CN102568293A - 矩形隧道掘进机教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种以实体模型和计算机仿真相结合的矩形隧道掘进机教学系统，能够比较形象地演示矩形隧道掘进施工，其教学效果可以达到或接近真实的矩形隧道掘进机，以提高目前地下空间施工技术、机械技术的教学、培训的水平、质量和效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种矩形隧道掘进机教学系统。
背景技术
随着城市建设的快速发展，地下空间开发施工的任务日益繁重，其中大量的是地下隧道、通道的施工。地下隧道、通道的设计截面通常为圆形，其优点是结构受力均匀，缺点是结构断面利用率低（实际利用的是中间矩形部分），这对于建筑物密集，地下设施和管线纵横交错的现代城市地区来说，越来越不利，因此随着地下施工技术的发展，矩形隧道（包括通道，下同）应运而生。矩形隧道由于能充分利用结构断面，形状分布合理，减少了土地使用量和地下掘进面积，不仅可以节约资源、降低造价，而且有利于对现有设施、管线的保护，减少施工对环境的影响，因此是一项具有广大发展前途的新技术、新工艺。矩形隧道的主要施工机械之一是矩形隧道掘进机。
矩形隧道掘进机的工作原理：掘进机机头有6个刀盘，排成2X3的矩形阵列，机头后面连着混凝土矩形管节，管节后面是固定在始发井后座的液压后顶系统。掘进机工作时以电机驱动刀盘旋转，切削机头前面的土体，开辟掘进机前进通道，同时开启后顶系统的油缸，将管节向前推进，使管节顶着掘进机一起深入土体。掘进机刀盘切削下来的渣土充满刀盘和掘进机头部隔板间的土仓，开动螺旋输送机将渣土从土仓抽送到土箱，再由排土泵将其通过排土管排送至地面集土坑。掘进机每前进一个管节的距离就暂停刀盘切削和油缸推进，油缸缩回，腾出空间，由地面的起重机械吊下一个新的管节安装在已有管节的尾部，然后再次开动刀盘和油缸，向前掘进。如此一个行程一个行程地反复作业，管片累积安装、掘进机不断前进，由管节连成的矩形隧道就逐步向前延伸。在掘进机向前掘进时，必须保持开挖面的稳定，使掘进前方的土层不致坍塌或隆起，以保证周边路面、管道、建筑的安全。一般通过调节螺旋输送机转速和后顶油缸推进速度，使切削下来进入土仓的渣土量和螺旋输送机从土仓输送出去的渣土量基本均衡，可以实现土仓内的土压力与开挖面的土压力（包括静止土压力和地下水压力）的平衡，从而保持开挖面的稳定。
目前，对于上海这样的特大型城市来说，人口众多，建筑密集，地上空间资源已经弥足珍贵，亟需大量开发地下空间，然而地下现有的建筑物地基和管线纵横交错，地下施工环境非常复杂，因此对矩形隧道的需要日益广泛，迫切需要培养矩形隧道施工的技术人员，尤其是矩形隧道掘进机的操作人员。这是一门实践性很强的课程，单纯依靠教材上的文字、图片及照片难以具体形象地进行教学表达，更遑论培养学员的实际动手能力。考虑到矩形隧道掘进机造价昂贵、任务繁忙，以及施工安全，也不宜以真实的机器在真实的施工环境中对学员进行教学、培训。因此亟待发明一种以实体模型和计算机仿真相结合的矩形隧道掘进机教学系统，能够比较形象地演示矩形隧道掘进施工，其教学效果可以达到或接近真实的矩形隧道掘进机，以提高目前地下空间施工技术、机械技术的教学、培训的水平、质量和效率。
教学机的开发，涉及地下空间施工机械、施工工艺、自动控制，计算机虚拟现实、三维仿真等技术。目前国内外已有飞机、汽车等教学机的开发成果和产品，但尚未见有地下空间施工机械领域的同类成果、产品的报道和文献资料。
发明目的
