CN103821528A - 矩形盾构机的刀盘系统及其伸缩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矩形盾构机的刀盘系统及其伸缩控制方法，包括了若干刀盘主轴以及设在每个所述刀盘主轴一端的刀盘，其特征在于：还包括转动机构、伸缩机构和伸缩控制机构，所述转动机构驱动所述刀盘主轴绕其轴向进行旋转，所述伸缩机构驱动所述刀盘主轴沿其轴向进行伸缩运动；所述伸缩控制机构包括了油缸、交互操作设备、计算机PLC主站、电气控制柜和液压换向阀组，所述伸缩控制机构还包括用以测量盾构的工作轴线的全站仪设备，所述全站仪设备与所述计算机PLC主站连接。本发明一方面引入了伸缩机构和伸缩控制机构，实现了刀盘的轴向伸缩及轴向伸缩的控制，对盾构本体起到支撑和导向作用。

Description

矩形盾构机的刀盘系统及其伸缩控制方法

技术领域

本发明涉及矩形盾构机的创新，尤其涉及矩形盾构机的刀盘系统及其伸缩控制方法。

背景技术

目前国各种矩形隧道掘进机、包括大截面矩形盾构机的切削刀盘在轴向方向上是固定状态。即在切削土体时，刀盘仅能实现旋转动作，而不能实现轴向伸出动作。现有的轴向固定式切削刀盘在应用中有许多不便之处。

首先，对矩形盾构本体无纠偏功能。矩形盾构在施工过程中，容易发生盾构本体偏离预定的设计轴线。由于矩形盾构断面的特殊性，矩形盾构的纠偏要难于圆形盾构。其次，轴向固定式刀盘无超前地质探测功能。在矩形盾构推进过程中，需要及时了解前方土体的地质特点，以便及时采取相应的措施避免发生工程事故。装备轴向固定式刀盘的盾构机需要装备专门的前方土体探测装置，才能预先对固定式刀盘进行更换或其他处理，对设备使用和造价都有不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服固定式切削刀盘在应用中的不便之处。

为了解决这一技术问题，本发明提供了一种矩形盾构机的刀盘系统，包括了若干刀盘主轴以及设在每个所述刀盘主轴一端的刀盘，还包括转动机构、伸缩机构和伸缩控制机构，所述转动机构驱动所述刀盘主轴绕其轴向进行旋转，所述伸缩机构驱动所述刀盘主轴沿其轴向进行伸缩运动；

所述伸缩控制机构包括了油缸、交互操作设备、计算机PLC主站、电气控制柜和液压换向阀组，所述交互操作设备与所述计算机PLC主站连接，所述计算机PLC主站通过所述电气控制柜控制所述液压泵站，所述液压泵站通过所述液压换向阀组与所述油缸连接，所述刀盘主轴通过所述油缸的伸缩实现伸缩运动，所述伸缩控制机构还包括用以测量盾构的工作轴线的全站仪设备，所述全站仪设备与所述计算机PLC主站连接。

所述转动机构通过内花键结构套与固定设于所述刀盘主轴外侧的花键结构匹配连接。

所述转动机构至少包括了电机减速器、与所述电机减速器固定连接的小齿轮，以及与所述小齿轮啮合的大齿轮，所述电机减速器的旋转通过所述小齿轮传递给所述大齿轮，所述内花键结构套固定设于所述大齿轮内侧。

所述伸缩控制机构还包括了计算机PLC从站、设于所述液压换向阀组中用以检测液压压力的液压压力传感器、用以检测土仓压力的土压力传感器和用以检测所述油缸的伸缩行程和伸缩速度的行程传感器，所述液压压力传感器、土压力传感器和行程传感器均通过所述计算机PLC从站与所述计算机PLC主站连接。

