CN112096397A - 基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统及方法，该系统包括：负载端控制模块和推进端控制模块，负载端控制模块包括安装于负载千斤顶的第一采集单元、第一计算单元以及连接于第一采集单元、第一计算单元和负载千斤顶的第一控制单元；推进端控制模块包括安装于推进千斤顶的第二采集单元、第二计算单元、连接于第二采集单元、第二计算单元和推进千斤顶的第二控制单元、连接于第二采集单元和第二控制单元的第三计算单元、第四计算单元以及连接于推进千斤顶的第三控制单元，第四计算单元连接于第三计算单元和第三控制单元。本发明解决了对于盾构机的负载动力学研究多为理论研究，而无法模拟地层中土体荷载的问题。

Description

基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统及方法

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，具体涉及一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统及方法。

背景技术

在盾构施工中，盾构机主要依靠其后方的推进系统实现在地层中的掘进，并完成隧道的构筑。

现阶段，国内外有大量的研究成果针对盾构机在多种荷载条件下的负载动力学理论，亦有根据盾构机在实际工程中的掘进表现对其进行姿态的分析并进一步提出纠偏的方法。然而，理论的研究往往基于多种假定，且由于土体极为复杂的力学性质导致的土体荷载很难精确计算获得；实际工程反应的盾构机姿态表现又受限于各种地层条件以及盾构司机的操作习惯。

发明内容

为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统及方法，以解决对于盾构机的负载动力学研究多为理论研究，而无法模拟地层中土体荷载的问题。

为实现上述目的，提供一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统，盾构试验平台包括反力架、多个负载千斤顶、移动式承台和待测中体，所述反力架包括相对设置的前架体和后架体，所述负载千斤顶架设于所述前架体的内侧，所述负载千斤顶的第一端连接于所述前架体，所述负载千斤顶的第二端和所述后架体之间形成供待测中体容置的容置空间，所述移动式承台设置于所述容置空间中，所述待测中体包括支承环、安装于所述支承环的多个推进千斤顶和管片拼装机，模拟盾构推拼同步控制系统包括：

负载端控制模块，包括用于实时采集所述负载千斤顶的第一压力值的第一采集单元、用于基于预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩以及负载端算法模型，计算获得所述负载千斤顶的预设压力值的第一计算单元以及用于获取所述第一压力值和所述预设压力值并调节所述负载千斤顶的压力值，使得所述负载千斤顶的第一压力值适配于所述预设压力值的第一控制单元，所述第一采集单元安装于所述负载千斤顶，所述第一控制单元连接于所述第一采集单元、所述第一计算单元和所述负载千斤顶；以及

推进端控制模块，包括用于实时采集所述推进千斤顶的第二压力值的第二采集单元、用于基于所述预设总负载力、所述负载水平力矩和所述负载垂直力矩，计算获得所有的所述推进千斤顶的初始压力值的第二计算单元、用于获取所述初始压力值并基于所述初始压力值调节所有的所述推进千斤顶同时推进，使得所述待测中体以初始姿态稳定推进的第二控制单元、用于基于所述推进千斤顶的第二压力值，计算获得所述待测中体的常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩的第三计算单元、用于基于稳定推进后的所述常规总推力、所述常规水平力矩、所述常规垂直力矩及预设的同步推拼分区算法模型，计算获得推进区段的所述推进千斤顶的同步推进压力值的第四计算单元以及用于基于所述同步推进压力值分别调节推进区段的所述推进千斤顶的第二压力值匹配于所述同步推进压力值、回缩区段的所述推进千斤顶回缩，使得推进区段的所述推进千斤顶的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩分别匹配于所述常规总推力、所述常规水平力矩和所述常规垂直力矩的第三控制单元，所述第二采集单元安装于所述推进千斤顶，所述第二控制单元连接于所述第二采集单元、所述第二计算单元和所述推进千斤顶，所述第三计算单元连接于所述第二采集单元和所述第二控制单元，所述第四计算单元连接于所述第三计算单元和所述第三控制单元，所述第三控制单元连接于所述推进千斤顶。

进一步的，还包括显示模块，所述显示模块连接于所述第一控制单元、所述第二控制单元和所述第三控制单元。

进一步的，所述负载端控制模块还包括用于基于所述负载千斤顶的第一压力值计算获得所述负载千斤顶的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩的第五计算单元，所述第五计算单元连接于所述第一采集单元和第一控制单元。

进一步的，所述第一采集单元包括用于实时采集所述负载千斤顶的压力值的压力传感器和用于实时采集所述负载千斤顶的行程值的位移传感器，所述压力传感器和所述位移传感器分别安装于所述负载千斤顶，所述压力传感器和所述位移传感器分别连接于所述第一控制单元。

进一步的，所述第二采集单元包括用于实时采集所述推进千斤顶的压力值的压力传感器和用于实时采集所述推进千斤顶的行程值的位移传感器，所述压力传感器和所述位移传感器分别安装于所述推进千斤顶，所述压力传感器和所述位移传感器分别连接于所述第二控制单元、第三计算单元。

