模拟盾构机试验控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种模拟盾构机试验控制系统。其特点是：其中液压控制单元包括液压泵机构，该液压泵机构的进油口和出油口分别与螺旋输送机控制电磁阀连通，而该螺旋输送机控制电磁阀还与螺旋输送机控制装置连通，从而驱动螺旋输送机；该液压泵机构的进油口和出油口还分别与刀盘控制电磁阀连通，而该刀盘控制电磁阀还与刀盘控制装置连通，从而驱动刀盘；该液压泵机构的进油口和出油口还分别与推进控制电磁阀连通，而该推进控制电磁阀还与推进部控制装置连通，从而驱动推进部。本实用新型采用大型地质环境模拟系统，使用时可以安装配备实际盾构掘进所涉及的各种系统和设备，增加了模拟试验的真实性和完整性，真实再现了盾构掘进环境。
【专利说明】模拟盾构机试验控制系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种模拟盾构机试验控制系统。
【背景技术】
[0002]鉴于隧道施工对于盾构掘进装备和施工安全的特殊要求及施工环境的特殊性，无法通过实际施工进行盾构关键技术的研究，因此模拟试验是研究和掌握掘进机关键技术的重要手段。
[0003]我国模拟盾构平台相比于国外起步较晚，从总体上讲我国掘进装备关键技术与国际先进水平存在阶段性差距。主要表现在有:1、规模较小、模拟掘进机简化过多，模拟盾构掘进环境与实际掘进环境有较大的差异；2、现有的模拟试验多偏重于在盾构掘进过程中以及隧道形成后的土体变形、应力变化特性的研究，对掘进装备本身的机械和控制特性研究较少；3、目前大多模拟盾构设备已经设定好固定的控制系统，在教学环节中缺乏对控制系统的二次开发功能。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是提供模拟盾构机试验控制系统，能够增加模拟试验的真实性和完整性,并且降低了系统的复杂性和成本。
[0005]一种模拟盾构机试验控制系统，包括刀盘控制装置、推进部控制装置、螺旋输送机控制装置，以及与上述各装置连接的液压控制单元和电控单元，其特别之处在于:
[0006]其中液压控制单元包括液压泵机构，该液压泵机构的进油口和出油口分别与螺旋输送机控制电磁阀连通，而该螺旋输送机控制电磁阀还与螺旋输送机控制装置连通，从而驱动螺旋输送机；
[0007]该液压泵机构的进油口和出油口还分别与刀盘控制电磁阀连通，而该刀盘控制电磁阀还与刀盘控制装置连通，从而驱动刀盘；
[0008]该液压泵机构的进油口和出油口还分别与推进控制电磁阀连通，而该推进控制电磁阀还与推进部控制装置连通，从而驱动推进部；
[0009]其中电控单元包括控制器，该控制器分别与前述的螺旋输送机控制电磁阀、刀盘控制电磁阀和推进控制电磁阀电连接，而该控制器还与人机界面电连接。
[0010]其中刀盘控制装置采用双向液压马达，推进部控制装置采用推进液压缸，螺旋输送机控制装置采用单向液压马达。
[0011]其中液压泵机构包括相串联的定量液压泵和滤油器，并且该定量液压泵和滤油器串联后的两端还通过一溢流阀连通，另外该定量液压泵还与控制器电连接。
[0012]其中溢流阀采用电磁溢流阀，并且该电磁溢流阀与所述的控制器电连接。
[0013]其中溢流阀还与压力表连通。
[0014]其中在液压泵机构分别与螺旋输送机控制电磁阀、刀盘控制电磁阀、推进控制电磁阀之间均安装有调速阀，所有调速阀均采用电动调速阀并且所有电动调速阀均分别与控制器电连接。
[0015]其中在液压泵机构与推进控制电磁阀之间的调速阀两端还并联有推进控制电磁换向阀，该推进控制电磁换向阀还与所述的控制器电连接。
[0016]其中螺旋输送机控制电磁阀采用二位三通电磁换向阀，刀盘控制电磁阀采用三位四通电磁换向阀，推进控制电磁阀采用电液比例伺服阀。
