盾构机控制系统检测试验台.pdf

一种盾构机控制系统检测试验台，包括盾构机功能仿真系统，及设置在功能仿真系统内的传感装置，传感装置与被检测的盾构机控制系统相联系，所述的功能仿真系统可以是物理仿真系统，也可以是数学仿真系统，或物理仿真系统和数学仿真系统的结合。这种盾构机控制系统检测试验台，可全面模拟多种类型盾构机的各种功能，从而对盾构机控制系统在设计、组装与调试上的正确性进行检验，避免了在控制系统设计不完善时直接与盾构机联机所带来的风险，缩短了新机型的研发周期。同时，便于对盾构机控制系统的优化与改型，还便于对正在隧道中施工的盾构机实行远程故障诊断。

1.  一种盾构机控制系统检测试验台，其特征在于：检测试验台包括盾构机功能仿真系统，及设置在功能仿真系统内的传感装置与被检测的盾构机控制系统相联系。

2.  根据权利要求1所述的盾构机控制系统检测试验台，其特征在于：所述的盾构机功能仿真系统，由物理仿真系统和数学仿真系统组成，它们分别通过设置在仿真系统内的传感器、控制按钮、触摸屏与被检测的盾构机控制系统联系。

3.  根据权利要求2所述的盾构机控制系统检测试验台，其特征在于：物理仿真系统，是由与盾体装配在一起的刀盘驱动装置、刀盘、刀盘切削模拟加载装置、模拟管片、盾构机推进装置、盾构机推进模拟加载装置、排渣模拟装置、泥水输送模拟装置、压力平衡模拟装置、盾构机姿态调整模拟装置组成。

4.  根据权利要求2或3所述的盾构机控制系统检测试验台，其特征在于：在物理仿真系统中，刀盘安装在盾体的前端，刀盘驱动装置安装在盾体内，刀盘驱动装置由动力装置连同减速机及大轴承组成；在刀盘的前方装有刀盘切削模拟加载装置；
盾构推进装置由盾构机推进油缸组成，它装配在盾体之内，盾构机推进模拟加载装置由装配在盾体外边的盾构机推进模拟加载油缸组成；
排渣模拟装置，由进口位于泥水气压密封舱内的渣浆排出管道和与它相连的渣浆泵组成；
泥水输送模拟装置，由出口位于泥水气压密封舱内的泥水输送管道和与其相连的泥水泵及位于泥水气压密封舱内的液位计组成；
位于盾体内，装有调节阀的压缩空气管道，及与被检测的控制系统相连通的压力传感器组成压力平衡模拟装置；
盾构机姿态调整模拟装置，由安装在盾体下部的万向铰支座、推进油缸和模拟管片组成。

5.  根据权利要求2或3所述的盾构机控制系统检测试验台，其特征在于：所述的数学仿真系统，是通过计算机对盾构机中的管片拼装机构、注浆机构、密封润滑机构、添加剂注入机构、石渣破碎机构、管片转运机构、压缩空气供给机构、工业用水供给机构、通风机构的工作过程建立的数学模型并进行试验。

6.  根据权利要求1所述的盾构机控制系统检测试验台，其特征在于：所述的盾构机功能仿真系统，是物理仿真系统，它是由与盾体装配在一起的刀盘驱动装置、刀盘、刀盘切削模拟加载装置、模拟管片、盾构机推进装置、盾构机推进模拟加载装置、排渣模拟装置、泥水输送模拟装置、压力平衡模拟装置、盾构机姿态调整模拟装置组成，它们通过设置在仿真系统内的传感器、控制按钮、触摸屏与被检测的盾构机控制系统联系。

7.  根据权利要求1所述的盾构机控制系统检测试验台，其特征在于：所述盾构机功能仿真系统是数学仿真系统，它是通过计算机对盾构机中的刀盘切削模拟加载装置、盾构机推进模拟加载装置、压力平衡模拟加载装置、盾构机姿态调整模拟装置、管片拼装机构、注浆机构、密封润滑机构、添加剂注入机构、石渣破碎机构、管片转运机构、压缩空气供给机构、工业用水供给机构、通风机构的工作过程建立的数学模型；并通过与盾构机控制系统的联系，对控制系统正确性进行检验。

