专利名称：土压平衡盾构掘进机教学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种盾构掘进机教学系统，特别是一种用于地铁盾构机施工技术教学演示用的土压平衡盾构掘进机教学系统。
背景技术：
盾构法施工是城市地下轨道交通——地铁常用的施工方法，已广泛应用于国内外各大城市的地铁施工中。土压平衡盾构掘进机是地铁盾构施工的主要设备，其工作原理是利用盾构掘进机中的电动机(或液压马达)驱动刀盘旋转，切削地下开挖面土体，同时开启盾构机顶进油缸，将盾构机向前推进，使刀盘切削下来的土体充满开挖面和盾构机前部隔板间的土舱，随着顶进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面保持稳定，开挖面对应的地面部分不坍塌或隆起；保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的进入泥土仓中的渣土量相平衡，保证开挖工作顺利进行。当盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作工人操作拼装机拼装预制好的单层衬砌管片， 使隧道一次成型。为了培训盾构机现场操作工人及建筑学校学生，将土压平衡盾构机施工技术传授给他们，单纯依靠教材上的文字、图片及照片无法形象化地表达，因此亟待发明一种能够比较形象地演示土压平衡盾构机施工技术的土压平衡盾构掘进机教学系统，以提高培训及教学的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种土压平衡盾构掘进机教学系统，能够直观地将土压平衡盾构机施工技术演示、传授给盾构机现场操作工人及建筑学校学生，以达到教学、培训目的。为了实现这一目的，本发明的技术方案为一种土压平衡盾构掘进机教学系统，其特征在于在模拟盾构施工现场地下层依次布置模拟真实土压平衡式盾构机出洞洞门、盾构机发射架和地铁车站平台，盾构机发射架上依次设有盾构模型机切口环、支撑环、盾尾、管片，地铁车站平台上设有反力架、后续台车和运输小车。盾构模型机切口环前端设刀盘，切口环内前部设有与刀盘连接的刀盘驱动装置，刀盘后方为泥土仓，切口环内装有螺旋输送机，切口环后部与支撑环通过螺栓相连；支撑环内设有管片拼装机，支撑环与管片之间安装顶推油缸，支撑环后部与盾尾通过螺栓相连；盾尾内后部装有盾尾钢丝刷；管片用支撑杆与反力架连接；双梁一端与支撑环后部连接，另一端与后续台车相连；后续台车上安装皮带输送机；后续台车顶部安装单梁，两侧布置液压泵站和地下PLC电气控制柜。本发明的优点是能够直观地将土压平衡盾构机施工技术演示、传授给盾构机现场操作工人及建筑学校学生，以达到教学、培训目的，并且通过上述该土压平衡盾构模拟机实体模型和模拟机控制及虚拟系统相配合，可以比较形象地演示土压平衡盾构机施工技术，提高培训及教学的效率。
图1为本发明的土压平衡盾构掘进机教学系统布置示意图。图2为本发明的土压平衡盾构掘进机教学系统控制及虚拟系统示意图。图3为本发明的地下PLC电气控制柜示意图。图4为A处的放大图。图5为本发明的地上PLC操作控制台示意图。图6为图5的控制台面板示意图。
具体实施例方式为了培训盾构机现场操作工人及建筑学校学生，设计一套土压平衡盾构掘进机教学系统即按大致1 :3比例缩小制作了一台土压平衡式盾构模型机，盾构模型机与真实的土压平衡式盾构机一样由主机系统、辅助系统、控制系统构成；教学系统还增设了采用计算机三维仿真技术的模拟系统，能够模拟真实土压平衡式盾构机施工。主机系统的刀盘、螺旋输送机、皮带输送机、顶进油缸以及辅机系统中的管片拼装机、后续台车、运输小车、单梁、 双梁均由盾构模型机实体模型展示，能够实现与真实土压平衡式盾构机一样的刀盘正反转动切削、螺旋输送机正反转动出土、顶推油缸伸出带动模型机前进、管片拼装机回转、平移、 提升管片等功能。为了教学需要，盾构模型机还具有与真实土压平衡式盾构机不同的特点
1)盾构模型机切口环与支撑环顶部与侧面局部开有窗口，能够让参观者、操作者可以看到壳体内的机构；
2)盾构模型机内的顶推油缸的能够回缩，带动盾构模型机后退，实现模型机复位；
3)盾构模型机内装有LED灯带，用LED光带的光点移动演示真实土压平衡式盾构机的注浆、注水功能；
4)设计了简化改进的管片拼装机，实现了与真实土压平衡式盾构机中的管片拼装机同样具有的回转、平移、提升管片等功能；
5)盾构模型机内安装了具有轴线测量支架、激光靶标；
6 )采用与真实土压平衡式盾构机不同的电气控制方式，对盾构模型机、管片拼装机、运输小车由PLC进行统一的电气控制；
7)对盾构模型机、管片拼装机、运输小车的动作行程实行边界限位控制；
8)真实土压平衡式盾构机主机系统中的超挖刀、出土闸门、同步注浆、添加剂注入、油脂注入等不能实现的真实机部件、动作，由模拟系统以三维仿真图像和动画来表现。教学系统增设的，采用计算机三维仿真技术的模拟系统具有
1)以三维图象同步显示盾构模型机的动作；