[0017]其中控制器还分别与温度传感器、压力传感器、速度传感器、扭矩传感器和油压传感器连接。
[0018]其中控制器还与上位机电连接，该上位机与打印机电连接。
[0019]经过试用证明，本实用新型采用大型地质环境模拟系统，使用时可以安装配备实际盾构掘进所涉及的各种系统和设备，增加了模拟试验的真实性和完整性；真实再现了盾构掘进环境。采用可编程序控制系统、数据采集系统、组态监控系统等，在实现实际盾构测控基本功能要求的基础上增加了相关的综合模拟试验平台和单元技术试验台。既能够满足基本的盾构机基本元部件拆装教学实训，也能够实现盾构机电控系统二次开发功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]附图1为本实用新型中液压控制单元的原理图；
[0021]附图2为本实用新型中控制器主要工作流程的控制流程图。
【具体实施方式】
[0022]如图1所示，首先为了描述方便，定义其中定量液压泵3中包含第一电磁铁1YA，推进控制电磁换向阀6中包含第二电磁铁2YA，电液比例伺服阀9中包含第三电磁铁3YA和第四电磁铁4YA,三位四通电磁换向阀10中包含第五电磁铁5YA和第六电磁铁6YA, 二位三通电磁换向阀11中包含第七电磁铁7YA。
[0023]如图1所示，本实用新型是一种模拟盾构机试验控制系统，包括刀盘控制装置、推进部控制装置、螺旋输送机控制装置，以及与上述各装置连接的液压控制单元和电控单元。
[0024]其中液压控制单元包括液压泵机构，该液压泵机构的进油口和出油口分别与螺旋输送机控制电磁阀连通，而该螺旋输送机控制电磁阀还与螺旋输送机控制装置连通，从而驱动螺旋输送机；该液压泵机构的进油口和出油口还分别与刀盘控制电磁阀连通，而该刀盘控制电磁阀还与刀盘控制装置连通，从而驱动刀盘；该液压泵机构的进油口和出油口还分别与推进控制电磁阀连通，而该推进控制电磁阀还与推进部控制装置连通，从而驱动推进部。
[0025]其中电控单元包括控制器，具体可采用PLC，该控制器分别与前述的螺旋输送机控制电磁阀、刀盘控制电磁阀和推进控制电磁阀电连接，而该控制器还与人机界面，例如触摸屏电连接。
[0026]其中刀盘控制装置采用双向液压马达7，推进部控制装置采用推进液压缸12，螺旋输送机控制装置采用单向液压马达8。液压泵机构包括相串联的定量液压泵3 (该泵与控制器电连接并受其控制)和滤油器2，并且该定量液压泵3和滤油器2两端还与一溢流阀连通，该溢流阀具体采用电磁溢流阀1，并且该电磁溢流阀I与所述的控制器电连接。另外溢流阀还与压力表4连通。
[0027]其中在液压泵机构与螺旋输送机控制电磁阀、刀盘控制电磁阀、推进控制电磁阀之间均安装有调速阀5，并且三个均为电动调速阀5，同时三个电动调速阀5均与控制器电连接。而螺旋输送机控制电磁阀采用二位三通电磁换向阀11，刀盘控制电磁阀采用三位四通电磁换向阀10，推进控制电磁阀采用电液比例伺服阀9。并且在液压泵机构与推进控制电磁阀之间的调速阀5两端还并联有推进控制电磁换向阀6，该推进控制电磁换向阀6与所述的控制器电连接。
[0028]其中控制器还与温度传感器、压力传感器、速度传感器、扭矩传感器13、外加一油压传感器连接。进行模拟试验时将温度传感器安装于油箱，用于测量油温度；压力传感器安装于刀盘上，用于测量刀盘进给时的压力；速度传感器安装于刀盘上，用于测量刀盘转动时的速度；扭矩传感器13安装于刀盘轴上，用于测量刀盘转动时的扭矩；油压传感器安装于油缸出口处。
[0029]另外控制器还与上位机电连接，该上位机与打印机电连接。
[0030]本实用新型的使用方法和工作原理是:
[0031 ] 在模拟盾构机试验时，本实用新型中的刀盘控制装置、推进部控制装置、螺旋输送机控制装置还应当分别与盾构机连接。其中推进部控制装置由推进油缸安装于盾构机体内，工作时推动盾构机及刀盘向前进给，螺旋输送机控制装置由液压马达和皮带轮组成，安装于盾构机体内，延生到尾盾。刀盘控制装置安装于盾构机体内，驱动刀盘旋转。
