CN112324759A - 盾构机油箱水冷系统及盾构机油箱水冷控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种盾构机油箱水冷系统及盾构机油箱水冷控制方法，包括油箱、变频泵、高压过滤器、油管、冷却单元和PLC控制器；油箱内设有第五温度传感器；油管上设有第一流量传感器，油管包括第一进油段和第一出油段；所述冷却单元包括第一换热器、第一进水管、第一出水管、比例流量阀和第二流量传感器；所述油箱、变频泵、高压过滤器、第一换热器通过油管依次连通，且油管的末端连接到油箱中；所述第一进水管、第一换热器和第一出水管依次连接；第一进水管上设有比例流量阀和第二流量传感器，且比例流量阀设于第一进水管的前端部；所述变频泵、比例流量阀、第一流量传感器、第二流量传感器和第五温度传感器分别与PLC控制器连接。本发明可以对油液温度进行精确控温。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机油箱领域，特别涉及一种盾构机油箱水冷系统及盾构机油箱水冷控制方法。
背景技术
盾构机的绝大部分工作机构主要由液压系统驱动来完成，如盾构机液压推进及铰接系统、刀盘驱动系统、管片拼装系统、辅助液压系统、螺旋输送系统、液压油主油箱及冷却过滤系统等，液压系统可以说是盾构机的心脏，在盾构机掘进中起到至关重要的作用。液压系统的正常与否，直接关系到盾构工作效率的高低。随着地下空间需求日益增大，施工环境越来越复杂，地下空间技术日益进步，对盾构机各系统要求会越来越高，这其中包括油温冷却系统。
液压系统在压力能与机械能转化过程中，功率损失大部分转变为热量，从而引起油温升高。液压系统油温一般不宜超过55℃，当温度超过60℃以后，液压系统容易出现：油温过高导致液压油质加速老化，黏度、容积效率均下降，因而泄漏增加，液压系统效率下降，甚至使机械设备无法正常工作。实验表明，当液压油温超过55℃时，液压油的氧化加剧，油温超过55℃后，温度每上升10℃左右，油液的使用寿命将缩短一半；油温过高，造成油液汽化，水分蒸发，加速油液氧化。油液氧化形成胶状沉积物，易堵塞系统元件，同时氧化产生腐蚀酸液对各液压元件穴蚀破坏，使液压系统不能正常工作；液压系统的零件受热膨胀，破坏了零件原来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增加，将引起运动件动作失灵，特别是液压阀容易卡死；加速橡胶密封件老化变质，寿命缩短，甚至丧失其密封性能，使液压系统严重泄漏。
当液压系统油温上升幅度较大、油温上升速度过快时，会严重影响到液压油性能，降低液压元件的使用寿命，对设备的正常使用带来危害，增加设备的维修成本。由于盾构机油温上限联锁，当油温升高到设定极限时，将会迫使盾构机停止运转等待油温下降，影响工程掘进进度，所以盾构机液压油温不能过高，当液压油温大于等于50℃时报警，大于65℃时停机，要确保在连续运行工况温升不超过60℃。目前已有的盾构机油箱水冷系统无法将油箱油温稳定地控制在设定范围内，控制精度和稳定性需进一步提高；水冷模式单一，在超常工况条件下，当油箱温升过快，达到设定极限时，会迫使盾构机停止运转，等待油温下降后再人工重启，影响工程掘进进度。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种控制精度高，稳定性强，能使温升和冷却水流量处于一定程度的动态平衡的盾构机油箱水冷系统。
