CN113482642B - 一种带有渣温监测的盾构系统及防止刀盘结饼的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有渣温监测的盾构系统及防止刀盘结饼的方法，盾构系统包括控制模块、刀盘、用于与螺旋输送机出渣口相连的出渣传送带；以及用于降低刀盘温度的刀盘喷水机构；还包括温度监测装置，所述温度监测装置设置于出渣传送带处，用于实时监测隧道掘进过程中的出渣温度；所述控制模块连接刀盘喷水机构和温度监测装置，并执行指令实现如下防止刀盘结饼的方法：1)监测得到出渣温度；2)当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，控制增加喷水流量，直至出渣温度降低。本发明在监测到刀盘温度过高时自动降温，从而减轻刀盘刀具的磨损，降低刀盘“结泥饼”的概率，提高掘进效率。

Description

一种带有渣温监测的盾构系统及防止刀盘结饼的方法

技术领域

本发明涉及一种带有渣温监测的盾构系统及防止刀盘结饼的方法，属于盾构智能感知领域。

背景技术

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械。盾构机刀盘是盾构机的掘削机构，起着开挖土体、稳定掌子面与搅拌渣土的作用；当盾构机掘进时，刀盘刀具与地层摩擦生热，从而使刀盘温度升高。如果刀盘温度过高，不仅会导致刀盘刀具本身磨损加剧，还会降低盾构掘进效率，此外刀盘温度升高还会对泥饼有“烧结促成”的作用。

目前，为了防止刀盘结饼、监控刀盘温度，以便及时淋水降温，主要方法是在刀盘上布设温度传感器来监测刀盘温度，如公开号为CN107355227A和CN210533555U的两件中国专利公开文件公开的方案均是在刀盘上设置温度传感器，以直接测量刀盘温度或测量刀盘内渣土温度。但上述方案传感器安装复杂，供电困难，刀盘处工作环境恶劣，传感器极易损坏失效，导致温度测量不准确而引起盘面结饼；同时这些方案传感器检修更换困难，需要停机甚至拆卸刀盘，影响工程进度。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有渣温监测的盾构系统及防止刀盘结饼的方法，用以解决现有技术温度传感器易损坏失效、维修更换困难以及进而导致的刀盘易结饼的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种盾构系统，包括控制模块、刀盘、用于与螺旋输送机出渣口相连的出渣传送带；

以及用于降低刀盘温度的刀盘喷水机构；

还包括温度监测装置，所述温度监测装置设置于出渣传送带处，用于监测隧道掘进过程中出渣传送带上渣土的出渣温度；

所述控制模块连接刀盘喷水机构和温度监测装置，并执行指令实现如下防止刀盘结饼的方法：

1)监测得到出渣温度；

2)当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，控制增加喷水流量，直至出渣温度降低。

本发明的盾构系统，考虑到传送带上的渣土温度与刀盘及刀盘处的渣土温度正相关，通过对传送带上的渣土进行温度检测，从而获得刀盘及刀盘渣土的温度水平，在基于传送带渣土判断刀盘处的温度达到会使刀盘上结饼的临界温度(或者留出一定阈值，低于此温度)时，启动喷水机构喷水对刀盘降温，可靠的预防了刀盘结饼。

方案可以针对传送带渣土温度设定温度阈值，通过折算标定的方式或者测试标定的方式，得到传送带渣土温度为多少时，刀盘处温度达到临界温度，则该传送带渣土温度可以作为第一设定值的参考值；也可以通过计算将传送带渣土温度折算回刀盘处，则刀盘结泥饼的临界温度作为第二设定值的参考值，当折算到刀盘处的温度达到第二设定值时，喷水降温。折算标定为，建立刀盘处到传送带处渣土的热量模型，将刀盘处的临界温度折算为传送带温度监测装置处的对应温度，将该对应温度设为温度阈值；测试标定为，通过实验的方式，测试出刀盘处不同温度下传送带温度监测装置处对应的温度，拟合出传送带温度监测装置处温度与刀盘处温度的对应关系曲线，将刀盘处的临界温度对应的传送带温度监测装置处的温度设为温度阈值。出渣温度可以理解为传送带上的渣土温度，刀盘渣土温度可以理解为刀盘处的渣土温度或者刀盘的温度。