[0032]1、刀盘控制:
[0033]刀盘采用液压驱动。掘进时，双向液压马达7启动并正常运行后，选择正转(或反转)，控制调速阀5的电压，使刀盘速度变化。当滤油器2、油压力、油温度、轴承或密封温度、油位等异常时，控制器PLC发出报警信号，至极限时控制刀盘停止转动。该部分控制均采用相关传感器，例如温度过高时，由温度传感器将温度信号传至PLC与设定温度对比，超过最高温度时，PLC控制刀盘(双向马达)停止，通过采集的信号与额定信号相比较，超出额定值时由PLC控制刀盘停止；当扭矩传感器13测得的扭矩超出极限值时说明崩刀或道具磨损严重，刀盘也停止转动。
[0034]2、推进控制:
[0035]推进部采用I个推进液压缸12。推进动作分为工进和快进，当盾构机快进时，利用推进控制电磁换向阀6使盾构机快速前进。当快要接近工作位置时，启动手动按钮，使液压缸转为掘进即共进状态，盾构掘进时，通过扭矩传感器13形成闭环系统，将系统扭矩转换成电信号与标准信号比较，通过调节电液比例伺服阀9的开口量调节推进速度。当油压异常时发出报警信号，油压达极限时停止，例如油压传感器检测到压力超过额定值时，由PLC控制推进液压缸12停止推进。
[0036]3、螺旋输送机控制:
[0037]螺旋输送机回路由单向液压马达8控制。单向液压马达8通过联轴器连接螺旋输送机，驱动螺旋输送机进行土箱的排土动作，实现盾构机的排土过程。
[0038]4、液压控制单元:
[0039]液压控制单元在主轴油路上采用定量液压泵3实现压力自适应控制，由扭矩传感器13、电液伺服阀、电磁溢流阀1、电磁调速阀5、电气换向阀、辅助阀及相关检测元件等组成。其执行器为一个阀控液压缸回路(参见图1右部)、一个阀控双向马达回路(参见图1中部)以及一个单向阀控马达回路(参见图1左部)组成。[0040](I)双向液压马达7回路(阀控双向马达回路):
[0041]双向液压马达7回路即为刀盘驱动回路。双向液压马达7连接减速器，经减速器后连接盾构机刀盘，驱动刀盘做旋转运动，实现盾构机的切削土体的过程。
[0042]双向液压马达7回路为定量液压泵3—定量马达回路，利用调速阀5进行调速。双向液压马达7的旋转方向由三位四通电磁换向阀10控制。调速阀5可以实现正转保压调速的功能。
[0043]具体工作过程为:定量液压泵3供油，第一电磁铁IYA得电，电磁溢流阀I开始工作，定量液压泵3卸荷转为供油状态。压力表4实时监测压力状态，第五电磁铁5YA动作，双向液压马达7正转，刀盘正转盾构。第六电磁铁6YA动作，双向液压马达7反正，刀盘反转盾构。设置正反转环节的目的是减轻刀具磨损，提高刀具使用寿命。
[0044](2)单向液压马达8回路(单向阀控马达回路):
[0045]单向液压马达8回路即为螺旋输送机回路。单向液压马达8连接联轴器后连接螺旋输送机，驱动螺旋输送机进行土箱的排土动作，实现盾构机的排土过程。
[0046]单向液压马达8回路为定量液压泵3—定量马达回路，利用调速阀5进行调速。单向液压马达8的旋转方向由二位三通电磁换向阀11控制。调速阀5可以实现正转保压调速的功能。
[0047]具体过程为:
[0048]定量液压泵3供油，第一电磁铁IYA得电，电磁溢流阀I开始工作，液压泵卸荷转为供油状态，压力表4实时监测压力状态。单向液压马达8正/反转后，第七电磁铁7YA动作，单向液压马达8正转。螺旋输送机开始工作。
[0049](3)液压缸回路(阀控液压缸回路):
[0050]液压缸回路即为盾构机推进部。
[0051](A)、快进过程:
[0052]定量液压泵3供油，第一电磁铁IYA得电，电磁溢流阀I开始工作，定量液压泵3由卸荷转为供油状态。压力表4实时检测压力状态，第二电磁铁2YA动作，推进控制电磁换向阀6右位工作，使调速阀5不发挥工作，同时第四电磁铁4YA动作，推进控制电磁换向阀6左位工作，推进液压缸12做快速前进。
