（机械电子工程专业论文）连续掘进敞开式全断面岩石掘进机控制系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 全断面岩石掘进机是现代隧道建设中的重要施工设备之一，本论文根据提出的 连续掘进敞开式全断面岩石掘进机工作原理，对控制系统进行方案设计。该方案包 括系统选型、硬件电路设计和软件程序编写，并通过计算机仿真进行模拟验证，从 而证明方案可行，即能够实现两组推进支撑装置在过渡过程很好的衔接，并在两组 推进支撑装置交替作业过程中，保持刀盘推进力的持续稳定，实现刀盘的连续掘进。 最后整个工作过程通过触摸屏和上位机组态软件实现现场、远程监控。 关键词：敞开式全断面岩石掘进机，连续掘进，控制系统，组态 a b s t r a c t n o w a d a y s ，f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n eh a sb e e no n eo fm a i n c o n s t r u c t i o nf a c i l i t i e si nt u n n e l i n gi n d u s t r y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fc o n t r o l s y s t e ma c c o r d i n gt ow o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec o n t i n u o u sb o r i n go p e nt y p ef u l lf a c e r o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e t h es y s t e md e s i g ni n c l u d e sc h o i c eo fc o m p o n e n t s ， s o f t w a r ep r o g r a ma n dh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，a n da tl a s tt h r o u g ho n l i n es i m u l a t i o nt o p r o v et h es y s t e mf e a s i b i l i t y t h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mr e a l i z e st h eg o o dc o o r d i n a t i o n b e t w e e nt w os e t so ft h r u s ta n dg r i p p e rf i x t u r e sa n dc o n s t a n tf o r c eo nt h ea a t t e r h e a di n t h et r a n s i e n tp r o c e s s ，a n dr e a c h e sc o n t i n u a lt u n n e l i n g t h ee n t i r ep r o c e s sw i l lb e m o n i t o r e db yt o u c hp a n e la n dp o s i t i o nm a c h i n e s u nm e n g l i ( m e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o lz h a n gz h a o h u a n g k e yw o r d s ：f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，c o n t i n u a lt u n n e l i n g ，c o n t r o l s y s t e m ，c o n f i g u r a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文连续掘进敞开式全断面岩石掘进机 控制系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加阻标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 瑚遗盛1 日 期：趔建3 目动宜 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可咀采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蛰! 弛 e t 期：瑚至捆到毋 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 随着2 1 世纪我国基础设施的大规模建设，西部大开发战略的实施以及2 0 0 8 年 奥运会的举行，我国的铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、西气东输等 工程将有大量的长大隧道需要建设；现代化城市建设中的地铁工程、市政工程f 排污 管、输水管等) 、越江隧道也在不断增加。