CN112031792A - 一种双模式支护控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模式支护控制系统和方法，其包括：钢模板拼装部、钢拱架牵引装置、与固定环相固定连接钢拱架拼装架、安装于钢拱架拼装架上的多个钢拱架抓手、若干个钢拱架举升机构，钢拱架拼装架呈环形，每个钢拱架抓手包括伸缩组件、多组安装于伸缩组件上且可调节相对间距的导轮组件，无线发射器通过触发钢拱架拼装机和钢模板拼装机的信号，无线传输到遥控器接收器中，其次通过PROFIBUS‑DP工业通讯网络传输到PLC中，然后PLC通过控制程序的处理，将相应的动作信号发送到钢模板和钢拱架接口模块中，最后传送到执行机构触发动作。本发明主要是辅助TBM掘进过程对复杂围岩的支护，从而实现TBM安全、快速高效的掘进。

Description

一种双模式支护控制系统和方法

技术领域

本发明属于盾构机设备领域，特别涉及一种双模式支护控制系统和方法。

背景技术

隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine )是一种用机械破碎岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构技术发展而来的。类型主要分敞开式和护盾式，对应支护形式也不一样，敞开式TBM配备钢拱架安装器与喷锚等辅助设备进行支护，护盾式TBM利用钢模板支撑作为洞内支护手段。一般TBM与所选的地质是相对应的,敞开式TBM常用于地层较好的硬岩，护盾式TBM既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。但是，工况中存在复杂围岩的地层，Ⅱ、Ⅲ类占比居多的围岩中夹杂着占比不少的Ⅳ、Ⅴ类围岩，如采用敞开式TBM，在Ⅱ、Ⅲ类围岩中支护量少，施工安全风险低，节约钢拱架材料量，遇到Ⅳ、Ⅴ类围岩，会增大钢拱架安装量和施工工作量，还可能遇到软岩大变形、塌方，来不及做钢拱架支护的情况，对设备造成破坏性毁坏；如采用护盾式TBM，采用钢模板支护，能避免上述问题，保证施工人员安全，但由于TBM施工掘进距离较盾构而言均比较长，在Ⅱ、Ⅲ类围岩中拼钢模板会占用大量掘进时间以及材料资源，而在Ⅳ、Ⅴ类围岩中，钢模板能够很好地支护防变形以及保护施工安全。如何使两种支护方式结合，发挥两种支护方式的优点是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双模式支护控制系统，可以针对不同等级围岩，采取不同支护形式，保证TBM安全且快速掘进。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双模式支护控制系统，其包括：用于带动钢模板移动或转动的钢模板拼装部，其包括固定环、旋转环、提升装置以及抓具装置；电控部；所述拼装机还包括：

钢拱架拼装部，其包括与所述固定环相固定连接钢拱架拼装架、安装于所述钢拱架拼装架上的多个钢拱架抓手、若干个钢拱架举升机构，所述钢拱架拼装架呈环形，每个所述钢拱架抓手包括伸缩组件、多组安装于所述伸缩组件上且可调节相对间距的导轮组件，同一个所述钢拱架抓手上的相对的所述导轮组件之间形成夹持空间，所述夹持空间向径向延伸的空间为牵引空间；

钢拱架牵引装置，其安装于所述旋转环上且具有部分位于所述牵引空间，且该部分与所述钢拱架牵引装置相连接；

电控部，其包括PLC、HMI、钢拱架接口模块、钢模板接口模块、遥控器接收器和拼装机编码器。

优化的，所述电控部通过PROFINET网络和PROFIBUS-DP网络进行连接，所述无线遥控系统主要有无线发射器和无线接收器组成。

优化的，所述伸缩组件包括底座、安装于所述底座上的外套管、穿设于所述外套管内的内套管、设于所述外套管和内套管形成的腔体内带动所述的内套管相对所述外套管滑动的第一伸缩件，所述导轮组件设于所述内套管的上端部，所述导轮组件包括固定于所述内套管上端部的U形支撑架、安装于所述U形支撑架上的安装翼板、转动连接于所述安装翼板上的导轮叉、转动连接于所述导轮叉上的导向轮、使所述导向叉和所述安装翼板转动连接的第一转轴、固定于所述第一转轴上的耳板以及用于驱动所述导轮叉靠拢和远离的第二伸缩件，所述第二伸缩件的两端部转动连接于相对的两个第一转轴上的所述耳板上，所述导向轮的转动轴线、导轮叉的转动轴线以及所述第二伸缩件与所述耳板连接的转轴的轴线相平行且与所述内套管的伸缩方向相平行，所述第一伸缩件的上端和下端分别与所述内套管和所述外套管相转动连接。