本发明的目的是提供一种以实体模型和计算机仿真相结合的矩形隧道掘进机教学系统，能够比较形象地演示矩形隧道掘进施工，其教学效果可以达到或接近真实的矩形隧道掘进机，以提高目前地下空间施工技术、机械技术的教学、培训的水平、质量和效率。
本发明设计一种矩形隧道掘进机教学系统，与真实的矩形隧道掘进机一样由主机系统、辅助系统、控制系统组成，还增设了采用计算机三维仿真技术的模拟系统，能够模拟真实矩形隧道掘进施工。具体方案是：包括在矩形隧道掘进机现场布置或搭建一个两层的空间，层高不低于2.5米，以底层模拟施工的地下层，顶层模拟施工的地面层。在地面层开有一个矩形井口（19），井口的平面尺寸比掘进机主机系统的垂直投影面略大，井口边设有自地面层到地下层的铁制扶梯（20），其特征在于：在地下层依次布置模拟掘进机始发洞门（1）、掘进机发射架（2）、后顶反力座（3），在掘进机发射架（2）上依次设有主机的前盾（4）、中盾（5）、后盾（6）、矩形管节（7），中盾（5）分为前后铰接的两段；在前盾（4）的前端设刀盘（8），前盾（4）内的前部设有与刀盘（8）连接的刀盘驱动装置（9），刀盘（8）后方为土仓（10），前盾（4）内装有螺旋输送机（11），前盾（4）后部与中盾（5）前段通过螺栓相连；中盾（5）内装有铰接油缸（12），铰接油缸（12）连接中盾的前后两段，中盾（5）后段与后盾（6）通过螺栓相连；后盾（6）内装有液压泵站（13），后盾（6）与矩形管节（7）之间以螺栓连接；在后顶反力座（3）上设有U型顶铁（14）、液压顶推油缸（15）、反力架（16），U型顶铁（14）与液压顶推油缸（15）的活塞以螺栓连接，液压顶推油缸（15）固定在反力架（16）里，矩形管节（7）和U型顶铁（14）由拉杆连接顶推油缸（15）；在后顶反力座（3）的两侧分别设有地下控制柜（17），地下控制柜（17）内部设有PLC可编程控制器1台、操作面板1块，在地面层位于工作井旁边布置教学机的地面控制台（18），设有PLC可编程控制器1台、操作面板1块、触摸屏2台、高性能图形显示器1台，以及一套采用三维仿真技术的模拟系统，地面控制台（18）与地下控制柜（17）之间通过Controller Link实现数据通讯联络，地面控制台PLC与模拟系统之间通过RS232进行数据通讯传输，模拟系统内部采用以太网通讯。本发明的优点是教学机可以演示真实机的结构、动作和功能，可以让操作者象操作真实机一样进行操作，并且可以体验与真实机一致或接近的机械动作和作业功能。教学机可以模拟真实施工对象、施工环境，操作者操作教学机时，在教学机控制台的显示屏、仪表板上看到的数据、信号，与真实施工环境中真实机和真实施工对象所反馈的基本一致或非常接近。教学机可以模拟真实施工中可能出现的施工偏差、设备故障及其他异常情况，训练操作者发现问题、分析问题、解决问题的能力。教学机可以根据事先设定的规则，演示真实机施工流程，引导操作者学习、掌握矩形隧道掘进机操作技能和施工知识。教学机可以根据事先设定的规则，检测、判断操作者的操作正确性，进行考核评分。
附图说明
图1为本发明的矩形隧道掘进机教学系统结构示意图。
图2为本发明的矩形隧道掘进机教学系统控制及模拟系统示意图。
图3为本发明的地下控制柜示意图。
图4为本发明的地面控制台示意图。
图5为图4的控制台操作面板示意图。
下面结合附图和实例对本发明作详细说明