在我国隧道施工的历史上，多采用以人力 为主的钻爆法进行开挖；2 0 世纪8 0 年代以来，曾采用无轨设备进行装碴、运输， 这些施工方法已不能适应现代城市建设需要尤其是特长隧道的快速建成。因此，岩 石掘进机的开发应用就提到日程上来。 全断面岩石掘进机( f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，简称t b m ) 1 2 j 是集机、 电、液、光于一体的专门用于地下隧道工程开挖的大型高科技施工装备。近代掘进 机的最大特点是广泛使用电子、信息等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘 进过程始终处于最佳状态。其掘进速度一般为常规钻爆法的4 1 0 倍，最佳日进尺 可达1 5 0 m 。除速度快以外，还有优质、安全、经济，有利于环境保护和节省劳动 力等优点。由于t b m 提高了掘进速率，工期可大大缩短，因此在整体上是经济的。 t b m 的缺点主要是对地质条件的适应性不如常规的钻爆法灵活；主机重量大；前期 投入费用多；对施工人员技术水平和管理水平要求高；对短隧道不能发挥其优越性 3 1 。随着科学技术的不断迅猛发展，现在t b m 可以适应较为复杂的地质条件，从松散 软土到极坚硬的岩石都可以应用，使用范围日益广泛。掘进机的研制和使用，反映了 一个国家的综合国力和科技水平，它体现了计算机、新材料、自动化、信息化、多 媒体、工业管理等高新技术的综合水平和密集水平。t m b 未来的发展属于自动化隧 道掘进机，目前，人们已能在办公室控制掘进机操作【1 1 。 掘进机的针对性很强，不同的地质条件需要不同的掘进机，全断面掘进机包括 全断面岩石掘进机和盾构机( 用于土质隧道暗挖施工) 。掘进机的技术名称在我国过 去很不统一，部门不同均冠以不同的习惯称呼，如铁道和交通部门称之为隧道掘进 机，煤炭部门称之为巷道掘进机，水电部门又称为隧洞掘进机，1 9 8 3 年国家标准统 一称为全断面岩石掘进机，它是目前使用最为广泛的掘进机。全断面岩石掘进机可 分为敞开式、护盾式( 单护盾、双护盾、三护盾) 、扩孔式、摇臂式等几种类型1 2 1 。其 中敞开式全断面岩石掘进机主要用于围岩状况相对较好的地质地层的隧道( 洞) 的 全断面开挖，也是应用较普遍的机型。如我们国家的秦岭隧道工程和辽宁大伙房引 华北电力大学硕士学位论文 水隧洞工程等使用的就是敞开式全断面岩石掘进机。目前，使用的敞开式全断面岩 石掘进机因换步不连续，亦即其掘进一个行程，因要换步，便中断掘进作业，至换 步完成后才能继续掘进，如此循环作业，这便是敞开式全断面岩石掘进机的工作原 理。一般情况下，敞开式全断面岩石掘进机的换步时间约为其工作时间的5 1 5 而机器的利用率一般也只有2 0 5 0 ，因此，若把机器的换步时间转化为其掘进 时间，将会有效提高机器的利用率，从而缩短工程工期，提高工程的经济效益和社 会效益，这就是我们从事敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理及控制系统开发的 目的。以前由于受控制技术等相关技术的制约，关于敞开式全断面岩石掘进机连续 掘进技术的研究，此领域专业人士甚至不敢问津，致使此领域的研究一直处于空白。 目前，由于控制技术得到了很大发展，因此，为开展此领域的研究提供了较好的技 术支撑。 我们经过长时间的研究积累，提出了连续掘进敞开式全断面岩石掘进机方案并 进行了相关的机构设计和理论分析。显然，此方案能否实施，机构运动的准确性及 各机构运动的协调性是应实现的关键指标，亦即是控制系统实现的功能目标。为此， 我们经过深入研究和分析，给出了连续掘进敞开式全断面岩石掘进机控制方案并通 过了模拟验证，从而为连续掘进敞开式全断面岩石掘进机技术设计提供了理论基 础，以期能为我们国家全断面岩石掘进机实现跨越式发展提供技术理论支撑。 1 2 国内外发展现状 全断面岩石掘迸机生产于2 0 世纪中叶，由于其在岩质地层施工中表现出来的 优越性能，在国外受到了从事这种地层施工工程承包商的重视，因此发展相对较快， 并且基本成定型的系列化产品。但全断面岩石掘进机的专业性很强，应用条件的限 制较多，加上设备的设计制造周期较长，生产成本相对昂贵。目前国内外掘进机的 技术发展一直在围绕地层稳定和地面沉降控制、自动化掘进和提高掘进速度、衬砌 和隧道质量三个要素进行改进和施工方法的革命。从掘进机技术的本身来说，在过 去3 0 年里，面临着拓宽掘进机的应用范围和改善掘进机对各种地质条件的适应性 的课题【3 j 。所以，擅长硬岩掘进机技术的厂家要设法改善掘进机对软岩、不良地层 的适应性；而擅长盾构技术的厂家则设法增加盾构机对硬岩的适应性。目前，掘进 机技术在如下几个方面有长足进步： ( 1 ) 适用范围在扩大 ( 2 ) 掘进断面在增加 ( 3 ) 适应坡度在提升 ( 4 ) 截割能力在加强 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 多功能性在显现 ( 6 ) 自控技术在提高。 