优化的，所述抓具装置包括

抓具架；

提升油缸，其用于提升所述抓具架，其固定安装于所述旋转环上；

第一抓具转轴，其转动连接于所述抓具架上；

安装箱，其与所述第一抓具转轴相固定连接；

平推油缸，其用于推动所述安装箱绕所述第一抓具转轴转动，其两端部转动连接于所述安装箱与所述抓具架上，其伸缩方向始终与所述第一抓具转轴的轴心线相垂直；

第二抓具转轴，其转动连接于所述安装箱上；

吊架，其套设于所述第二抓具转轴上；

安装罩，其与所述吊架相固定连接；

抵紧油缸，其固定安装于所述安装罩内；

所述第一抓具转轴的轴线与所述提升油缸的提升方向相平行，所述第二抓具转轴的轴线与所述第一抓具转轴和平推油缸的伸缩方向均相垂直。

进一步的，所述吊架的上端部设于所述安装箱内，且所述第二抓具转轴穿设于所述吊架的上端部上。

进一步的，所述抓具装置还包括固定于所述安装箱的侧部，且伸缩方向与所述第一抓具转轴相平行的顶紧油缸，以及连接于所述顶紧油缸自由端上的顶紧板。

更进一步的，所述安装箱的两侧分别设有两个所述顶紧油缸，且同一侧两个所述顶紧油缸的自由端分别与所述顶紧板相转动连接。

优化的，所述钢拱架举升机构其包括两组固定于所述钢拱架拼装架上的导向框和举升油缸，所述导向框上开设有供通过槽，所述钢拱架举升机构还包括转动连接在所述导向框内且摆动区域至少具有部分在所述通过槽内的压紧摆杆、用于使所述压紧摆杆具有朝向通过槽摆动趋势的压紧件。

本发明还提供了一种基于上述控制系统的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

首先无线发射器通过触发钢拱架拼装机和钢模板拼装机的信号，通过无线传输到遥控器接收器中，

其次通过PROFIBUS-DP工业通讯网络传输到PLC中，通过遥控器发射器启动动力泵站，选择模式：

在钢拱架模式下启动钢拱架泵站，选择左右两组举升机构，将钢拱架举升到导轮组件位置，选择1-6号导轮组件以及伸缩组件，操作导轮组件以及伸缩组件伸缩，将钢拱架拼装成环，并操作拼装机旋转和前后滑动将钢拱架拼圆并移动到需要的位置，完成钢拱架拼装；

在钢模板拼装模式下，启动钢模板拼装机泵站，通过遥控器发射器控制抓具装置进行抓取伸动作和顶紧伸动作将钢模板固定在拼装机上，选择提升装置动作将钢模板提升到位，选择钢拱架/拼装滑动和旋转将钢模板前后移动和旋转，依次将钢模板整环的6块管片拼装成环并固定，完成钢管片拼装。

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：在敞开式TBM在软弱围岩（Ⅳ、Ⅴ类围岩）可拼装钢模板支护，减少硬岩掘进过程中敞开式TBM中钢拱架支护工作量，降低施工中发生软岩变形导致钢拱架变形风险，以及洞内塌方的风险。与此同时，在较硬类围岩（Ⅱ、Ⅲ类围岩）依旧能满足钢拱架拼装功能；在护盾式TBM在在较硬类围岩（Ⅱ、Ⅲ类围岩）可采用拼装钢拱架进行支护，满足施工安全性前提下，节省钢模板材料成本，同时节省钢模板运输时间，安全又高效的掘进。在软弱围岩（Ⅳ、Ⅴ类围岩）掘进过程中，依旧能满足钢模板拼装功能；钢拱架和钢模板拼装机控制系统融为一体，无论TBM在敞开式模式还是压注模式下都能够实现TBM支护系统的无线操作，能够实现远程的集中控制，提高了TBM支护系统的效率和支护质量，极大的减少了施工过程中的劳动强度。