所述电气控制柜包括变频器，所述液压泵站包括驱动电机和液压泵，所述变频器与所述驱动电机连接，所述驱动电机与所述液压泵连接，所述液压泵与所述液压换向阀组连接。

所述伸缩控制机构还包括用以测量盾构掘进轴线的全站仪设备，所述全站仪设备与所述计算机PLC主站连接。

本发明还提供了一种矩形盾构机刀盘系统的伸缩控制方法，采用了本发明提供的矩形盾构机的刀盘系统，该方法还提供了用以检测所述油缸的伸缩行程和伸缩速度的行程传感器；

所述计算机PLC主站根据操作人员在交互操作设备上的输入的信息以及所述行程传感器与全站仪设备实时反馈的数据输出控制指令，进而通过所述电气控制柜驱动所述液压泵站工作，所述液压泵站通过所述液压换向阀组驱动所述油缸伸缩，从而通过所述油缸的伸缩行程的控制实现盾构掘进方向的纠偏。

可选的，操作人员通过所述交互操作设备实施操作，根据所述行程传感器反馈的行程数据与全站仪设备反馈的盾构的工作轴向数据控制所述油缸的伸缩动作，从而通过所述油缸的伸缩动作的控制实现盾构掘进方向的纠偏；

操作人员通过所述交互操作设备实施的操作包括了输入选择进行动作的油缸、所述油缸伸或缩的动作方向以及所述油缸伸或缩的目标行程。

可选的，该方法还提供了设于所述液压换向阀组中用以检测液压压力的液压压力传感器、用以检测土仓压力的土压力传感器；

操作人员先通过所述交互操作设备输入选择进行动作的油缸以及液压与土仓的压力控制范围，然后通过所述计算机PLC主站自动控制所述油缸实现伸或缩的动作；

在自动控制所述油缸伸或缩的过程中，所述行程传感器实时地将行程数据反馈给所述计算机PLC主站，所述液压压力传感器实时地将液压压力数据反馈给所述计算机PLC主站，所述土压压力传感器实时地将土仓的压力数据反馈给所述计算机PLC主站，所述全站测量仪设备实时地将盾构的工作轴线数据反馈给所述计算机PLC主站，所述计算机PLC主站根据收到的数据生成控制指令，从而自动控制所述油缸的伸或缩动作；一方面使得液压压力和土仓压力处于预设的液压和土压的压力控制范围内；另一方面，通过所述油缸的伸缩动作的控制实现盾构掘进方向的纠偏。

所述计算机PLC主站根据多个所述行程传感器传输而来的行程数据和速度数据生成控制指令，从而使得该多个油缸的行程与速度保持同步。

在控制所述油缸伸缩时，当所述全站测量仪设备实时采集的盾构的工作轴线数据显示盾构的工作轴向向一侧发生偏差时，则在若干刀盘中选择位于该侧的刀盘，使之进行伸出动作进行切削，直至工作轴向不再发生偏差。

本发明一方面引入了伸缩机构和伸缩控制机构，实现了刀盘的轴向伸缩和轴向伸缩的控制，对盾构本体起到支撑和导向作用，不仅起到防止矩形盾构发生偏离预定路线，而且在矩形盾构发生偏离预定路线时，可以实现矩形盾构的纠偏功能，同时，也无需前方土体探测就能根据前方土体的地质特点进行实时的反馈应对。另一方面，对于刀盘伸缩的控制，本发明引入了计算机PLC主站、电气控制柜、液压换向阀组与液压泵站的组合使用，运用液压驱动比例阀控制变量泵的技术，使得刀盘的伸缩控制更灵敏、更快速、更可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1中矩形盾构机的刀盘系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1中刀盘排布示意图；

图3是本发明实施例1中矩形盾构机的刀盘系统的局部结构示意图；

图4是本发明实施例1中矩形盾构机的刀盘系统的系统示意图；

图5是本发明实施例1和实施例2中矩形盾构机的刀盘系统的自动模式下的控制方法和手动模式下的控制方法的流程示意图；

图6是本发明实施例3中矩形盾构机的刀盘系统的同步模式下的控制方法的流程示意图；

图7和图8是本发明三个实施例均可选的触摸屏的示意图；

图9是本发明三个实施例均可选的操作台的示意图；

图中，1-刀盘；2-土仓；3-刀盘主轴；4-土压力传感器；5-行程传感器；6-计算机PLC从站；7-液压换向阀组；8-交互操作设备；801-触摸屏；802-操作台；9-计算机PLC主站；10-电气控制柜；11-台车；12-液压泵站；13-全站仪；14-大齿轮；15-内花键结构套；16-小齿轮；17-花键结构；18-电机减速器；19-活塞；20-止推轴承；21-中心回转节；22-测量靶。