本发明的第二个目的在于提出一种盾构机油箱水冷控制方法。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种盾构机油箱水冷系统，包括油箱、变频泵、高压过滤器、油管、冷却单元和PLC控制器；所述油箱内设有第五温度传感器；所述油管上设有第一流量传感器，所述油管包括第一进油段和第一出油段；所述冷却单元包括第一换热器、第一进水管、第一出水管、比例流量阀和第二流量传感器；所述油箱、变频泵、高压过滤器、第一换热器通过油管依次连通，且油管的末端连接到油箱中；所述第一进水管、第一换热器和第一出水管依次连接；所述第一进水管上设有比例流量阀和第二流量传感器，且比例流量阀设于第一进水管的前端部；所述变频泵、比例流量阀、第一流量传感器、第二流量传感器和第五温度传感器分别与PLC控制器连接。
基于上述设计，油液进入冷却单元，第三流量传感器对循环油路流量实时监测以防循环油路不通，第五温度传感器对油箱内的油液温度实时监测，二通插装型比例流量阀对进入的冷却水流量进行精确控制，来控制热交换速率，从而对油液温度进行精确控温，油温和冷却水流量处于一个动态平衡的稳定状态，达到对油液精确地控温。
另外，根据本发明上述实施例提出的一种盾构机油箱水冷系统，还可以具有如下附加的技术特征：
所述第一进油段上设有第一压力表、第一温度计和第一蝶阀；所述第一出油段上设有第三温度传感器、第二压力表和第二蝶阀；所述第三温度传感器与PLC控制器连接。
所述第一进水管上还设有第三压力表、第一温度传感器；所述第一出水管上设有第四压力表、第二温度计；所述第一温度传感器与PLC控制器连接。
还包括冷却机构，所述冷却机构包括第二换热器、第二进水管和第二出水管；所述油管还包括第二进油段和第二出油段，所述高压过滤器、第二进油段、第二换热器、第二出油段和第一进油段依次连通；所述第二进水管、第二换热器和第二出水管依次连接；第二进水管上设有第三流量传感器；所述第三流量传感器与PLC控制器连接。油箱中的油经变频泵抽出后，先经过高压过滤器过滤清除污染源，再经过冷却机构油液在第二换热器与冷却水完成热交换进行初步冷却，油液经冷却机构初步冷却后，再进入冷却单元能更好地对油液进行精确控温。
所述第二进油段上还设有第三温度计、第五压力表和第三蝶阀；所述第二出油段上设有第三温度传感器、第六压力表和第四蝶阀；所述第三温度传感器与PLC控制器连接。
所述第二进水管上还设有第四温度传感器、第七压力表、第五蝶阀；所述第二出水管上设有第四温度计、第八压力表、第六蝶阀；所述第四温度传感器与PLC控制器连接。
所述油箱内还设有液位开关组，所述液位开关组包括从上至下设置的高液位开关、低液位开关和停机液位开关，所述高液位开关、低液位开关和停机液位开关分别与PLC控制器连接。高液位开关、低液位开关和停机液位开关分别对油箱内的液位进行实时监测。
所述比例流量阀为二通插装型比例流量水阀；所述第一换热器和第二换热器均为板式换热器。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种盾构机油箱水冷控制方法，利用所述的盾构机油箱水冷系统进行作业，在PLC控制器上设置参数，划分油温调控区间临界值t5、t4、t3、t2和t1，且t5>t4>t3>t2>t1；由变频泵将油箱中的油抽出，经过高压过滤器过滤清除污染源，再经过冷却机构，油液在第二换热器与冷却水进行热交换完成初步冷却；然后油液进入冷却单元，PLC控制器通过第五温度传感器监测油箱内的油液温度，来控制冷却单元中进入比例流量阀的冷却水流量，由第二流量传感器实时监测来控制热交换速率，将油温控制在t2≤t≤t3区间，最后油液回入油箱1中；
其中，油液的油温调控方法具体如下：
A.当油温t≥t5时，油温达到极限值，PLC控制器控制盾构机停机，使油温降下来，再重启设备；