图中一种矩形隧道掘进机教学系统，由主机系统、辅助系统、控制系统和模拟系统组成，包括在矩形隧道掘进机现场布置或搭建一个两层的空间，层高不低于2.5米，以底层模拟施工的地下层，顶层模拟施工的地面层。在地面层开有一个矩形井口（19），井口的平面尺寸比掘进机主机系统的垂直投影面略大，井口边设有自地面层到地下层的铁制扶梯（20），其特征在于：在地下层依次布置模拟掘进机始发洞门（1）、掘进机发射架（2）、后顶反力座（3），在掘进机发射架（2）上依次设有主机的前盾（4）、中盾（5）、后盾（6）、矩形管节（7），中盾（5）分为前后铰接的两段；在前盾（4）的前端设刀盘（8），前盾（4）内的前部设有与刀盘（8）连接的刀盘驱动装置（9），刀盘（8）后方为土仓（10），前盾（4）内装有螺旋输送机（11），前盾（4）后部与中盾（5）前段通过螺栓相连；中盾（5）内装有铰接油缸（12），铰接油缸（12）连接中盾的前后两段，通过铰接油缸的不同伸缩，改变中盾前后两段的铰接角度，可以使机头上下左右转动，从而微调掘进机前进姿态，纠正掘进轴线偏差，中盾（5）后段与后盾（6）通过螺栓相连；后盾（6）内装有液压泵站（13），后盾（6）与矩形管节（7）之间以螺栓连接；在后顶反力座（3）上设有U型顶铁（14）、液压顶推油缸（15）、反力架（16），U型顶铁（14）与液压顶推油缸（15）的活塞以螺栓连接，液压顶推油缸（15）固定在反力架（16）里，矩形管节（7）和U型顶铁（14）由拉杆连接顶推油缸（15）；在后顶反力座（3）的两侧分别设有地下控制柜（17），地下控制柜（17）内部设有PLC可编程控制器1台、操作面板1块，在地面层位于工作井旁边布置教学机的地面控制台（18），设有PLC可编程控制器1台、操作面板1块、触摸屏2台、高性能图形显示器1台，以及一套采用三维仿真技术的模拟系统，地面控制台（18）与地下控制柜（17）之间通过Controller Link实现数据通讯联络，地面控制台PLC与模拟系统之间通过RS232进行数据通讯传输，模拟系统内部采用以太网通讯。
为了教学需要，主机系统还具有以下与真实机不同的特点：
掘进机机头的侧面局部开有窗口，能够让参观者、操作者可以看到机壳内的机构；后顶推进油缸的回缩，能够带动机头和管节后退，实现主机系统的复位。
控制系统
控制系统是教学机的控制中心，通过传感检测和液电驱动电路对主机系统进行闭环控制，通过数据通讯电路对模拟系统进行驱动，使之配合主机系统演示掘进施工。
控制系统由地下控制柜和地上控制台构成：
地下控制柜：地下控制柜主要负责教学机的液电驱动和传感检测，安装在工作井地下层，主要构成有PLC可编程控制器1台、操作面板1块、传感器和检测电路若干、下位机PLC控制软件1套。
地面控制台：地面控制台主要是教学机的系统总控和人机界面，安装在地面层，位于工作井旁边，主要构成有PLC可编程控制器1台、操作面板1块、触摸屏2台、上位机PLC控制软件1套、触摸屏监控软件1套。
地面控制台的PLC与地下控制柜的PLC之间通过远程数据通讯模块连接，实现指令传递、信息反馈等数据通讯。
为了教学需要，控制系统采用与真实机不同的电气控制方式如下：
对教学机所有构成由PLC进行统一的电气控制。（真实机的控制系统PLC只控制由掘进机驾驶员操作的机构、动作）
对教学机所有机械、电气动作均实施位置限制和数值限制，以确保操作者和参观者的安全。（真实机施工时人员能接触到的部位有限，而教学机的所有部位几乎都会被参观者接触，接触者又往往没有专业知识，因此对人员的保护要求要高得多）
增设了管节安装的控制功能，操作人员在控制台上可以控制管节吊装过程。（真实机的管节吊装不是掘进机操作员进行的，而是由另外的操作工人和起重机驾驶员进行的）。
模拟系统
模拟系统是对教学机实体部分的补充和扩展。它通过计算机虚拟现实、三维仿真、实时动画等技术，既要补充主机系统简化或省略的机构、部件和动作，表现掘进机的完整结构和全部动作，又要模拟施工对象、施工环境，向主机系统反馈与真实场合一致或相似的状态信息和施工数据，从而使操作者体验到真实机在真实施工环境中的施工效果。模拟系统还具有教学、考核等管理功能。
