CN114136675A - 一种盾构保压系统实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盾构保压系统实验装置及其使用方法，盾构保压系统实验装置包括立式储罐、模拟泥水仓、主进气管路、辅助进气管路、主排气管路、辅助排气管路、待测盾构保压系统、显示仪器，待测盾构保压系统包括气动控制器、进气阀、排气阀，辅助进气管路与主进气管路并联，辅助排气管路连接在主排气管路上；通过分别控制主进气管路、辅助进气管路、主排气管路、辅助排气管路通断，能够对盾构工作时盾构保压系统面临的不同工况进行模拟，气动控制器比较目标值与模拟泥水仓内测量气压信号，输出控制信号调节进气阀、排气阀开度，操作人员可以通过显示仪器观测待测盾构保压系统在不同工况下响应速度与效果，真实反映待测盾构保压系统的综合性能。

Description

一种盾构保压系统实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及盾构保压系统实验技术领域，更具体地说，它涉及一种盾构保压系统实验装置及其使用方法。

背景技术

盾构机因其施工速度快、安全性高的优点被广泛应用在公路、铁路、隧道等多种工程修建中。处于水下或者沉降要求严格的盾构隧道一般需采用泥水盾构施工，保压系统是泥水盾构的核心系统之一，其对泥水压力的调节精度关系到工作面的稳定和地表沉降量；因此保压系统的稳定性和可靠性直接影响施工安全与质量。现有技术由于缺乏合适的保压系统实验装置与实验方法，无法对盾构保压系统性能进行科学的测试与评价，影响行业技术的进步，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出能够对盾构保压系统性能进行科学测试与评价的一种盾构保压系统实验装置；

本发明的目的还在于提出能够对盾构保压系统性能进行科学测试与评价的一种盾构保压系统实验装置使用方法。

本发明的盾构保压系统实验装置提供了如下技术方案：一种盾构保压系统实验装置，包括立式储罐、模拟泥水仓、主进气管路、主排气管路以及待测盾构保压系统，立式储罐的进气端用于与空气压缩机连接，出气端通过主进气管路连接模拟泥水仓；主进气管路上并联有辅助进气管路，主进气管路上于辅助进气管路的上游位置沿压缩空气的流向依次设有第一开关阀、减压阀与堵头，主进气管路上于并联于辅助进气管路之间的位置设有第二开关阀，辅助进气管路上设有第三开关阀；主排气管路连通模拟泥水仓，供模拟泥水仓内的压缩空气排出，主排气管路上连接有出气端与大气相通的辅助排气管路，主排气管路于辅助排气管路的下游位置设有第四开关阀，辅助排气管路上设有第五开关阀；待测盾构保压系统包括气动控制器、进气阀与排气阀，排气阀、进气阀均为气动阀，进气阀位于主进气管路并联于辅助进气管路之间的位置处，排气阀位于主排气管路上辅助排器管路的下游位置处；

还包括测量气路、第一驱动气路、第二驱动气路、第三驱动气路、第一控制气路、第二控制气路、显示仪器、第一压力传感器、第二压力传感器；第一压力传感器位于立式储罐上，第二压力传感器位于模拟泥水仓上，第一压力传感器与第二压力传感器分别将立式储罐与模拟泥水仓的内部压力传输给显示仪器；所述堵头通过第一驱动气路与气动控制器连接、通过第二驱动气路与进气阀连接、通过第三驱动气路与排气阀连接，用于提供驱动气动控制器、进气阀、排气阀工作的空气动力，测量气路两端分别连接模拟泥水仓与气动控制器，用于向气动控制器传递模拟泥水仓内气压信号，测量气路与模拟泥水仓的连接处和第二压力传感器位于同一高度，气动控制器通过第一控制气路控制连接进气阀、通过第二控制气路控制连接排气阀，分别通过进气阀、排气阀调节进气流量与排气流量。