本发明提供一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统的控制方法，包括以下步骤：

负载端控制模块的第一采集单元实时采集负载千斤顶的第一压力值；

所述负载端控制模块的第一计算单元基于预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩以及负载端算法模型，计算获得所述负载千斤顶的预设压力值；

所述负载端控制模块的第一控制单元获取所述第一压力值和所述预设压力值并调节所述负载千斤顶的压力值，使得所述负载千斤顶的第一压力值适配于所述预设压力值；

在所述负载千斤顶的第一压力值适配于所述预设压力值后，推进端控制模块的第二采集单元实时采集推进千斤顶的第二压力值，所述推进端控制模块的第三计算单元基于所述第二压力值，计算获得所述待测中体的常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩；

所述推进端控制模块的第二计算单元获取所述预设总负载力、所述负载水平力矩和所述负载垂直力矩，计算获得所有的所述推进千斤顶的初始压力值；

所述推进端控制模块的第二控制单元获取所述初始压力值，并基于所述初始压力值调节所有的所述推进千斤顶同时推进，使得所述待测中体以初始姿态稳定推进；

在所述待测中体以初始姿态稳定推进后，所述推进端控制模块的第四计算单元基于稳定推进后的所述常规总推力、所述常规水平力矩、所述常规垂直力矩及预设的同步推拼分区算法模型，计算获得推进区段的所述推进千斤顶的同步推进压力值；

第三控制单元获取所述同步推进压力值并分别调节推进区段的所述推进千斤顶的第二压力值匹配于所述同步推进压力值、回缩区段的所述推进千斤顶回缩，使得推进区段的所述推进千斤顶的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩分别匹配于所述常规总推力、所述常规水平力矩和所述常规垂直力矩。

本发明的有益效果在于，本发明的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统及方法，通过负载端控制模块基于预设总负载力、负载水平力矩差和负载垂直力矩差以模拟不同地质条件下盾构的负载特征，通过搭载不同型号的待测中体的推进千斤顶的待测中体以研究在不同推进系统矢量顶力组态分布策略情况下盾构机的姿态控制以及液压电气控制的可行性，试验具备安全性、可靠性以及可重复性三大特征，所得数据真实可靠，对于研究盾构推拼同步过程中，盾构姿态参数以及液压控制系统的响应能力意义重大，为盾构机的负载动力学研究提供了数据论证，推动构机的负载动力学的理论研究。

附图说明

图1为本发明实施例的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统的模块示意图。

图2为本发明实施例的盾构试验平台的结构示意图。

图3为本发明实施例的盾构试验平台的主视图。

图4为本发明实施例的盾构试验平台的右视图。

图5为本发明实施例的盾构试验平台的左视图。

图6为本发明实施例的盾构试验平台的分解示意图。

图7为本发明实施例的反力架的结构示意图。

图8为本发明实施例的支撑架的结构示意图。

图9为本发明实施例的后架体的结构示意图。

图10为本发明实施例的负载千斤顶的安装状态示意图。

图11为本发明实施例的支撑架的主视图。

图12为本发明实施例的移动式承台的结构示意图。

图13为本发明实施例的移动式承台的俯视图。

图14为本发明实施例的待测中体的结构示意图。

图15为本发明实施例的负载千斤顶的荷载计算示意图。

图16为本发明实施例的负载千斤顶的压力线性分布图。

图17为本发明实施例的推进千斤顶的顶推力分布示意图。

图18为本发明实施例的同步推拼分区算法模型的标准块管片推拼时的推进千斤顶的压力分布图。

图19为本发明实施例的同步推拼分区算法模型的封顶块管片推拼时的推进千斤顶的压力分布图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1为本发明实施例的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统的模块示意图、图2为本发明实施例的盾构试验平台的结构示意图、图3为本发明实施例的盾构试验平台的主视图、图4为本发明实施例的盾构试验平台的右视图、图5为本发明实施例的盾构试验平台的左视图、图6为本发明实施例的盾构试验平台的分解示意图、图7为本发明实施例的反力架的结构示意图、图8为本发明实施例的支撑架的结构示意图、图9为本发明实施例的后架体的结构示意图、图10为本发明实施例的负载千斤顶的安装状态示意图、图11为本发明实施例的支撑架的主视图、图12为本发明实施例的移动式承台的结构示意图、图13为本发明实施例的移动式承台的俯视图、图14为本发明实施例的待测中体的结构示意图。图15为本发明实施例的负载千斤顶的荷载计算示意图、图16为本发明实施例的负载千斤顶的压力线性分布图、图17为本发明实施例的推进千斤顶的顶推力分布示意图、图18为本发明实施例的同步推拼分区算法模型的标准块管片推拼时的推进千斤顶的压力分布图、图19为本发明实施例的同步推拼分区算法模型的封顶块管片推拼时的推进千斤顶的压力分布图。

参照图1至图19所示，本发明提供了一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统，包括：负载端控制模块和推进端控制模块。

其中，负载端控制模块包括第一采集单元a、第一计算单元c以及第一控制单元b。第一采集单元a安装于负载千斤顶2。第一控制单元b连接于第一采集单元a、第一计算单元c和负载千斤顶2。第一采集单元a连接于第一计算单元c。

