CN113898350A - 一种盾构机工作模式自动判别方法及盾构机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种盾构机工作模式自动判别方法及盾构机，属于掘进设备检测技术领域。获取盾构机的刀盘转速，抓举头角度和抓举头压力，首先根据刀盘转速划分盾构机的工作模式，若刀盘转速大于设定的转速标准，则盾构机处于掘进模式；还根据抓举头角度和抓举头压力判断盾构机的工作模式，若抓举头角度大于设定的抓举头角度标准和或抓举头压力大于设定的抓举头压力标准，则盾构机处于管片拼装模式；若抓举头角度小于设定的抓举头角度标准和或抓举头压力小于设定的抓举头压力标准，则盾构机处于停机模式。通过不同的参数进行融合判断，降低了因单一传感器故障导致工作模式误判的风险，采用的掘进参数易于获取，方法易于实现。

Description

一种盾构机工作模式自动判别方法及盾构机
技术领域
本发明涉及一种盾构机工作模式自动判别方法及盾构机，属于掘进设备检测技术领域。
背景技术
盾构机工作模式判别对于工作模式精准切换、指导新手主司机的操作控制、避免不必要的启停事故具有重要意义。现有盾构机工作模式判别大都依靠主司机的操作控制，设备自身不能识别当前状态和自主切换，不利于后续各个工序用时的智能计算。另一方面，盾构机施工过程中，受复杂工况条件的影响，用于监测油缸压力、位移的传感器出现故障不能正常工作，因此依靠单一参数来识别盾构机的工作模式，无法保障施工进度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盾构机工作模式自动判别方法及盾构机，用于解决难以准确识别盾构机工作模式的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种盾构机工作模式自动判别方法，包括如下步骤：
1)获取盾构机的刀盘转速、抓举头角度、抓举头压力；
2)若刀盘转速大于第一设定值，则盾构机处于掘进模式；
3)在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度大于第二设定值、抓举头压力大于第三设定值，则盾构机处于管片拼装模式；
在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度小于第二设定值、抓举头压力小于第三设定值，则盾构机处于停机模式。
获取盾构机的刀盘转速，抓举头角度和抓举头压力，根据刀盘转速将盾构机的工作模式分为掘进模式和非掘进模式，若刀盘转速大于设定的转速标准，则盾构机处于掘进模式；在非掘进模式下，根据抓举头角度和抓举头压力判断盾构机的工作模式，若抓举头角度大于设定的抓举头角度标准和或抓举头压力大于设定的抓举头压力标准，则盾构机处于管片拼装模式；若抓举头角度小于设定的抓举头角度标准和或抓举头压力小于设定的抓举头压力标准，则盾构机处于停机模式。通过不同的参数进行融合判断，降低了因单一传感器故障导致工作模式误判的风险，采用的掘进参数易于获取，方法易于实现。
进一步地，在上述方法中，还获取盾构机的推进速度，步骤2)中，若刀盘转速大于第一设定值，且盾构机的推进速度大于0，则盾构机处于掘进模式。
考虑到盾构机的刀盘转速可能不准确，因此还采用盾构机的掘进速度增强判断的可靠性。
进一步地，在上述方法中，所述第一设定值为0.1rpm～0.2rpm，所述第二设定值为10°～30°，所述第三设定值为50Bar～80Bar。
进一步地，在上述方法中，还获取推进油缸的伸缩量；
盾构机处于管片拼装模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量大于第四设定值；
盾构机处于停机模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量小于第四设定值；
所述推进油缸伸缩偏差量为相邻的两组推进油缸的伸缩量的差值。
由于抓举头需要经常抓举管片，极易导致设置在抓举头上的传感器失灵或损坏，而且无法直观判断，盾构机推进油缸上设置的位移检测装置不易损坏，因此还采用盾构机推进油缸的伸缩量来增强判断的可靠性。
进一步地，在上述方法中，所述第四设定值为60mm～100mm。
本发明还提供一种盾构机，包括用于获取盾构机掘进参数的控制器，所述掘进参数包括刀盘转速、抓举头角度、抓举头压力；所述控制器执行指令实现盾构机工作模式自动判别方法，所述盾构机工作模式自动判别方法包括如下步骤：
1)若刀盘转速大于第一设定值，则盾构机处于掘进模式；
2)在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度大于第二设定值、抓举头压力大于第三设定值，则盾构机处于管片拼装模式；
在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度小于第二设定值、抓举头压力小于第三设定值，则盾构机处于停机模式。