附图说明

图1为本发明的双模式支护控制系统和方法的主视图；

图2为钢拱架抓手的立体图；

图3为钢拱架抓手的主视图；

图4为抓具装置的主视图；

图5为平推油缸与安装箱的连接结构示意图；

图6为TBM在软弱类围岩（Ⅳ、Ⅴ类围岩）拼装钢模板示意；

图7为TBM在较硬类围岩（Ⅱ、Ⅲ类围岩）拼装钢拱架示意图；

图8为控制流程图。

图9为PLC控制系统图。

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。

如图1所示，双模式支护控制系统和方法包括：钢模板拼装部1，钢拱架拼装部2和钢拱架牵引装置3。

钢模板拼装部1用于带动钢模板移动或转动，其包括固定环11、旋转环12、提升装置13以及抓具装置14。

如图4/5所示，抓具装置14包括抓具架141；第一抓具转轴142，其转动连接于抓具架141上；安装箱143，其与第一抓具转轴142相固定连接；平推油缸144，其用于推动安装箱143绕第一抓具转轴142转动，其两端部转动连接于安装箱143的第一延伸架1431与抓具架141的第二延伸架1411上，其伸缩方向始终与第一抓具转轴142的轴心线相垂直；第二抓具转轴145，其转动连接于安装箱143上；吊架146，其套设于第二抓具转轴145上；安装罩147，其与吊架146相固定连接；抵紧油缸148，其固定安装于安装罩147内；第一抓具转轴142的轴线与提升油缸的提升方向相平行，第二抓具转轴145的轴线与第一抓具转轴142和平推油缸144的伸缩方向均相垂直。吊架146的上端部设于安装箱143内，且第二抓具转轴145穿设于吊架146的上端部上。抓具装置14还包括固定于安装箱143的侧部1431上且伸缩方向与第一抓具转轴142相平行的顶紧油缸149，以及连接于顶紧油缸149自由端上的顶紧板140。安装箱143的两侧分别设有两个顶紧油缸149，且同一侧两个顶紧油缸149的自由端分别于顶紧板140相转动连接。提升装置13为提升油缸，其用于提升抓具架141，其固定安装于旋转环12上。

如图2/3所示，钢拱架拼装部2包括与固定环11相固定连接钢拱架拼装架21、安装于钢拱架拼装架21上的多个钢拱架抓手22、若干个钢拱架举升机构23，钢拱架拼装架21呈环形，每个钢拱架抓手22包括伸缩组件221、多组安装于伸缩组件221上且可调节相对间距的导轮组件222以及安装于相对的导轮组件222之间的滚轮223。同一个钢拱架抓手22上的相对的导轮组件222之间形成夹持空间，夹持空间向径向延伸的空间为牵引空间。

伸缩组件221包括底座2211、安装于底座2211上的外套管2212、穿设于外套管2212内的内套管2213、设于外套管2212和内套管2213形成的腔体内带动的内套管2213相对外套管2212滑动的第一伸缩件2214，将第一伸缩件2214在伸缩过程中受到的与伸缩方向相切斜的力分摊到外套管2212和内套管2213上，能降低第一伸缩件2214的受损程度，且第一伸缩件2214的底部与底座2211转动连接，能进一步降低其受损可能。导轮组件222设于内套管2213的上端部。

导轮组件222包括固定于内套管2213上端部的U形支撑架2221、安装于U形支撑架2221上的安装翼板2222、转动连接于安装翼板2222上的导轮叉2223、转动连接于导轮叉2223上的导向轮2226、使导向叉和安装翼板2222转动连接的第一转轴2224、固定于第一转轴2224上的耳板2225以及用于驱动导轮叉2223靠拢和远离的第二伸缩件2227，第二伸缩件2227的两端部转动连接于相对的两个第一转轴2224上的耳板2225上，导向轮2226的转动轴线、导轮叉2223的转动轴线以及第二伸缩件2227与耳板2225连接的转轴的轴线相平行且与内套管2213的伸缩方向相平行。第一伸缩件2214的上端和下端分别与内套管2213和外套管2212相转动连接。第一伸缩件2214和第二伸缩件2227均为油缸。

钢拱架举升机构23其包括固定于钢拱架拼装架21上的导向框231，导向框231上开设有供通过槽232，钢拱架举升机构23还包括转动连接在导向框231内且摆动区域至少具有部分在通过槽232内的压紧摆杆233、用于使压紧摆杆233具有朝向通过槽232摆动趋势的压紧件234，压紧件234为油缸。

钢拱架牵引装置3，其安装于旋转环12上且具有部分位于牵引空间，且该部分与钢拱架牵引装置3相连接。在本实施例中，钢拱架牵引装置3包括L型的主连杆31以及固定于主连杆31上的加强杆32，由于钢拱架拼装架21位于导轮组件222的中间，因此钢拱架拼装架21的径向方向与夹持空间和牵引空间重合，为了便于主连杆31与弧形的钢拱架连接，且在转动时不与导轮组件222发生干涉，主连杆31的下端部具有部分位于钢拱架拼装架21下方。