有益效果：本发明的盾构保压系统实验装置，设有立式储罐、待测盾构保压系统与模拟泥水仓，模拟泥水仓通过主进气管路、辅助进气管路进气并通过主排气管路、辅助排气管路排气，操作者使用时将待测盾构保压系统安装在实验装置相应位置并与其他部件保持连接，通过控制各开关阀的开闭状态控制主、辅助进气管路与主、辅助排气管路通断，模拟待测盾构保压系统处于不同工况条件，就能够通过显示仪器观察、记录待测盾构保压系统在不同工况条件下的响应效果与速度，科学评价待测气动控制器对待测执行元件（进气阀与排气阀）的控制效果，科学量化待测盾构保压系统性能指标，为盾构保压系统的实验测试提供硬件基础。另外本发明中气动控制器受到空气压力驱动，根据接收到的测量气压信号向排气阀、进气阀输出控制气压信号，装置整体可靠性高、安全性好，控制效果较为精准；测量气路与模拟泥水仓的连接处和第二压力传感器位于同一高度，避免模拟泥水仓内空气压力不均匀导致两者出现数值差异，使观测压力结果与向气动控制器传递的空压信号一致，有利于后续对数据进行综合分析，减小数据误差。

进一步的，主进气管路上设有第一法兰、第二法兰、第三法兰、第四法兰，第一法兰、第二法兰、第三法兰、第四法兰端面上均设有密封圈，减压阀两端分别与第一法兰、第二法兰密封连接，进气阀两端分别与第三法兰、第四法兰密封连接；主排气管路上设有第五法兰、第六法兰，第五法兰、第六法兰端面上均设有密封圈，排气阀两端分别与第五法兰、第六法兰密封连接。

有益效果：减压阀与第一法兰、第二法兰形成密封，进气阀与第三法兰、第四法兰形成密封，排气阀与第五、第六法兰形成密封，在便于拆装进气阀、排气阀的同时增加管路连接气密性。

进一步的，第一压力传感器与第二压力传感器均为无线压力传感器。

有益效果：通过无线方式向显示仪器传输信号，避免冗余走线，显示仪器能够在信号接受范围内移动，使用灵活性高，有利于保证人员安全。

进一步的，主排气管路的出气端设有消声器。

有益效果：消声器能够降低实验装置运转噪音，减小设备运转对操作人员身体损害，避免出现噪音污染。

本发明的盾构保压系统实验装置使用方法提供了如下技术方案：一种盾构保压系统实验装置使用方法，包括以下步骤：

S1：将空气压缩机与立式储罐的进气端连接；

S2：将待测盾构保压系统中的进气阀、排气阀分别安装在主进气管路、主排气管路中，使用第一驱动气路连接气动控制器与堵头，使用测量气路连接模拟泥水仓与气动控制器，使用第二驱动气路连接堵头与进气阀，使用第三驱动气路连接堵头与排气阀，使用第一控制气路连接气动控制器与进气阀，使用第二控制气路连接气动控制器与排气阀：

S3：开启空气压缩机，调整减压阀阀后压力，开启第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀，关闭第四开关阀、第五开关阀与排气阀，检查各部分气密性；

S4：开启第一压力传感器、第二压力传感器与显示仪器，调整各开关阀开闭以模拟待测盾构保压系统处于压力跟随工况、强制进气工况与强制排气工况，多次调整气动控制器中模拟泥水仓空气压力的目标值，记录并观察模拟泥水仓压力调节情况。

进一步的，模拟待测盾构保压系统处于压力跟随工况时，开启第一开关阀、第二开关阀与第四开关阀，关闭第三开关阀、第五开关阀。

进一步的，模拟待测盾构保压系统处于强制进气工况时，开启第一开关阀、第三开关阀、第四开关阀，关闭第二开关阀、第五开关阀，通过辅助进气管路向模拟泥水仓内部充入压缩空气。

进一步的，模拟待测盾构保压系统处于强制排气工况时，开启第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀，关闭第三开关阀、第四开关阀，通过辅助排气管路将模拟泥水仓内的压缩空气排出。

有益效果：本发明提供了一种安全、合理、可模拟各种工况条件的盾构保压系统实验装置使用方法， S4过程中能够根据多次调整气动控制器中模拟泥水仓空气压力的目标值得到多组数据，充分观察待测盾构保压系统的调节响应能力，科学评价待测控制器对执行元件（进气阀与排气阀）的控制效果，科学量化待测盾构保压系统性能指标。