模拟系统的主要功能如下：
在主机系统运行时，以三维图象、实时动画同步显示其机构、部件和动作。显示的动作主要有；6个刀盘的旋转、变速、换向，2台螺旋机的旋转、变速、换向，4组铰接油缸的伸出、缩进，2组后顶油缸的伸出、缩进，掘进机机头的前进、姿态调整，等等。
在主机系统运行时，显示真实机具有但教学机简化或省略的机构、部件、和动作。显示的动作主要有：螺旋排土系统出土闸门的开大、关小，注脂密封、注浆减摩等系统的浆液注出，气囊的密封，渣土的运输，矩形管节的吊装、连接、顶进，等等。
模拟施工对象和施工环境，使教学机的操作者可以得到掘进机在真实环境里施工的施工数据、状态信息。主要的模拟对象和环境有：矩形隧道施工工地、始发井、掘进路径、土体、接收井等。
模拟施工流程或操作流程，使教学机能够表现真实机在施工中的主要功能和流程。主要的模拟流程有：掘进机出洞（顶出始发洞口，离开工作井进入土体）、掘进机在土体内顶进施工、掘进机进洞（掘进到终点后顶进接收洞口，进入接收井）、施工中土压平衡的控制、施工中顶进轴线偏差的纠正、施工中机身侧滚的纠正，等等。
模拟真实施工中可能发生的故障、过载、缺料、偏差等异常情况，供操作者练习。
记录、存储教学机操作情况。
可以回放操作记录，回看操作情况。
通过以太网可以连接多台终端，实现异地演示、远程控制。
具有教学、实训、考核等管理功能。
模拟系统的设备包括1台PC计算机、1台高性能图形工作站、1套模拟系统软件。模拟系统一般安装在教学机的地面控制台上。模拟系统可以实施异地演示、远程控制，为此需额外配置Internet接入或其他网络接入，以及路由器等通讯设施。
Claims (1)
1.一种矩形隧道掘进机教学系统，包括在矩形隧道掘进机现场布置或搭建一个两层的空间，层高不低于2.5米，以底层模拟施工的地下层，顶层模拟施工的地面层。在地面层开有一个矩形井口（19），井口的平面尺寸比掘进机主机系统的垂直投影面略大，井口边设有自地面层到地下层的铁制扶梯（20），其特征在于：在地下层依次布置模拟掘进机始发洞门（1）、掘进机发射架（2）、后顶反力座（3）；在掘进机发射架（2）上依次设有主机的前盾（4）、中盾（5）、后盾（6）、矩形管节（7），中盾（5）分为前后铰接的两段；在前盾（4）的前端设刀盘（8），前盾（4）内的前部设有与刀盘（8）连接的刀盘驱动装置（9），刀盘（8）后方为土仓（10），前盾（4）内装有螺旋输送机（11），前盾（4）后部与中盾（5）前段通过螺栓相连；中盾（5）内装有铰接油缸（12），铰接油缸（12）连接中盾的前后两段，中盾（5）后段与后盾（6）通过螺栓相连；后盾（6）内装有液压泵站（13），后盾（6）与矩形管节（7）之间以螺栓连接；在后顶反力座（3）上设有U型顶铁（14）、液压顶推油缸（15）、反力架（16），U型顶铁（14）与液压顶推油缸（15）的活塞以螺栓连接，液压顶推油缸（15）固定在反力架（16）里，矩形管节（7）和U型顶铁（14）由拉杆连接顶推油缸（15）；在后顶反力座（3）的两侧分别设有地下控制柜（17），地下控制柜（17）内部设有PLC可编程控制器1台、操作面板1块，在地面层位于工作井旁边布置教学机的地面控制台（18），设有PLC可编程控制器1台、操作面板1块、触摸屏2台、高性能图形显示器1台，以及一套采用三维仿真技术的模拟系统，地面控制台（18）与地下控制柜（17）之间通过Controller Link实现数据通讯联络，地面控制台PLC与模拟系统之间通过RS232进行数据通讯传输，模拟系统内部采用以太网通讯。
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