近年来，全断面岩石掘进机向大直径、大埋深、不定形断面、多工作面方向发 展，不仅适用于长大隧道，而且可用于大型地铁车站，水工压力斜井的开挖。掘进 机在做“大”的同时，也在向“小”的方向发展。在“极限制造”概念的指导下，上世纪 8 0 年代以来，微型掘进机技术在一些发达国家普遍得到应用，用这种办法，不再需 要在地面上安装“拉锁”，一切工作都在地下进行，包括在水下、桥下、建筑物下开 挖、铺设、更换各种管道。近年来，西方国家的许多城市通过相关法律，不允许在 市内采用明挖方法，从而进一步促进了微型掘进机技术的发展。 t b m 未来的发展方向是实现全自动化；由于计算机硬件和软件的迅速发 展，t b m 计算机优化设计和施工系统的开发也是发展方向之一；另外就是t b m 微型 化。在国外，使用掘进机建成的工程有英吉利海峡隧道、日本东京湾海底隧道，瑞 士g o t t h a r d 铁路隧道、南非l e s o t h o 引水隧道等。总之，t b m 已在全球长隧道工程中 得到越来越多的应用，并且其技术水平日益得到提高。展望未来，t b m 的应用前景将 是宽广而喜人的1 1 2 1 国外岩石掘进机的发展 t b m 是在1 8 4 6 年由意大利入m a u s 发明的。1 8 5 1 年，美国人查理士威尔逊开 发了一台t b m ，在花岗岩中试用，未获成功。1 8 8 1 年波蒙特开发了压缩空气式t b m ， 并成功应用于英吉利海峡隧道直径为2 1 m 的勘探导坑 2 1 。美国罗宾斯( r o b b i n s ) 公司 自1 9 5 2 年开发制造出了现代意义上的第1 台软岩 i b m 后，1 9 5 6 年又研制成功中、 硬岩t b m 。从此，t b m 进入了快速发展时期。 西方国家的企业，在长期从实践到理论、再从理论到实践的反复探索过程中，逐渐 形成了一套针对本国地质条件的设备设计理论、模拟试验方法和系统的经验数据，同时 也形成了安装和调试的系统技术。因此t b m 技术已经相当成熟，这为复杂地质条件 下的隧道工程建设提供了技术保障。目前，全世界范围内的t b m 制造商有3 0 余家， 最具实力的是德国的维尔特公司、美国的罗宾斯公司、德国海瑞克公司、加拿大的 拉瓦特公司等。 1 罗宾斯1 2 j 罗宾斯公司于1 9 5 1 年由j a m e ss r o b b i n s 创建，1 9 5 2 年研制出世界第一台能实 用的全断面岩石掘进机而使公司闻名于世界。1 9 5 6 年，罗宾斯发明了硬岩掘进用的 盘型滚刀，用来破碎单轴抗压强度1 4 0 m p a 的岩石盘型滚刀的应用是全断面岩石 掘进机的重要标志。从那时起，罗宾斯公司一直发展浮式，一对水平支撑为特色的 凯式硬岩掘进机，为世界各地7 0 0 多个隧道工程提供了4 0 0 多台掘进机。同时罗宾 3 华北电力大学硕士学位论文 斯公司又是发展双护盾岩石掘进机的，共为5 2 个隧道提供了3 5 台双护盾式岩石掘 进机。罗宾斯公司是世界上生产岩石掘进机最早，生产台数、参加大直径隧道开挖 最多的掘进机供应商。 2 维尔特公司 维尔特公司最早建于1 8 9 5 年，是由当时富有革新思想的钻机工程师a n t o n r a k y 创办当时的目标是为欧洲的矿井和石油钻探提供生产设备。维尔特公司生产岩石 掘进机有近4 0 年的经验。1 9 6 7 年制造出第一台掘进机，直径为2 1 4 m 用于奥地利 2 6 3 m 长的g i n z l i n g 隧道。它生产的开式硬岩掘进机采用凯式梁式，x 型支撑系统， 且在大刀盘上安装盘型滚刀。1 9 9 4 年中国的秦岭隧道就是采用维尔特公司提供的直 径8 8 m 的掘进机。 3 德国海瑞克( h e 盯e n k n e c h t a g ) 1 9 7 7 年，马丁海瑞克先生创办了海瑞克公司；作为隧道设备生产商，海瑞克 公司的设备尺寸完全，能适应各种地质状况。因此，从设备覆盖范围方面来说，海 瑞克公司是独一无二的：拥有直径从4 ，0 0 0 m m 到1 5 ，4 4 0 m m 用于公路、铁路、地铁 及输水隧道施工的大直径机器到外径仅1 0 0 m m 的全自动微型隧道掘进机、房屋管 件连接设备和水平定向钻设备。机器适用于从软质、含水非粘性地层到抗压强达到 3 0 0 m p a 的硬岩的各种地质条件。尤其是在大直径隧道掘进机技术方面，海瑞克公 司在长距离隧道和高工作压力施工上获得了丰富的经验。至今，海瑞克公司已向世 界范围内的客户提供了超过1 , 2 0 0 台的隧道掘进设备。截止到2 0 0 5 年8 月，海瑞克 公司已向中国供应了4 0 台直径大于6 米的隧道掘进机，小型机7 台。 1 2 2 国内岩石掘进机的发展 我国于1 9 6 6 年研制了出了第一台s j 3 4 型掘进机，用于杭州王皇山、宝石山人防 洞，这与佳伐公司、德马克公司、维尔特公司几乎是同时起步的。2 0 世纪7 0 年代 初又研制了5 0 多台直径不同的掘进机，经过一段时期的实践，多数不能使用。主 要是刀圈材质、刀盘轴承、刀盘密封、大齿圈热处理等质量没有过关，防尘、噪声 等关键问题没有解决，这是我国第一代产品情况。7 0 年代中期国家科委组建了全国 掘进机办公室，针对掘进机研制存在的关键问题，集中技术力量，组织联合攻关， 在总结第一代产品经验和教训的基础上又研制出了第二代掘进机产品s j 5 8 a 、 s j 5 8 b 、e j 3 0 ，3 2 等掘进机，并用于河北引滦入唐工程新王庄和古人庄两隧道旌工中 总掘进2 7 2 3 m ，最高月进尺2 1 3 4 m 。