推进端控制模块包括第二采集单元e、第二计算单元f、第二控制单元h、第三计算单元g、第四计算单元j以及第三控制单元i。第二采集单元e安装于推进千斤顶53。第二控制单元h连接于第二采集单元e、第二计算单元f和推进千斤顶53。第三计算单元g连接于第二采集单元e和第二控制单元h。第四计算单元j连接于第三计算单元g和第三控制单元i。第三控制单元i连接于推进千斤顶53和第二控制单元h。

在本实施例中，盾构试验平台包括：反力架1、负载千斤顶2、移动式承台3和待测中体5。具体的，反力架1包括前架体11和后架体12。前架体11和后架体12相对设置。负载千斤顶2架设于前架体11的内侧。负载千斤顶2的具有相对的第一端和第二端。负载千斤顶2的第一端连接于前架体11。负载千斤顶2的第二端和后架体12之间形成容置空间。移动式承台3设置于容置空间中。

盾构机的中体，设于盾构机的中部，用以承受地层压力、推进千斤顶推力及其他施工荷载的钢圆环。在本实施例中，待测中体5用于模拟盾构机的中体。具体的，待测中体5包括支承环51、负载环板52、推进千斤顶53和管片拼装机54。支承环通常用钢板卷焊而成，必要时可附加肋筋，加大刚度。支承环51内设又用于盾构推进的推进千斤顶53、液压动力设备、操纵控制台。支承环51的前端(即面向前架体的一端)安装有负载环板52，支承环51的后端安装有管片拼装机54。负载环板呈环形，负载千斤顶2的数量为多个，多个负载千斤顶沿负载环板的圆周方向等间距设置。负载千斤顶的第二端压抵于负载环板上。推进千斤顶53即为待测推进千斤顶。推进千斤顶的数量为多个，多个推进千斤顶53安装于支承环51的内侧，且多个推进千斤顶沿支承环的内圆周面方向间隔等间距设置。每一个推进千斤顶则沿支承环的轴向方向设置，推进千斤顶伸出支承环的后端并对准于后架体。推进千斤顶用于推抵后架体或管片。

在试验时，待测中体吊装至容置空间中并放置于移动式承台上。移动式承台支撑于支承环的下部。负载千斤顶的第二端用于向后顶推待测中体的负载环板，即对待测中体施加朝向后架体的推力。在负载千斤顶向后推顶待测中体以及待测中体的推进千斤顶推顶后架体模拟掘进时，移动式承台3跟随待测中体一同移动。

在负载端控制模块中，第一采集单元a，用于实时采集负载千斤顶2的第一压力值。

第一计算单元c，用于基于预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩以及负载端算法模型，计算获得所述负载千斤顶2的预设压力值。

第一控制单元b，用于获取第一压力值和预设压力值并调节负载千斤顶2的压力值，使得负载千斤顶2的第一压力值适配于所述预设压力值的。

在推进端控制模块中，第二采集单元e，用于实时采集推进千斤顶53的第二压力值。

第二计算单元f，用于基于预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩，计算获得所有的推进千斤顶53的初始压力值。

第二控制单元h，用于获取初始压力值并基于初始压力值调节所有的推进千斤顶53同时推进，使得待测中体以初始姿态稳定推进。

第三计算单元g，用于基于推进千斤顶53的第二压力值，计算获得待测中体的常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩。

第四计算单元j，用于基于稳定推进后的常规总推力、常规水平力矩、常规垂直力矩及预设的同步推拼分区算法模型，计算获得推进区段的推进千斤顶53的同步推进压力值。

第三控制单元i，用于基于同步推进压力值分别调节推进区段的推进千斤顶53的第二压力值匹配于同步推进压力值、回缩区段的推进千斤顶53回缩，使得推进区段的推进千斤顶53的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩分别匹配于所述常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩的。

在本实施例中，待测中体的推进千斤顶有两个工作模式，即常规推进模式和同步推拼模式。

其中，常规推进模式是指所有的推进千斤顶的同时推进，然后停止，接着管片拼装机的管片拼装，如此推进与管片拼装交替进行的模式。

同步推拼模式，则是在盾构机开始了常规模式拼装了一段里程的多环管片后，部分推进千斤顶推进，部分推进千斤顶回缩。回缩的推进千斤顶与已拼装好的管片之间形成至少一管片宽度的空间，则管片拼装机拼装该空间内的管片，使得在盾构机推进过程中也能实现管片的拼装。

在拼推同步模式时，将沿待测中体的支承环的圆周方向布设一圈的推进千斤顶划分成多个区段，多个区段包括一回缩区段和奇数个推进区段。同一个推进区段中的多个推进千斤顶的压力值或油压开度相同。其中，一推进区段与回缩区段相对设置。具体的，以过回缩区段的中心的一待测中体的支承环的直径为对称轴线呈轴对称设置，即回缩区段和该推进区段分别以该对称轴线呈轴对称设置。其余的偶数个推进区段，分别对称设置于回缩区段和与回缩区段相对设置的推进区段的相对两侧之间。

在本实施例中，待测中体的多个推进千斤顶沿支承环的圆周方向均匀的间隔设置。在拼装每一块管片时，将多个推进千斤顶划分为多个推进区段和一回缩区段，相邻的两块管片拼装时划分的推进区段以及回缩区段的位置是不相同的。