盾构机控制系统检测试验台
技术领域
本发明属于隧道掘进工程设备功能的模拟试验装置，尤其涉及盾构机控制系统检测试验装置。
背景技术
盾构机是一种结构较复杂的大型设备，要制造出性能良好盾构机，其控制系统的研发至关重要，科研人员在控制系统的研发中都会投入较长的时间和很大的精力；尽管如此还会出现一些设计不合理的部分，而这些不合理之处，只有在控制系统与盾构机的实际执行机构联系在一起并进行施工时才能得知；这不仅给施工带来了隐患而且也延误了工程进度，因此研制一台能够检测盾构机控制系统正确性的设备势在必行。
发明内容
本发明的目的是，提供一种盾构机控制系统检测试验台，在控制系统完成设计后便能对它进行检测，进而达到盾构机产品中的控制系统均能实现预期功能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：这种盾构机控制系统检测试验台，包括盾构机功能仿真系统，及设置在功能仿真系统内的传感装置，传感装置与被检测的盾构机控制系统相联系。
所述的盾构机功能仿真系统，由物理仿真系统和数学仿真系统组成，它们分别通过设置在仿真系统内的传感器、控制按钮、触摸屏与被检测的盾构机控制系统联系。
物理仿真系统，是由与盾体装配在一起的刀盘驱动装置、刀盘、刀盘切削模拟加载装置、模拟管片、盾构机推进装置、盾构机推进模拟加载装置、排渣模拟装置、泥水输送模拟装置、压力平衡模拟装置、盾构机姿态调整模拟装置组成。
在物理仿真系统中，刀盘安装在盾体的前端，刀盘驱动装置安装在盾体内，刀盘驱动装置由动力装置连同减速机及大轴承组成；在刀盘的前方装有刀盘切削模拟加载装置；
盾构推进装置由盾构机推进油缸组成，它装配在盾体之内，盾构机推进模拟加载装置由装配在盾体外边的盾构机推进模拟加载油缸组成；
排渣模拟装置，由进口位于泥水气压密封舱内的渣浆排出管道和与它相连的渣浆泵组成；
泥水输送模拟装置，由出口位于泥水气压密封舱内的泥水输送管道和与其相连的泥水泵及位于泥水气压密封舱内的液位计组成；
位于盾体内，装有调节阀的压缩空气管道，及与被检测的控制系统相连通的压力传感器组成压力平衡模拟装置；
盾构机姿态调整模拟装置，由安装在盾体下部的万向铰支座、推进油缸和模拟管片组成。
所述的数学仿真系统，是通过计算机对盾构机中的管片拼装机构、注浆机构、密封润滑机构、添加剂注入机构、石渣破碎机构、管片转运机构、压缩空气供给机构、工业用水供给机构、通风机构的工作过程建立的数学模型并进行试验。
所述的盾构机功能仿真系统，是物理仿真系统，它是由与盾体装配在一起的刀盘驱动装置、刀盘、刀盘切削模拟加载装置、模拟管片、盾构机推进装置、盾构机推进模拟加载装置、排渣模拟装置、泥水输送模拟装置、压力平衡模拟装置、盾构机姿态调整模拟装置组成，它们通过设置在仿真系统内的传感器、控制按钮、触摸屏与被检测的盾构机控制系统联系。
所述盾构机功能仿真系统是数学仿真系统，它是通过计算机对盾构机中的刀盘切削模拟加载装置、盾构机推进模拟加载装置、压力平衡模拟加载装置、盾构机姿态调整模拟装置、管片拼装机构、注浆机构、密封润滑机构、添加剂注入机构、石渣破碎机构、管片转运机构、压缩空气供给机构、工业用水供给机构、通风机构的工作过程建立的数学模型；并通过与盾构机控制系统的联系，对控制系统正确性进行检验。
该盾构机控制系统检测试验台，可全面模拟多种类型盾构机的各种功能，从而对盾构机控制系统在设计、组装与调试上的正确性进行检验，避免了在控制系统设计不完善时直接与盾构机联机所带来的风险，缩短了新机型的研发周期。同时，便于对盾构机控制系统的优化与改型，还便于对正在隧道中施工的盾构机实行远程故障诊断。
本发明中的“盾构机控制系统”检测试验台具有功能全面、仿真度高、主次分明、虚实结合、结构简单、便于扩展的优点。