具体实施方式

以下将结合图1至图9，通过三个实施例对本发明提供的矩形盾构机的刀盘系统及其伸缩控制方法进行详细的描述，其为本发明可选的实施例，可以认为本领域的技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

实施例1

请参考图1至图3，本实施例提供了一种矩形盾构机的刀盘系统，包括了若干刀盘主轴3以及设在每个所述刀盘主轴3一端的刀盘1，还包括转动机构、伸缩机构和伸缩控制机构，所述转动机构驱动所述刀盘主轴3绕其轴向进行旋转，所述伸缩机构驱动所述刀盘主轴3沿其轴向进行伸缩运动；

所述伸缩控制机构包括了油缸19、交互操作设备、计算机PLC主站9、电气控制柜10和液压换向阀组7，所述交互操作设备与所述计算机PLC主站9连接，所述计算机PLC主站9通过所述电气控制柜10控制所述液压泵站12，所述液压泵站12通过所述液压换向阀组7与所述油缸（图未示）连接，所述刀盘主轴3通过所述油缸的伸缩实现伸缩运动；

所述伸缩控制机构还包括用以测量盾构的工作轴线的全站仪设备，所述全站仪设备与所述计算机PLC主站9连接。

请参考图3，所述转动机构通过内花键结构套15与固定设于所述刀盘主轴3外侧的花键结构17匹配连接。所述转动机构至少包括了电机减速器18、与所述电机减速器18固定连接的小齿轮16，以及与所述小齿轮16啮合的大齿轮14，所述电机减速器18的旋转通过所述小齿轮16传递给所述大齿轮14，所述内花键结构套15固定设于所述大齿轮14内侧。

本实施例中，内花键套15的长度远大于花键结构17的长度。从而保证了刀盘主轴3能随着油缸的活塞19进行伸缩运动。所述伸缩机构至少包括了油缸和中心回转节21。

所述刀盘主轴3通过所述中心回转节21与所述活塞19连接。在本实施例中，所述油缸采用穿心式油缸。所述中心回转节21包括了固定部与回转部，所述回转部与固定部位置相对固定，且所述回转部为能够绕其自身的轴向旋转的结构，所述固定部与所述活塞19连接，所述回转部与所述刀盘主轴3连接。实现了油缸的伸缩与刀盘主轴3放入旋转之间的分离

所述刀盘主轴3外侧设有止推轴承20，所述止推轴承20的内圈与所述刀盘主轴3固定连接，所述止推轴承20的外圈与所述活塞19固定连接。从而有效防止了刀盘主轴2的旋转运动传递至活塞19。

请参考图4，并结合图1，所述伸缩控制机构还包括了计算机PLC从站6、设于所述液压换向阀组7中用以检测液压压力的液压压力传感器（图未示）、用以检测土仓2内压力的土压力传感器4和用以检测所述油缸的伸缩行程和伸缩速度的行程传感器5，所述液压压力传感器、土压力传感器4和行程传感器5均通过所述计算机PLC从站6与所述计算机PLC主站9连接。

所述电气控制柜10包括变频器，所述液压泵站12包括驱动电机和液压泵，所述变频器与所述驱动电机连接，所述驱动电机与所述液压泵连接，所述液压泵与所述液压换向阀组7连接。

本实施例中，全站仪设备包括了全站仪13与测量靶22，通过全站仪13对测量靶22的检测实现工作轴线的测量

所述行程传感器5具有精度高、可靠性强，能准确地检测刀盘伸缩位的行程。并能将这些数据反馈给计算机PLC主站9，为刀盘1伸缩提供了控制数据。所述液压压力传感器具有精度高、抗干扰性强，能准确地检测刀盘伸缩的液压压力。土压力传感器4，可精确地检测土仓2内各个位置的土压力，将这些数据反馈给计算机PLC主站9，为稳定开挖面提供了控制数据。本实施例在工作轴线的地面上安置了全站仪设备，可精确地锁定设计轴线，测量掘进机推进方向，为刀盘伸缩控制工作轴线的偏差，提供了控制数据。