虽然我国掘进机的研制和使用不算晚，并取得 了一些成绩，但与国外的先进掘进机技术相比还有较大差距。主要表现在以下几个 方面： ( 1 ) 资金不足国家基础设旅需要大量资金，而引进掘进机的一次性投资高，一 4 华北电力大学硕士学位论文 般工程项目的业主及承包单位难以承受 ( 2 ) 产品质量问题。国产掘进机的使用结果不够理想，问题主要出在一些组成掘 进机成品元部件的可靠性上，这些元部件包括刀盘主轴承、主密封、液压元件等。 要进一步提高产品质量及发展我国掘进机制造业，还需有关部门加大资金投入力 度。 ( 3 ) 管理问题。主要是对工程项目的合理规划、地质报告的准确度、工期的严格 控制以及运行系统的科学管理等方面。掘进机管理是软件、外因，使用掘进机开挖 隧洞是一项复杂的系统工程，各施工工序环环相扣，要求科学地、严格地组织生产， 还需调动管理人员、操作人员的积极性，并提高人员素质。 “) 出于对掘进速度的担忧而不敢采用。以往国内掘进机旖工工程项目中，由于 种种原因，没能充分发挥掘进机的优势，掘进机未能达到应有的掘进速度，拖延了 工期，造成不良影响，使部分业主与承包单位对使用掘进机顾虑重重。 ( 5 ) 缺乏对掘进机及其施工技术的了解。我国在地下工程建设中虽然取得了长足 进步，但还没有出台一部关于掘进机方面的技术、经济规范，以致在工作中无法可 依、无章可循，只能沿用传统的方法行事。国内很多业主和承包单位对掘进机及其 施工技术尚缺乏了解，过去有人误认为掘进机是万能的，适用于任何地质条件，一旦 掘进过程遇到困难，又全盘否定，孰不知同一掘进机在不同地质条件下其工作效率 是不同的，必须针对地质条件合理选择不同类型的掘进机才能达到快速、高效的目 的；有的单位想用又不知如何选用掘进机，怎样编写可行性报告、施工组织设计和概 预算。 9 0 年代开始引进欧美先进掘进机和管理方法用于国内施工。掘进机技术有了很 大程度的提高。经过4 0 多年的努力，我国已初步形成了一支掘进机科研、设计、制造、 施工队伍，这是我国建立掘进机产业的基础。国内生产掘进机的企业，主要有第二重型 机械集团、上海重型机械厂、大连重型机械集团、沈阳重型机械集团和首钢重型机械公 司等企业。大连重工起重集团是中国重机行业的两个龙头企业大连重工集团和大 连大起集团重组成立的大型国有独资企业。近两年来，集团先后与德国海瑞克公司、美 国罗宾斯公司合作生产隧道掘进机。2 0 0 5 年初，沈阳重型机械集团有限责任公司与德国 维尔特( w i r t h ) 钻掘设备制造公司、法国n f m 技术公司三方合资，共同创建了新企 业沈阳维尔特重型隧道工程机械成套设备公司。新建企业将主要以我国南方的越 江隧道、北方的城市地铁等项目为依托，生产掘进机。 虽然掘进机技术有了很大程度的提高，但是到目前为止，中国的大型掘进机仍然 大部分来自进口，有些设备说是国内生产，其实都是与国外公司合作制造的。我们只 是做些外壳等粗加工工作，并不掌握核心技术。从长远看，我们不可能一直依靠国外的 设备和人才来开发地下空问，必须建立自己的掘进机工业体系，这样不但可以满足工程 上的迫切需要，而且可以大量节约外汇，并带动其他行业的发展。 5 华北电力大学硕士学位论文 国内隧道施工专家认为，中国已成为世界上地铁施工领域中使用掘进机最多的 国家之一。目前大陆地区共有2 4 个城市正在进行城市轨道交通前期规划、设计、 筹备和建设等工作。据中铁隧道公司的数据表明，。十一五”期间，全国至少要建设 地铁9 0 0 1 2 0 0 公里，加上调水工程、越江公路、城市管道以及铁路工程等，各类 掘进机需求超过5 0 0 台。面对庞大的市场需求，如果我们不加强在掘进机技术领域 的研究、开发、生产和应用，随着我国加入w t o ，市场准入的逐步放开，我们将失 去更大的市场份额，错过掘进机早日实现产业化的时机。 1 3 论文的主要工作 1 连续掘进原理的分析。首先对敞开式全断面岩石掘进机的连续掘进原理进 行分析研究，根据其掘进和结构特点，画出结构示意图来描述连续的掘进过程。 2 连续掘进敞开式t b m 液压系统的设计，对系统的推进和支撑液压系统进行 设计 3 连续掘进敞开式 i b m 控制系统的设计。根据控制目标对p l c 进行选型，确 定系统的硬件结构图，根据流程图编写控制系统梯形图程序，p l c 采用西门子公司 的s 7 4 0 0 ，编程软件采用s t e p 7 ，在s t e p 7 中集成了仿真软件s 7 p l c s i m ，用于 模拟p l c 的c p u 中用户程序的执行过程，可以在开发阶段发现和排除错误，提高 用户程序的质量和降低试车的费用。 3 控制系统的触摸屏设计和上位机组态监控。上位机组态采用组态王6 5 l 软 件，组态设计主要用于远程系统监控，随时检测油缸的压力、油温和推进、支撑液 压缸的压力值、推进活塞杆的位移，并且可以存储历史数据便于以后查询。触摸屏 设计采用西门子公司开发的w i n c cf l e x i b l e 软件，可以在现场实时的对机器进行监 控。最后介绍了上位机和p l c 、触摸屏之间进行的通讯。