[0053](B)推进过程:
[0054]在推进过程中，其主要的要求是工进过程可控，原理为:根据盾构过程中所受的压力，通过一定的规律解算出刀盘切削土所需的扭矩，并用信号来控制电液比例伺服阀9的开口量，从而调节液压缸的进给量。此时，再利用扭矩传感器13将刀盘所受的扭矩反馈到控制器与给定信号相比较，得出偏差信号。此偏差信号经伺服放大器放大后输入到电液比例伺服阀9，使电液比例伺服阀9产生负载压差作用于液压缸的活塞上，通过改变液压缸的进给量使扭矩向减少误差的方向变化，直至扭矩等于指令信号所规定的值为止。
[0055]液压缸回路采用定量液压泵3供油，其压力和卸荷由电磁溢流阀I设定和控制，液压缸的前后运动及调速由O型中位机能的电液比例伺服阀9控制，并通过调速阀5进行速度微调。
[0056]工作过程如下:
[0057]定量液压汞供油，第一电磁铁IYA得电，电磁溢流阀I开始工作，定量液压泵3由卸荷转为供油状态，压力表4实时检测压力状态。
[0058]当液压缸掘进时，第二电磁铁2YA断电，使电液比例伺服阀9发挥作用，同时第四电磁铁4YA动作，推进控制电磁换向阀6切换至右位工作。定量液压汞的压力经调速阀5、电液比例伺服阀9进入液压缸无杆腔，液压缸工进。
[0059]此时，利用扭矩传感器13将刀盘所受的扭矩反馈到控制器与给定信号相比较，得出偏差信号。此偏差信号经伺服放大器放大后输入到电液比例伺服阀9，使电液比例伺服阀9产生负载压差作用于液压缸的活塞上，通过改变液压缸的进给量使扭矩向减小误差的方向变化，直至扭矩等于指令信号所规定的值为止。可实时控制推进系统的推进速度，满足盾构推进过程中随时变化的推进速度的要求。
[0060](C)液压缸后退:
[0061]第三电磁铁3YA通电使电液比例伺服阀9的阀芯右移，定量液压泵3的压力油经调速阀5和电液比例伺服阀9进入液压缸的有杆腔，液压缸无杆腔排油经推进控制电磁换向阀6回到油箱。停止时，第一电磁铁IYA断电，推进控制电磁换向阀6处于中位。
[0062]5、电控单元；
[0063]在功能上PLC主要完成底层控制，包括盾构机的刀盘控制、推进控制、螺旋输送控制等，同时PLC还要完成与控制设备相关的数据采集工作以及输出电磁阀线圈控制信号。PLC对控制系统中需要监测的各种控制开关信号和传感器信号进行实时扫描检测。当控制信号输入PLC后，按照程序进行逻辑检查和时序控制，处理后输出，通过电磁阀控制液压缸、液压马达的启停，或通过放大器连续调节电液比例伺服阀9从而控制液压缸的速度和压力，达到调整盾构的目的。
[0064]上位机由工控机配备监控组态软件构成，监控软件选用三维力控组态软件6.1，该软件具有先进的图形、动画功能和丰富的图库，用户可以方便的构造适合系统需要的监控管理系统，并可运用工控机资源进行二次开发。盾构机的刀盘、推进部、螺旋输送机的动作状态可以在上位机或人机界面上进行相应模拟试验控制或进行教学实习之用。
[0065]本实用新型的控制系统具有如下特点:
[0066]1、采用大型地质环境模拟系统，安装配备实际盾构掘进所涉及的各种系统和设备，增加了模拟试验的真实性和完整性；真实再现了盾构掘进环境；采用可编程序控制系统、数据采集系统、组态监控系统等，在实现实际盾构测控基本功能要求的基础上增加了相关的综合模拟试验平台和单元技术试验台。既能够满足基本的盾构机基本元部件拆装教学实训，也能够实现盾构机电控系统二次开发功能。
[0067]2、对盾构推进液压系统的推进压力和推进速度进行试验分析研究，分析盾构电液控制系统的压力和流量控制特性。同时对推进液压系统的多缸同步协调控制进行试验分析，并与仿真进行对比，为实际盾构施工推进系统的控制提供理论参考；参照实际盾构以及国内外盾构模拟试验平台的监控特点，对盾构模拟试验平台液压监控系统进行开发设计。采用PLC编程软件对盾构机液压系统进行编程控制，同时采用组态软件对盾构液压监控系统界面进行组态开发。