钢模板拼装部1具备5个自由度（钢模板前后移动、上下提升、圆周旋转、钢模板自身旋转）抓取钢模板01，采用双向油缸插销式抓取钢模板，可实现自动作业。

钢拱架牵引装置3充分利用钢模板拼装部1的旋转环12的±200°旋转，从而实现钢拱架02±360°牵引，最终连接成一个完整圆环。钢拱架拼装时，钢拱架被均匀分布的导向轮2226组件限位于夹持空间内，其在夹持空间内的移动轨迹与钢拱架拼装架21同轴，钢拱架的内侧壁与滚轮223相接触，当钢拱架牵引装置3随钢模板拼装部1的旋转环12转动时，会带动与L型主连杆31连接的钢拱架转动。

钢拱架拼装装置包含：6组钢拱架抓手22、2组钢拱架举升机构23，其中上下2组钢拱架抓手22能承受25T顶推力，在围岩变形导致钢拱架变形时，可实现一定的顶力，保障现场施工安全性。钢拱架拼装前后移动由钢模板拼装部1的固定环11主导牵引。

图6所示为TBM在软弱类围岩（Ⅳ、Ⅴ类围岩）拼装钢模板示意，操作流程：钢模板吊机将钢模板输送到钢模板拼装部1的抓具装置14的工作范围，拼装机抓具的抵紧油缸148采用双向油缸插销方式抓取钢模板，其活塞杆插入钢模板上开设的孔内，调整钢模板姿态，实现整环拼装。另外，其中具备TBM在转弯掘进时同样调整钢模板姿态，实现整环拼装的功能。

图7所示为TBM在较硬类围岩（Ⅱ、Ⅲ类围岩）拼装钢拱架示意图，操作流程：将钢拱架通过运输到钢拱架举升机构23，利用旋转环12带动钢拱架牵引装置3，牵引装置带动钢拱架圆周运动，与此同时，导轮抓手依次抓取钢拱架，完成整环钢拱架的抓取，通过各个抓手的顶升油缸，最后将整环钢拱架撑在洞壁，实现洞内围岩支护。

基于上述控制系统的控制方法，其包括以下步骤：

首先无线发射器通过触发钢拱架拼装机和钢模板拼装机的信号，通过无线传输到遥控器接收器中，

其次通过PROFIBUS-DP工业通讯网络传输到PLC中，通过遥控器发射器启动动力泵站，选择模式：

在钢拱架模式下启动钢拱架泵站，选择左右两组举升机构，将钢拱架举升到导轮组件位置，选择1-6号导轮组件以及伸缩组件，操作导轮组件以及伸缩组件伸缩，将钢拱架拼装成环，并操作拼装机旋转和前后滑动将钢拱架拼圆并移动到需要的位置，完成钢拱架拼装；

在钢模板拼装模式下，启动钢模板拼装机泵站，通过遥控器发射器控制抓具装置进行抓取伸动作和顶紧伸动作将钢模板固定在拼装机上，选择提升装置动作将钢模板提升到位，选择钢拱架/拼装滑动和旋转将钢模板前后移动和旋转，依次将钢模板整环的6块管片拼装成环并固定，完成钢管片拼装。

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 (9)

1.一种双模式支护控制系统，其包括：用于带动钢模板移动或转动的钢模板拼装部，其包括固定环、旋转环、提升装置以及抓具装置；电控部；其特征在于，所述拼装机还包括：

钢拱架拼装部，其包括与所述固定环相固定连接钢拱架拼装架、安装于所述钢拱架拼装架上的多个钢拱架抓手、若干个钢拱架举升机构，所述钢拱架拼装架呈环形，每个所述钢拱架抓手包括伸缩组件、多组安装于所述伸缩组件上且可调节相对间距的导轮组件，同一个所述钢拱架抓手上的相对的所述导轮组件之间形成夹持空间，所述夹持空间向径向延伸的空间为牵引空间；

钢拱架牵引装置，其安装于所述旋转环上且具有部分位于所述牵引空间，且该部分与所述钢拱架牵引装置相连接；

电控部，其包括PLC、HMI、钢拱架接口模块、钢模板接口模块、遥控器接收器和拼装机编码器。

2.根据权利要求1所述的双模式支护控制系统，其特征在于：所述电控部通过PROFINET网络和PROFIBUS-DP网络进行连接，所述无线遥控系统主要有无线发射器和无线接收器组成。