B.当油温t4≤t≤t5时，油温达到报警值，变频泵加速，使得油液和冷却水热交换速率加快；同时PLC控制器控制冷却单元中的比例流量阀增大进入第一进水管中的冷却水流量，由第二流量传感器实时监测冷却水流量并上报至PLC控制器，由第五温度传感器实时监测油箱内的油温，将油温初步降至安全区间；
C.油液经过冷却机构初步冷却，油温初步调节至t3≤t≤t4(即36℃≤t≤50℃)区间，油液进入冷却单元中；
D.经过冷却单元的二次冷却，油温稳定地处于t2≤t≤t3区间，达到精确控温。
基于上述设计，通过多级联合控制使温升和冷却水流量处于一定程度的动态平衡。
另外，根据本发明上述实施例提出的盾构机油箱水冷控制方法，还可以具有如下附加的技术特征：
t5＝60℃，t4＝50℃，t3＝36℃，t2＝30℃，t1＝0℃。
附图说明
图1为本发明一种盾构机油箱水冷系统实施例一的原理图。
图2为本发明一种盾构机油箱水冷系统实施例二的原理图。
图3为本发明中油温分级调控区域示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例一
请参阅图1，一种盾构机油箱水冷系统，包括油箱1、变频泵2、高压过滤器3、油管6、冷却单元4和PLC控制器；所述油管6上设有第一流量传感器59，所述油管6包括第一进油段61和第一出油段62；所述冷却单元4包括第一换热器43、第一进水管44、第一出水管45、比例流量阀46和第二流量传感器47；所述油箱1、变频泵2、高压过滤器3、第一换热器43通过油管6依次连通，且油管6的末端连接到油箱1中；所述第一进水管44、第一换热器43和第一出水管45依次连接；所述第一换热器43优选为板式换热器。
请再参阅图1，所述第一进油段61上设有第一温度计49、第一压力表4a和第一蝶阀4b，所述第一出油段62上设有第三温度传感器40、第二压力表4c和第二蝶阀4d。高压过滤器3用于截留油液中的污染物，保持油液清洁。第三温度传感器40对第一出油段62内精确控温后的油液温度实时监测并上报PLC控制器。第一压力表4a对进入第一换热器43的待冷却油进行压力监测，第一温度计49对进入第一换热器43的待冷却油温度进行监测；第三温度传感器40对从第一换热器43出来的冷却油温度进行监测，并上报PLC控制器，第二压力表4c对从第一换热器43出来的冷却油进行压力监测；第一蝶阀4b、第二蝶阀4d控制循环油路的通断。所述第一进水管44上设有比例流量阀46、第二流量传感器47、第一温度传感器48和第三压力表4e，且比例流量阀46设于第一进水管44的前端部；比例流量阀46优选为二通插装型比例流量阀，二通插装型比例流量阀可以对进入第一进水管44的冷却水流量进行精确控制；第二流量传感器47、第一温度传感器48对进入第一进水管44的冷却水流量和温度分别实时监测并上报PLC控制器；第三压力表4e主要对进入第一换热器43的冷却水进行压力监测。所述第一出水管45上设有第四压力表4f、第二温度计4g。第二温度计4g对从第一换热器43出来的冷却水温度进行监测；第四压力表4f对从第一换热器43出来的冷却水压力进行监测；
请再参阅图1，所述油箱1内设有第五温度传感器7和液位开关组8，所述液位开关组8包括从上至下设置的高液位开关81、低液位开关82和停机液位开关83；
所述变频泵2、比例流量阀46、第二流量传感器47、第一温度传感器48、第三温度传感器40、第五温度传感器7、高液位开关81、低液位开关82和停机液位开关83分别与PLC控制器连接。第五温度传感器7对油箱1内的油液温度实时监测，高液位开关81、低液位开关82和停机液位开关83分别对油箱1内的液位实时监测，当油箱1内的油液油温达到停机极限温度或者油箱1内的液位达到停机液位时，PLC控制器会控制设备停机；当油温达到报警值时，PLC控制器会报警，系统会快速响应，使油液快速降温。高液位开关81用于检测油箱1是否装满，是则PLC控制器报警并停止供油；低液位开关82用于检测工作过程中油是否足够，不足时PLC控制器会报警油量不足并控制供油(储油罐9通过取样管10输油至油箱1中)。