多个推进区段的推进千斤顶的实时推力之和以及产生的合力矩分别等于多个推进千斤顶的常规推力之和与产生的合力矩。多个推进千斤顶的常规推力之和与产生的合力矩，即在常规模式下，推进千斤顶先推进后停止，再进行管片拼装，如此交替进行的模式下的多个推进千斤顶的推力之和与产生的合力矩。

待测中体的每个推进千斤顶，在常规推进模式下，在第二控制单元的控制下，都能独立控制推力大小。

在同步推拼模式下，在第三控制单元的控制下每一个推进区段中的多个推进千斤顶以相同压力(油压开度值)同步动作。第三控制单元则控制回缩区段的推进千斤顶回缩，同时控制其余的推进区段的推进千斤顶伸出，使得盾构机保持以原速度和姿态进行推行，同时控制器控制管片拼装机拼装该回缩区段的管片，再依次完成一整环管片拼装。

在本实施例中，后架体12开设有贯通的管片输送洞。管片输送洞对准于待测中体的后端。管片通过所述管片输送洞输送至管片拼装机。

具体的，后架体12的内侧安装有受力环板121。受力环板121用于支撑第一环管片6的受力环板121。受力环板121与管片输送洞同轴设置。受力环板的尺寸适配于盾构机中体的后端的尺寸。

在试验时，负载千斤顶伸出并向后推动待测中体的负载环板，使得待测中体的后端的推进千斤顶压抵于后架体的受力环板121上。

作为一种较佳的实施方式，前架体11和后架体12之间连接有拉结杆13。拉结杆13的两端与前架体11、后架体12之间分别连接有斜撑14。

具体的，前架体11和后架体12为尺寸相同的架体。

前架体11由型钢焊接形成井字形结构，在其中心处设置洞圈，并在洞圈周围表面焊接固定板，固定板连接于负载千斤顶的第一端，用于支撑负载千斤。

后架体12由型钢焊接成矩形框架，依靠四边焊接受力环板121，作为盾构机中体的推进千斤顶(或推进油缸)或者第一环管片的后支承。

拉结杆13连接前架体11和后架体12的四个角部对应位置，以形成闭合框架，即反力架1。

拉结杆与其两侧的前架体11、后架体12的角部位置之间连接有斜撑，以起到保持整个反力架形状的作用。

作为一种较佳的实施方式，本发明的盾构推进模拟试验平台还包括支撑架21。支撑架21设置于前架体11的内侧(即前架体的面向后架体的一侧)。支撑架21开设有支撑孔，负载千斤顶2穿设于支撑孔中。在本实施例中，负载千斤顶的数量为多个，用于模拟盾构机推进地质层的阻力。支撑孔的位置以及数量，与多个负载千斤顶的位置以及数量相适配。前架体11和支撑架21之间连接有连系杆22。

在本实施例中，支撑架包括竖向设置的板块和支撑于板块下方的支脚。板块开设有多个支撑孔。负载千斤顶一一对应地穿设于板块的支撑孔中。板块呈矩形，板块的四个角都分别通过一连系杆连接于前架体。

作为一种较佳的实施方式，移动式承台3包括：基座31、支承梁32和多个调高千斤顶33。

基座31的底部安装有滚轮312。滚轮的数量为多组。

支承梁32通过顶升千斤顶321可升降地安装于基座31上。支承梁3用于支撑于盾构机中体5的底部。

在试验时，可以通过调节支承梁的高度以调节待测中体的初始姿态。

多个调高千斤顶33安装于基座31上。多个调高千斤顶33分别设置于支承梁32的相对两侧。进一步的，在本实施例中，多个调高千斤顶33沿支承梁32的周向方向间隔设置。

在试验时，待负载千斤顶将待测中体的推进千斤顶推至压抵于后架体后，通过压力传感器监测获得的基座的四个角部的调高千斤顶的油压值，并换算成顶力(即对待测中体的支承环的支撑力)。然后，升高支承梁以等量的支撑力支撑于待测中体的支承环的底部。在支承梁稳定支撑于支承环后，调高千斤顶回缩一距离，在本实施例中，回缩的距离为10mm，使多个调高千斤顶的顶端脱离待测中体的支承环，由于调高千斤顶并未远离待测中体的支承环，多个调高千斤顶起到防止待测中体倾倒的保险作用。

作为一种较佳的实施方式，基座31具有靠近后架体12的第一侧和远离后架体12的第二侧。基座31的第一侧和第二侧分别安装有限位板311，待测中体5的支承环的前后端分别安装有挡板511。二挡板511的位置与二限位板311的位置一一对应。在试验时，将待测中体的支承环搁置于多个调高千斤顶或支承梁上口，二挡板511插设于二限位板311之间，并与二限位板311的位置一一对应。

在待测中体推进过程中或被负载千斤顶推顶过程中，待测中体与移动式承台之间产生相对错动至10mm，待测中体的底部的挡板压抵于基座第一侧或第二侧的限位板上，进而继续带动移动式承台跟随待测中体一起同向运动。