附图说明
图1为实施例1的功能仿真系统组成示意框图；
图2为实施例1的物理仿真系统结构示意图；
图3为盾构机控制系统组成示意框图；
图4为盾构机控制系统检测试验台工作原理示意图；
具体实施方式
实施例1：本实施例中的盾构机控制系统检测试验台中，有一个盾构机功能仿真系统2，它由物理仿真系统3与数学仿真系统4组成。
盾构机功能物理仿真系统3，由与盾体21装配在一起的刀盘驱动装置9、刀盘8、刀盘切削模拟加载装置7、模拟管片12、盾构机推进装置11、盾构机推进模拟加载装置10、排渣模拟装置15、泥水输送模拟装置14、压力平衡模拟装置13、盾构机姿态调整模拟装置16等组成。
刀盘8装在盾体21的前端，刀盘驱动装置9装在盾体21内，刀盘驱动装置9由动力装置连同减速机及大轴承组成，动力装置可采用电动机或液压马达。在刀盘驱动装置9的驱动下，刀盘8可沿顺时针或逆时针方向旋转。它们之间的连接关系为：动力装置的动力输出轴与行星齿轮减速机相连，行星齿轮减速机的输出轴通过小齿轮与大轴承的内齿圈相连，大轴承内齿圈通过高强度螺栓与刀盘相连。在刀盘8的前方装有刀盘切削模拟加载装置7；它由增速器20、装配在增速器20前边的液压马达19及装配在增速器20后边的万向节32组成，刀盘切削模拟加载装置7的轴向中心线与刀盘8的轴向中心线应相重合。
盾构机推进装置11位于盾体21之内，它最少有四个盾构机推进油缸23组成，盾构机推进油缸23的数量，可根据情况选择，但应多于四个；盾构机推进油缸23的前端与环形泥水气压密封舱27连接，推进油缸23的活塞杆伸出后顶在模拟管片12上，而盾构机推进模拟加载装置10装配在盾体21的外边，它由装配在的盾体21外壁上的盾构机推进模拟加载油缸22组成，加载油缸22至少为四个，但也应根据情况增加其数量；盾构机推进模拟加载油缸22前端固定在环形泥水气压密封舱27外边，后端固定在模拟管片12上；模拟管片12为钢制环状箱形结构，它与试验室地面固定。
排渣模拟装置15由进口位于泥水气压密封舱27内的渣浆排出管道25和与它相连的渣浆泵34组成；
压力平衡模拟装置13由环形的泥水气压密封舱27、装在泥水气压密封舱27上的压力传感器28和液位计30、与泥水气压密封舱27相通的压缩空气管道26及泥水输送管道24和与其相连的泥水泵33组成，在压缩空气管道26上装有调节阀29，调节阀29采用调节型电动阀或气动阀。
而压力平衡模拟装置13中的泥水输送管道24、液位计30和泥水泵33又组成泥水输送模拟装置14。
盾构机姿态调整模拟装置16，由万向铰支座31、推进油缸组23、模拟管片12组成；万向铰支座31安装在环形密封舱的下部，随着盾构机不断向前掘进而移动。
在上述每种装置内均有与被检测的盾构机控制系统联系的传感装置。
本实施例中的数学仿真系统4(也可称为计算机仿真系统)，它是在计算机上对盾构机各系统的数学模型进行试验的技术，即通过计算机对盾构机中的管片拼装机构40、注浆机构41、密封润滑机构42、添加剂注入机构43、石渣破碎机构44、管片转运机构45、压缩空气供给机构46、工业用水供给机构47、通风机构48的工作过程建立数学模型并进行试验；
盾构机功能数学仿真系统4也与被检测的盾构机控制系统联系，并对控制系统1的正确性进行检验。
功能仿真数学模型也可以根据需要为一种或多种机构建立。
本实施例中物理仿真系统的各种装置的作用如下：
刀盘8在刀盘驱动装置9的驱动下，可沿顺时针或逆时针方向旋转。
刀盘切削模拟加载装置7的作用是对刀盘8在开挖地层中进行岩土切削时所产生的扭矩进行模拟。随着刀盘8的转动，增速器20将以增速方式带动液压马达19回转，使其处于“泵”工况，对刀盘8的回转形成阻碍作用。通过调整液压马达19的出口压力，可实现刀盘8负载扭矩大小的调节。