传送带上渣土的温度检测可以采用红外温度检测装置，设置在跨过传送带的龙门架上，测温探头朝下对准传送带上的渣土。测温设备简单可靠便于维护，使得盾构系统在刀盘温度较高时准确喷水降温，提高了系统防结饼能力，测温设备的损坏与更换对施工影响小。例如采用红外热象仪，红外热像仪体积小巧、测温精准，并且接口丰富，易于集成到盾构控制系统中，实现刀盘温度的智能化控制；可以通过实时监测盾构渣土温度反映刀盘温度并实现刀盘的自动降温，从而减轻刀盘刀具的磨损，减小刀盘结“泥饼”的概率，提高掘进效率。

本发明提供了一种简单易用的能够实时监测刀盘温度的装置，在监测到刀盘温度过高时自动降温，从而减轻刀盘刀具的磨损，降低刀盘“结泥饼”的概率，提高掘进效率。

进一步的，步骤2)中，当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，还读取主掘进参数，并判断掘进速度是否降低、推力扭矩是否增大；若掘进速度降低和/或推力扭矩增大，则在增加喷水量后判断掘进速度和/或推力扭矩是否恢复正常；若否，则停止掘进，输出清理泥饼报警信息。

本发明在判断刀盘温度异常需要喷水降温时，还通过掘进参数判断刀盘是否已经发生结饼，并发出报警。

进一步的，步骤2)中，当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，还读取刀盘喷水流量数据判断管路是否堵塞；若是，则停止掘进，输出管路堵塞报警信息。

本发明在判断刀盘温度异常需要喷水降温时，还根据喷水流量数据判断喷水管路是否堵塞，并发出报警。

进一步的，步骤2)中，当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，还输出地层情况是否变化的提醒信息，以提醒司机调整掘进参数。

本发明在判断刀盘温度异常需要喷水降温时，还考虑到是否存在底层情况改变的因素，提醒司机注意，以便司机及时调整掘进参数。

进一步的，步骤2)中，出渣温度换算得到刀盘渣土温度的方法是：渣土的温度从刀盘渣土温度变化为出渣温度的过程中，包括由主驱动传递给渣土的热量、由螺旋机传递给渣土的热量、刀盘与土仓内渣土搅动摩擦产生的热量以及螺旋机内渣土搅动摩擦产生的热量；根据能量守恒定律和热能公式，计算得到刀盘渣土温度。

本发明中，根据对传送带上渣土温度影响较大的因素建立渣土温度变化模型，并基于该模型，计算反推刀盘处温度，模型准确可靠，对刀盘渣土温度预测准确。

进一步的，主驱动传递给渣土的热量Q₁为：

Q₁＝ξ₁TAN₁(1-η₁)

其中，ξ₁为主驱动产生热量贡献系数；T为时间；A为热功当量；N₁为主驱动功率；η₁为主驱动效率。

进一步的，螺旋机传递给渣土的热量Q₂为：

Q₂＝ξ₂TAN₂(1-η₂)