附图说明

图1是本发明的一种盾构保压系统实验装置的具体实施例1的整体结构示意图；

附图标记：1-立式储罐；2-第一压力传感器；3-第一开关阀；4-第一法兰；5-减压阀；6-第二开关阀；7-堵头；8-第一驱动气路；9-第二驱动气路；10-第三驱动气路；11-第二开关阀；12-第三法兰；13-进气阀；14-第四法兰；15-第三开关阀；16-第一控制气路；17-第二压力传感器；18-测量气路；19-模拟泥水仓；20-第四开关阀；21-第五法兰；22-排气阀；23-第六法兰；24-消声器；25-第五开关阀；26-第二控制气路；27-气动控制器；28-显示仪器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

本发明的盾构保压系统实验装置的具体实施例1：

本盾构保压系统实验装置的结构如图1所示，包括立式储罐1、模拟泥水仓19、主进气管路、辅助进气管路、主排气管路、辅助排气管路以及待测盾构保压系统，立式储罐1的进气端用于与空气压缩机（图上未示出）连接，出气端则通过主进气管路连接模拟泥水仓19，辅助进气管路并联在主进气管路上，待测盾构保压系统主要由气动控制器27、进气阀13以及排气阀22构成，进气阀13、排气阀22均为气动阀，气动控制器27可为SAMSON 3421型气动控制器。主进气管路上于辅助进气管路的上游位置在压缩空气的流向上依次设置第一开关阀3、减压阀5、堵头7，主进气管路上在并联于辅助进气管路之间的位置上设置第二开关阀11、进气阀13，辅助进气管路上设有第三开关阀15。主排气管路连通模拟泥水仓19，供模拟泥水仓内的压缩空气排出；辅助排气管路连接在主排气管路上，辅助排气管路的出气端与大气相通；主排气管路于辅助排气管路的下游位置处设置第四开关阀20以及排气阀22，辅助排气管路上设置第五开关阀25。因此立式储罐1能够通过主进气管路和/或辅助进气管路向模拟泥水仓19送压缩空气，模拟泥水仓19内的压缩空气可通过主排气管路和/或副排气管路排出。

本发明还包括测量气路18、第一驱动气路8、第二驱动气路9、第三驱动气路10、第一控制气路16、第二控制气路26、显示仪器28、第一压力传感器2、第二压力传感器17，第一压力传感器2与第二压力传感器17为无线压力传感器，第一压力传感器2安装于立式储罐1上，第二压力传感器17位于模拟泥水仓19上，用于将立式储罐1、模拟泥水仓19内空气压力信息传输给显示仪器28上并经显示仪器28显示记录，显示仪器28为笔记本电脑。堵头7通过第一驱动气路8与气动控制器27连接，用于向气动控制器27提供驱动气动控制器工作的空气动力；堵头7通过第二驱动气路9与进气阀13连接，用于向进气阀13提供驱动进气阀工作的空气动力；堵头7通过第三驱动气路10与排气阀22连接，用于向排气阀22提供驱动排气阀工作的空气动力。模拟泥水仓19上于第二压力传感器17所在同一高度的位置处螺纹安装有螺纹接头，螺纹接头通过测量气路18与气动控制器27连接，测量气路18向气动控制器27输入模拟泥水仓内气压信号；气动控制器27通过第一控制气路16控制连接进气阀13、通过第二控制气路26控制连接排气阀22，可根据模拟泥水仓内气压信号调节排气阀22与进气阀13开度，以将模拟泥水仓内气压调整至气动控制器内模拟泥水仓气压目标值。

需要注意的是，减压阀5阀后输出压力范围一般为0.5~0.95MPa，实际使用时需根据模拟泥水仓气压目标值进行调节，使减压阀阀后输出压力较模拟泥水仓气压目标值上限高0.1Mpa。气动控制器27通过第一连接气路16、第二连接气路26输出的气压控制信号相同，大小区间为20~100KPa，在气压控制信号为61~100 KPa时，进气阀通过阀门定位器调整控制信号，使阀门开度于0-100%之间线性调节，在气压控制信号为20~59KPa时，排气阀通过阀门定位器调整控制信号，使阀门开度于100%-0之间线性调节。

