CN111927478A - 盾构机刀盘滑动摆动控制系统、盾构机刀盘系统和盾构机 - Google Patents

盾构机刀盘滑动摆动控制系统、盾构机刀盘系统和盾构机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种盾构机刀盘滑动摆动控制系统、盾构机刀盘系统和盾构机。盾构机刀盘滑动摆动控制系统包括：用于生成控制指令的控制器；用于设定和显示参数的人机界面；用于输入动作指令的控制操作台；用于反馈实际参数的反馈传感器；用于根据控制指令控制伸缩油缸动作的油缸控制系统。盾构机刀盘系统包括刀盘、安装在刀盘上的刀具、驱动刀盘转动的驱动机构、驱动刀盘滑动或摆动的滑动摆动机构；滑动摆动机构包括多个分别与刀盘铰接的伸缩油缸和前述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统。一种盾构机，包括前述的盾构机刀盘系统。本发明通过控制刀盘滑动和摆动，为刀盘脱困、扩展刀具更换所需空间提供了解决方案，对盾构施工具有重要意义。

Description

盾构机刀盘滑动摆动控制系统、盾构机刀盘系统和盾构机
技术领域
本发明属于大型工程设备领域，具体涉及一种盾构机刀盘滑动摆动控制系统、应用其的盾构机刀盘系统和盾构机。
背景技术
随着城市地铁建设以及各类大直径隧道项目的不断增多，盾构机种类也越来越多。为了满足不同地质条件、施工环境以及盾构施工安全性能的要求，盾构机的功能也在不断创新和完善。刀盘作为盾构掘进过程中刀具的载体，刀具磨损更换是一个不可回避的问题，尤其在一些大直径盾构中，更换刀具是一个耗时耗力的工作，有时甚至因为刀盘外部空间不足而无法换刀。不仅如此，在实际盾构施工过程中，与刀盘息息相关且普遍遇到的头痛问题便是刀盘卡死，刀盘卡死不仅严重影响施工进度，而且在一些高风险源的施工区域盾构刀盘卡死脱困不及时便意味着较高的安全隐患。因此，需要设计一种能够高效又安全地解决刀盘卡死问题，还能够解决刀盘外部换刀空间不足问题的方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够通过控制盾构机刀盘滑动摆动，从而能够解决刀盘卡死、换刀空间不足问题的盾构机刀盘滑动摆动控制系统、盾构机刀盘和盾构机。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种盾构机刀盘滑动摆动控制系统，用于控制与盾构机的刀盘相连接的多个伸缩油缸而使所述刀盘滑动或摆动，所述盾构机刀盘滑动摆动控制系统包括：
控制器，所述控制器用于根据控制所述刀盘滑动或摆动的动作指令、限制所述刀盘滑动或摆动的设定参数、所述刀盘滑动或摆动的实际参数生成控制指令；
人机界面，所述人机界面与所述控制器通讯连接，用于设置所述设定参数、显示所述实际参数；
控制操作台，所述控制操作台与所述控制器通讯连接，用于输入所述动作指令；
反馈传感器，所述反馈传感器与所述控制器通讯连接，用于反馈所述实际参数；
油缸控制系统，所述油缸控制系统与所述控制器通讯连接，用于根据所述控制指令控制所述伸缩油缸动作。
所述控制器包括通讯连接的主站CPU和本地CPU；
所述本地CPU与所述反馈传感器、所述油缸控制系统通讯连接，用于由所述反馈传感器获取所述实际参数并传送至所述主站CPU、由所述主站CPU获取所述控制指令并传送至所述油缸控制系统；