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章连续掘进原理的研究 敞开式全断面岩石掘进机( o p e nt y p ef u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n g m a c h i n e ) 又称支撑式全断面岩石掘进杌，简称为敞开式t b m ，是全断面岩 石掘进机的最早机型，也是最基本的机型【2 1 。这种机型首先利用支撑推进机 构的支撑靴撑紧洞壁以承受刀盘掘进时传来的反作用力、反扭矩；刀盘旋转， 推进液压缸推压刀盘，盘形滚刀切入岩石，在岩石面上作同心圆轨迹滚动破 岩，岩渣靠自重掉入洞底，由铲斗铲起岩渣经溜槽落入皮带机出渣，这样连 续掘进成洞敞开式全断面岩石掘进机适用于岩石整体性能较好的隧洞。 2 1 循环掘进原理及分析 2 1 1 循环掘进原理 现有的敞开式全断面岩石掘进机的主要作业方式是循环作业，掘进机构 如图2 - 1 所示， 刀盘 图2 1 敞开式全断面岩石掘进机循环掘进机构图 掘进机的工作循环包括掘进行程和换步行程两个部分。 掘进行程：伸出水平或( x 型) 支撑，撑紧洞壁，收起后支承，启动皮带 出碴机，刀盘旋转，推进液压缸推进，刀盘上的滚刀开始破岩，剥落的岩石 落到洞底，由刀盘边沿的铲斗将剥落的岩石铲起并随刀盘将铲起的岩石输送 给皮带出碴机而将岩碴输出洞外；当推进液压缸伸到最大长度时，将掘进机 机头、主梁、后支承向前推进一个行程。 换步行程：刀盘停止回转，伸出后支承撑紧洞壁，收缩水平( 或x 型) 支撑靴离开洞壁，收缩推进缸，将水平支撑向前移一个行程。对于双水平( 或 双x 型) 支撑掘进机，除双套支撑可以有较多的支撑位置选择外，其余和单 7 华北电力大学硕士学位论文 t 型或( x 型) 支撑的掘进机一样。双支撑中每一个支撑靴都必须能独立完 成支撑，也即双支撑中任一个支撑靴不能工作时，另一个支撑靴可以承担完 成掘进作业的任务。 准备下一次的掘进行程，如此循环往复，实现掘进机的连续掘进。 2 1 2 循环掘进的特点 敞开式全断面岩石掘进机除了相对于传统的作业方式有很多优点外，且 相对于自身结构在掘进过程中也有其特点。由图2 1 可知，无论是主梁式还 是凯氏机架式掘进机，它们在工作过程中每掘进一个行程后，刀盘就会停止 旋转，然后等推进装置收缩回后，再进行下一次的掘进。整个过程就是；支 撑装置撑紧一刀盘转动一推进油缸推进一刀盘停止旋转一后支承装置撑紧 一支撑装置退出、回缩一支撑装置再撑紧一后支承装置退出、回缩一刀盘转 动继续掘进，这就是掘进的过程。从中可以看到，刀盘总是在重复启动、旋 转、停止旋转这个循环，敞开式t b m 掘进的这种间断性使换步时间在整个 作业中占有定的比例。 2 2 连续掘进原理及分析 2 2 1 连续掘进方案的提出 从循环掘进过程可以看到，刀盘总是在重复掘进、换步这个循环，其中 的主要原因就是推进装置的行程是有限的，每次达到最大行程后，就需要重 新收缩，收缩完后，才能投入下一次的推进掘进中。如果设法让推进装置能 提供持续不断的推进力，这样刀盘就不用停下来，可以一直保持转动，从而 实现连续掘进。连续掘进的关键是设计一套连续支撑推进装置来取代原来的 推进装置。对敞开式全断面岩石掘进机的机构进行分析发现一般掘进机都采 用一组支撑推进机构。如果掘进机采用两组支撑推进机构，每组推进机构对 刀盘所起的作用效果相同，且在岩石掘进机工作循环中交替工作，即：一组 支撑推进机构在换步的同时，另一组支撑推进机构在推进，这样不仅实现岩 石掘进机换步的连续性，也实现了刀盘在整个工作过程中所受推力的持续 性，从而实现了刀具连续破岩。因此，采用两组支撑推进机构在理论上能够 实现掘进机连续掘进。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 连续掘进方案的分析 全断面岩石掘进机连续掘进方案的实现取决于其连续推进装置。我们通 过深入研究，给出了连续掘进敞开式全断面岩石掘进机方案( 如图2 2 所示) 。 该机构就是在原来支撑推进机构的基础上增加一倍的推进支撑机构。 】了量 i 爱齑持 图2 - 2 敞开式全断面岩石掘进机连续掘进机构图 此方案实现的关键是采用两组支撑推进机构。要实现刀盘连续掘进，需 要两组推进支撑机构交替作业，并且保证在过渡过程中两组推进装置的总推 力保持恒定，其相互问的协调关系必须满足图2 - 3 所示的要求。只有这样才 能保证掘进机在整个掘进过程中给刀盘提供持续稳定的推进力，两组推进支 撑机构在运动中才能很好的协调，不发生动作上的冲突。 l w “静|r 1 。| ； 出ll。 一l l 、 竹 l 1 闩!。十降。2 。l i ii i i l l “中p 朋 | 时 - - 越i 一 棚一 1 一 l |。y 。一r 。 f 1 第一组支撑推进机构作用在刀盘上的力； f 2 第二组支撑推进机构作用在刀盘上的力： 卜刀盘正常工作时的推进力； i 】推进液压缸起始或退出出力时的空行程； 1 2 _ 谁进液压缸退出正常工作或经过起始阶段后的过渡阶段所经历的行程； 9 华北电力大学硕士学位论文 i 推进液压缸正常工作行程： t 1 推进液压缸起始或退出出力时所经历的时间： t 2 一推进液压缸退出正常工作或经过起始阶段后到进入正常工作所经历的时间； f 推进液压缸正常工作时间 图2 - 3 两组支撑推进装置推进力、支撑力与时间和位移的关系 此方案采用两组推进机构，通过两组推进液压缸的循环交替作业实现刀 盘的连续掘进。