对于细节的设置，在本实施例中，所述交互操作设备8包括触摸屏801与操作台802，所述触摸屏801与操作台802均与所述计算机PLC主站9连接。所述交互操作设备8、计算机PLC主站9、电气控制柜10和液压泵站12均设于盾构机的台车11上。液压换向阀组7分别通过液压驱动油管连接所述液压泵站12与油缸，计算机PLC主站9与计算机PLC从站6之间通过MITSUBISHI NET网络通信电缆连接，计算机PLC从站9与液压换向阀组7之间通过控制电缆连接，电气控制柜10分别通过驱动电缆与所述计算机PLC主站6以及液压泵站12连接，行程传感器5和所述土压力传感器4均通过传感器电缆与所述计算机PLC从站10连接，所述全站仪设备至少包括了全站仪和与之匹配使用的测量靶。本实施例在系统中采用计算机PLC主站6、MITSUBISHI NET网络和计算机PLC从站9等控制技术。可远程自动检测、采集施工和液压系统的工作数据，发出控制指令，控制刀盘伸缩。

本实施例还提供了一种矩形盾构机刀盘系统的伸缩控制方法，采用了本实施例提供的矩形盾构机的刀盘系统，

请参考图5，并结合其他附图，所述计算机PLC主站9根据操作人员在交互操作设备8上输入的信息以及所述行程传感器5与全站仪设备实时反馈的数据输出控制指令，进而通过所述电气控制柜10驱动所述液压泵站12工作，所述液压泵站12通过所述液压换向阀组7驱动所述油缸伸缩，从而通过所述油缸的伸缩行程的控制实现盾构掘进方向的纠偏。

在此基本设想下，本实施例还做了具体的限定，其可以视为手动模式下的控制方法，在本发明以下列举的其他实施例中，还详细介绍了自动模式下的控制方法和同步模式下的控制方法，其均可采用如图7和8所示的触摸屏801以及操作台802进行操作，先对控制方法的模式进行选择，然后再进行控制操作的具体实施。

在本实施例介绍的手动模式中，请参考图5，操作人员通过所述交互操作设备8实施操作，根据所述行程传感器5反馈的行程数据与全站仪设备反馈的盾构的工作轴向数据控制所述油缸的伸缩动作，从而通过所述油缸的伸缩动作的控制实现盾构掘进方向的纠偏；其中，测量所得的工作轴向数据其实就是盾构实际掘进方向的检测。

操作人员通过所述交互操作设备8实施的操作包括了输入选择进行动作的油缸、所述油缸伸或缩的动作方向以及所述油缸伸或缩的目标行程。

掘进方向的纠偏实际是指当实际掘进方向与预设的掘进线路不一致或者土体不适宜掘进时，通过刀盘，即油缸的伸缩使其回归到预设的或合适的掘进线路上。即当外部因数引起的工作轴线发生偏差时，需要进行刀盘进行伸缩控制纠偏。

在盾构机工作轴线向左发生偏差时，则需伸出左侧的刀盘对开挖面的左侧进行切削，使盾构机左侧掘进的压力减轻，便于往右侧进行纠偏。反之，当在盾构机工作轴线向右发生偏差时，则需伸出右侧的刀盘对开挖面的右侧进行切削，使盾构机右侧掘进的压力减轻，便于往左侧进行纠偏。

当开挖面的上部遇到较复杂的土层，形成不稳定时，则需伸出上排的刀盘对开挖面的上部进行切削，使盾构机上部掘进的压力减轻，便于稳定开挖面。反之，在开挖面的下部遇到较复杂的土层，形成不稳定时，则需伸出下排的刀盘对开挖面的下部进行切削，使盾构机下部掘进的压力减轻，便于稳定开挖面。

总结来说，即在控制所述油缸伸缩时，当所述全站测量仪设备实时采集的盾构的工作轴线数据显示盾构的工作轴向向一侧发生偏差时，则在若干刀盘中选择位于该侧的刀盘，使之进行伸出动作进行切削，直至工作轴向不再发生偏差。

手动控制模式时，本实施例用以进行纠偏初始阶段和开挖面不稳应急状况的处理。可在触摸屏801上方便地选择所需工作的刀盘数量，设定伸缩长度的目标值，确定是作“伸”或“缩”的动作和监控，通过操作台控制面板手动调节、控制刀盘的伸缩速度。控制操作比较直观。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅仅在于伸缩控制方法的差别，而采用的依旧是实施例1中所列举的矩形盾构机的刀盘系统。本实施例所采用的方法，可以视为自动模式下的伸缩控制方法。