具体的，为防止装置运转时排气噪音较大，主排气管路的出气端设有消声器24。主进气管路上于辅助进气管路的上游位置还设有第一法兰4、第二法兰6,于位于辅助进气管路之间的位置处设有第三法兰12、第四法兰14，主排气管路上于辅助排气管路的下游位置处设有第五法兰21、第六法兰23；第一、第二、第三、第四、第五、第六法兰上端面上均设有密封圈。减压阀5的两端分别与第一法兰4、第二法兰6密封连接，进气阀13的两端分别与第三法兰12、第四法兰14密封连接，排气阀22的两端分别与第五法兰21、第六法兰23密封连接，管路气密效果好的同时，保证待测执行元件（进气阀、排气阀）好拆卸。

本发明的盾构保压系统实验装置，结构新颖合理，待测盾构保压系统安装后，可通过控制各开关阀的开闭状态控制主进气管路、辅助进气管路、主排气管路、主排气管路通断，模拟待测盾构保压系统处于不同工况条件，气动控制器通过测量气路输入的模拟泥水仓内气压信号控制进气阀与排气阀开度，改变压缩空气进气流量与排气流量，经显示仪器观测、记录响应调节效果，为待测盾构保压系统性能评价提供基础。此外，本发明中使用气动控制器，其中测量信号、驱动动力、控制信号均通过气路传输，中间不用经过信号转换，装置整体可靠性高、防爆性好，控制效果较为精准。

基于以上盾构保压系统实验装置，提供一种盾构保压系统实验装置实用方法，但该方法并不局限于上述盾构保压系统实验装置：

S1：将空气压缩机与立式储罐的进气端连接。

S2：将待测盾构保压系统中的进气阀、排气阀分别安装在主进气管路、主排气管路中，使用第一驱动气路连接气动控制器与堵头，使用测量气路连接模拟泥水仓与气动控制器，使用第二驱动气路连接堵头与进气阀，使用第三驱动气路连接堵头与排气阀，使用第一控制气路连接气动控制器与进气阀，使用第二控制气路连接气动控制器与排气阀。

S3：开启空气压缩机，调整减压阀阀后压力，开启第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀，关闭第四开关阀、第五开关阀与排气阀，检查各部分气密性。

S4：开启第一压力传感器、第二压力传感器与显示仪器，调整各开关阀开闭以模拟待测盾构保压系统处于压力跟随工况、强制进气工况与强制排气工况，多次调整气动控制器中模拟泥水仓空气压力的目标值，记录并观察模拟泥水仓压力调节情况。

其中模拟待测盾构保压系统处于压力跟随工况时，开启第一开关阀、第二开关阀与第四开关阀，关闭第三开关阀、第五开关阀；多次调整气动控制器中模拟泥水仓空气压力的目标值，记录并观察模拟泥水仓的调节情况。

模拟待测盾构保压系统处于强制进气工况时，开启第一开关阀、第三开关阀、第四开关阀，关闭第二开关阀、第五开关阀，通过辅助进气管路向模拟泥水仓内部充入压缩空气；多次调整气动控制器中模拟泥水仓空气压力的目标值，记录并观察模拟泥水仓的调节情况。

模拟待测盾构保压系统处于强制排气工况时，开启第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀，关闭第三开关阀、第四开关阀，通过辅助排气管路将模拟泥水仓内的压缩空气排出；多次调整气动控制器中模拟泥水仓空气压力的目标值，记录并观察模拟泥水仓的调节情况。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种盾构保压系统实验装置，其特征是，包括立式储罐、模拟泥水仓、主进气管路、主排气管路以及待测盾构保压系统，立式储罐的进气端用于与空气压缩机连接，出气端通过主进气管路连接模拟泥水仓；主进气管路上并联有辅助进气管路，主进气管路上于辅助进气管路的上游位置沿压缩空气的流向依次设有第一开关阀、减压阀与堵头，主进气管路上于并联于辅助进气管路之间的位置设有第二开关阀，辅助进气管路上设有第三开关阀；主排气管路连通模拟泥水仓，供模拟泥水仓内的压缩空气排出，主排气管路上连接有出气端与大气相通的辅助排气管路，主排气管路于辅助排气管路的下游位置设有第四开关阀，辅助排气管路上设有第五开关阀；待测盾构保压系统包括气动控制器、进气阀与排气阀，排气阀、进气阀均为气动阀，进气阀位于主进气管路并联于辅助进气管路之间的位置处，排气阀位于主排气管路上辅助排器管路的下游位置处；