由于推进液压缸伸长到一定程度，就需要收缩然后才能再次 伸长，两组推进液压缸都有一个换步的过程，要实现不间断连续作业，两组 推进液压缸就要有一个衔接过渡的阶段，这个过渡区应该是这样的：当一组 推进液压缸将要结束本次推进之前，另一组推进液压缸就要先处于收缩状态 且支撑靴撑好洞壁，与第一组液压缸共同作用一段距离，然后第一组液压缸 退出推进作业，完全由第二组液压缸撑紧推进。 从第二组液压缸撑紧洞壁时到由第一组液压缸的支撑液压缸开始退出 时，推进液压缸推进的距离，这个区称为过渡区定义为l 2 ，在过渡区之前第 二组推进液压缸有一个提前运动的时间，把这段时间内以掘进速度运动的距 离定义为l 1 ，这个过程的作用是使第二组支撑液压缸在撑紧洞壁的同时，对 应的推进液压缸就以第一组液压缸的速度运动，使两组液压缸运动能很好的 协调起来。在过渡区即将结束时，第一组推进液压缸在其支撑液压缸退出支 撑时还要保持掘进速度运动一小段时间，其目的是不与推进液压缸的运动发 生干涉，我们把在即将结束的这段过渡时间里运动的距离也定义为l 2 。 连续掘进过程： 1 、第一组液压缸在推进( l i + l 2 ) 时，第二组液压缸此时就退出了推进， 然后由第一组液压缸单独推进l 。在第一组液压缸单独作用l 的过程中，第 二组支撑液压缸收缩使推进液压缸退出推进但仍要运动l 1 然后收缩到回缩 状态，准备进入下一轮的推进。在第一组推进到( l 1 + l 2 + l ) 处时，第二组 液压缸已经和第一组液压缸以相同的推进速度运动了l 1 ，两组液压缸保持相 同的速度，是为了能实现两组推进装置平稳过渡。接下来，由两组液压缸共 同作用l 2 ，在作用l 2 的过程中第一组液压缸推力递减，而第二组液压缸推 力递增，但合力保持不变，最后完成交替。 2 、在l 1 这段距离里，为了保证支撑液压缸收缩过程不与洞壁发生摩擦， 推进液压缸要以掘进速度运动。考虑到支撑靴离开洞壁的时间很短，推进液 压缸的运动时间应该小于支撑液压缸完全收缩的时间，故l 1 应该很小。当 第一组推进液压缸退出时，第一组支撑液压缸要快速回缩，收缩的时间很短， 一般取回缩速度比为2 。只要支撑靴离开洞壁，整个推进机构就退出了推进， 华北电力大学硕士学位论文 然后一起随内机架以掘进速度向前运动。 由图2 3 可知，在整个掘进推进过程中，两组推进液压缸总是交替循环 的投入作业中，而作用在刀盘上的推进力是持续不变的。因此对两组推进支 撑机构在运动过程中的动作顺序控制是实现掘进机连续掘进的关键所在。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 第三章连续掘进敞开式t b m 液压系统的设计 3 1 液压系统原理 掘进机的动力传递及控制系统具有传递功率大、负载多变、运动复杂、 可靠性要求高、安装空间小及能适应恶劣环境等特点，并可方便地进行无级 调速，所以敞开式全断面岩石掘进机的推进和支撑系统都采用液压系统来驱 动及控制。根据岩性交化、外载荷变化的需要配置变量泵和定量泵、高压低 流量和低压高流量组合泵【2 1 。对掘进机支撑、推进、刀盘回转系统所需的推 力、扭矩随岩性变化而改变，所以一般采用变量泵；对前后下支承和支护设 备辅助装置等外载荷稳定，一般采用定量泵。液压泵站和油箱位于后配套上。 液压油从油箱供给液压缸和液压马达时都需要经过过滤，低压回油须经过过 滤器再回油箱，供油和回油过滤器前都安装阀门，便于维修保养。 支撑和推进都采用液压系统，水平支撑或x 型支撑靴座架( 外机架) 设 在内机架滑道上，可沿内机架前后推进。当推进时，水平支撑靴或x 型支撑 靴用液压缸撑紧洞壁，以承受推进液压缸的推进反作用力及回转反扭矩，当 推进液压缸伸长或缩短时，机体便向前推进。掘进机推进和支撑装置的液压 系统主要由单向变量泵、溢流阀、减压阀、电液比例阀、组合换向阀和1 6 个推进液压缸、6 4 个支撑液压缸等组成的开式液压回路。推进和支撑系统都 由主驱动泵提供高压油，通过各类液压阀的控制来实现各种功能。在 i b m 的推进和支撑机构中，所使用液压缸都是单活塞杆液压缸。单杆活塞液压缸 左右两腔的有效工作面积不等。在 i b m 推进和撑紧的过程中，压力油进入 无杆腔；在回缩的过程中，压力油进入有杆腔。 3 2 推进液压系统设计 推进液压回路( 如图3 1 所示) ，掘进时，刀盘应以合适的压力压紧在掌子 面上，这种压紧力由安装在刀盘( 连在内凯上) 与外凯之间的1 6 个推进液压缸 提供。刀盘推力的大小与推进液压缸的供油压力有关，在刀盘顶紧掌子面以 后，推进液压缸的流量愈大，活塞杆的运动速度就越快。供油压力越大，产 生的刀盘推力也愈大。由此可见，我们只要改变推进缸的供油压力，就可以改 变刀盘的推力。通过改变输入到电磁铁上的电流信号的大小，来改变电磁铁 华北电力大学硕士学位论文 的输出位移或压力，这个位移或压力作为比例阀上的输入量，产生一个与前 者成比例的流量和压力。 推进系统每组由8 个液压缸作为推进系统的执行机构，为了满足弯道掘 进的需要，将分别装在外凯上的8 个油缸，按左右位置对称地分成4 组，每组2 个推进油缸，由一组换向阎控制。