盾构机推进装置11使盾构机在开挖地层中行进。盾构机推进模拟加载装置10的作用主要是对刀盘8与盾体21在开挖地层中进行掘进时所产生的阻力进行模拟。当盾构机推进油组23伸出时，顶推后方的模拟管片12，向前推进刀盘8与盾体21，同时使盾构机推进模拟加载油缸组22被动拉伸，起到“泵”的作用。通过调整盾构机推进模拟加载油缸组22油阻尼的大小，即可实现推进油缸组23负载推力的调节。
泥水输送模拟装置14与排渣模拟装置15的作用是对渣浆的形成与排出过程进行模拟。通过处理后的泥水经由泥水输送管道24送入泥水气压密封舱27中，与“渣土”混合形成渣浆后经由渣浆排出管道25排出洞外，通过液位计30等的控制，可对泥水输入与渣浆排出两者之间的流量关系进行调节，从而使密封舱27内的液面保持在合适的高度。
压力平衡模拟装置13的作用是对开挖面的土压力和水压力进行模拟。它主要通过对密封舱27内空气压力的调节来实现。当开挖面的水土压力增大时，通过压力传感器28、控制系统1与调节型电动阀或气动阀29的作用，自动增大压缩空气管道26内的空气流量，使密封舱27内的空气压力增高。当开挖面的水土压力减小时，则密封舱27的内的空气压力随之降低，二者之间自动保持一个平衡的关系。
盾构机姿态调整模拟装置16，可对盾构机进行姿态调整的模拟。如果将推进油缸组23中的各缸的压力调为一致，当油缸组23伸出时，则模拟管片12产生的反力推动刀盘8、盾体21、万向铰支座31向前水平移动。如果将推进油缸组23中位于上方的油缸的压力调高，则刀盘8与盾体21在不均衡反力的作用下会沿万向铰支座31下俯向前移动。依此类推，可根据需要使刀盘8与盾体21处于上仰、下俯、左偏、右偏等各个方位角上。
盾构机控制系统1由信号采集装置5与控制器6组成，信号采集装置5由传感器、控制按钮或触摸屏组成，将采集到的各种模拟信号或数字信号输入到控制器6中，控制器6可以是PLC或工业控制计算机或单片机或继电器阵列等，用于实现对盾构机功能仿真系统2的控制。
当盾构机控制系统1的设计组装完成后，即可利用本检测试验台对其进行检测；检测时需把被检测的盾构机控制系统与上述仿真系统相联。在控制系统1的作用下，功能仿真系统如能实现各种具有一定逻辑关系的动作，并在压力、流量、位移、速度、时间、转速、扭矩、姿态角、温度、液位等各种参数上符合设计要求，则表明控制系统1能够使功能仿真系统2实现预期的功能，说明控制系统1的设计与组装是正确的，具备了与实际盾构机进行联机的条件。如果控制系统1不能使功能仿真系统实现预期的功能，则说明控制系统1的参数或设计存在问题，需要重新调试或修改设计。
实施例2：本实施例中的盾构机功能仿真系统为物理仿真系统，其结构与实施例1中的物理仿真系统3相同，该仿真系统内的每种装置均有传感器、控制按钮、触摸屏与被检测的盾构机控制系统联系。
实施例3：本实施例中的盾构机功能仿真系统是数学仿真系统(也可称为计算机仿真系统)。
盾构机功能数学仿真系统是通过计算机对盾构机中的刀盘切削模拟加载装置、盾构机推进模拟加载装置、压力平衡模拟加载装置、盾构机姿态调整模拟装置、管片拼装机构、注浆机构、密封润滑机构、添加剂注入机构、石渣破碎机构、管片转运机构、压缩空气供给机构、工业用水供给机构、通风机构的工作过程建立的数学模型；并通过与盾构机控制系统的联系，对控制系统正确性进行检验。
为了更加逼真地体现盾构机的控制过程，同时也为了简化盾构机控制系统检测试验台的结构，检测试验台的功能仿真系统最好由物理仿真系统与数学仿真系统组成，对盾构机中与掘进工况紧密相关的重要部分采取物理仿真的方法进行功能仿真，而对其他部分则采用数学仿真的方法进行功能仿真；但是根据检测的需要，检测试验台的功能仿真系统也可以仅是物理仿真系统或仅是数学仿真系统。