盾構(gòu)機(jī)仿真操作實(shí)訓(xùn)裝置建設(shè)及其應(yīng)用

韓 偉

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建南平 353000)

0 引言

近年來(lái)，城市發(fā)展如火如荼，城區(qū)舊交通網(wǎng)改造，新建交通網(wǎng)不斷擴(kuò)張，城市交通問(wèn)題已成為約束城市繼續(xù)發(fā)展的主要因素，建立城市軌道交通網(wǎng)已成為解決日趨嚴(yán)重城市交通問(wèn)題的必然選擇[1]。面對(duì)不斷開(kāi)通的軌道交通新線路，其對(duì)城市軌道交通類專業(yè)技能型人才的需求也日益俱增。

行業(yè)大發(fā)展，需要大量生產(chǎn)、服務(wù)一線企業(yè)的高級(jí)技能型人才。高級(jí)技能型人才的培養(yǎng)，必須加強(qiáng)動(dòng)手能力的訓(xùn)練，因此建設(shè)具有真實(shí)職業(yè)氛圍、與實(shí)際生產(chǎn)相一致的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地是提高學(xué)生動(dòng)手能力的基礎(chǔ)，是高等職業(yè)教育改革和發(fā)展的必由之路，是推動(dòng)職業(yè)資格認(rèn)證制度的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是提高師資隊(duì)伍整體素質(zhì)、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)不可或缺的條件。

盾構(gòu)施工是一項(xiàng)理論性和操作性很強(qiáng)的技術(shù)，僅僅通過(guò)現(xiàn)有的教材文字、培訓(xùn)資料、圖片、視頻等進(jìn)行教學(xué)、培訓(xùn)是達(dá)不到企業(yè)要求的，還需要直觀演示和進(jìn)行集中上機(jī)訓(xùn)練。考慮到真實(shí)盾構(gòu)機(jī)造價(jià)昂貴及施工安全，也不宜以真實(shí)盾構(gòu)機(jī)在實(shí)際施工環(huán)境中進(jìn)行教學(xué)和培訓(xùn)，因此急需通過(guò)選用盾構(gòu)機(jī)原型作為制作藍(lán)本，按比例設(shè)計(jì)加工制作盾構(gòu)機(jī)仿真操作裝置，并結(jié)合具體施工條件營(yíng)造并模擬建設(shè)相應(yīng)的盾構(gòu)施工環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與工程實(shí)踐的“零距離”接觸。目前，關(guān)于此類盾構(gòu)機(jī)仿真模擬實(shí)訓(xùn)的裝置的建設(shè)應(yīng)用于高職院校教學(xué)、培訓(xùn)的案例和報(bào)道極少，有必要對(duì)其建設(shè)方案進(jìn)一步的進(jìn)行研究和探討。為此福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院聯(lián)合瀏陽(yáng)河仿真模型有限公司、長(zhǎng)沙凱德技術(shù)股份有限公司聯(lián)合研發(fā)了盾構(gòu)機(jī)仿真操作裝置，已安裝完畢并應(yīng)用于教學(xué)。本文介紹該裝置相關(guān)研究成果及其應(yīng)用成果。

1 盾構(gòu)機(jī)仿真操作裝置的建設(shè)原理

該裝置在其設(shè)計(jì)原理，結(jié)構(gòu)外觀、操控原理及控制系統(tǒng)界面上與真實(shí)盾構(gòu)機(jī)的基本一致，盡可能地還原真實(shí)盾構(gòu)設(shè)備操作過(guò)程。但在計(jì)算機(jī)信號(hào)輸出、輸入接口和內(nèi)部電路系統(tǒng)上，相比真實(shí)設(shè)備有所差別，計(jì)算機(jī)接收端及信息反饋系統(tǒng)也采用等比例模型控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要因?yàn)槎軜?gòu)施工環(huán)境和施工對(duì)象并非來(lái)自真實(shí)施工環(huán)境和隧道開(kāi)挖面。