所述主站CPU与所述人机界面、所述控制操作台通讯连接，用于由所述控制操作台获取所述动作指令、由所述人机界面获取所述设定参数、由所述本地CPU获取所述实际参数、生成所述控制指令并传送至所述本地CPU。
所述主站CPU和所述本地CPU采用CCLINK-IE通讯。
所述人机界面和所述控制器采用以太网通讯，所述控制操作台和所述控制器采用CCLINK-IE通讯，所述反馈传感器与所述控制器采用CCLINK-IE通讯。
所述反馈传感器包括用于检测所述伸缩油缸压力的油缸压力传感器、用于检测所述伸缩油缸的伸缩行程的油缸行程传感器。
所述油缸控制系统包括液压泵站和油缸电磁阀，所述液压泵站与所述控制器相连接，所述液压泵站经所述油缸电磁阀与所述伸缩油缸相连接。
一种盾构机刀盘系统，包括刀盘、安装在所述刀盘上的若干个刀具、用于驱动所述刀盘转动的驱动机构，所述盾构机刀盘系统还包括用于驱动所述刀盘滑动或摆动的滑动摆动机构；所述滑动摆动机构包括多个分别与所述刀盘铰接的伸缩油缸和前述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统。
所述伸缩油缸的一端与球铰相连接，所述球铰与所述刀盘相连接，所述伸缩油缸的另一端通过支撑件与所述盾构机的盾体相连接。
设置三组所述伸缩油缸，且三组所述伸缩油缸与所述刀盘的铰接点的中心所在圆的圆心与所述刀盘的转动中心重合，三组所述伸缩油缸均匀分布。
一种盾构机，包括前述的盾构机刀盘系统。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明通过控制刀盘滑动和摆动，为刀盘脱困、扩展刀具更换所需空间提供了解决方案，对盾构施工具有重要意义。
附图说明
附图1为本发明的盾构机刀盘系统的结构示意图。
附图2为本发明的盾构机刀盘滑动摆动控制系统的示意图。
附图3为本发明的盾构机刀盘滑动摆动控制系统中控制器及其采用的通讯方案的示意图。
附图4为本发明的盾构机刀盘滑动摆动控制系统中人机界面的示意图。
附图5为本发明的盾构机刀盘滑动摆动控制系统中控制操作台的示意图。
附图6为本发明的盾构机刀盘系统滑动摆动运行模式示意图。
附图7为本发明的盾构机刀盘系统的控制流程图。
以上附图中：1、刀盘；2、刀具；3、伸缩油缸；4、驱动电机；5、减速机；6、小齿轮；7、大齿轮；8、支撑架；9、球铰。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种盾构机，包括盾体、设置在盾体前端部的盾构机刀盘系统。
如附图1所示，盾构机刀盘系统包括刀盘1、若干个刀具2、驱动机构以及滑动摆动机构。刀盘1安装在盾体前端，其能够转动。刀具2安装在刀盘1的前端面上，从而随着刀盘1转动而进行盾构施工。驱动机构用于驱动刀盘1转动，驱动机构包括与刀盘1同轴连接并位于刀盘1后端的大齿轮7、与大齿轮7啮合的小齿轮6、与小齿轮6相连接并驱动其转动的驱动电机4和减速机5。通常，驱动电机4、减速机5和小齿轮6可以设置多组，分布在大齿轮7周边，共同带动大齿轮7转动，进而实现刀盘1转动。
滑动摆动机构用于驱动刀盘1滑动或摆动。滑动摆动机构包括多个与刀盘1铰接的伸缩油缸3和用于控制伸缩油缸3的盾构机刀盘滑动摆动控制系统。伸缩油缸3的前端与球铰9相连接，球铰9前部与刀盘1相连接，从而通过球铰9实现伸缩油缸3与刀盘1之间的铰接。伸缩油缸3的后端固定连接一支撑件8，从而伸缩油缸3的后端通过支撑件8与盾构机的盾体相连接。由于盾构机刀盘系统体积和重量较大，因此需要有足够强度和推/拉力的伸缩油缸组，才能实现刀盘1的滑动摆动动作。可以设置三组伸缩油缸3，即包括三个伸缩油缸3、三个球铰9和三个支撑件8，且三组伸缩油缸3与刀盘1的铰接点的中心，即球铰9的中心点位于与刀盘1同心的一个圆周上，即各个连接点的中心所在圆的圆心与刀盘1的转动中心重合，三组伸缩油缸3均匀分布。