其中，ξ₂为螺旋机产生热量贡献系数；T为时间；A为热功当量；N₂为螺旋机功率；η₂为螺旋机效率。

进一步的，刀盘与土仓内渣土搅动摩擦产生的热量Q₄为：

Q₄＝ζ₁TAN₁η₁

其中，ζ₁为转化系数；T为时间；A为热功当量；N₁为主驱动功率；η₁为主驱动效率。

进一步的，螺旋机内渣土搅动摩擦产生的热量Q₅为：

Q₅＝ζ₂TAN₂η₂

其中，ζ₂为转化系数；T为时间；A为热功当量；N₂为螺旋机功率；η₂为螺旋机效率。

本发明还包括一种防止刀盘结饼的方法，包括如上所述的盾构系统中的防止刀盘结饼的方法。

附图说明

图1是本发明的盾构系统原理示意图；

图2是本发明红外热成像装置专用镜头；

图3是本发明防止刀盘结饼的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

系统实施例：

如图1所示的本发明的一种带有渣温监测的盾构系统，包括刀盘20、渣土传送装置10、渣土温度监测装置、控制模块、刀盘喷水机构(可采用现有用于降温冲洗的刀盘喷水装置，未在图1中示出)组成，温度监测装置设置在横跨渣土传送装置10的龙门架上，用于监测渣土传送装置10传送带上输出的渣土温度，并将监测到的温度信息传递给控制模块。由控制模块分析计算后控制刀盘喷水机构喷水降低刀盘20温度。

温度监测装置采用红外热成像装置1，包括红外热像仪(红外热成像仪)、如图2所示的专用镜头、电源、安装支架以及热像仪保护壳；所述热像仪带有以太网口与BNC模拟视频接口。

控制模块包括盾构工控机2与可编程逻辑控制器3(PLC)；盾构工控机2用于处理温度监测装置测得的渣土温度数据流信息，并向PLC传递刀盘喷水命令；所述盾构工控机带有显示屏幕，显示屏幕为主控室显示屏4，可实时显示渣土红外视频，并在高温时显示报警信息；所述可编程逻辑控制器3(PLC)用于控制刀盘喷水机构水泵的启动与关闭，从而控制刀盘喷水，降低刀盘温度。

刀盘喷水机构包括输水管路、冷却水泵与设置在刀盘上的喷水口组成；冷却水泵可以控制刀盘喷水流量、压力。

热像仪被安装在保护壳内，以达到防水防尘的目的；保护壳为铝合金材质的长方体壳体，侧面开有穿线孔并安装防水接头，底部开有长方形视窗并采用低反射高透玻璃封闭。

热像仪与保护壳使用固定支架(龙门架)整体固定于盾构出渣皮带机(出渣传送带)上方；固定支架定支架为由铝合金型材、T型螺栓、L型角铁组装而成的支架。

本发明的盾构系统可以实现一种防止刀盘结饼的方法，方法具体在如下方法实施例中进行介绍，本实施例不再赘述。

方法实施例：

本发明还提供了一种防止刀盘结饼的方法，包含如下步骤：

(1)红外热像仪架设在盾构出渣皮带机上方，出渣过程中实时拍摄渣土图像并得到渣土温度数据(出渣温度)。

(2)红外热像仪通过网线与工控机连接，将温度与图像数据传送给工控机，工控机对皮带机上渣土温度数据进行补偿，计算出刀盘内渣土温度。

(3)根据掘进地层岩土性质设定刀盘正常工作温度区间为[T₀，T₁]，当监测到刀盘内渣土温度大于T₁时判断为温度升高，如图3所示，执行如下控制步骤：

Step1：通过读取PLC中刀盘喷水流量与泡沫流量数据判断水管泡沫管路是否堵塞，喷水流量与喷水阀门开度存在对应关系；若管道无堵塞，进入step2；若管路堵塞，则在主控室显示屏4上提醒现场人员及时疏通，管道疏通后判断渣土温度是否降低，若温度降低则继续掘进，若温度无变化，进入step2。

step2：通过弹出窗口让主司机选择地层情况是否发生变化，若地层情况变化，则提示主司机调整掘进参数以适应当前地层情况，之后进入step3；若地层情况无变化，则直接进入step3。

step3：通过读取PLC主掘进参数判断掘进速度时候降低、推力扭矩是否增大，若否，则自动控制PLC增大泡沫与喷水流量，继续掘进直到温度降低；若是，则在增大泡沫与喷水流量后进入step4。

step4：判断增大泡沫与喷水流量后掘进速度、推力、扭矩是否恢复正常，若是，则继续掘进；若否则判断刀盘结泥饼，停止掘进开仓检查，并人工清理刀盘泥饼，防止刀盘糊死、滚刀偏磨。