当应用本发明工作时，变频泵2通过电机驱动，将油箱1中的油吸出，先经过高压过滤器3过滤，清除污染源，再进入冷却单元4与冷却水进行热交换，在第一进水管44的前端部即第一进水管44的进水口设有二通插装型比例流量阀46，对进入的冷却水流量进行精确控制，来控制热交换速率，第二流量传感器47和第一温度传感器48对第一进水管44中的冷却水流量和温度实时监测并上报至PLC控制器，第一出油段62上的第三温度传感器40对第一出油段62中的油液温度实时监测并上报至PLC控制器，冷却后的油最后回入油箱1，第五温度传感器7实时监测油箱1内的油液温度，PLC控制器通过温度传感器7监测的油温，来控制进入二通插装型比例流量阀46的冷却水流量，由第二流量传感器47实时监测，对油液进行控温，经过冷却单元4的冷却，油温和冷却水流量处于一个动态平衡的稳定状态，达到精确控温。
实施例二
本部分与实施例一不同之处在于：
请再参阅图2，所述油管(6)还包括第二进油段(63)和第二出油段(64)，所述盾构机油箱水冷系统还包括冷却机构5，冷却机构5位于冷却单元4和高压过滤器3之间；所述冷却机构5包括第二换热器53、第二进水管54和第二出水管55，所述高压过滤器3、第二进油段63、第二换热器53、第二出油段64和第一进油段61依次连通；所述第二进水管54、第二换热器53和第二出水管55依次连接；所述第二换热器53为板式换热器。所述第二进油段63上设有第三温度计56、所述第一流量传感器59、第五压力表50和第三蝶阀5a；第一流量传感器59对第二进油段63内的油液流量实时监测并上报PLC控制器。所述第二出油段64上设有第三温度传感器57、第六压力表5b和第四蝶阀5c；第一流量传感器59对进入第二换热器53的待冷却油流量大小进行监测并上报至PLC控制器，当循环油路未打开时，或循环油路堵塞时，第一流量传感器59会发送信号给PLC控制器报警。第五压力表50和第三温度计56分别对进入第二换热器53的待冷却油的压力、温度进行监测；第三温度传感器57、第六压力表5b分别对从第二换热器53出来的待冷却油温度、压力进行监测并上报PLC控制器；第三蝶阀5a和第四蝶阀5c分别控制第二进油段63、第二出油段64的通断。第二进水管54上设有第三流量传感器58、第四温度传感器5d、第七压力表5e、第五蝶阀5f；所述第一流量传感器59、第三温度传感器57、第三流量传感器58、第四温度传感器5d分别与PLC控制器连接。第三流量传感器58和第四温度传感器5d对进入的冷却水流量大小和温度进行实时监测，并上报PLC控制器。第二出水管55上设有第四温度计5g、第八压力表5h、第六蝶阀5j；第七压力表5e对进入第二换热器53的冷却水进行压力监测；第四温度传感器5d对进入第二换热器53的冷却水温度进行监测并上报至PLC控制器；第三温度计56和第八压力表5h分别对从第二换热器53出来的冷却水温度、压力进行监测；第五蝶阀5f和第六蝶阀5j控制冷却水管路的通断。
请再参阅图2，当应用本发明工作时，变频泵2将油箱1中的油吸出，先经过高压过滤器3过滤清除污染源，再经过冷却机构5油液在第二换热器53与冷却水完成热交换进行初步冷却，由第二出油段64上的第三温度传感器57对初步冷却后的油液温度进行实时监测并上报至PLC控制器。油液经初步冷却后进入冷却单元4，最后回入油箱1中，PLC控制器通过油箱1内的温度传感器7监测的油温，来控制进入二通插装型比例流量阀46的冷却水流量，由第二流量传感器47实时监测，来控制热交换速率，对油液进行精确控温。油液经过冷却机构5初步冷却，油温还不太稳定，经过冷却单元4的二次冷却，此时油温和冷却水流量处于一个动态平衡的稳定状态，达到精确控温。