盾构机刀盘滑动摆动控制系统通过控制各个伸缩油缸3，从而可以使刀盘1实现滑动或者摆动。如附图2所示，盾构机刀盘滑动摆动控制系统包括控制器、人机界面、控制操作台、反馈传感器和油缸控制系统。人机界面、控制操作台、反馈传感器分别与控制器通讯连接，油缸控制系统分别与控制器、各个伸缩油缸3相连接。
控制器采用PLC控制器，用于根据控制刀盘1滑动或摆动的动作指令、限制刀盘1滑动或摆动的设定参数、刀盘1滑动或摆动的实际参数生成控制指令。控制器采用双CPU控制模式，如附图3所示，控制器包括采用CCLINK-IE通讯连接的主站CPU和本地CPU。本地CPU与反馈传感器、油缸控制系统通讯连接，用于由反馈传感器获取实际参数并传送至主站CPU、由主站CPU获取控制指令并传送至油缸控制系统。主站CPU与人机界面、控制操作台通讯连接，用于由控制操作台获取动作指令、由人机界面获取设定参数、由本地CPU获取实际参数、生成控制指令并传送至本地CPU。主站CPU可以设置在盾构机的司机室内，本地的CPU可以设置在盾构机的盾体内。
人机界面通过以太网与控制器的主站CPU通讯连接，其可以采用触摸屏，用于设置刀盘1滑动摆动所需的设定参数、显示刀盘1滑动摆动过程中的实际参数，其界面如图3所示。
控制操作台设置多个，分别设置在1号站、2号站…，各个控制操作台采用CCLINK-IE，并通过数字量输入模块与控制器中主站CPU通讯连接，控制操作台用于输入动作指令，如附图5所示，从而控制器获取向其输入的动作指令。
反馈传感器采用CCLINK-IE，并通过模拟量输入模块与控制器通讯连接，用于反馈实际参数，从而控制器获取向其输入的实际参数。反馈传感器包括用于检测伸缩油缸3压力的油缸压力传感器、用于检测伸缩油缸3的伸缩行程的油缸行程传感器。
油缸控制系统通过数字量输出模块与控制器通讯连接，控制器输出控制指令，则油缸控制系统用于根据控制指令控制伸缩油缸3动作。油缸控制系统包括由对应控制指令控制的液压泵站和油缸电磁阀（液压换向电磁阀），液压泵站与控制器相连接，液压泵站经油缸电磁阀与伸缩油缸3相连接。
在执行刀盘1滑动或摆动动作前，首先在人机界面上设置必要的设定参数，包括：油缸伸缩行程最大位置设定和最小位置设定、油缸活塞/活塞杆压力高设定和最大位移差设定、平行模式位移设定等。其中最小位置为：限制刀盘1滑动摆动油缸动作最小行程；最大位置为：限制刀盘1滑动摆动油缸动作最大行程；最大位移差为：限制刀盘1滑动过程中油缸间最大行程差；平行模式位移为：设定刀盘1平行滑动时所要滑动的目标位置。
然后在控制操作台选择手动控制模式或自动控制模式。无论采用哪种控制模式，当伸缩油缸3的活塞/活塞杆压力、油缸行程达到对应的设定值是，油缸都将停止动作。各个伸缩油缸3同步伸缩时，刀盘1滑动，当伸缩油缸3不同步伸缩时，刀盘1摆动。
刀盘1动作主要包括以下两种：
（1）刀盘1滑动动作
当选择自动控制模式时：油缸伸缩启动后，油缸行程传感器和油缸压力传感器反馈的数值将实时显示在触摸屏上。根据反馈回的油缸压力及行程，控制器实时计算出刀盘1的倾斜力矩坐标以及油缸行程差，并基于反馈和计算的数据，结合动作指令及参数限制，生成控制指令，输出到油缸电磁阀，从而控制油缸动作。