每个液压缸均内置有一个磁致伸缩式位移传 感器，可实时测量液压缸活塞杆的推进位移。根据检测到的活塞杆位移，通 过p l c 内部位移压力转换程序，计算出对应的电液比例阀上的压力，通过模 拟量输出模块输出的电流信号去控制电液比例阀的电磁铁上的位移和压力 输出。 当需要刀盘向前推进时，应通过p l c 操纵电磁比例换向阀1 及电磁换向 阀6 动作，使之分别处于左位和下位，此时由p 3 泵来的压力油经过减压阀2 ，电 磁比例换向阀1 及电磁换向阀6 ，流向相互并联的位于右前方的两个推进缸的 大腔，推动刀盘向前紧压在掌子面上。在右前方一组推进液压缸工作的时候， 其它三组控制阀与推进缸也同时工作。这样就可使刀盘均匀地压紧在掌子面 上，掘进机保持直线掘进的状态。整个推进系统共有两组压力补偿阀和电液比 例阀，左右每两个推进液压缸又有一个三位五通阀及一个电液比例减压阀分 别同时控制它们的压力，所以整个系统共有8 个三位五通阀和8 个电液比例 减压阀组成。这样的液压回路在遇到不良地段时可以灵活控制每组液压缸的 压力值。 从液压系统图中可以看到，推进缸的最大工作压力由溢流阀2 调定。为 了保证作业者进入刀盘前方的安全，设置了电气联锁装置。当人进入刀盘前方 时，可切断主控电路，使刀盘无法启动。 华北电力大学硕士学位论文 1 电磁比例换向阀；二减压阀：3 _ 梭阀；4 - 换向阀；5 _ 一电磁换向阀； b 电磁换向阀；7 l 镒流阀 图3 - 1 推进液压回路 3 3 支撑液压系统设计 1 支撑差动快进换向阀，2 _ 支撑高压撑紧换向阀，3 _ 西装阀，4 一= 位阀， 5 _ - 梭阀 图3 - 2 支撑液压回路 支撑液压系统也是掘进机的关键部分，支撑液压回路如图3 。2 所示。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 3 1 撑靴伸出控制 为防止支撑靴伸出速度过快，在洞壁不规则的情况下，使支撑液压缸损 坏，在液压系统中采用同时向液压油缸有杆腔和无杆腔供油，利用相同油压 不同作用面积( 油缸有杆腔和无杆腔之间的面积差) 推出活塞杆和支撑靴，直 至支撑靴到达洞壁并稳定支撑。从而达到缓慢伸出并易于控制的效果。 3 3 2 支撑靴缩回控制 支撑系统的油缸数量多，系统回油时流量很大，如果回油全部通过液压 阀回到油箱，那么回油速度非常慢，而且对阀芯的冲击较大。因此系统在支 撑油缸缩回时，采用在有杆腔供油，无杆腔回油的控制方式，同时设置回油 不通过主方向控制阀阀芯，直接回油箱加快回油速度，使油缸快速收回。支 撑靴的伸出和缩回由两台高压大流量泵供油。 3 3 3 稳定支撑状态 当支撑靴支撑住洞壁后，需要稳定的维持支撑力，即为维持支撑靴在破 岩震动力和推进反力作用下，稳定支撑靴的支撑力，需及时对压力下降的油 缸补充压力。当支撑靴的支撑压力低于设定压力后，程序逻辑控制系统( p 【c ) 使掘进机停止推进作业。为维持稳定的支撑压力，在液压系统中使用一台小 流量的高压油泵来进行支撵靴压力稳定的控制。 掘进机的推进和支撑控制均通过p l c 系统完成，上述的调整工作，可以 在p l c 程序中改变节点位置实现，也可以通过直接调整电控推进主阀上的电 源位置实现。 掘进机在换步和掘进工况的液压系统中采用电液比例控制技术，既实现 了液压的动力传动，又具有电子控制的灵活性。一定用途的比例阀和采取相 应的控制方式，即使像掘进机这样运动质量很大，也能对其运动实施精确控 制，满足了工况对液压系统的要求。 连续掘进敞开式全断面岩石掘进机液压系统设计，主要参考敞开式全断 面岩石掘进机控制系统进行设计，推进和支撑液压回路工作原理一样，只是 控制回路增加了一套液压控制回路，每组液压回路之间采用并联方式连接。 这样当两组推进支撑装置交替作业时能独立工作互不干扰。液压系统各种阀 的选型可以参考原来的敞开式全断面岩石掘进机液压控制系统元件选型。 华北电力大学硕士学位论文 第四章连续掘进敞开式t b m 控制系统的研究 4 1 控制系统的控制目标和参数确定 4 1 1 控制系统的控制目标 总结连续掘进敞开式 i b m 连续掘进机构的工作要求，其控制系统的控 制目标是： ( 1 ) 能实现两组推进装置的准确平稳起动和退出；所谓的平稳起动和 退出是指当一组推进和支撑装置加入推进和退出掘进过程时，要和另一套推 进和支撑装置在速度上有很好的衔接。 ( 2 ) 在过渡阶段时，控制两组推进液压缸推进力之和恒等于刀盘的额 定推力；只有这样才能给刀盘提供足够的推力不影响掘进效率。 ( 3 ) 控制支撑靴在起始和退出阶段能准确地伸出和快速的缩回，始终 与推进液压缸配合协调，并在撑紧保压阶段控制撑紧力满足撑紧要求。在支 撑靴伸出和缩回的过程中要尽量保证支撑靴和洞壁减少滑动摩擦。并能在掘 进过程中提供足够的支撑力能够承受内凯所传递的推动反力。 4 1 2 确定被控对象参数 在本控制系统中，被控对象的参数包括：支撑液压缸的支撑压力和推进 液压缸的位移信号，现以某全断面岩石掘进机作为参考机型。该机型的主要 技术性能参数如表4 - 1 所示。 