該裝置基于計(jì)算機(jī)DCS操控系統(tǒng)和PLC智能模塊技術(shù)一體的數(shù)字化模型?？紤]施工環(huán)境、建造成本、場(chǎng)地、操作條件的限制，將一部分結(jié)構(gòu)和裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化和省略，如出渣排土、管片注漿、泡沫系統(tǒng)等。簡(jiǎn)化和省略的部分，其動(dòng)作和裝置也會(huì)保留，其功能主要通過(guò)PLC智能模塊技術(shù)和DCS分布式控制系統(tǒng)等數(shù)字化模型來(lái)進(jìn)行模擬，營(yíng)建真實(shí)的施工環(huán)境和操作過(guò)程，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)、培訓(xùn)目標(biāo)。

2 盾構(gòu)機(jī)仿真操作裝置的設(shè)計(jì)和建設(shè)方案

2.1 裝置的組成設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)員全面了解并掌握盾構(gòu)機(jī)的主要設(shè)備結(jié)構(gòu)原理和功能，主要設(shè)計(jì)了盾構(gòu)機(jī)主體模擬裝置系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、管片拼裝機(jī)、學(xué)員操控臺(tái)(操作員站)、老師操控臺(tái)(工程師站)、系統(tǒng)控制柜，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)模擬裝置裝置組成

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)主體，由圓筒形斷面，自挖掘面起，由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三部分構(gòu)成。其強(qiáng)度足以承受土壓、水壓、盾構(gòu)千斤頂?shù)姆赐屏巴诰蚍醋饔昧?。梁部呈V型平面中折結(jié)構(gòu)。中折部的前部稱為前體、后部成為后體；支承環(huán)的前部裝置的驅(qū)動(dòng)部件，與切口環(huán)一壁相隔；隔壁后部設(shè)有環(huán)形空氣室；螺旋輸泥機(jī)(但不體現(xiàn)皮帶運(yùn)泥機(jī)，接運(yùn)泥電瓶車)。在梁后部的外圍沿圓周方向均勻排列有盾構(gòu)機(jī)主體推進(jìn)用的盾構(gòu)千斤頂。盾尾部配備了組裝管片用的拼裝機(jī)裝置、用作腳手架的后方作業(yè)臺(tái)。拼裝機(jī)裝置、后方作業(yè)臺(tái)由梁部進(jìn)行支承。支承環(huán)通過(guò)豎梁、橫梁加以強(qiáng)化穩(wěn)固，確保學(xué)員實(shí)操過(guò)程安全。

2.2 實(shí)訓(xùn)功能設(shè)計(jì)

2.2.1主要結(jié)構(gòu)拆裝設(shè)計(jì)

滿足 “反復(fù)拆裝”訓(xùn)練目的各部件除圓筒形盾殼外，從刀盤向盾尾有：刀頭、仿形刀盤、機(jī)罩、梁、前體前瞳、后體后瞳、旋轉(zhuǎn)接頭、刀盤旋轉(zhuǎn)油壓馬達(dá)、千斤頂、螺旋輸泥機(jī)、盾構(gòu)千斤頂、注漿鉆孔、拼裝機(jī)、形狀保持裝置、盾尾密封件及注漿設(shè)備、提升機(jī)等,各部件均按盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際圖紙，按統(tǒng)一1∶2比例進(jìn)行制造；結(jié)構(gòu)齊全，運(yùn)行靈活可靠，經(jīng)久耐用，各主要部件都可拆裝以讓學(xué)員全面了解并掌握構(gòu)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)原理和各設(shè)備的功能。對(duì)裝置的各內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)備與零件進(jìn)行文字標(biāo)注，便于講解和學(xué)員觀察認(rèn)知，特別是方便拆裝。拆裝訓(xùn)練所需結(jié)構(gòu)參數(shù)和工具如下：