[0068]3、在现场配置方面，设置上位机及控制室；采用基于CC-Link现场总线的PLC控制方式，保证了数据传输的可靠性和及时性，在提高电控系统性能的同时极大地降低了系统的复杂性和成本。
【权利要求】
1.一种模拟盾构机试验控制系统，包括刀盘控制装置、推进部控制装置、螺旋输送机控制装置，以及与上述各装置连接的液压控制单元和电控单元，其特征在于: 其中液压控制单元包括液压泵机构，该液压泵机构的进油口和出油口分别与螺旋输送机控制电磁阀连通，而该螺旋输送机控制电磁阀还与螺旋输送机控制装置连通，从而驱动螺旋输送机； 该液压泵机构的进油口和出油口还分别与刀盘控制电磁阀连通，而该刀盘控制电磁阀还与刀盘控制装置连通，从而驱动刀盘； 该液压泵机构的进油口和出油口还分别与推进控制电磁阀连通，而该推进控制电磁阀还与推进部控制装置连通，从而驱动推进部； 其中电控单元包括控制器，该控制器分别与前述的螺旋输送机控制电磁阀、刀盘控制电磁阀和推进控制电磁阀电连接，而该控制器还与人机界面电连接。
2.如权利要求1所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中刀盘控制装置采用双向液压马达(7)，推进部控制装置采用推进液压缸(12)，螺旋输送机控制装置采用单向液压马达(8)。
3.如权利要求1所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中液压泵机构包括相串联的定量液压泵(3)和滤油器(2)，并且该定量液压泵(3)和滤油器(2)串联后的两端还通过一溢流阀连通，另外该定量液压泵(3)还与控制器电连接。
4.如权利要求3所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中溢流阀采用电磁溢流阀(I )，并且该电磁溢流阀(I)与所述的控制器电连接。
5.如权利要求3所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中溢流阀还与压力表(4)连通。
6.如权利要求1所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中在液压泵机构分别与螺旋输送机控制电磁阀、刀盘控制电磁阀、推进控制电磁阀之间均安装有调速阀(5)，所有调速阀(5)均采用电动调速阀并且所有电动调速阀均分别与控制器电连接。
7.如权利要求6所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中在液压泵机构与推进控制电磁阀之间的调速阀(5)两端还并联有推进控制电磁换向阀(6)，该推进控制电磁换向阀(6)还与所述的控制器电连接。
8.如权利要求1所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中螺旋输送机控制电磁阀采用二位三通电磁换向阀(11),刀盘控制电磁阀采用三位四通电磁换向阀(10 )，推进控制电磁阀采用电液比例伺服阀(9 )。
9.如权利要求1所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中控制器还分别与温度传感器、压力传感器、速度传感器、扭矩传感器(13)和油压传感器连接。
10.如权利要求1所述的模拟盾构机试验控制系统，其特征在于:其中控制器还与上位机电连接，该上位机与打印机电连接。
【文档编号】E21D9/093GK203730006SQ201420021934
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】李怀俊 申请人:广东交通职业技术学院