当选择手动控制模式时：在满足刀盘1滑动条件的情况下，可人为控制伸缩油缸3的伸缩动作。
（2）刀盘1摆动动作
为了尽可能减少人为操作的参与，刀盘1摆动仅执行自动控制模式：在触摸屏中选择所要超挖的位置，随后启动油缸伸缩，油缸行程传感器以及压力传感器反馈的数值将实时显示在触摸屏上。根据反馈回的油缸压力及行程，控制器实时计算出刀盘1的倾斜力矩坐标以及油缸行程差，程序将计算及反馈的数据生成控制指令，控制输出到油缸液压换向电磁阀，从而控制油缸动作。
上述方案一方面引入了刀盘1滑动控制系统，同时在不改变刀盘1结构的基础上，实现了刀盘1摆动的控制。在盾构掘进过程中遇到刀盘1卡死的状况，可以搭配使用刀盘1滑动以及摆动的工作方法，从而为刀盘1脱困提供了更为高效安全的解决方案；另一方面引入刀盘1摆动控制，可选择刀盘1超挖位置以及超挖量以满足刀具2更换所需的空间。
如附图6所示，为了保证盾构刀盘1结构的安全以及精确达到滑动摆动行程目标值，将刀盘1滑动做了细分，整体动作有以下几种模式：1、滑动，具体分为平行滑动和调平滑动，其中平行滑动即刀盘1的常规前后滑动，而调平滑动用于控制各组伸缩油缸3的行程差在设定的误差范围内。2、摆动，基于设定的超挖点，各组伸缩油缸3在现有滑动行程的基础上进行伸缩调节，实现刀盘1摆动。
上述盾构机刀盘滑动摆动控制系统控制下的刀盘系统工作流程如附图7所示，主要包括以下步骤：
（1）在司机室触摸屏对刀盘1滑动摆动系统设置参数；
（2）启动液压泵站动力单元；
（3）在控制操作台选择刀盘1滑动/摆动运行模式（手动/自动）；
（4）为了保证刀盘1在卡死状态下刀盘1能够有滑动后退的距离以及避免在刀盘1摆动过程中发生干涉，需要将刀盘1滑动伸出至基准位置；
（5）在刀盘1伸出至基准位置过程中，油缸行程差超出设定范围后动作将停止，此时需要对刀盘1进行调平，使油缸行程差满足要求；
（6）手动模式下，由人为观察油缸行程，行程满足基准值之后，停止油缸动作；在自动模式下，油缸行程满足设定的基准值之后，将自动停止动作；
（7）在刀盘1到达基准位置后，根据现场实际动作需求，选择刀盘1滑动方向，自动生成动作指令，自动模式下需设置刀盘1伸缩位置，在动作过程中一旦行程差超出设定值，动作停止，此时需要对刀盘1进行调平，使油缸行程差满足要求，随后再重启动作；
（8）当刀盘1需要进行超挖动作时，只需选择对应的超挖位置及超挖量，启动刀盘1伸缩即可，油缸满足超挖行程后将自动停止工作；
在整个运行过程中，刀盘1滑动摆动系统的参数都在触摸屏界面中显示，通过界面提供的监控数据指导系统的动作。除此以外，系统中有报警时刀盘1滑动摆动油缸将停止动作。
上述方案通过对刀盘1动作的控制，以减轻堆积的渣土对于刀盘1底部的压力，对于泥水盾构，此时可以结合泥浆管道和冲洗管道对渣土进行冲洗、清理，从而使刀盘1脱困，恢复运转；对于土压盾构而言，刀盘1缩回后可以增大土舱空间，使土舱内渣土开始松散，从而减小渣土对刀盘1的限制，恢复刀盘1转动。不仅如此，刀盘1通过摆动进行超挖可以极大增加刀盘1刀具2的换刀空间，为换刀提供极大便利。
基于此，本发明可对泥水/土压盾构机刀盘1进行伸缩控制，能够在刀盘1卡死状态下通过刀盘1伸缩进行脱困，恢复刀盘1使用；同时在施工过程中根据实际需要选择超挖位置对应的超挖量，控制刀盘1进行摆动实现超挖。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构机刀盘滑动摆动控制系统，用于控制与盾构机的刀盘相连接的多个伸缩油缸而使所述刀盘滑动或摆动，其特征在于：所述盾构机刀盘滑动摆动控制系统包括：