红外热像仪检测渣土温度的方式是：

由斯蒂芬-波尔兹曼定律得出黑体辐射出射度与温度的四次方成正比，计算公式为：

M_b＝σT⁴

其中：M_b为黑体辐射出射度，σ＝5.67032×10^-8W·m²·K^-4，T为温度。

在使用红外测温系统测量温度时，测量的温度数值由红外测温仪接收到物体表面辐射出的电磁能量来确定，此能量由三个部分组成：待测物的辐射能、大气辐射能、周围物体经过待测物反射后的辐射能。红外测温系统接收的总能量可以表示为：

M＝τε₀M_obj+τ(1-ε₀)M_sur+(1-τ)M_atm

其中M_obj为被测物辐射出射度，M_sur为周围物体的辐射出射度，M_atm大气辐射出射度，τ为大气透射率，ε₀为被测物的发射率。

由斯蒂芬-波尔兹曼定律可知：

M＝τε₀σT_o ⁴+τ(1-ε₀)M_sur+(1-τ)σT_a ⁴

其中，T_o为被测物体温度，T_a为气温。

通常来讲周围环境的情况比较简单时，周围物体辐射能这一项可以忽略不计，进而得出待测物体温度为：

工控机对皮带机上渣土温度数据进行补偿的方式为：

①渣土从刀仓到达皮带机过程中的温度主要是由设备本身运行效率外的部分热量和渣土搅动摩擦所产生的热量贡献的。设备运行效率外产生的热量主要包括主驱动、螺旋机和其他设备运行效率外产生的热量。

主驱动导致渣土温度上升贡献热量的计算公式为：

Q₁＝ξ₁TAN₁(1-η₁)

其中Q₁为主驱动导致渣土温度上升贡献的热量；ξ₁为主驱动产生热量贡献系数；T为时间；A为热功当量；N₁为主驱动功率；η₁为主驱动效率。

螺旋机导致渣土温度上升贡献热量的计算公式为：

Q₂＝ξ₂TAN₂(1-η₂)

其中Q₂为螺旋机导致渣土温度上升贡献的热量；ξ₂为螺旋机产生热量贡献系数；T为时间；A为热功当量；N₂为螺旋机功率；η₂为螺旋机效率。

其他设备导致渣土温度上升贡献热量的计算公式为：

Q₃＝ξ₃TAN₃(1-η₃)

其中Q₃为其他设备导致渣土温度上升贡献的热量；ξ₃为其他设备产生热量贡献系数；T为时间；A为热功当量；N₃为其他设备功率；η₃为其他设备效率。

刀盘与土仓内渣土搅动摩擦产生的热量为：

Q₄＝ζ₁TAN₁η₁

其中Q₄为刀盘与土仓内渣土搅动摩擦产生的热量；ζ₁为转化系数；T为时间；A为热功当量；N₁为主驱动功率；η₁为主驱动效率。

螺旋机内渣土搅动摩擦产生的热量为：

Q₅＝ζ₂TAN₂η₂

其中Q₅为螺旋机内渣土搅动摩擦产生的热量；ζ₂为转化系数；T为时间；A为热功当量；N₂为螺旋机功率；η₂为螺旋机效率。

具体的，以主驱动为例，热量贡献系数ξ为：TAN₁(1-η₁)计算的结果为主驱动释放的全部热量，这些热量并非全部传递到渣土中使渣土温度升高，因此要乘上热量贡献系数，热量贡献系数具体取值可以根据施工现场情况估算或测算。

时间T可以采用盾构掘进一环的时间，一般为半小时左右。

热功当量A：热量以卡为单位时与功的单位之间的数量关系，叫做热功当量。

主驱动功率N：功率是指物体在单位时间内所做的功的多少，即功率是描述做功快慢的物理量。主驱动功率N可以从盾构出厂说明书中得到。

主驱动效率η：有用功和总功的比值叫做机械效率。可以从盾构出厂说明书中得到。

②根据热能公式，渣土运出时散发的热量为：

q＝C(t₁-t₂)W

其中C为渣土比热容，W为渣土重量，t₁为刀盘内渣土温度，t₂为皮带机上渣土温度。

根据能量守恒定律：

q＝ω(Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅)