仿真操作裝置全部采用全金屬構(gòu)件，材質(zhì)Q345B。盾構(gòu)機(jī)規(guī)格直徑3040mm，總長(zhǎng)度約6500mm，裝機(jī)功率約80kW；刀盤直徑3040mm×400mm；前盾直徑3000mm×2400mm；尾盾直徑3000mm×2000mm(非整圓)；盾內(nèi)裝完成整圈的管片，軸式螺旋輸送機(jī)規(guī)格(內(nèi)徑×長(zhǎng)度)約360mm×4800mm，總質(zhì)量在10 000kg(10t)以上。拆裝配套設(shè)備及工具：龍門式起重機(jī)(超重重量大于10t，并可在軌道上運(yùn)行)、配套工具及工具柜、零配件及配件柜、拆裝零件毯、工具毯、各類潤(rùn)滑油及儲(chǔ)存柜、其他專用設(shè)備等。

2.2.2仿真操作設(shè)計(jì)

全真實(shí)動(dòng)作運(yùn)行而非靠電腦模擬，各機(jī)電、液壓設(shè)備都處于真實(shí)設(shè)備位置并都具備相應(yīng)的功能原理。能實(shí)際動(dòng)手操作，全方位效果模擬，幫助學(xué)員熟悉盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)控制系統(tǒng)和操作方法。

2.2.3設(shè)故障模擬訓(xùn)練設(shè)計(jì)

設(shè)置了“實(shí)際工作中的常見(jiàn)故障”，包括設(shè)備系統(tǒng)故障和電氣系統(tǒng)的故障模擬?！肮收稀毙Ч谠撗b置上及電腦中都有相應(yīng)的現(xiàn)象出現(xiàn)，并可由教師隨機(jī)選定其中某個(gè)或幾個(gè)故障由學(xué)員動(dòng)手解決，以達(dá)到實(shí)訓(xùn)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)員處理常見(jiàn)故障和解決實(shí)際問(wèn)題的能力、以及應(yīng)變的能力。

設(shè)備系統(tǒng)故障模擬，常見(jiàn)設(shè)備系統(tǒng)故障不少于6種：結(jié)餅、堵塞、設(shè)備超壓、轉(zhuǎn)速降低等。

電氣系統(tǒng)的故障模擬，常見(jiàn)電氣系統(tǒng)故障不少于8種：電源缺相、突然停電、接觸不良、電機(jī)燒壞、動(dòng)作不準(zhǔn)等。

以上故障模擬可由教師隨機(jī)選定，電腦操控。學(xué)員解決問(wèn)題后，電腦操控恢復(fù)并自動(dòng)評(píng)分。

2.3 主體結(jié)構(gòu)建設(shè)方案

盾殼裝置制造時(shí)，分切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾3部分進(jìn)行，如圖2所示。通過(guò)其內(nèi)的大梁和中心橫梁原部件[2]，盾尾鋼絲刷設(shè)置3道。其他結(jié)構(gòu)如下：

圖2 盾構(gòu)裝置主體建設(shè)結(jié)構(gòu)剖面

刀盤。采用模擬液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速控制在3轉(zhuǎn)/min左右，控制可正反轉(zhuǎn)。

推進(jìn)系統(tǒng)。盾構(gòu)設(shè)置12個(gè)千斤頂，均勻分布，其中長(zhǎng)行程千斤頂4個(gè)，1200 mm,短行程千斤頂8個(gè)，800 mm。除三分區(qū)，其余千斤頂均安裝行程傳感器。錯(cuò)縫拼裝時(shí)進(jìn)行靴板型特殊設(shè)計(jì),避免了千斤頂與管片接縫產(chǎn)生摩擦碰撞[2]。

拼裝機(jī)。拼裝機(jī)主體結(jié)構(gòu)縮小制作，可繞中心橫梁旋轉(zhuǎn)，也可平移,并增加配重塊;裝置對(duì)壓力油箱進(jìn)行改造,增裝遙控功能。

螺旋機(jī)。螺旋機(jī)主體結(jié)構(gòu)按比例，可制作體現(xiàn)進(jìn)料槽。進(jìn)料槽與切口環(huán)焊接成一體,閘門開(kāi)度采用手動(dòng)式，取代“檢測(cè)拉繩式傳感器”[2]。