控制器，所述控制器用于根据控制所述刀盘滑动或摆动的动作指令、限制所述刀盘滑动或摆动的设定参数、所述刀盘滑动或摆动的实际参数生成控制指令；
人机界面，所述人机界面与所述控制器通讯连接，用于设置所述设定参数、显示所述实际参数；
控制操作台，所述控制操作台与所述控制器通讯连接，用于输入所述动作指令；
反馈传感器，所述反馈传感器与所述控制器通讯连接，用于反馈所述实际参数；
油缸控制系统，所述油缸控制系统与所述控制器通讯连接，用于根据所述控制指令控制所述伸缩油缸动作。
2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统，其特征在于：所述控制器包括通讯连接的主站CPU和本地CPU；
所述本地CPU与所述反馈传感器、所述油缸控制系统通讯连接，用于由所述反馈传感器获取所述实际参数并传送至所述主站CPU、由所述主站CPU获取所述控制指令并传送至所述油缸控制系统；
所述主站CPU与所述人机界面、所述控制操作台通讯连接，用于由所述控制操作台获取所述动作指令、由所述人机界面获取所述设定参数、由所述本地CPU获取所述实际参数、生成所述控制指令并传送至所述本地CPU。
3.根据权利要求2所述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统，其特征在于：所述主站CPU和所述本地CPU采用CCLINK-IE通讯。
4.根据权利要求1所述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统，其特征在于：所述人机界面和所述控制器采用以太网通讯，所述控制操作台和所述控制器采用CCLINK-IE通讯，所述反馈传感器与所述控制器采用CCLINK-IE通讯。
5.根据权利要求1所述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统，其特征在于：所述反馈传感器包括用于检测所述伸缩油缸压力的油缸压力传感器、用于检测所述伸缩油缸的伸缩行程的油缸行程传感器。
6.根据权利要求1所述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统，其特征在于：所述油缸控制系统包括液压泵站和油缸电磁阀，所述液压泵站与所述控制器相连接，所述液压泵站经所述油缸电磁阀与所述伸缩油缸相连接。
7.一种盾构机刀盘系统，所述盾构机刀盘系统包括刀盘、安装在所述刀盘上的若干个刀具、用于驱动所述刀盘转动的驱动机构，其特征在于：所述盾构机刀盘系统还包括用于驱动所述刀盘滑动或摆动的滑动摆动机构；所述滑动摆动机构包括多个分别与所述刀盘铰接的伸缩油缸和如权利要求1至6中任一项所述的盾构机刀盘滑动摆动控制系统。
8.根据权利要求7所述的盾构机刀盘系统，其特征在于：所述伸缩油缸的一端与球铰相连接，所述球铰与所述刀盘相连接，所述伸缩油缸的另一端通过支撑件与所述盾构机的盾体相连接。
9.根据权利要求7或8所述的盾构机刀盘系统，其特征在于：设置三组所述伸缩油缸，且三组所述伸缩油缸与所述刀盘的铰接点的中心所在圆的圆心与所述刀盘的转动中心重合，三组所述伸缩油缸均匀分布。
10.一种盾构机，其特征在于：所述盾构机包括如权利要求7至9中任一项所述的盾构机刀盘系统。
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