2)以三维图象显示真实土压平衡式盾构机应有的超挖刀、出土间门、同步注浆、添加剂 (水)注入、油脂注入等盾构模型机实体不能表现的动作；3)模拟施工对象和施工环境，使盾构模型机的操作可以得到真实土压平衡式盾构机在真实环境里施工的施工数据、状态信息；
4)模拟真实施工中可能发生的故障、过载、缺料、偏差等异常情况，供操作者练习；
5)记录、存储盾构模型机操作情况；
6)可以回放操作记录，回看操作情况；
7)可以进行远程演示、远程控制；
8)具有教学管理功能。如图所示，根据本发明的一个实施例，在模拟盾构施工现场地面层布置PLC操作控制台(内部设置组态显示屏、2台触摸屏、操作面板、虚拟系统)。地面PLC操作控制台与地下PLC电气控制柜之间通过Controller Link实现数据通讯联络。在模拟盾构施工现场地下层依次布置模拟真实土压平衡式盾构机出洞洞门1、盾构机发射架2和地铁车站平台3， 盾构机发射架上依次设有盾构模型机的切口环4、支撑环5、盾尾6、管片7，地铁车站平台上设有反力架8、后续台车9和运输小车10。盾构模型机切口环前端设刀盘11，切口环内前部设有与刀盘连接的刀盘驱动装置12，刀盘后方为泥土仓13，切口环4内装有螺旋输送机 14，切口环4后部与支撑环5通过螺栓相连；支撑环5内后部装有经简化改进的管片拼装机 15，支撑环5与管片7之间安装顶推油缸，支撑环5后部与盾尾6通过螺栓相连；盾尾6内后部装有盾尾钢丝刷17 ；管片7用支撑杆18与反力架8连接；双梁19 一端与支撑环5后部连接，另一端与后续台车9相连；后续台车9上方安装皮带输送机20 ；后续台车9顶部安装单梁21，两侧布置液压泵站22和地下PLC电气控制柜23。在模拟盾构施工现场地面层布置PLC操作控制台24，内部设置组态显示屏、触摸屏、操作面板、一套采用三维仿真技术的模拟系统。地面PLC操作控制台与地下PLC电气控制柜之间通过远程数据通讯模块连接，以实现数据通讯联络。通过在模拟盾构施工现场地面PLC操作控制台，分别控制
1)刀盘驱动装置，实现刀盘正反转动和变速；
2)螺旋机驱动超低速电动机和变频器，实现螺旋机正反转动和无级变速；
3)顶推油缸伸缩，带动盾构机模型及台车前进及复位；
4)拼装机超低速电动机，通过小齿轮与拼装机回转架上的大齿圈啮合传动，带动拼装机旋转；
5)拼装机左右各一只提升油缸，实现拼装机提升管片；
6)拼装机1只纵向位移油缸，实现拼装机平移；
7)运输小车上的电动机，实现运输小车在轨道上行走。通过在模拟盾构施工现场地面PLC操作控制台中的三维仿真技术的模拟系统，还可实现
1)以三维图象同步显示盾构模型机的动作；
2)以三维图象显示真实土压平衡式盾构机应有但盾构模型机不能表现的动作
3)模拟施工对象和施工环境，使盾构模型机的操作可以得到真实土压平衡式盾构机在真实环境里施工的施工数据、状态信息；
4)模拟真实施工中可能发生的故障、过载、缺料、偏差等异常情况，供操作者练习；5)记录、存储盾构模型机操作情况；
6)可以回放操作记录，回看操作情况；
7)可以进行远程演示、远程控制；
8)具有教学管理功能。
权利要求
1.一种土压平衡盾构掘进机教学系统，其特征在于在模拟盾构施工现场地下层依次布置模拟真实土压平衡式盾构机出洞洞门、盾构机发射架和地铁车站平台，盾构机发射架上依次设有盾构模型机切口环、支撑环、盾尾、管片，地铁车站平台上设有反力架、后续台车和运输小车。
2.按权利要求1所述的盾构掘进机教学系统，其特征在于盾构模型机切口环前端设刀盘，切口环内前部设有与刀盘连接的刀盘驱动装置，刀盘后方为泥土仓，切口环内装有螺旋输送机，切口环后部与支撑环通过螺栓相连；支撑环内设有管片拼装机，支撑环与管片之间安装顶推油缸，支撑环后部与盾尾通过螺栓相连；盾尾内后部装有盾尾钢丝刷；管片用支撑杆与反力架连接；双梁一端与支撑环后部连接，另一端与后续台车相连；后续台车上安装皮带输送机；后续台车顶部安装单梁，两侧布置液压泵站和地下PLC电气控制柜。
3.按权利要求1所述的盾构掘进机教学系统，其特征在于在模拟盾构施工现场地下层后续台车内布置地下PLC电气控制柜，在模拟盾构施工现场地面层布置PLC操作控制台， 地面PLC操作控制台与地下PLC电气控制柜之间通过Controller Link实现数据通讯联络。
全文摘要
本发明公开了一种土压平衡盾构掘进机教学系统，其特征在于在模拟盾构施工现场地下层依次布置模拟真实土压平衡式盾构机出洞洞门、盾构机发射架和地铁车站平台，盾构机发射架上依次设有盾构模型机切口环、支撑环、盾尾、管片，地铁车站平台上设有反力架、后续台车和运输小车。本发明的优点是能够直观地将土压平衡盾构机施工技术演示、传授给盾构机现场操作工人及建筑学校学生，以达到教学、培训目的，并且通过上述该土压平衡盾构模拟机实体模型和模拟机控制及虚拟系统相配合，可以比较形象地演示土压平衡盾构机施工技术，提高培训及教学的效率。
文档编号G09B9/00GK102467836SQ20101055033
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者周兴大, 应建华, 王云飞, 程远程, 许勇, 陈建民, 陈枫 申请人:上海市机械施工有限公司