地層剖面。盾構(gòu)機(jī)裝置制作一個(gè)“地層剖面”，以泥土沉積層為剖面主要表現(xiàn)效果，“地層剖面”長(zhǎng)度都略大于盾構(gòu)機(jī)及其施工臺(tái)車總體布置的總尺寸，布置在盾頭刀盤的面前和鋪墊在盾構(gòu)機(jī)及其施工臺(tái)車的下方，給學(xué)員一種“正在處于工作狀態(tài)”的感覺(jué)。

2.4 實(shí)際運(yùn)行

該裝置要求“可展現(xiàn)實(shí)際盾構(gòu)機(jī)工作運(yùn)行中的所有動(dòng)態(tài)演示”。如：刀盤的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(真實(shí)運(yùn)行)，即刀盤在電源開(kāi)啟的狀態(tài)下可以以機(jī)體的縱軸心線進(jìn)行無(wú)限360°旋轉(zhuǎn)，速度約為3轉(zhuǎn)/min，可在操控下正反轉(zhuǎn)；管片拼裝機(jī)原地360°勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(真實(shí)運(yùn)行)，即盾體尾部的管片拼裝機(jī)會(huì)加裝一塊實(shí)訓(xùn)的管片，依照既定的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作；液壓千斤頂?shù)膩?lái)回往返運(yùn)動(dòng)(真正液壓操控)，即盾體周圍的十幾個(gè)液壓油缸可以單獨(dú)或整體作伸縮運(yùn)行；螺旋輸泥機(jī)真實(shí)運(yùn)行；螺旋輸送機(jī)以12轉(zhuǎn)/min的速度勻速運(yùn)行。與盾構(gòu)教學(xué)相配合的視頻，能夠介紹盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工工藝、關(guān)鍵部位演示。

2.5 實(shí)際操控

學(xué)員操作琴臺(tái)及顯示屏界面與盾構(gòu)真機(jī)完全一致，如圖3所示。系統(tǒng)所有動(dòng)作、狀態(tài)、參數(shù)均在上位機(jī)系統(tǒng)有模擬顯示，并能根據(jù)需要在21英寸顯示屏上顯示。軟件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)所有的操作、各種故障設(shè)置、典型地層掘進(jìn)工況、掘進(jìn)方向控制等。

圖3 主操作臺(tái)按鈕布置圖

2.6 電氣系統(tǒng)配置

2.6.1操作臺(tái)

主操作臺(tái)(琴臺(tái))操作按鈕及工業(yè)電腦安裝，如圖4所示，依照盾構(gòu)機(jī)實(shí)際情況布置，安裝4臺(tái)PPC1561工業(yè)電腦。2臺(tái)為上位機(jī)，顯示內(nèi)容依據(jù)盾構(gòu)機(jī)實(shí)物，配合琴臺(tái)按鈕操作盾構(gòu)；其余2臺(tái)電腦，一臺(tái)模擬導(dǎo)向系統(tǒng)，按照編制的程序，手動(dòng)輸入土質(zhì)如上軟下硬、左右偏移等虛擬顯示盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)；一臺(tái)電腦采用四分屏，依據(jù)信號(hào)反饋，通過(guò)編制軟件包虛擬顯示油缸動(dòng)作和拼裝機(jī)動(dòng)作等動(dòng)畫顯示[3]。

PLC系統(tǒng)采用分布式I/O控制，主PLC選用西門子400系列，琴臺(tái)按鈕接倍福從站，通過(guò)DP總線與主站進(jìn)行通信傳輸。琴臺(tái)內(nèi)部不安裝控制電源，所需24VDC,10VDC從控制柜引入。

2.6.2控制柜

控制柜考慮后期擴(kuò)展功能，選用盾構(gòu)上常用的配電柜，PLC選用西門子300,交流變壓器(400變230)，24VDC直流電源，10VDC交流電源，繼電器，端子等元器件依照盾構(gòu)真機(jī)配置，如圖5～圖6所示。