在本实施例中，在支承环51的底部连接有二凸块，二凸块沿支承环的轴向方向间隔设置。在支承梁支撑于待测中体的支承环后，支承梁位于二凸块之间。在待测中体与移动式承台之间产生错位后，支承梁压抵于二凸块中的一凸块，使得移动式承台跟随待测中体一起同向运动。

作为一种较佳的实施方式，本发明的盾构推进模拟试验平台的还包括靶杆4。靶杆4架设于容置空间中，靶杆4沿受力环板121的中轴线长度方向设置。

在待测中体吊装至容置空间后，靶杆4穿设于待测中体5的支承环中。通过调高千斤顶调整待测中体的位置，使得待测中体的支承环的中轴线与靶杆的中轴线重合。

具体的，可以通过实时监测待测中体的支承环的中轴线的空间位置与靶杆的两端(靶点)的空间位置，从而以靶杆为参照物换算得到待测中体的支承环的姿态参数，若待测中体的支承环的中轴线与靶杆的中轴线之间的俯仰角超过0.5°，试验暂停，待重新调试后再进行试验。

在推进过程中，通过实时监测支承环的姿态参数，即支承环的中轴线的初始姿态与实时姿态，若一时间段或时间间隔内初始姿态与实时姿态相吻合，则判定待测中体以稳定的姿态推进。在常规推进模式进行一段时间后，判定待测中体以稳定姿态推进时，则第三计算单元g基于此时采集的推进千斤顶53的第二压力值，计算获得待测中体的常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩以供同步推拼模式下第四计算单元计算获得推进区段的推进千斤顶53的同步推进压力值。

负载端控制模块还包括用于基于负载千斤顶2的第一压力值计算获得所述负载千斤顶2的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩的第五计算单元d，第五计算单元d连接于第一采集单元a和第一控制单元b。

第一采集单元a包括用于实时采集负载千斤顶2的压力值的压力传感器和用于实时采集负载千斤顶2的行程值的位移传感器，压力传感器和位移传感器分别安装于负载千斤顶2，压力传感器和位移传感器分别连接于第一控制单元b。

第二采集单元e包括用于实时采集推进千斤顶53的压力值的压力传感器和用于实时采集推进千斤顶53的行程值的位移传感器，压力传感器和位移传感器分别安装于推进千斤顶53，压力传感器和位移传感器分别连接于第二控制单元h、第三计算单元g。

本发明的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统还包括显示模块和命令输入模块。显示模块连接于第一控制单元b、第二控制单元h和第三控制单元i。命令输入模块连接于第一控制单元、第二控制单元和第三控制单元。

其中命令输入模块为键盘。

通过命令输入模块输入负载千斤顶的预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩。第一控制单元接收预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩并发送至第一计算单元。第二控制单元接收预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩并发送至第二计算单元。

显示模块为显示屏。

显示模块显示负载千斤顶的预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩以及于实时总负载力、实时负载水平力矩和实时负载垂直力矩。

显示模块显示推进千斤顶的初始总推力、水平力矩和垂直力矩以及于实时总推力、实时水平力矩和实时垂直力矩。

显示模块显示通过总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩计算得到的负载合力点位；通过实时总推力、实时水平力矩和实时垂直力矩计算得到的常规推进合力点位以及同步推拼合力点位。

显示模块显示负载千斤顶的第一压力值、行程值以及预设压力值与第一压力值的差值(执行偏差)。

显示模块，在常规推进模式下显示推进千斤顶的第二压力值、行程值以及初始压力值与第二压力值的差值(执行偏差)；在同步推拼模式下显示推进千斤顶的第二压力值、行程值以及同步推进压力值与第二压力值的差值(执行偏差)。

显示模块，待测中体的实时姿态与初始姿态以监测待测中体推进状态是否稳定。

一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：负载端控制模块的第一采集单元a实时采集负载千斤顶2的第一压力值。

S2：负载端控制模块的第一计算单元c基于预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩以及负载端算法模型，计算获得负载千斤顶2的预设压力值。

具体的，负载端算法模型的计算原理如下：

参阅图16，负载端共有6组负载千斤顶组成，沿圆周均匀分布，间隔60°，顶块中心对应分布半径1800mm。2个负载千斤顶为一组，间隔16°，由同一分阀块控制，油压相同。对负载千斤顶编号顺次为A、B、C、D、E、F。

根据分组油缸合力点的计算方法可知，每组油缸计算半径为：

r₀＝0.99×1830＝1811.7≈1812mm。

参阅图15和图16，以盾构掘进方向的反方向为视角，规定负载端直角坐标系XOY中水平向左为X轴正方向，竖直向上为Y轴的正方向。M为合力矩，满足：

其中，M_h-负载＝M_负载cosα，M_v-负载＝M_负载sinα，α为总推力作用点与坐标原点的连线与X正半轴的夹角。

M_h-负载为负载水平合力矩，若为正值(+)，表示水平合力矩作用点位于竖直对称Y轴左侧，若为负值(-)，表示位于竖直对称Y轴右侧；M_v-负载为负载垂直合力矩，若为正值(+)，表示竖直合力矩作用点位于水平对称X轴上方，若为负值(-)，表示位于水平对称X轴下方。