进一步地，在上述盾构机中，所述掘进参数还包括盾构机的推进速度，步骤1)中，若刀盘转速大于第一设定值，且盾构机的推进速度大于0，则盾构机处于掘进模式。
进一步地，在上述盾构机中，所述第一设定值为0.1rpm～0.2rpm，所述第二设定值为10°～30°，所述第三设定值为50Bar～80Bar。
进一步地，在上述盾构机中，还获取推进油缸的伸缩量；计算相邻两组推进油缸的伸缩量的差值作为推进油缸伸缩偏差量；
盾构机处于管片拼装模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量大于第四设定值；
盾构机处于停机模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量小于第四设定值。
进一步地，在上述盾构机中，所述第四设定值为60mm～100mm。
附图说明
图1为本发明实施例中判别盾构机工作模式的流程示意图；
图2为本发明实施例中盾构机的结构示意图；
图3为本发明实施例中盾构机推进油缸的结构示意图。
图中：1为刀盘，2为推进油缸，3为抓举头，4为管片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
方法实施例：
本实施例的盾构机工作模式自动判别方法，如图1所示，包括如下步骤：
1)通过PLC实时获取推进速度v、刀盘转速n、抓举头压力P、抓举头角度
Figure BDA0003260119070000031
A组推进油缸的推进位移sA、B组推进油缸的推进位移sB、C组推进油缸的推进位移sC、D组推进油缸的推进位移sD等掘进参数。
2)根据步骤1)获取的各种掘进参数判断盾构机的工作模式，包括如下三种判断：
I)根据盾构机的推进速度v、刀盘转速n，判定盾构机的工作模式，若刀盘转速n≥0.1rpm(rpm即r/min)且推进速度v＞0，则表明盾构机处于掘进模式。
II)根据盾构机的刀盘转速n、抓举头压力P、抓举头角度
Figure BDA0003260119070000041
A组推进油缸的推进位移sA、B组推进油缸的推进位移sB、C组推进油缸的推进位移sC、D组推进油缸的推进位移sD，判定盾构机的工作模式。
首先，通过如下公式计算4组推进油缸的推进位移之间的偏差量：
ΔsAB＝sA-sB
ΔsBC＝sB-sC
ΔsCD＝sC-sD
ΔsDA＝sD-sA
式中，ΔsAB为A组推进油缸的推进位移和B组推进油缸的推进位移的偏差量，ΔsBC为B组推进油缸的推进位移和C组推进油缸的推进位移的偏差量，ΔsCD为C组推进油缸的推进位移和D组推进油缸的推进位移的偏差量，ΔsDA为D组推进油缸的推进位移和A组推进油缸的推进位移的偏差量。
然后，根据上述4组推进油缸的推进位移之间的偏差量和刀盘转速n、抓举头压力P、抓举头角度
Figure BDA0003260119070000044
判定盾构机的工作模式，若ΔsAB≥100mm且n＜0.1rpm，则盾构机处于管片拼装模式；若ΔsBC≥100mm且n＜0.1rpm，则盾构机处于管片拼装模式；若ΔsCD≥100mm且n＜0.1rpm，则盾构机处于管片拼装模式；若ΔsDA≥100mm且n＜0.1rpm，则盾构机处于管片拼装模式；若P≥70Bar(1Bar即100Pa)且n＜0.1rpm，则盾构机处于管片拼装模式；若
Figure BDA0003260119070000042
且n＜0.1rpm，则盾构机处于管片拼装模式。
III)根据上述4组推进油缸的推进位移之间的偏差量和刀盘转速n、抓举头压力P、抓举头角度
Figure BDA0003260119070000043
判定盾构机的工作模式，若n＜0.1rpm且ΔsAB＜100mm，则盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且ΔsBC＜100mm；则盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且ΔsCD＜100mm，则盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且ΔsDA＜100mm，则盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且P＜70Bar，则盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且
Figure BDA0003260119070000051
则盾构机处于停机模式。
本实施例中，在掘进模式判断时，设定的刀盘转速标准根据经验可设置为0.1～0.2rpm；在盾构拼装模式判定时，设定的抓举头压力标准根据经验可设置为50～80bar，设定的抓举头角度标准根据经验可设置为10°～30°，设定的推进油缸的推进位移之间的偏差量标准根据经验可设置为60～100mm。
