盾构操作实训平台的设计

常华杰

（中隧集团职工大学，洛阳 471009）

盾构操作实训平台的设计

常华杰

（中隧集团职工大学，洛阳 471009）

本盾构操作实训平台是在土压平衡盾构真机的基础上进行的设计，保留了盾构控制系统中的主要控制单元、主机系统中的核心部件，删减了控制系统中重复的控制线路，同时对控制系统进行了拓展设计，对主机系统进行了功率和尺寸的同比例缩小设计，成功解决了目前国内还没有针对盾构操作、维护和保养人员进行专业训练的平台问题，也可进行盾构控制系统和主机系统的教学研究工作。

土压盾构机 盾构主机 盾构电气 盾构操作平台

伴随着国内基础设施的大力发展，尤其是城市地铁、水电隧道的快速发展，盾构以其安全、高效的优越性，成为一种主要的地下施工方式。但是，由于盾构集机械、液压、电气、测控、土木等多种学科于一体，且目前国内还没有针对盾构操作人员、技术维护人员等进行专业训练的盾构操控试验台，使得盾构操作不得要领，设备故障排除困难，维修升级费用高昂。为了解决盾构操作手培养方面不足，中隧集团职工大学联合中铁装备，基于土压平衡盾构，开发了盾构操作实训平台。

1 盾构实训平台的建设

1.1 主机系统的设计

主机系统采用主动铰接，刀盘采用辐条式软土刀盘结构，开挖直径1520mm，配有中心鱼尾刀、切刀、撕裂刀。刀盘驱动采用中心驱动，转速可实现0～4.5rpm无极调速，具备正反转功能。主驱动采用两台7.5kW变频电机驱动，额定转速2.5rpm，额定扭矩57kNm。主驱动密封采用一道唇形密封和一道旋转隔莱圈组合。螺旋输送机采用轴式螺旋机，筒体内径200mm。螺机驱动为液驱，采用尾部中心驱动形式。螺机前端配置一道闸门，尾部出渣口设置一道闸门。管片拼装机满足管片拼装的要求，具备前后移动、伸缩抓取、左右旋转200°的功能。拼装机采用液压马达驱动。盾体采用直筒式设计，盾体直径1500mm。推进系统采用四组单缸布置，油缸行程600mm；前盾和尾盾通过主动铰接形式连接在一起，铰接缸行程50mm，设置一道铰接密封。主机结构设计图如图1所示。

图1 主机结构设计图

1.2 电气系统设计

1.2.1 控制系统总体方案

主控制站采用西门子S7-400PLC及配套模块组成，并设有4组西门子S7-300PLC从站。其中，2组位于主控制柜中的从站负责采集操控台和管片拼装机控制台发出的指令信息和盾构主机系统中的监控信息。2组位于相应控制柜中的从站负责采集教师机后台发出的故障设置信息。主从站之间采用PROFIBUS总线连接。另外，增加一个网络交换机可以进行远程数据监控和故障诊断。图2为控制系统总体方案示意图。

图2 控制系统总体方案示意图

1.2.2 操作台

图3 上位机和操作台布置图

操作按钮及工业电脑安装，依照盾构机实际情况布置。这里，安装四台PPC1561工业电脑。下面两台为上位机，显示内容依据盾构机实物，配合琴台按钮操作盾构。上面两台电脑中，右边一台将导向系统更改为3D动画模拟显示界面，主要演示泡沫系统、注浆系统、盾尾油脂系统、膨润土系统等主机系统中不能在实验室内进行操作控制的动作。演示的动画通过琴台发送指令，然后在PLC中运算后传递到3D动画中。按照编制的程序，手动输入土质如上软下硬、左右偏移等虚拟显示盾构掘进姿态。左边一台电脑则采用四分屏显示控制界面，依据信号反馈，选择显示下面2台电脑的监控界面或者教师机后台故障设置界面进行教学。具体地，上位机和操作台布置图如图3所示。

1.2.3 教师机控制台

上位机和教师机界面采用WINCC7.2设计的人机界面，可以根据控制需求重新进行设计。该界面设计了油温、水位、过滤等方面的故障问题，可以触击相应的故障按钮，考察操作的熟练度。图4为人机界面示意图。

图4 人机界面示意图

1.2.4 控制柜

电气控制系统主要包括1套三开门主控制柜和1套响应控制柜。主控制柜中配备一组西门子S7-400和2组西门子S7-300PLC。为了全面学习电机启动的方式方法，本系统中刀盘启动电机设有2台施耐德变频器。螺机启动电机设有软启动器，4块42寸显示屏，1套矩阵控制器，1套管片机及推进油缸操作系统。其余皮带机系统、注浆系统、膨润土系统、泡沫混合液系统、内循环水系统、控制泵、辅助泵、循环过滤泵等功能，均采用0.5kW以下电机模拟实现。

2 对盾构实训平台的掘进参数处理

对于掘进中土压参数的处理，根据土压平衡盾构在粉质粘土、富水砂卵石和硬岩盾构施工的中参数进行统计分析，建立土压、刀盘转速以及推进速度之间的关系函数。通过修改PLC400中的程序段，模拟显示盾构在实际掘进中的土压参数。

对于推进系统压力和位移、主驱动密封油脂加注方式和加注量、螺旋输送机的转速和压力、螺机门的开度、泡沫用量、盾尾油脂用量等重要参数，则需在程序中给于设定。

对于泡沫系统、注浆系统、盾尾油脂系统，建立3D模型，然后通过PLC进行控制，达到动态演示的效果。

图5 盾构泡沫系统3D模型演示

3 结语

本实训平台填补了国内盾构操作培训中的硬件短板，能够有效进行盾构主司机的培养，而且还可以开展PLC等相关知识的学习和研究。

[1]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].3版.北京：机械工业出版社，2011.

[2]于英华.基于Pro/ENGINEER2001的减速器虚拟装配与运动仿真[J].机械设计与制造，2006，（1）：103-104.

[3]吴巧玲，方新强.盾构构造及应用[M].1版.北京：人民交通出版社，2011.

Design of Training Platform for Shield Operation

CHANG Huajie
(Tunneling Group Workers College,Luoyang 471009)

The practice platform for operation of the shield is in earth pressure balance shield prototype based design, to retain the shield control system main control unit, the core parts of the host system, the deletion of the control system in repetitive control circuit, also of the control system were expanding design, the host system of the power and size in the same proportion in shortening the design, successfully resolved the currently no for Shield operation, maintenance, and maintenance personnel to carry out professional training platform, also can shield machine control system and the host system to teach science research work.

Earth pressure shield, shield the host, the electrical shield, the shield platform