操作人员先通过所述交互操作设备输入选择进行动作的油缸（也可认为是进行伸缩动作的刀盘）以及液压与土仓的压力控制范围，然后通过所述计算机PLC主站自动控制所述油缸实现伸或缩的动作；

在自动控制所述油缸伸或缩的过程中，所述行程传感器实时地将行程数据反馈给所述计算机PLC主站，所述液压压力传感器实时地将液压压力数据反馈给所述计算机PLC主站，所述土压压力传感器实时地将土仓的压力数据反馈给所述计算机PLC主站，所述全站测量仪设备实时地将盾构的工作轴线数据反馈给所述计算机PLC主站，所述计算机PLC主站根据收到的数据生成控制指令，从而自动控制所述油缸的伸或缩动作；一方面使得液压压力和土仓压力处于预设的液压和土压的压力控制范围内；另一方面，通过所述油缸的伸缩动作的控制实现盾构掘进方向的纠偏。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅仅在于伸缩控制方法的改进，而采用的依旧是实施例1中所列举的矩形盾构机的刀盘系统。同时，其也可以认为是在实施例2所列举的自动模式下的进一步改进，进而形成了本实施例提供的同步模式，即本实施例可以采取实施例2中的大多技术特征进行自动控制。

请参考图6，本实施例中，所述计算机PLC主站9根据多个所述行程传感器5传输而来的行程数据和速度数据生成控制指令，从而使得该多个油缸的行程与速度保持同步。

综上所述，本发明一方面引入了伸缩机构和伸缩控制机构，实现了刀盘的轴向伸缩和轴向伸缩的控制，对盾构本体起到支撑和导向作用，不仅起到防止矩形盾构发生偏离预定路线，而且在矩形盾构发生偏离预定路线时，可以实现矩形盾构的纠偏功能，同时，也无需前方土体探测就能根据前方土体的地质特点进行实时的反馈应对。另一方面，对于刀盘伸缩的控制，本发明引入了计算机PLC主站、电气控制柜、液压换向阀组与液压泵站的组合使用，运用液压驱动比例阀控制变量泵的技术，使得刀盘的伸缩控制更灵敏、更快速、更可靠。

在手动模式时，可操作台上的旋钮，调节电控柜中的变频器的输出值，驱动液压泵运转，控制刀盘伸缩的速度与行程。在自动模式时，可直接在触摸屏上进行自动伸缩作业。在伸缩过程中，系统将不断检测伸缩长度、压力和纠偏等情况，及时做出伸缩的调整控制。当到达目标值时，则自动停止作业。在同步控制时，可选择多个刀盘以相同的速度同步作业，当其中1个或几个刀盘之间出现伸缩长度有偏差时，系统则自动进行同步调节，直至所选的刀盘伸缩长度与速度都保持同步。同步控制可使系统操控制更加灵活和方便，能更好地满足不同纠偏需求，应对开挖面各种不稳定情况的出现，以保障盾构机的顺利掘进。

Claims (9)

1.一种矩形盾构机的刀盘系统，包括了若干刀盘主轴以及设在每个所述刀盘主轴一端的刀盘，其特征在于：还包括转动机构、伸缩机构和伸缩控制机构，所述转动机构驱动所述刀盘主轴绕其轴向进行旋转，所述伸缩机构驱动所述刀盘主轴沿其轴向进行伸缩运动；

所述伸缩控制机构包括了油缸、交互操作设备、计算机PLC主站、电气控制柜和液压换向阀组，所述交互操作设备与所述计算机PLC主站连接，所述计算机PLC主站通过所述电气控制柜控制所述液压泵站，所述液压泵站通过所述液压换向阀组与所述油缸连接，所述刀盘主轴通过所述油缸的伸缩实现伸缩运动，所述伸缩控制机构还包括用以测量盾构的工作轴线的全站仪设备，所述全站仪设备与所述计算机PLC主站连接。