本实施例的盾构机工作模式自动判别方法，通过多参数融合判定，降低因单一传感器故障导致工作模式误判的风险，实现盾构机掘进模式、管片拼装模式及停机模式的自动识别，准确度高且易于实现。
盾构机实施例：
本实施例的盾构机如图2、图3所示，包括刀盘1、推进油缸2和抓举头3。推进油缸2位于盾构机的尾盾与管片4之间，在PLC的控制下进行推进。本实施例中，盾构机包括4组推进油缸，分别为A组推进油缸、B组推进油缸、C组推进油缸、D组推进油缸，其中，A组推进油缸和B组推进油缸相邻；B组推进油缸和C组推进油缸相邻；C组推进油缸和D组推进油缸相邻；D组推进油缸和A组推进油缸相邻。
PLC在盾构机工作过程中，获取盾构机的推进速度v、刀盘1的刀盘转速n、抓举头3的抓举头压力P和抓举头角度
Figure BDA0003260119070000052
A组推进油缸的推进位移sA、B组推进油缸的推进位移sB、C组推进油缸的推进位移sC、D组推进油缸的推进位移sD等掘进参数。本实施例中，推进油缸的推进位移指盾构机在管片拼装模式下推进油缸的伸缩量。
根据获取的各种掘进参数来判断盾构机的工作模式，包括如下三种判断：
I)根据盾构机的推进速度v、刀盘转速n，判定盾构机的工作模式。若刀盘转速n≥0.1rpm(rpm即r/min)且推进速度v＞0，表明盾构机的刀盘处于旋转状态，正在对待开挖的土石岩体进行切削，而且，盾构机的推进速度大于0，因此认为盾构机此时处于掘进模式。
II)根据盾构机的刀盘转速n、抓举头压力P、抓举头角度
Figure BDA0003260119070000053
A组推进油缸的推进位移sA、B组推进油缸的推进位移sB、C组推进油缸的推进位移sC、D组推进油缸的推进位移sD，推进油缸的推进位移即为推进油缸在运行时的伸缩量。判定盾构机处于非掘进模式下的其他工作模式。
首先，通过如下公式计算4组推进油缸的推进位移之间的偏差量：
ΔsAB＝sA-sB
ΔsBC＝sB-sC
ΔsCD＝sC-sD
ΔsDA＝sD-sA
式中，ΔsAB为A组推进油缸的推进位移和B组推进油缸的推进位移的偏差量，ΔsBC为B组推进油缸的推进位移和C组推进油缸的推进位移的偏差量，ΔsCD为C组推进油缸的推进位移和D组推进油缸的推进位移的偏差量，ΔsDA为D组推进油缸的推进位移和A组推进油缸的推进位移的偏差量。
然后，根据上述4组推进油缸的推进位移之间的偏差量ΔsAB、ΔsBC、ΔsCD、ΔsDA和刀盘转速n、抓举头压力P、抓举头角度
Figure BDA0003260119070000061
判定盾构机的工作模式：
若ΔsAB≥100mm且n＜0.1rpm，刀盘转速n小于0.1rpm表明盾构机的刀盘处于非工作状态，而且ΔsAB≥100mm，表明盾构机的A组推进油缸或B组推进油缸处于正在伸缩的状态，是因为在拼装管片时，需要将挤压在尾盾与管片4之间的推进油缸缩短，才能将后续的管片铺设在预定位置，因此可以认为此时盾构机处于管片拼装模式。
同理，若ΔsBC≥100mm且n＜0.1rpm，表明盾构机的B组推进油缸或C组推进油缸处于正在伸缩的状态，可以认为盾构机处于管片拼装模式；若ΔsCD≥100mm且n＜0.1rpm，表明盾构机的C组推进油缸或D组推进油缸处于正在伸缩的状态，可以认为盾构机处于管片拼装模式；若ΔsDA≥100mm且n＜0.1rpm，表明盾构机的D组推进油缸或A组推进油缸处于正在伸缩的状态，可以认为盾构机处于管片拼装模式。
本实施例中，相邻两组推进油缸的推进位移之间的偏差量需要满足大于100mm是因为在管片拼装过程中采用的管片宽度大于100mm，本领域的技术人员在采用本发明的盾构机工作模式自动判别方法时，需要根据管片的实际宽度来设计比较的标准。
若抓举头压力P≥70Bar(1Bar即100Pa)且n＜0.1rpm，刀盘转速n小于0.1rpm表明盾构机的刀盘处于非工作状态，盾构机在拼装管片时，通过抓举头来运输管片，通过螺栓将管片固定在抓举头上，到达合适位置后进行旋转，使管片朝向预定位置，进而使得管片可以铺设在预定位置，若此时检测到抓举头压力大于70Bar，则表明盾构机的抓举头上固定有管片，因此认为盾构机正处于管片拼装模式。若抓举头角度
Figure BDA0003260119070000072
且n＜0.1rpm，表明盾构机的抓举头抓举管片后已经运输至合适位置，正在旋转从而使管片可以朝向预定位置以完成管片铺设作业，因此认为盾构机此时处于管片拼装模式。
III)根据上述4组推进油缸的推进位移之间的偏差量和刀盘转速n、抓举头压力P、抓举头角度
Figure BDA0003260119070000073
判定盾构机的工作模式。
若n＜0.1rpm且ΔsAB＜100mm，刀盘转速n小于0.1rpm表明盾构机的刀盘处于非工作状态，ΔsAB＜100mm，表明盾构机的A组推进油缸和B组推进油缸均紧紧支撑在盾构机的尾盾和已经铺设好的管片之间，没有发生较大的伸缩活动，若同时满足刀盘转速n小于0.1rpm且ΔsAB＜100mm，则表明盾构机处于停机模式。