3. 根据权利要求1所述的双模式支护控制系统，其特征在于：所述伸缩组件包括底座、安装于所述底座上的外套管、穿设于所述外套管内的内套管、设于所述外套管和内套管形成的腔体内带动所述的内套管相对所述外套管滑动的第一伸缩件，所述导轮组件设于所述内套管的上端部，所述导轮组件包括固定于所述内套管上端部的U形支撑架、安装于所述U形支撑架上的安装翼板、转动连接于所述安装翼板上的导轮叉、转动连接于所述导轮叉上的导向轮、使所述导向叉和所述安装翼板转动连接的第一转轴、固定于所述第一转轴上的耳板以及用于驱动所述导轮叉靠拢和远离的第二伸缩件，所述第二伸缩件的两端部转动连接于相对的两个第一转轴上的所述耳板上，所述导向轮的转动轴线、导轮叉的转动轴线以及所述第二伸缩件与所述耳板连接的转轴的轴线相平行且与所述内套管的伸缩方向相平行，所述第一伸缩件的上端和下端分别与所述内套管和所述外套管相转动连接。

4.根据权利要求1所述的双模式支护控制系统，其特征在于：所述抓具装置包括

抓具架；

提升油缸，其用于提升所述抓具架，其固定安装于所述旋转环上；

第一抓具转轴，其转动连接于所述抓具架上；

安装箱，其与所述第一抓具转轴相固定连接；

平推油缸，其用于推动所述安装箱绕所述第一抓具转轴转动，其两端部转动连接于所述安装箱与所述抓具架上，其伸缩方向始终与所述第一抓具转轴的轴心线相垂直；

第二抓具转轴，其转动连接于所述安装箱上；

吊架，其套设于所述第二抓具转轴上；

安装罩，其与所述吊架相固定连接；

抵紧油缸，其固定安装于所述安装罩内；

所述第一抓具转轴的轴线与所述提升油缸的提升方向相平行，所述第二抓具转轴的轴线与所述第一抓具转轴和平推油缸的伸缩方向均相垂直。

5.根据权利要求4所述的双模式支护控制系统，其特征在于：所述吊架的上端部设于所述安装箱内，且所述第二抓具转轴穿设于所述吊架的上端部上。

6.根据权利要求4所述的双模式支护控制系统，其特征在于：所述抓具装置还包括固定于所述安装箱的侧部，且伸缩方向与所述第一抓具转轴相平行的顶紧油缸，以及连接于所述顶紧油缸自由端上的顶紧板。

7.根据权利要求6所述的双模式支护控制系统，其特征在于：所述安装箱的两侧分别设有两个所述顶紧油缸，且同一侧两个所述顶紧油缸的自由端分别与所述顶紧板相转动连接。

8.根据权利要求1所述的双模式支护控制系统，其特征在于：所述钢拱架举升机构其包括两组固定于所述钢拱架拼装架上的导向框和举升油缸，所述导向框上开设有供通过槽，所述钢拱架举升机构还包括转动连接在所述导向框内且摆动区域至少具有部分在所述通过槽内的压紧摆杆、用于使所述压紧摆杆具有朝向通过槽摆动趋势的压紧件。

9.一种基于上述权利要求1-8中任一所述控制系统的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

首先无线发射器通过触发钢拱架拼装机和钢模板拼装机的信号，通过无线传输到遥控器接收器中，

其次通过PROFIBUS-DP工业通讯网络传输到PLC中，通过遥控器发射器启动动力泵站，选择模式：

在钢拱架模式下启动钢拱架泵站，选择左右两组举升机构，将钢拱架举升到导轮组件位置，选择1-6号导轮组件以及伸缩组件，操作导轮组件以及伸缩组件伸缩，将钢拱架拼装成环，并操作拼装机旋转和前后滑动将钢拱架拼圆并移动到需要的位置，完成钢拱架拼装；

在钢模板拼装模式下，启动钢模板拼装机泵站，通过遥控器发射器控制抓具装置进行抓取伸动作和顶紧伸动作将钢模板固定在拼装机上，选择提升装置动作将钢模板提升到位，选择钢拱架/拼装滑动和旋转将钢模板前后移动和旋转，依次将钢模板整环的6块管片拼装成环并固定，完成钢管片拼装。

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