号生成相应的液压马达控制信号；

[0010] 液压马达，其与所述液压泵和减速机构连接，用于根据所述液压马达控制信号产生相应的液压扭矩，以通过所述减速机构调节所述刀盘的运转。

[0011] 根据本发明的一个实施例，所述液压驱动子系统还包括：

[0012] 比例放大器，其与所述液压泵连接，用于对所述液压驱动信号进行比例放大，并将得到的驱动信号传输给所述液压泵。

[0013] 根据本发明的一个实施例，所述液压驱动子系统还包括：

[0014] 压力传感器，其与液压马达连接，用于采集所述液压马达输出的压力数据。

[0015] 根据本发明的一个实施例，所述电气驱动子系统包括：

[0016] 变频器，其用于根据所述电气驱动信号生成相应的电机驱动信号；

[0017] 变频电机，其与所述变频器连接，用于根据所述电机驱动信号向所述减速机构输出相应的电气扭矩，以通过所述减速机构驱动所述刀盘的运转。

[0018] 根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

[0019] 控制器，其与所述液压驱动子系统和电气驱动子系统连接，用于分别向所述液压驱动子系统和电气驱动子系统输出液压驱动信号和电气驱动信号，以驱动所述液压驱动子系统和电气驱动子系统的运行。

[0020] 根据本发明的一个实施例，所述控制器配置为根据所述液压驱动子系统在所述液压驱动信号下驱动所述刀盘的转速及其对应的时间，确定第一关系曲线。

[0021] 根据本发明的一个实施例，所述控制器配置为根据所述电气驱动子系统在所述电气驱动信号下驱动所述刀盘的转速及其对应的时间，确定第二关系曲线。

[0022] 根据本发明的一个实施例，所述控制器配置为根据所述液压驱动子系统反馈的液压扭矩和所述电气驱动子系数反馈的电气扭矩，对所述电气驱动子系统输出的电气扭矩进行调节，以实现电气扭矩和液压扭矩的同步。

[0023] 根据本发明的一个实施例，所述控制器配置为计算所述液压扭矩与电气扭矩的差值的绝对值，并将所述绝对值与预设扭矩差值阈值进行比较，其中，如果所述绝对值大于预设扭矩差值阈值，则对所述电气驱动子系统输出的电气扭矩进行调节。

[0024] 本发明所提供的刀盘驱动系统通过液压驱动子系统来为TBM的刀盘运转提供低速大扭矩，从而克服了现有TBM由于单独采用变频器驱动而造成的无法提供足够大的扭矩的问题。

[0025] 同时，该驱动系统还通过分别测量液压驱动子系统和电气驱动子系统的驱动特性，通过自学习功能来做出速度的精确匹配，同时进行扭矩动态补偿，并对异常情况做出及时的修正和报警，从而提高了驱动系统的适用性和可靠性。

[0026] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

[0028] 图1是根据本发明一个实施例的用于TBM的刀盘驱动系统的结构示意图；

[0029] 图2是根据本发明一个实施例的液压驱动子系统的结构示意图；

[0030] 图3是根据本发明一个实施例的电气驱动子系统的结构示意图；

[0031] 图4是根据本发明一个实施例的确定第一关系曲线的流程图；

[0032] 图5是根据本发明一个实施例的确定第二关系曲线的流程图；

[0033] 图6是根据本发明一个实施例的液压驱动子系统与电气驱动子系统的同步控制流程图。

具体实施方式

[0034] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0035] 同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

[0036] 另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

[0037] 图1输出了根据本发明一个实施例的用于TBM的刀盘驱动系统的结构示意图。

[0038] 如图1所示，本实施例所提供的刀盘驱动系统优选地包括：控制器101、液压驱动子系统102、电气驱动子系统103以及速度传感器104。其中，控制器101与液压驱动子系统102和电气驱动子系统103连接，其能够分别向液压驱动子系统102和电气驱动子系统103输出液压驱动信号和电气驱动信号，以分别控制液压驱动子系统102和电气驱动子系统输出相应扭矩。

[0039] 液压驱动子系统102与TBM的减速机构105连接，在接收到控制器101发送来的液压驱动信号后，液压驱动子系统102会根据所接收到的液压驱动信号向减压机构102输出相应的液压扭矩。由于减速机构102是与TBM的刀盘106联动的，因此液压驱动子系统102便可以通过减速机构105来驱动刀盘106的运转(例如控制刀盘106的转速等)。

[0040] 电气驱动子系统103同样与TBM的减速机构105连接，在接收到控制器101发送来的电气驱动信号后，电气驱动子系统103会根据所接收到的电气驱动信号向减速机构输出相应的电气扭矩。同样，由于减速机构102是与刀盘106联动的，因此电气驱动子系统103同样可以通过减速机构105来驱动刀盘106的运转。

[0041] 图2示出了本实施例所提供的刀盘驱动系统中液压驱动子系统102的机构示意图。

[0042] 如图2所示，本实施例中，液压驱动子系统102优选地包括：比例放大器201、液压泵202和液压马达203。其中，比例放大器201与控制器101连接，其能够对控制器101发送来的液压驱动信号进行比例放大，从而使得处理后的液压驱动信号能够满足后续器件的需求。