表4 - 1 某敞开式 i b m 主要技术性能参数 序 名称 速度缸径杆径行程最大支撑额定支撑 数量 号 ( r a m s )( 衄) ( 衄)( m m )力( 矾)力( k n ) 6 0 0 0 0 4 1 0 0 01 6 1支撑液压缸 1 22 7 52 0 08 0 0 2 2推进液压缸 3 6 3 2 02 4 0 1 8 0 02 1 0 0 0 1 7 7 5 0 8 2 最大掘进速 3 1 6 7 度 c1 ) 支撑液压缸的压力参数确定： 1 6 华北电力大学硕士学位论文 因为额定支撑力为4 1 0 0 0 k n ，所以每个支撑液压缸的支撑力f 为： f 巡1 2 8 1 2 5 ( 肼)件1 ) 1 6 x 2 、 、 所以每个支撑液压缸的支撑压力p ： p ：里 s 4 f4 x 1 2 8 1 2 5 五尹。3 1 4 x ( 0 2 7 5 ) i - 2 2 ( m p a ) ( 4 - 2 ) 当最大支撑力为6 0 0 0 0 n 时，对应每个支撑液压缸的最大支撑压力p 为 p ：罢要。鬲塑雩。3 2 ( m p a ) ( 4 - 3 ) su d 2 3 1 4 x 3 2 x f 0 2 7 5 ) 2 ( 2 ) 推进液压缸在掘进过程中位移量的确定； 为了防止支撑靴在撑紧和缩回的过程中与洞壁发生滑动摩擦，并使加入 的推进液压缸和作业的推进液压缸能很好的衔接起来，要求推进液压缸在支 撑靴撑紧和缩回的过程中要以掘进速度空载运行一段距离，这个时间不必太 长。这个时间小于支撑靴撑紧洞壁的时间。通过分析，取l l = 4 0 m m ；过渡过 程的位移取l 2 = 1 0 0 m m ；因为推进液压缸的总行程为1 8 0 0 m m ，所以独立行 程阶段的位移l = 1 8 0 0 2 x ( 4 0 + 1 0 0 ) = 1 5 2 0 m m 。把这三个位移量作为控制推 进液压缸推力变化的信号。 ( 3 ) 推进力的确定 根据其技术参数表，推进液压缸的最大推进力为2 1 0 0 0 k n ，额定推进力 为1 7 7 5 0 k n ，推进液压缸的内径为3 2 0 m m ，则可算出每组推进液压缸的工作 压力( 每组推进装置有8 个推进液压缸) ； 额定推力：p 一点亨一2 7 6 ( u e a ) ) 最大推力：p - 器- 3 2 6 ( m p a ) ( 4 - 5 ) 根据实际的掘进经验，我们选择额定推进力为2 8 m p a ，最高推进力设定 为3 2 m p a 。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 4 2 连续掘进控制系统的硬件组成 4 2 1 连续掘进控制系统的硬件结构设计 本系统采用p l c 作为控制装置。p l c 全称为可编程控制器( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r 简称p l c ) 。它是目前在自动控制领域中使用最为广泛的控制 装置之一。由于p l c 具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达数万小时之 上，可以直接用于恶劣的工作环境中，工作稳定可靠、编程简单、控制灵活、 体积小、性能价格比高等特点。同时，随着工业a t 总线及其它工业总线在 p l c 上的应用，p i c 在工控领城已开始跃居主导地位，成为今后工业控制的 主要手段和重要的基础设备之一，是实现工厂自动化( e a ) 、硬件软化，提 高生产自动化可靠性、“柔性”的关键技术，体现了机电一体化的发展方向。 因而，p l c 与机器人、数控机床被一起并列为自动化制造领域的三大支柱。 p l c 在自动化生产领城中的应用将会越来越广，正可谓方兴未艾，前途无量。 现代掘进机的控制装置大都采用p l c 控制系统，系统可控制液压、润滑 和电气设备，如压力、流量、限位开关、掘进机上各位置的传感器信号等。 通过i l c 系统控制掘进机掘进，可选择自动推力控制，自动扭矩控制和手动 控制三种模式。选择何种工作模式，由操作人员根据岩石状况决定。 自动推力控制模式，只适用于均质硬岩。选择这种工作模式的判断依据： 在掘进时，当推力先达到最大值，而扭矩未达到额定值时，则可判定为硬岩 状态。自动扭矩控制模式，只适用于均质软岩。选择这种工作模式的判断依 据：当在掘进时，扭矩先达到额定值而推力未达到最大值时，则可判定为软 岩状态。由以上两种自动控制模式的原理分析，为了保证系统的稳定性，p l c 系统对设定值的反应不容许太灵敏，而实际值的波动范围较大，约一1 0 + 1 0 之问波动，并且只能对整个刀盘的平均值做出反应，而不能对实际掘进中 复杂多变的岩石情况做出灵活迅速的反应。手动控制模式，是靠熟练操作人 员的经验，适用于各种地质条件。目前p l c 对实际掘进中复杂多变的岩石情 况还不能做出灵活迅速的随机反应，有待进一步改进，因此在实际操作中最 常用的还是手动控制模式。本论文控制系统的设计，假定掘进的地质情况为 均质硬岩，所以我们采用自动推力控制模式。 i l c 监测从按钮、传感器和限位开关等设备和元件传来的输入信号，根 据存储器中的用户程序进行逻辑运算，然后给外部负载( 如继电器、电磁换 向阀、比例电磁阀、指示灯和报警器等) 输出信号以达到控制目的。i o 继 电器区实际上就是这些外部输入输出设备状态的映像区。p l c 通过i ，o 区中 华北电力大学硕士学位论文 的各个位与外部物理设备建立联系，此区中的每个通道可以映像一个i o 模 块的状态。两每个通道