进而推出刀盘内渣土温度与皮带机上渣土温度的关系为：

其中ω为热量散失系数，可根据现场测试得出。

渣土重量W与时间T相对应，例如为盾构掘进一环时产生或输出的渣土重量，可以根据施工现场情况估算或测算。

本发明克服了刀盘温度监测手段自动化程度低、监测装置过于复杂不易安装等问题，提供了一种准确可靠的盾构渣土温度实时监测装置及刀盘温度自动控制方法。

Claims (9)

1.一种盾构系统，其特征在于，包括控制模块、刀盘、用于与螺旋输送机出渣口相连的出渣传送带；

以及用于降低刀盘温度的刀盘喷水机构；

还包括温度监测装置，所述温度监测装置设置于出渣传送带处，用于监测隧道掘进过程中出渣传送带上渣土的出渣温度；

所述控制模块连接刀盘喷水机构和温度监测装置，并执行指令实现如下防止刀盘结饼的方法：

1)监测得到出渣温度；

2)根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，控制增加喷水流量，直至出渣温度降低；

出渣温度换算得到刀盘渣土温度的方法是：渣土的温度从刀盘渣土温度变化为出渣温度的过程中，包括由主驱动传递给渣土的热量Q₁、由螺旋机传递给渣土的热量Q₂、由其他设备传递给渣土的热量Q₃、刀盘与土仓内渣土搅动摩擦产生的热量Q₄以及螺旋机内渣土搅动摩擦产生的热量Q₅；根据能量守恒定律求出渣土运出时散发的热量q为：

q＝ω(Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅)

其中，ω为根据现场测试得出的热量散失系数；

再根据热能公式，计算得到刀盘渣土温度t₁为：

其中，t₂为出渣温度，C为渣土比热容，W为渣土重量。

2.根据权利要求1所述的盾构系统，其特征在于，步骤2)中，当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，还读取主掘进参数，并判断掘进速度是否降低、推力扭矩是否增大；若掘进速度降低和/或推力扭矩增大，则在增加喷水量后判断掘进速度和/或推力扭矩是否恢复正常；若否，则停止掘进，输出清理泥饼报警信息。

3.根据权利要求2所述的盾构系统，其特征在于，步骤2)中，当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，还读取刀盘喷水流量数据判断管路是否堵塞；若是，则停止掘进，输出管路堵塞报警信息。

4.根据权利要求3所述的盾构系统，其特征在于，步骤2)中，当所述出渣温度大于第一设定值时，或者根据出渣温度换算得到的刀盘渣土温度大于第二设定值时，还输出地层情况是否变化的提醒信息，以提醒司机调整掘进参数。

5.根据权利要求1或4所述的盾构系统，其特征在于，主驱动传递给渣土的热量Q₁为：

Q₁＝ξ₁TAN₁(1-η₁)

其中，ξ₁为主驱动产生热量贡献系数；T为时间；A为热功当量；N₁为主驱动功率；η₁为主驱动效率。

6.根据权利要求1或4所述的盾构系统，其特征在于，螺旋机传递给渣土的热量Q₂为：

Q₂＝ξ₂TAN₂(1-η₂)

其中，ξ₂为螺旋机产生热量贡献系数；T为时间；A为热功当量；N₂为螺旋机功率；η₂为螺旋机效率。

7.根据权利要求1或4所述的盾构系统，其特征在于，刀盘与土仓内渣土搅动摩擦产生的热量Q₄为：

Q₄＝ζ₁TAN₁η₁

其中，ζ₁为转化系数；T为时间；A为热功当量；N₁为主驱动功率；η₁为主驱动效率。

8.根据权利要求1或4所述的盾构系统，其特征在于，螺旋机内渣土搅动摩擦产生的热量Q₅为：

Q₅＝ζ₂TAN₂η₂

其中，ζ₂为转化系数；T为时间；A为热功当量；N₂为螺旋机功率；η₂为螺旋机效率。

9.一种防止刀盘结饼的方法，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的盾构系统中的防止刀盘结饼的方法。

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