请再参阅图2-3，图3为油温分级调控区域示意图，盾构机油箱水冷控制方法，利用盾构机油箱水冷系统进行作业，在PLC控制器上设置参数，划分油温调控区间临界值t5、t4、t3、t2和t1，且t5>t4>t3>t2>t1，其中，t5＝60℃，t4＝50℃，t3＝36℃，t2＝30℃，t1＝0℃；由变频泵(2)将油箱(1)中的油抽出，经过高压过滤器(3)过滤清除污染源，再经过冷却机构(5)，油液在第二换热器(53)与冷却水进行热交换完成初步冷却；然后油液进入冷却单元(4)，PLC控制器通过第五温度传感器(7)监测油箱(1)内的油液温度，来控制冷却单元(4)中进入比例流量阀(46)的冷却水流量，由第二流量传感器(47)实时监测来控制热交换速率，将油温控制在t2≤t≤t3区间，最后油液回入油箱1中；其中，油液的油温调控方法具体如下：
A.当油温t≥t5(即t≥60℃)时，油温达到极限值，如当设备超负荷运载时，温升很快，此时必须停机，PLC控制器控制盾构机停机，使油温降下来，再重启设备；
B.当油温t4≤t≤t5(即50℃≤t≤60℃)时，油温达到报警值，此时必须将油液及时循环冷却，将油温降至安全区，变频泵加速，使得油液和冷却水热交换速率加快；同时PLC控制器控制冷却单元4中的比例流量阀46增大进入第一进水管44中的冷却水流量，使油温可以在短时间内降下来，由第二流量传感器47实时监测冷却水流量并上报至PLC控制器，由第五温度传感器7实时监测油箱1内的油温，将油温初步降至安全区间；
C.油液经过冷却机构5初步冷却，油温初步调节至t3≤t≤t4(即36℃≤t≤50℃)区间，但是此时油温不太稳定，需要进一步调节，油液进入冷却单元4中；
D.经过冷却单元4的二次冷却，油温稳定地处于t2≤t≤t3(即30℃≤t≤36℃)区间，此时油温和冷却水流量处于一个动态平衡的稳定状态，达到精确控温。
本发明的盾构机油箱水冷系统控制精度高，稳定性强，响应快，能通过多级联合控制使温升和冷却水流量处于一定程度的动态平衡。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种盾构机油箱水冷系统，其特征在于：包括油箱(1)、变频泵(2)、高压过滤器(3)、油管(6)、冷却单元(4)和PLC控制器；所述油箱(1)内设有第五温度传感器(7)；所述油管(6)上设有第一流量传感器(59)，所述油管(6)包括第一进油段(61)和第一出油段(62)；
所述冷却单元(4)包括第一换热器(43)、第一进水管(44)、第一出水管(45)、比例流量阀(46)和第二流量传感器(47)；所述油箱(1)、变频泵(2)、高压过滤器(3)、第一换热器(43)通过油管(6)依次连通，且油管(6)的末端连接到油箱(1)中；所述第一进水管(44)、第一换热器(43)和第一出水管(45)依次连接；
所述第一进水管(44)上设有比例流量阀(46)和第二流量传感器(47)，且比例流量阀(46)设于第一进水管(44)的前端部；
所述变频泵(2)、比例流量阀(46)、第一流量传感器(59)、第二流量传感器(47)和第五温度传感器(7)分别与PLC控制器连接。
2.如权利要求1所述的盾构机油箱水冷系统，其特征在于：所述第一进油段(61)上设有第一压力表(4a)、第一温度计(49)和第一蝶阀(4b)；所述第一出油段(62)上设有第三温度传感器(40)、第二压力表(4c)和第二蝶阀(4d)；所述第三温度传感器(40)与PLC控制器连接。