圖5 電源控制柜

圖6 操控主控制柜

2.7 DCS操控系統(tǒng)

采用編程軟件采用西門子S7-400的plc編程軟件，專門針對(duì)本盾構(gòu)的各運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操控，能完全模擬真實(shí)盾構(gòu)機(jī)操控系統(tǒng)，對(duì)各系統(tǒng)配套的壓力、溫度、行程、限位、液位等大部分必要數(shù)據(jù)可通過(guò)傳感器真實(shí)地檢測(cè)到，只是要通過(guò)電腦放大處理后才能與真實(shí)一般；而某些壓力、溫度、刀具磨損等沒(méi)有真實(shí)數(shù)據(jù)生產(chǎn)，而只能在電腦模擬檢測(cè)，并對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。以保證學(xué)員有完全“真實(shí)”的感受。

2.8 綜合自動(dòng)評(píng)分考核系統(tǒng)

裝置設(shè)計(jì)了符合教學(xué)、培訓(xùn)需要的模擬操作自動(dòng)評(píng)分考核系統(tǒng)，如圖7～圖8所示，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)正常狀態(tài)下操作和故障模擬操作進(jìn)行綜合考核評(píng)分，減少了人工考核帶來(lái)的主觀因素影響，提高了考核的準(zhǔn)確性和效率。

圖7 操作自動(dòng)評(píng)分考核系統(tǒng)

圖8 操作自動(dòng)評(píng)分考核系統(tǒng)

3 應(yīng)用成果

盾構(gòu)機(jī)仿真操作裝置的應(yīng)用，體現(xiàn)在院校教學(xué)和社會(huì)培訓(xùn)兩個(gè)方面。前者針對(duì)在校相關(guān)方向或?qū)I(yè)(如道橋、市政和城軌)進(jìn)行理論教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)，后者主要面向社會(huì)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行校企合作培訓(xùn)。由于對(duì)象不同，學(xué)習(xí)重點(diǎn)和設(shè)備應(yīng)用情況有所區(qū)別。

院校教學(xué)是通過(guò)課堂講解、現(xiàn)場(chǎng)觀摩等對(duì)盾構(gòu)機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)，部分構(gòu)造及其動(dòng)力機(jī)電、軟件操作系統(tǒng)等進(jìn)行全方位的認(rèn)知和實(shí)訓(xùn)操作，掌握盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理以及操作性能，并通過(guò)教師示范操作，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作，如設(shè)備安裝、機(jī)械操作、故常處理等，如圖9所示。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)盾構(gòu)設(shè)備的操作技能，加深對(duì)盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備的理解和掌握，加深對(duì)隧道工程施工技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣，如圖10所示。

企業(yè)培訓(xùn)主要面向社會(huì)相關(guān)企業(yè)，根據(jù)不同崗位(如盾構(gòu)司機(jī)、機(jī)電人員、維修人員、安全人員等)，進(jìn)行有針對(duì)性的崗位培訓(xùn)(如操作技能、機(jī)械設(shè)備維護(hù)、安全檢查等)。通過(guò)短期學(xué)習(xí)，達(dá)到企業(yè)對(duì)相關(guān)人員的崗位要求。

圖9 指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作

圖10 學(xué)員進(jìn)行管片拼裝實(shí)訓(xùn)操作

4 結(jié)語(yǔ)

該裝置在教學(xué)和社會(huì)服務(wù)上充分體現(xiàn)職業(yè)教育的特色，為培養(yǎng)實(shí)用型、高技能型職業(yè)人才創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。為今后加強(qiáng)校企聯(lián)合，進(jìn)行訂單式培養(yǎng)，創(chuàng)造了條件。

截止目前，相關(guān)設(shè)備投入運(yùn)行過(guò)程，性能良好，狀態(tài)穩(wěn)定，在教學(xué)和培訓(xùn)中均發(fā)揮了積極作用，結(jié)合對(duì)畢業(yè)生和企業(yè)培訓(xùn)人員的反饋，下一步將計(jì)劃在原來(lái)基礎(chǔ)上增設(shè)遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，面向全社會(huì)進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，更好地發(fā)揮它的作用。