TBM配套智能噴漿機(jī)械手研究初探

王振飛，徐鵬祖，黃 力，牛 歡，李 強(qiáng)

（中國中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

TBM 掘進(jìn)機(jī)已廣泛應(yīng)用于我國山嶺隧道和硬巖地層中的開挖與支護(hù)施工[1～2]，與其配套的噴漿系統(tǒng)經(jīng)過多年的開發(fā)研究與改造，已形成一套較為完善的機(jī)械化配套施工設(shè)備[3～5]，但在實(shí)際施工中噴漿系統(tǒng)也暴露出許多缺點(diǎn)和問題，比如人工噴射混凝土質(zhì)量易受工人技能水平影響、操作手柄易損壞、操作人員易受傷、施工工效不高以及慣性堵管等問題[6～8]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及施工機(jī)械化和智能化的趨勢(shì)，對(duì)噴漿系統(tǒng)的升級(jí)改造和智能化的研發(fā)已迫在眉睫[9～12]。本文通過對(duì)噴護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)造與控制設(shè)計(jì)研究，基于PLC 智能控制器的可編程化與智能化，提出了對(duì)噴漿工序智能化控制的概念，研發(fā)了堵管智能報(bào)警系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出概念化的智能控制界面，以便操作、完成施工作業(yè)；最后通過經(jīng)濟(jì)性分析，得出智能化噴護(hù)系統(tǒng)不僅可以提升現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、解放勞動(dòng)力，而且還可以降本增效，效益可觀；同時(shí)該研究為下一步實(shí)現(xiàn)其他施工工序的智能化控制進(jìn)行了探索。

1 TBM機(jī)械噴漿系統(tǒng)構(gòu)造與控制設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備構(gòu)造

TBM 機(jī)械噴漿系統(tǒng)總體由罐車、輸送泵、輸送管、噴漿橋、噴漿手和遙控手柄（控制器）等組成，核心結(jié)構(gòu)為噴漿橋和遙控手柄（控制器），遙控手柄控制噴漿手在噴漿橋上完成行走、擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、噴射等一系列動(dòng)作[13～15]。TBM 噴漿機(jī)械手有3 個(gè)自由度，即：環(huán)向行走、徑向行走和噴漿旋轉(zhuǎn)。依靠這3 個(gè)自由度，噴槍可以運(yùn)動(dòng)到工作空間的特定范圍位置按照噴漿工藝要求完成噴漿作業(yè)，如圖1 所示。

圖1 TBM機(jī)械噴漿系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)造示意圖

1.2 控制設(shè)計(jì)

噴漿機(jī)械手的控制原理是通過發(fā)射機(jī)（遙控器）發(fā)射信號(hào)，接收機(jī)接收信號(hào)完成遙控。遙控器把編碼器的指令信號(hào)加載到射頻信號(hào)上，向空中輻射；接收機(jī)接受含有指令信號(hào)的載頻信號(hào)，把指令信號(hào)從高頻信號(hào)中分離并還原為指令信號(hào)，送到解碼器中，解碼器輸出控制執(zhí)行單元。

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、遙控器、電源、電控系統(tǒng)抗惡劣環(huán)境等方面，其中最為關(guān)鍵的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)采用兩級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即規(guī)劃級(jí)和控制級(jí)。

1）規(guī)劃級(jí) 規(guī)劃級(jí)是噴漿手控制的決策者，它由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、操作器、行走傳感器組成。其任務(wù)是：接收來自操作器的示教數(shù)據(jù)和控制命令，接收來自行走傳感器和控制級(jí)的各種信息，進(jìn)行工作環(huán)境識(shí)別，從而完成運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃、生成運(yùn)動(dòng)軌跡控制指令，通過I/O 接口，指示控制級(jí)完成具體的運(yùn)動(dòng)控制。

2）控制級(jí) 控制級(jí)是噴漿手控制系統(tǒng)的執(zhí)行者，是直接面向控制對(duì)象的，它由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、功率放大器、I/O 驅(qū)動(dòng)電路組成。它的任務(wù)是：①接收規(guī)劃級(jí)發(fā)來的指令，完成規(guī)劃路徑的運(yùn)動(dòng)控制；②收集來自各關(guān)節(jié)位置傳感器的信息并進(jìn)行預(yù)處理，再傳送給規(guī)劃級(jí)，以便規(guī)劃級(jí)進(jìn)行下一輪的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；③完成對(duì)控制器、功率放大器及自身的故障診斷，并把診斷結(jié)果送給規(guī)劃級(jí)，以便顯示。

2 智能化噴漿機(jī)械手的研究與實(shí)施

2.1 智能化噴漿機(jī)械手的研究

由設(shè)備的控制原理和設(shè)計(jì)可以看出，噴漿機(jī)械手的控制主體是人，人工噴射混凝土凹凸不平、厚薄不一是質(zhì)量通病，噴漿過程中易出現(xiàn)人員受傷問題。所以，筆者通過對(duì)設(shè)備構(gòu)造和控制設(shè)計(jì)的研究，結(jié)合PLC 智能控制技術(shù)，提出了智能化噴漿機(jī)械手的研究設(shè)想，即：人在主機(jī)室可遠(yuǎn)程遙控完成噴射混凝土工序，而且施工質(zhì)量能夠保證；另考慮特殊地質(zhì)（不良地質(zhì)段、塌方、溶洞等），進(jìn)行人性化設(shè)計(jì)，兩種噴護(hù)動(dòng)作供選擇——自動(dòng)和手動(dòng)。具體設(shè)想內(nèi)容如下。