3.如权利要求1所述的盾构机油箱水冷系统，其特征在于：所述第一进水管(44)上还设有第三压力表(4e)、第一温度传感器(48)；所述第一出水管(45)上设有第四压力表(4f)、第二温度计(4g)；所述第一温度传感器(48)与PLC控制器连接。
4.如权利要求1所述的盾构机油箱水冷系统，其特征在于：还包括冷却机构(5)，所述冷却机构(5)包括第二换热器(53)、第二进水管(54)和第二出水管(55)；所述油管(6)还包括第二进油段(63)、第二出油段(64)，所述高压过滤器(3)、第二进油段(63)、第二换热器(53)、第二出油段(64)和第一进油段(61)依次连通；所述第二进水管(54)、第二换热器(53)和第二出水管(55)依次连接；
第二进水管(54)上设有第三流量传感器(58)；所述第三流量传感器(58)与PLC控制器连接。
5.如权利要求4所述的盾构机油箱水冷系统，其特征在于：所述第二进油段(63)上还设有第三温度计(56)、第五压力表(50)和第三蝶阀(5a)；
所述第二出油段(64)上设有第三温度传感器(57)、第六压力表(5b)和第四蝶阀(5c)；所述第三温度传感器(57)与PLC控制器连接。
6.如权利要求4所述的盾构机油箱水冷系统，其特征在于：所述第二进水管(54)上还设有第四温度传感器(5d)、第七压力表(5e)、第五蝶阀(5f)；所述第二出水管(55)上设有第四温度计(5g)、第八压力表(5h)、第六蝶阀(5j)；所述第四温度传感器(5d)与PLC控制器连接。
7.如权利要求1所述的盾构机油箱水冷系统，其特征在于：所述油箱(1)内还设有液位开关组(8)，所述液位开关组(8)包括从上至下设置的高液位开关(81)、低液位开关(82)和停机液位开关(83)，所述高液位开关(81)、低液位开关(82)和停机液位开关(83)分别与PLC控制器连接。
8.如权利要求1所述的一种盾构机油箱水冷系统，其特征在于：所述比例流量阀(46)为二通插装型比例流量水阀；所述第一换热器(43)和第二换热器(53)均为板式换热器。
9.一种盾构机油箱水冷控制方法，其特征在于：利用如权利要求4所述的盾构机油箱水冷系统进行作业，在PLC控制器上设置参数，划分油温调控区间临界值t5、t4、t3、t2和t1，且t5>t4>t3>t2>t1；由变频泵(2)将油箱(1)中的油抽出，经过高压过滤器(3)过滤清除污染源，再经过冷却机构(5)，油液在第二换热器(53)与冷却水进行热交换完成初步冷却；然后油液进入冷却单元(4)，PLC控制器通过第五温度传感器(7)监测油箱(1)内的油液温度，来控制冷却单元(4)中进入比例流量阀(46)的冷却水流量，由第二流量传感器(47)实时监测来控制热交换速率，将油温控制在t2≤t≤t3区间，最后油液回入油箱1中；
其中，油液的油温调控方法具体如下：
A.当油温t≥t5时，油温达到极限值，PLC控制器控制盾构机停机，使油温降下来，再重启设备；
B.当油温t4≤t≤t5时，油温达到报警值，变频泵加速，使得油液和冷却水热交换速率加快；同时PLC控制器控制冷却单元(4)中的比例流量阀(46)增大进入第一进水管(44)中的冷却水流量，由第二流量传感器(47)实时监测冷却水流量并上报至PLC控制器，由第五温度传感器(7)实时监测油箱(1)内的油温，将油温初步降至安全区间；
C.油液经过冷却机构(5)初步冷却，油温初步调节至t3≤t≤t4区间，油液进入冷却单元(4)中；
D.经过冷却单元(4)的二次冷却，油温稳定地处于t2≤t≤t3区间，达到精确控温。
10.如权利要求9所述的盾构机油箱水冷控制方法，其特征在于：t5＝60℃，t4＝50℃，t3＝36℃，t2＝30℃，t1＝0℃。
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