施工人员根据地质、土层的具体情况设定负载千斤顶的预设总负载力(P_总-负载)、负载水平力矩(M_h-负载)和负载垂直力矩(M_v-负载)。通过命令输入模块输入负载千斤顶的预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩。第一控制单元接收预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩并发送至第一计算单元。第二控制单元接收预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩并发送至第二计算单元。参阅图16，当外界给定特定荷载，即P_总-负载、M_h-负载、M_v-负载三个设定参数后，第一控制单元会根据线性原则进行负载千斤顶的油缸压力分布，负载千斤顶P1的油缸压力为P₀，负载千斤顶P2的油缸压力为P₀+P₂，负载千斤顶P3的油缸压力为P₀+2P₂，负载千斤顶P4的油缸压力为P₀+1.5P₁+1.5P₂，负载千斤顶P5的的油缸压力为P₀+2P₁，负载千斤顶P6的油缸压力为P₀+P₁。具体计算如下：

负载端千斤顶总顶推力应满足公式：

6P₀+4.5(P₁+P₂)＝P_总-负载

水平方向合力矩应满足公式：

(P₁-P₂)(N_F+2N_E)＝-M_h-负载

竖直方向合力矩应满足公式：

(P₀+1.5P₁+1.5P₂)·m_D+(2P₀+2P₁+2P₂)·m_E-(2P₀+P₁+P₂)·m_F-P₀·m_A＝-M_r-负载

化简为：

P₀(m_D+2m_E-2m_F-m_A)+(P₁+P₂)(1.5m_D+2m_E-m_F)＝-M_v-负载

经计算，

式中，

K₁＝m_D+2m_E-2m_F-m_A＝0

K₂＝1.5m_D+2m_E-m_F＝3.624

K₃＝N_F+2N_E＝4.707

式中，m_i为各负载千斤顶中心位置与水平对称轴间竖向距离，各位置负载千斤顶对应的数值为：

m_A＝m_D＝r₀＝1.812m；

m_B＝m_C＝m_E＝m_F＝r₀cos60＝0.906m。

式中，N_j-各千斤顶中心位置与竖向对称轴间水平距离，各位置千斤顶对应的数值为：

N_F＝N_B＝N_E＝N_C＝r₀cos30＝1.569m。

负载端控制模块还包括用于基于负载千斤顶的第一压力值计算获得负载千斤顶的实时总推力(负载端合力)、实时水平力矩、实时垂直力矩的第五计算单元，第五计算单元连接于第一采集单元和第一控制单元。

具体的，第五计算单元通过计算模型获得负载千斤顶的实时总推力(负载端合力)、实时水平力矩、实时垂直力矩。由于每组油缸压力并非一致，因此对整个负载端荷载系统进行合力以及合力矩的求解，其计算模型的计算公式如下：

负载端合力：

水平方向合力矩：

竖直方向合力矩：

式中，r₀：负载端有效计算半径，取值1812mm；

P_总·负载：负载端合力值，单位为kN；

M_h··负载、M_V·负载：分别为水平和竖直合力矩，单位为kNm。

S3：负载端控制模块的第一控制单元b获取第一压力值和预设压力值并调节负载千斤顶2的压力值，使得负载千斤顶2的第一压力值适配于预设压力值。

S4：在负载千斤顶2的第一压力值适配于预设压力值后，推进端控制模块的第二采集单元e实时采集推进千斤顶53的第二压力值，推进端控制模块的第三计算单元g基于第二压力值，计算获得待测中体的常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩。

在本实施例中，在常规推进模式进行一段时间后，且待测中体的推进姿态稳定后，第二控制单元获取推进前千斤顶的第二压力值通过计算模型计算获得推进端的实际的常规总推力(合力)和合力矩以便用于后续的同步推拼模式的计算。

计算模型的计算原理如下：

在本实施例中，参阅图17，推进千斤顶有17个，以待测中体的底部的推进千斤顶编号为F₀，其两侧的其余推进千斤顶依次顺序编号为F₁～F₈，F_1’～F_8’。

常规总推力(合力)：

F_总＝∑F_i＝F₁+F₂+......F₈+F₁'+F₂'+......F₈'+F₀

水平方向合力矩：

M_h＝0.566(F₁-F₁')+1.621(F₂-F₂')+2.457(F₃-F₃')+2.961(F₄-F₄')+3.066(F₅-F₅')+2.756(F₆-F₆')+2.074(F₇-F₇')+1.112(F₈-F₈')

竖直方向合力矩：

M_v＝3.027(F₁+F₁')+2.618(F₂+F₂')+1.856(F₃+F₃')+0.843(F₄+F₄')-0.284(F₅+F₅')-1.372(F₆+F₆')-2.275(F₇+F₇')-2.871(F₈+F₈')-3.079F₀

S5：推进端控制模块的第二计算单元f获取预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩，计算获得所有的推进千斤顶的初始压力值。

第二控制单元接收命令输入模块输入的预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩，并对第二计算单元发送，第二计算单元收到后计算得到17个推进千斤顶的初始压力值。