1）軟件保證 PLC 可編輯控制器代替原來的控制系統(tǒng)中的芯片控制，并將控制邏輯編寫入PLC 控制器內(nèi)。

2）硬件保證 對(duì)原設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，裝備超聲波測(cè)量裝置、混凝土量預(yù)警裝置和堵管警報(bào)裝置以及完成設(shè)備所有動(dòng)作所需的光纖、電纜和響應(yīng)裝置。

3）動(dòng)作完成過程 旋轉(zhuǎn)啟閉開關(guān)至啟動(dòng)（ON）→旋轉(zhuǎn)圍巖類別選擇開關(guān)至任意類別（II、III、IV、V）→噴漿手自動(dòng)噴至設(shè)計(jì)要求厚度。不良地質(zhì)段必須人工噴護(hù)，選擇手動(dòng)開關(guān)，人工進(jìn)行噴射混凝土。

2.2 智能化噴漿機(jī)械手的研究實(shí)施

1）程序邏輯關(guān)系模塊 根據(jù)輸送泵泵送能力，計(jì)算出每秒噴射方量；根據(jù)噴漿手噴嘴偏轉(zhuǎn)角度，計(jì)算出噴嘴在一個(gè)斷面掃射的面積范圍（圖2），再通過超聲波測(cè)量裝置測(cè)出其噴射厚度，達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)發(fā)出信號(hào)，控制噴漿手運(yùn)動(dòng)軌跡；考慮噴漿料的回彈（按10%算），得出每秒的有效噴射混凝土量，根據(jù)噴嘴掃射面積，得出每秒實(shí)際噴護(hù)厚度，進(jìn)而求得達(dá)到設(shè)計(jì)厚度所需的噴護(hù)時(shí)間，根據(jù)該時(shí)間調(diào)整噴嘴旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到噴層厚度均勻整齊。具體邏輯關(guān)系見下圖3。

圖2 某一斷面掃射面積關(guān)系圖和計(jì)算公式

圖3 程序邏輯關(guān)系圖

2）視頻監(jiān)控系統(tǒng) 在TBM 噴漿橋的適當(dāng)位置安裝攝像頭，并將監(jiān)控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合在同一界面顯示。監(jiān)控系統(tǒng)的作用有以下兩點(diǎn)：①監(jiān)控噴護(hù)質(zhì)量；②由監(jiān)控資料確定圍巖類別，以此來選擇圍巖類別選擇開關(guān)的位置。

3）堵管智能報(bào)警模塊 輸送管壁內(nèi)安裝測(cè)壓芯片，當(dāng)發(fā)生堵管時(shí)，堵管位置及靠近輸送泵一側(cè)管壁壓力會(huì)急劇增大并持續(xù)若干時(shí)長(zhǎng)，測(cè)壓芯片將會(huì)把數(shù)據(jù)反映至主機(jī)顯示器同時(shí)發(fā)出報(bào)警指令，命令輸送泵開關(guān)跳閘，停止泵送工作；然后根據(jù)顯示器顯示故障位置進(jìn)行管道的疏通，疏通好之后點(diǎn)擊復(fù)位，再進(jìn)行正常噴護(hù)。其中警報(bào)值的確定，以多次堵管試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值為依據(jù)，即發(fā)生堵管且壓力值達(dá)到設(shè)定的平均值時(shí)，警報(bào)報(bào)警。圖4 為智能噴漿手控制界面的概念圖。

3 設(shè)想研究的經(jīng)濟(jì)性分析

圖4 智能噴漿手控制界面的概念圖

正常情況下，掘進(jìn)班組采用“三班倒”工作制，其中每班組計(jì)劃2 名噴漿人員。若采用智能噴漿設(shè)備，則每班組可節(jié)約2 名勞動(dòng)力，再考慮人員受傷的情況，假設(shè)每人每年1 次；勞動(dòng)力和免傷均可為項(xiàng)目節(jié)約成本；另外，堵管快速反應(yīng)且能夠找到堵管位置進(jìn)行疏通所節(jié)約的時(shí)間，亦可換算成產(chǎn)值（未計(jì)后期縮短工期和釋放勞動(dòng)力所節(jié)約的成本）。具體經(jīng)濟(jì)性分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 智能噴漿手經(jīng)濟(jì)性分析表

綜上，裝配智能噴漿手的TBM，不僅節(jié)約勞動(dòng)力，達(dá)到減傷、免傷的效果，而且還可以借助堵管智能報(bào)警系統(tǒng)，節(jié)約疏通管路的時(shí)間，增加掘進(jìn)時(shí)間，創(chuàng)造多余產(chǎn)值。由表1 數(shù)據(jù)可知，平均每年可節(jié)約成本、創(chuàng)造產(chǎn)值共計(jì)169.2 萬元，對(duì)于中長(zhǎng)距離隧洞，裝配其效果更佳；考慮到設(shè)備能夠重復(fù)利用，其經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

4 結(jié)論與建議

1）該研究通過對(duì)智能控制軟件和機(jī)械設(shè)備硬件的耦合創(chuàng)新，提出了智能噴漿手的設(shè)想，并對(duì)其理論設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究，最后對(duì)研究成果的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了定性定量的分析，效益頗為顯著；從實(shí)用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度，均可深層次的開發(fā)研究。

2）對(duì)噴漿系統(tǒng)的智能化研究與開發(fā)，可為下一步實(shí)現(xiàn)其他施工工序（錨桿安裝等）的智能化控制進(jìn)行鋪墊。