2.如权利要求1所述的矩形盾构机的刀盘系统，其特征在于：所述转动机构通过内花键结构套与固定设于所述刀盘主轴外侧的花键结构匹配连接。

3.如权利要求1所述的大截面矩形盾构机刀盘系统，其特征在于：所述转动机构至少包括了电机减速器、与所述电机减速器固定连接的小齿轮，以及与所述小齿轮啮合的大齿轮，所述电机减速器的旋转通过所述小齿轮传递给所述大齿轮，所述内花键结构套固定设于所述大齿轮内侧。

4.如权利要求1所述的矩形盾构机的刀盘系统，其特征在于：所述伸缩控制机构还包括了计算机PLC从站、设于所述液压换向阀组中用以检测液压压力的液压压力传感器、用以检测土仓压力的土压力传感器和用以检测所述油缸的伸缩行程和伸缩速度的行程传感器，所述液压压力传感器、土压力传感器和行程传感器均通过所述计算机PLC从站与所述计算机PLC主站连接。

5.如权利要求1所述的矩形盾构机的刀盘系统，其特征在于：所述电气控制柜包括变频器，所述液压泵站包括驱动电机和液压泵，所述变频器与所述驱动电机连接，所述驱动电机与所述液压泵连接，所述液压泵与所述液压换向阀组连接。

6.一种矩形盾构机刀盘系统的伸缩控制方法，其特征在于：采用了如权利要求1所述的矩形盾构机的刀盘系统，还提供了用以检测所述油缸的伸缩行程和伸缩速度的行程传感器；

所述计算机PLC主站根据操作人员在交互操作设备上的输入的信息以及所述行程传感器与全站仪设备实时反馈的数据输出控制指令，进而通过所述电气控制柜驱动所述液压泵站工作，所述液压泵站通过所述液压换向阀组驱动所述油缸伸缩，从而通过所述油缸的伸缩行程的控制实现盾构掘进方向的纠偏。

7.如权利要求6所述的矩形盾构机刀盘系统的伸缩控制方法，其特征在于：操作人员通过所述交互操作设备实施操作，根据所述行程传感器反馈的行程数据与全站仪设备反馈的盾构的工作轴向数据控制所述油缸的伸缩动作，从而通过所述油缸的伸缩动作的控制实现盾构掘进方向的纠偏；

操作人员通过所述交互操作设备实施的操作包括了输入选择进行动作的油缸、所述油缸伸或缩的动作方向以及所述油缸伸或缩的目标行程。

8.如权利要求6所述的矩形盾构机刀盘系统的伸缩控制方法，其特征在于：还提供了设于所述液压换向阀组中用以检测液压压力的液压压力传感器、用以检测土仓压力的土压力传感器；

操作人员先通过所述交互操作设备输入选择进行动作的油缸以及液压与土仓的压力控制范围，然后通过所述计算机PLC主站自动控制所述油缸实现伸或缩的动作；

在自动控制所述油缸伸或缩的过程中，所述行程传感器实时地将行程数据反馈给所述计算机PLC主站，所述液压压力传感器实时地将液压压力数据反馈给所述计算机PLC主站，所述土压压力传感器实时地将土仓的压力数据反馈给所述计算机PLC主站，所述全站测量仪设备实时地将盾构的工作轴线数据反馈给所述计算机PLC主站，所述计算机PLC主站根据收到的数据生成控制指令，从而自动控制所述油缸的伸或缩动作；一方面使得液压压力和土仓压力处于预设的液压和土压的压力控制范围内；另一方面，通过所述油缸的伸缩动作的控制实现盾构掘进方向的纠偏。

9.如权利要求6至8任意之一所述的矩形盾构机刀盘系统的伸缩控制方法，其特征在于：所述计算机PLC主站根据多个所述行程传感器传输而来的行程数据和速度数据生成控制指令，从而使得该多个油缸的行程与速度保持同步。10、如权利要求6至8任意之一所述的矩形盾构机刀盘系统的伸缩控制方法，其特征在于：在控制所述油缸伸缩时，当所述全站测量仪设备实时采集的盾构的工作轴线数据显示盾构的工作轴向向一侧发生偏差时，则在若干刀盘中选择位于该侧的刀盘，使之进行伸出动作进行切削，直至工作轴向不再发生偏差。

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