同理，若n＜0.1rpm且ΔsBC＜100mm，表明盾构机的B组推进油缸和C组推进油缸均紧紧支撑在盾构机的尾盾和已经铺设好的管片之间，没有发生较大的伸缩活动，则认为盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且ΔsCD＜100mm，表明盾构机的C组推进油缸和D组推进油缸均紧紧支撑在盾构机的尾盾和已经铺设好的管片之间，没有发生较大的伸缩活动，则认为盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且ΔsDA＜100mm，表明盾构机的A组推进油缸和B组推进油缸均紧紧支撑在盾构机的尾盾和已经铺设好的管片之间，没有发生较大的伸缩活动，则认为盾构机处于停机模式。
若n＜0.1rpm且P＜70Bar，表明盾构机的抓举头没有抓举管片，则认为盾构机处于停机模式；若n＜0.1rpm且
Figure BDA0003260119070000071
表明盾构机的抓举头不在旋转状态，则认为盾构机处于停机模式。
作为其他实施方式，也可在n＜0.1rpm且ΔsAB＜100mm且ΔsBC＜100mm且ΔsCD＜100mm且ΔsDA＜100mm且P＜70Bar且
Figure BDA0003260119070000081
认为盾构机处于停机模式。

Claims (10)

1.一种盾构机工作模式自动判别方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)获取盾构机的刀盘转速、抓举头角度、抓举头压力；
2)若刀盘转速大于第一设定值，则盾构机处于掘进模式；
3)在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度大于第二设定值、抓举头压力大于第三设定值，则盾构机处于管片拼装模式；
在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度小于第二设定值、抓举头压力小于第三设定值，则盾构机处于停机模式。
2.根据权利要求1所述的盾构机工作模式自动判别方法，其特征在于，还获取盾构机的推进速度，步骤2)中，若刀盘转速大于第一设定值，且盾构机的推进速度大于0，则盾构机处于掘进模式。
3.根据权利要求2所述的盾构机工作模式自动判别方法，其特征在于，所述第一设定值为0.1rpm～0.2rpm，所述第二设定值为10°～30°，所述第三设定值为50Bar～80Bar。
4.根据权利要求1所述的盾构机工作模式自动判别方法，其特征在于，还获取推进油缸的伸缩量；
盾构机处于管片拼装模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量大于第四设定值；
盾构机处于停机模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量小于第四设定值；
所述推进油缸伸缩偏差量为相邻的两组推进油缸的伸缩量的差值。
5.根据权利要求4所述的盾构机工作模式自动判别方法，其特征在于，所述第四设定值为60mm～100mm。
6.一种盾构机，其特征在于，包括用于获取盾构机掘进参数的控制器，所述掘进参数包括刀盘转速、抓举头角度、抓举头压力；所述控制器执行指令实现盾构机工作模式自动判别方法，所述盾构机工作模式自动判别方法包括如下步骤：
1)若刀盘转速大于第一设定值，则盾构机处于掘进模式；
2)在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度大于第二设定值、抓举头压力大于第三设定值，则盾构机处于管片拼装模式；
在刀盘转速小于第一设定值时，若满足如下条件中的一个或者多个：抓举头角度小于第二设定值、抓举头压力小于第三设定值，则盾构机处于停机模式。
7.根据权利要求6所述的盾构机，其特征在于，所述掘进参数还包括盾构机的推进速度，步骤1)中，若刀盘转速大于第一设定值，且盾构机的推进速度大于0，则盾构机处于掘进模式。
8.根据权利要求7所述的盾构机，其特征在于，所述第一设定值为0.1rpm～0.2rpm，所述第二设定值为10°～30°，所述第三设定值为50Bar～80Bar。
9.根据权利要求6所述的盾构机，其特征在于，还获取推进油缸的伸缩量；计算相邻两组推进油缸的伸缩量的差值作为推进油缸伸缩偏差量；
盾构机处于管片拼装模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量大于第四设定值；
盾构机处于停机模式的条件还包括：存在推进油缸伸缩偏差量小于第四设定值。
10.根据权利要求9所述的盾构机，其特征在于，所述第四设定值为60mm～100mm。
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