还包括测量气路、第一驱动气路、第二驱动气路、第三驱动气路、第一控制气路、第二控制气路、显示仪器、第一压力传感器、第二压力传感器；第一压力传感器位于立式储罐上，第二压力传感器位于模拟泥水仓上，第一压力传感器与第二压力传感器分别将立式储罐与模拟泥水仓的内部压力传输给显示仪器；所述堵头通过第一驱动气路与气动控制器连接、通过第二驱动气路与进气阀连接、通过第三驱动气路与排气阀连接，用于提供驱动气动控制器、进气阀、排气阀工作的空气动力，测量气路两端分别连接模拟泥水仓与气动控制器，用于向气动控制器传递模拟泥水仓内气压信号，测量气路与模拟泥水仓的连接处和第二压力传感器位于同一高度，气动控制器通过第一控制气路控制连接进气阀、通过第二控制气路控制连接排气阀，分别通过进气阀、排气阀调节进气流量与排气流量。

2.如权利要求1所述的盾构保压系统实验装置，其特征是，主进气管路上设有第一法兰、第二法兰、第三法兰、第四法兰，第一法兰、第二法兰、第三法兰、第四法兰端面上均设有密封圈，减压阀两端分别与第一法兰、第二法兰密封连接，进气阀两端分别与第三法兰、第四法兰密封连接；主排气管路上设有第五法兰、第六法兰，第五法兰、第六法兰端面上均设有密封圈，排气阀两端分别与第五法兰、第六法兰密封连接。

3.如权利要求2所述的盾构保压系统实验装置，其特征是，第一压力传感器与第二压力传感器均为无线压力传感器。

4.如权利要求3所述的盾构保压系统实验装置，其特征是，主排气管路的出气端设有消声器。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的盾构保压系统实验装置的盾构保压系统实验装置使用方法，其特征是，包括以下步骤：

S1：将空气压缩机与立式储罐的进气端连接；

S2：将待测盾构保压系统中的进气阀、排气阀分别安装在主进气管路、主排气管路中，使用第一驱动气路连接气动控制器与堵头，使用测量气路连接模拟泥水仓与气动控制器，使用第二驱动气路连接堵头与进气阀，使用第三驱动气路连接堵头与排气阀，使用第一控制气路连接气动控制器与进气阀，使用第二控制气路连接气动控制器与排气阀；

S3：开启空气压缩机，调整减压阀阀后压力，开启第一开关阀、第二开关阀、第三开关阀，关闭第四开关阀、第五开关阀与排气阀，检查各部分气密性；

S4：开启第一压力传感器、第二压力传感器与显示仪器，调整各开关阀开闭以模拟待测盾构保压系统处于压力跟随工况、强制进气工况与强制排气工况，多次调整气动控制器中模拟泥水仓空气压力的目标值，记录并观察模拟泥水仓压力调节情况。

6.如权利要求5所述的盾构保压系统实验装置使用方法，其特征是，模拟待测盾构保压系统处于压力跟随工况时，开启第一开关阀、第二开关阀与第四开关阀，关闭第三开关阀、第五开关阀。

7.如权利要求5所述的盾构保压系统实验装置使用方法，其特征是，模拟待测盾构保压系统处于强制进气工况时，开启第一开关阀、第三开关阀、第四开关阀，关闭第二开关阀、第五开关阀，通过辅助进气管路向模拟泥水仓内部充入压缩空气。

8.如权利要求5所述的盾构保压系统实验装置使用方法，其特征是，模拟待测盾构保压系统处于强制排气工况时，开启第一开关阀、第二开关阀、第五开关阀，关闭第三开关阀、第四开关阀，通过辅助排气管路将模拟泥水仓内的压缩空气排出。

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