[0043] 液压泵202在接收到比例放大器201传输来的经过比例放大的液压驱动信号后，会根据该液压驱动信号生成相应的液压马达控制信号。具体地，液压泵202会根据液压驱动信号从液压油箱中吸入油液，从而形成液压油排出。

[0044] 液压马达203与液压泵202和减速机构105连接，其能够根据液压泵202传输来的液压马达203控制信号产生相应的液压扭矩。这样控制器101也就可以通过控液压泵202控制液压马达203的运行状态，进而通过与液压马达203联动的减速机构105控制刀盘106的运转。

[0045] 需要指出的是，在本发明的其他实施例中，如果控制器101所输出的液压驱动信号能够满足液压泵202的使用需求，那么控制器101与液压泵202之间还可以不配置比例放大器201，即此时控制器101直接与液压泵202相连，本发明不限于此。

[0046] 如图2所示，本实施例中，液压驱动子系统102还包括压力传感器204。压力传感器204与液压马达203连接，其能够采集液压马达203所输出的压力数据，并将该压力数据传输给控制器101。控制器102根据该压力数据可以计算得到此时液压马达203所输出的扭矩数据(即整个液压驱动子系统所输出的液压扭矩数据)。通过压力传感器204，控制器101能够实现对液压驱动子系统102的闭环控制，从而使得液压驱动子系统102所输出的扭矩更为准确。

[0047] 液压驱动子系统102具有功率密度大、负载适应能力强的特点，因此本实施例所提供的刀盘驱动系统100通过液压驱动子系统102来为TBM的刀盘运转提供低速大扭矩，从而克服了现有TBM由于单独采用变频器驱动而造成的无法提供足够大的扭矩的问题。

[0048] 图3示出了本实施例所提供的刀盘驱动系统100中电气驱动子系统103的结构示意图。

[0049] 如图3所示，本实施例中，电气驱动子系统103优选地包括：变频器301和变频电机302。其中，变频器301与控制器101连接，其能够根据控制器101发送来的电气驱动信号生成相应的电机驱动信号。变频电机302与变频器301连接，在接收到变频器301传输来的电机驱动信号后，变频电机302会根据该电机驱动信号来产生相应的电气扭矩并输出给减速机构
105，进而控制刀盘106的运行。

[0050] 本实施例中，变频器301能够根据自身输出的电机驱动信号来生成实时电气扭矩数据，并将该实时电气扭矩数据反馈给控制器101。这样控制器也就可以根据变频器301所反馈的实时电气扭矩数据来对电气驱动子系统所输出的扭矩进行闭环控制，这样也就使得电气驱动子系统103所输出的扭矩更为准确。

[0051] 由于本实施例所提供的驱动系统是一个机械同步机构，因此也就要求电气驱动子系统和液压驱动子系统必须同步驱动，尽量减少电气驱动子系统与液压驱动子系统之间驱动输出的差异，否则将会对整个驱动系统造成严重损坏。

[0052] 为了实现电气驱动子系统与液压驱动子系统之间的同步驱动，本实施例中，控制器101分别基于液压驱动子系统102和电气驱动子系统103的工作过程确定出对应于液压驱动子系统的第一关系曲线和对应于电气驱动子系统的第二关系曲线。

[0053] 图4示出了本实施例中确定第一关系曲线的实现流程图。

[0054] 如图4所示，本实施例中，控制器首先在步骤S401中获取期望刀盘速度，该期望刀盘速度即刀盘的参考转速。得到期望刀盘速度后，控制器会在步骤S402中根据获取到的期望刀盘速度生成变频器驱动信号，变频器驱动信号能够控制变频器产生相应的电极控制信号，进而控制变频电机向减速机构输出相应的电气扭矩，并驱动减速机构105以相应的转速运行。由于减速机构105与刀盘106是联动的，因此变频电机在驱动减速机构105运转的同时，也就能够驱动刀盘以一定的转速运转。

[0055] 在通过减速机构105驱动刀盘106运转的过程中，控制器101还在步骤S403中通过速度传感器104持续检测刀盘106的实际转速(即实际刀盘转速)，并在步骤S404中判断步骤S403中检测到的实际刀盘转速与步骤S401中获取的期望刀盘转速是否匹配。其中，如果二者不匹配，则返回步骤S402来对所生成的变频器驱动信号进行调整，从而形成了一闭环控制；而如果二者匹配，则在步骤S405中根据所记录各个时刻的实际刀盘转速确定出刀盘转速与时间的关系曲线，从而得到第一关系曲线。需要指出的是，第一关系曲线是与变频器驱动信号有关的，通过改变变频器驱动信号可以改变第一关系曲线的形态。