一般待测中体的推进的常规总推力(合力)和合力矩是预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩按一比例放大得到，即常规总推力＝预设总负载力乘以比例系数。比例系数为1.1～1.2。

第二计算单元通过步骤S4的计算模型方向推算出17个推进千斤顶的初始压力值，故计算过程在此不再赘述。

S6：推进端控制模块的第二控制单元h获取初始压力值，并基于初始压力值调节所有的推进千斤顶53同时推进，使得待测中体以初始姿态稳定推进。

第二控制单元连接有姿态监测单元，姿态监测单元中预设待测中体的中轴线的初始姿态三维数据，待测中体安装有位移传感器，第二控制单元连接于位移传感器以获取待测中体的中轴线的实时三维数据，姿态监测单元将初始姿态三维数据与实时三维数据比对，在实时三维数据与初始姿态三维数据不吻合时对第二控制单元发送异常信号。在本实施例中，初始姿态三维数据为一范围值。第二控制单元在某一时段未收到异常信号，则判定待测中体常规推进模式下稳定推进。

S7：在待测中体以初始姿态稳定推进后，推进端控制模块的第四计算单元j基于稳定推进后的常规总推力、常规水平力矩、常规垂直力矩及预设的同步推拼分区算法模型，计算获得推进区段的所述推进千斤顶53的同步推进压力值。

在第二控制单元判定待测中体稳定推进后，第四计算单元j基于稳定推进后的常规总推力、常规水平力矩、常规垂直力矩及预设的同步推拼分区算法模型，计算获得推进区段的所述推进千斤顶53的同步推进压力值。

具体的，同步推拼分区算法模型的计算原理如下：

推进端共有17组推进千斤顶组成，沿圆周均匀分布，间隔21.18°。个体推进千斤顶油缸对应的分布半径为3085mm。

由于每块管片范围对应推进千斤顶的油缸压力一致，所以∑F_in_i＝0。

参阅图18所示，一环管片包括标准块管片B1～B6、L1、L2和封顶块管片F，共9块管片。

对于管片标准块B3块拼装为例，将推进区段的推进千斤顶分为三个分区，即3分区。

为便于计算，将整个推进千斤顶旋转一定角度，使缩回区段的推进千斤顶组的中间位置位于竖向对称轴方向，使剩余多个推进区段的推进千斤顶关于竖向轴对称，剩余推进区段的推进千斤顶的顶力的增量变化遵循线性分布原则。

最终，各增量须满足以下三个方程：

-3Δ_t+Δ₁+Δ₂＝f₁+f₂；

(Δ₁-Δ₂)·n_G2＝(f₁-f₂)·n₁；

-Δ_t·L_G1+(-2Δ_r+Δ₁+Δ₂)L_G2＝(f₁+f₂)L₁。

经计算，

式中：

R_G1＝R_G2＝R_G3＝0.869R₀＝2.676m；

L_G1＝R₀-R_G1＝0.403m；

L_G2＝L_G3＝R₀+R_G2sin15.88＝3.811m；

L₁＝R₀+R₀cos10.59＝6.106m；

n_G2＝n_G3＝R_G2cos15.88＝2.574m；

n₁＝n₂＝R₀sin10.59＝0.566m。

(2)封顶块(F块)

根据参阅图19所示，所示，可以首先得出的结论是Δ₁＝Δ₂。

最终，各增量须满足以下三个方程：

-3Δ_t+2Δ₁＝f₁；

-Δ_t·L_G1+(-2Δ_t+2Δ₁)L_G2＝f₁L₁。

经计算，

式中：

R_G1＝0.917R₀＝2.823m；

R_G2＝R_G3＝0.812R₀＝2.500m；

L_G1＝R₀-R_G1＝0.256m；

L_G2＝L_G3＝R₀+R_G2sin15.88＝3.763m；

L₁＝2R₀＝6.158m。

S8：第三控制单元i获取同步推进压力值并分别调节推进区段的所述推进千斤顶53的第二压力值匹配于同步推进压力值、回缩区段的推进千斤顶53回缩，使得推进区段的推进千斤顶53的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩分别匹配于常规总推力、常规水平力矩和所述常规垂直力矩。

本发明的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统及方法，通过负载端控制模块基于预设总负载力、负载水平力矩差和负载垂直力矩差以模拟不同地质条件下盾构的负载特征，通过搭载不同型号的待测中体的推进千斤顶的待测中体以研究在不同推进系统矢量顶力组态分布策略情况下盾构机的姿态控制以及液压电气控制的可行性，试验具备安全性、可靠性以及可重复性三大特征，所得数据真实可靠，对于研究盾构推拼同步过程中，盾构姿态参数以及液压控制系统的响应能力意义重大，为盾构机的负载动力学研究提供了数据论证，推动构机的负载动力学的理论研究。

需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。

Claims (6)

1.一种基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统，其特征在于，盾构试验平台包括反力架、多个负载千斤顶、移动式承台和待测中体，所述反力架包括相对设置的前架体和后架体，所述负载千斤顶架设于所述前架体的内侧，所述负载千斤顶的第一端连接于所述前架体，所述负载千斤顶的第二端和所述后架体之间形成供待测中体容置的容置空间，所述移动式承台设置于所述容置空间中，所述待测中体包括支承环、安装于所述支承环的多个推进千斤顶和管片拼装机，模拟盾构推拼同步控制系统包括：