[0056] 与之类似地，图5示出了本实施例中确定第二关系曲线的实现流程图。

[0057] 如图5所示，本实施例中，控制器首先在步骤S501中获取期望刀盘速度，该期望刀盘速度即刀盘的参考转速。得到期望刀盘速度后，控制器会在步骤S502中根据获取到的期望刀盘速度生成液压泵驱动信号，液压泵驱动信号能够控制液压泵产生相应的液压马达控制信号，进而控制液压马达向减速机构105输出相应的液压扭矩，并驱动减速机构105以相应的转速运行。由于减速机构105与刀盘106是联动的，因此液压马达在驱动减速机构105运转的同时，也就能够驱动刀盘106以一定的转速运转。

[0058] 在通过减速机构105驱动刀盘106运转的过程中，控制器101还在步骤S503中通过速度传感器104持续检测刀盘106的实际转速(即实际刀盘转速)，并在步骤S504中判断步骤S503中检测到的实际刀盘转速与步骤S501中获取的期望刀盘转速是否匹配。其中，如果二者不匹配，则返回步骤S502来对所生成的液压泵驱动信号进行调整，从而形成了一闭环控制；而如果二者匹配，则在步骤S505中根据所记录各个时刻的实际刀盘转速确定出刀盘转速与时间的关系曲线，从而得到第二关系曲线。需要指出的是，第二关系曲线是与液压泵驱动信号有关的，通过改变液压泵驱动信号可以改变第二关系曲线的形态。

[0059] 为了保证液压驱动子系统与电气驱动子系统之间的同步驱动，这就要求在驱动过程中第一关系曲线需要与第二关系曲线保持一致，即在同一时刻电气驱动子系统驱动减速机构运转的速度和液压驱动子系统驱动转速机构运转的速度应相等。

[0060] 本实施例中，控制器101可以通过自学习的功能，来使得在驱动过程中第一关系曲线与第二关系曲线相匹配，从而实现电气驱动子系统与液压驱动子系统的速度的精确匹配。

[0061] 图6示出了本实施例中液压驱动子系统与电气驱动子系统同步控制的实现流程图。

[0062] 如图6所示，在进行液压驱动子系统与电气驱动子系统的同步控制时，控制器101首先获取期望刀盘速度，即获取所设定的刀盘转速。在得到期望刀盘转速后，控制器101会在步骤S602中根据该期望刀盘转速分别生成变频器驱动信号和液压泵驱动信号。在变频器驱动信号的作用下，变频器将通过电动机和减速机构控制刀盘运转；同理，在液压泵驱动信号的作用下，液压泵将通过液压马达和减速机构控制刀盘运转。

[0063] 在步骤S603中，控制器101会根据得到的液压马达的转速和电动机的转速来判断液压马达与电动机的转速是否匹配。如果二者不匹配，那么控制器101则会返回步骤S602来根据第一关系曲线和第二关系曲线对所生成的变频器驱动信号和/或液压泵驱动信号进行调整，以使得液压马达与电动机的转速相匹配。

[0064] 而如果控制器101在步骤S603中判断出液压马达与电动机的转速匹配，那么控制器101则会在步骤S604中分别根据压应力传感器以及变频器所反馈的信号计算液压扭矩和电气扭矩，并计算液压扭矩与电气扭矩的差值的绝对值。

[0065] 在得到液压扭矩与电气扭矩的差值的绝对值后，控制器101将在步骤S605中判断该绝对值是否大于预设扭矩差值阈值。如果该绝对值大于预设扭矩差值阈值，那么控制器101将在步骤S606中调整变频器驱动信号，从而调整电气驱动子系统所输出的扭矩，并返回步骤S604重新计算液压扭矩与电气扭矩；而如果该绝对值小于预设扭矩差值阈值，那么则表示此时液压驱动子系统与电气驱动子系统实现了同步驱动，该驱动过程为正常驱动过程。

[0066] 需要指出的是，在本发明的不同实施例中，上述预设扭矩差值阈值的取值可以根据实际需要进行取值，在此并不对该预设扭矩差值阈值的具体取值进行限定。

[0067] 由于液压驱动子系统存在非线性、油液的可压缩性等特性，对液压驱动子系统进行输出扭矩的精确控制是比较困难的。而通过分析发现，电气驱动子系统由于是依靠变频器来直接驱动变频电机运行的，电气驱动子系统存在调控方便、响应快的优点，因此对于电气驱动子系统输出扭矩的精确控制易于实现。故此，本实施例所提供的刀盘驱动系统在电气扭矩与液压扭矩存在较大差异时，通过调节电气扭矩来实现二者的匹配。

[0068] 从上述描述中可以看出，本实施例所提供的刀盘驱动系统通过液压驱动子系统102来为TBM的刀盘运转提供低速大扭矩，从而克服了现有TBM由于单独采用变频器驱动而造成的无法提供足够大的扭矩的问题。

[0069] 同时，该驱动系统还通过分别测量液压驱动子系统和电气驱动子系统的驱动特性，通过自学习功能来做出速度的精确匹配，同时进行扭矩动态补偿，并对异常情况做出及时的修正和报警，从而提高了驱动系统的适用性和可靠性。

[0070] 应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

[0071] 说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

[0072] 虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。