负载端控制模块，包括用于实时采集所述负载千斤顶的第一压力值的第一采集单元、用于基于预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩以及负载端算法模型，计算获得所述负载千斤顶的预设压力值的第一计算单元以及用于获取所述第一压力值和所述预设压力值并调节所述负载千斤顶的压力值，使得所述负载千斤顶的第一压力值适配于所述预设压力值的第一控制单元，所述第一采集单元安装于所述负载千斤顶，所述第一控制单元连接于所述第一采集单元、所述第一计算单元和所述负载千斤顶；以及

推进端控制模块，包括用于实时采集所述推进千斤顶的第二压力值的第二采集单元、用于基于所述预设总负载力、所述负载水平力矩和所述负载垂直力矩，计算获得所有的所述推进千斤顶的初始压力值的第二计算单元、用于获取所述初始压力值并基于所述初始压力值调节所有的所述推进千斤顶同时推进，使得所述待测中体以初始姿态稳定推进的第二控制单元、用于基于所述推进千斤顶的第二压力值，计算获得所述待测中体的常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩的第三计算单元、用于基于稳定推进后的所述常规总推力、所述常规水平力矩、所述常规垂直力矩及预设的同步推拼分区算法模型，计算获得推进区段的所述推进千斤顶的同步推进压力值的第四计算单元以及用于基于所述同步推进压力值分别调节推进区段的所述推进千斤顶的第二压力值匹配于所述同步推进压力值、回缩区段的所述推进千斤顶回缩，使得推进区段的所述推进千斤顶的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩分别匹配于所述常规总推力、所述常规水平力矩和所述常规垂直力矩的第三控制单元，所述第二采集单元安装于所述推进千斤顶，所述第二控制单元连接于所述第二采集单元、所述第二计算单元和所述推进千斤顶，所述第三计算单元连接于所述第二采集单元和所述第二控制单元，所述第四计算单元连接于所述第三计算单元和所述第三控制单元，所述第三控制单元连接于所述推进千斤顶。

2.根据权利要求1所述的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块连接于所述第一控制单元、所述第二控制单元和所述第三控制单元。

3.根据权利要求1所述的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统，其特征在于，所述负载端控制模块还包括用于基于所述负载千斤顶的第一压力值计算获得所述负载千斤顶的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩的第五计算单元，所述第五计算单元连接于所述第一采集单元和第一控制单元。

4.根据权利要求1所述的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统，其特征在于，所述第一采集单元包括用于实时采集所述负载千斤顶的压力值的压力传感器和用于实时采集所述负载千斤顶的行程值的位移传感器，所述压力传感器和所述位移传感器分别安装于所述负载千斤顶，所述压力传感器和所述位移传感器分别连接于所述第一控制单元。

5.根据权利要求1所述的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统，其特征在于，所述第二采集单元包括用于实时采集所述推进千斤顶的压力值的压力传感器和用于实时采集所述推进千斤顶的行程值的位移传感器，所述压力传感器和所述位移传感器分别安装于所述推进千斤顶，所述压力传感器和所述位移传感器分别连接于所述第二控制单元、第三计算单元。

6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的基于盾构试验平台的模拟盾构推拼同步控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

负载端控制模块的第一采集单元实时采集负载千斤顶的第一压力值；

所述负载端控制模块的第一计算单元基于预设总负载力、负载水平力矩和负载垂直力矩以及负载端算法模型，计算获得所述负载千斤顶的预设压力值；

所述负载端控制模块的第一控制单元获取所述第一压力值和所述预设压力值并调节所述负载千斤顶的压力值，使得所述负载千斤顶的第一压力值适配于所述预设压力值；

在所述负载千斤顶的第一压力值适配于所述预设压力值后，推进端控制模块的第二采集单元实时采集推进千斤顶的第二压力值，所述推进端控制模块的第三计算单元基于所述第二压力值，计算获得所述待测中体的常规总推力、常规水平力矩和常规垂直力矩；

所述推进端控制模块的第二计算单元获取所述预设总负载力、所述负载水平力矩和所述负载垂直力矩，计算获得所有的所述推进千斤顶的初始压力值；

所述推进端控制模块的第二控制单元获取所述初始压力值，并基于所述初始压力值调节所有的所述推进千斤顶同时推进，使得所述待测中体以初始姿态稳定推进；

在所述待测中体以初始姿态稳定推进后，所述推进端控制模块的第四计算单元基于稳定推进后的所述常规总推力、所述常规水平力矩、所述常规垂直力矩及预设的同步推拼分区算法模型，计算获得推进区段的所述推进千斤顶的同步推进压力值；

第三控制单元获取所述同步推进压力值并分别调节推进区段的所述推进千斤顶的第二压力值匹配于所述同步推进压力值、回缩区段的所述推进千斤顶回缩，使得推进区段的所述推进千斤顶的实时总推力、实时水平力矩、实时垂直力矩分别匹配于所述常规总推力、所述常规水平力矩和所述常规垂直力矩。

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