小直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的皮帶自動(dòng)糾偏控制

李武峰

[摘 ? ?要]針對(duì)小直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在轉(zhuǎn)彎過程中出現(xiàn)皮帶跑偏問題，設(shè)計(jì)了一種可使盾構(gòu)機(jī)皮帶在連續(xù)轉(zhuǎn)彎過程中進(jìn)行自動(dòng)糾偏的機(jī)構(gòu)及控制方法，主要用于小直徑隧道施工作業(yè)中對(duì)皮帶機(jī)皮帶跑偏進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏。該皮帶自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)及控制方法可對(duì)盾構(gòu)機(jī)的皮帶進(jìn)行自動(dòng)糾偏，減少作業(yè)人員在狹小空間內(nèi)人工糾偏皮帶的困難，提高了皮帶機(jī)糾偏效率，降低了安全

風(fēng)險(xiǎn)。

[關(guān)鍵詞]皮帶機(jī);自動(dòng)糾偏;盾構(gòu)機(jī);皮帶自動(dòng)糾偏系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]U231 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）05–000–03

Automatic Belt Correction Control of Small Diameter

Earth Pressure Balance Shield Machine

Li Wu-feng

[Abstract]Aiming at the problem of belt deviation in the turning process of small-diameter earth pressure balance shield machine， a mechanism and control method that can automatically correct the belt of the shield machine during continuous turning are designed. During the tunnel construction operation， the deviation of the belt conveyor belt is dynamically corrected. The belt automatic rectification mechanism and control method can automatically rectify the belt of the shield machine， reduce the difficulty of manual rectification of the belt in a narrow space， improve the rectification efficiency of the belt conveyor， and reduce the safety risk of personnel manual operation.

[Keywords]belt conveyor; automatic deviation correction; shield machine; belt automatic deviation correction system

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模的日益增大，目前我國(guó)越來越多的城市主排污隧道或電纜隧道開始采用盾構(gòu)法施工。由于城市主供水或排污隧道以及電力隧道直徑一般只有3m左右，多采用小直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工。盾構(gòu)機(jī)在轉(zhuǎn)彎施工過程中，因皮帶頻繁跑偏導(dǎo)致系統(tǒng)跑偏報(bào)警急停，嚴(yán)重影響整機(jī)的正常施工，導(dǎo)致施工效率降低及工期延長(zhǎng)。如何解決小直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的皮帶快速糾偏成為小直徑土壓盾構(gòu)施工中急需解決的工程施工問題，針對(duì)該問題設(shè)計(jì)了一種皮帶機(jī)的自動(dòng)糾偏控制機(jī)構(gòu)及控制方法，可解決該工程施工急需解決的皮帶自動(dòng)糾偏問題。

1 皮帶跑偏的危害及常用糾偏措施

皮帶輸送機(jī)用于將螺旋輸送機(jī)尾部出渣口排出的渣土傳送到渣車上，一般布置在盾構(gòu)機(jī)后配套臺(tái)車的頂部，皮帶卸渣口設(shè)置在尾部臺(tái)車頂部，它主要由頭部調(diào)向滾筒、尾部驅(qū)動(dòng)滾筒、上托輥、下托輥、清掃器、速度檢測(cè)裝置、拉繩急停開關(guān)、跑偏開關(guān)等部件組成。

1.1 皮帶跑偏的原因

皮帶跑偏的主要原因有：

（1）皮帶接頭不平直，導(dǎo)致皮帶兩邊周長(zhǎng)不等，張力不均，皮帶始終往一邊跑偏;

（2）接渣槽兩側(cè)的橡膠壓板不均，導(dǎo)致皮帶兩邊的運(yùn)行阻力不一致;

（3）所在機(jī)械機(jī)構(gòu)不直，如設(shè)備正在轉(zhuǎn)彎;

（4）運(yùn)行過程中，滾筒局部粘連渣土，皮帶張緊力不均;

（5）螺旋機(jī)后閘門出渣口落渣不均;

（6）皮帶老化變形邊緣磨損，造成皮帶拉力分布不均。

1.2 皮帶跑偏的危害

盾構(gòu)機(jī)皮帶跑偏現(xiàn)象在盾構(gòu)隧道施工中非常常見。皮帶跑偏輕則會(huì)造成沿機(jī)掉渣、加速皮帶的磨損、嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成皮帶的撕裂、刮破，甚至使皮帶報(bào)廢，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成很大危害。由于在皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中，皮帶兼具承載和牽引功能，其成本約占輸送機(jī)整機(jī)總成本的1/3，皮帶使用壽命的長(zhǎng)短直接關(guān)系到輸送機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本，皮帶長(zhǎng)時(shí)間跑偏，如不及時(shí)處理將會(huì)導(dǎo)致皮帶與側(cè)邊的導(dǎo)向擋輪接觸，造成輸送帶側(cè)邊磨損，減少使用壽命，造成經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 皮帶機(jī)跑偏的常見處理措施

目前盾構(gòu)機(jī)的皮帶機(jī)皮帶糾偏方式多采用人工手動(dòng)調(diào)整，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)右轉(zhuǎn)彎時(shí)，抬高輸送帶內(nèi)曲線，利用輸送帶和渣土的重力產(chǎn)生向外的離心推力平衡向心力。通過皮帶輸送機(jī)側(cè)面的調(diào)整機(jī)構(gòu)使整個(gè)皮帶支架中心線與豎直線產(chǎn)生傾斜角，實(shí)現(xiàn)皮帶輸送機(jī)調(diào)偏功能。將轉(zhuǎn)彎處托輥組的內(nèi)側(cè)沿皮帶運(yùn)行方向前移，使托輥組的軸線與輸送帶中心線的法線方向產(chǎn)生一定角度，輔助皮帶輸送機(jī)跑偏。

2 小直徑盾構(gòu)機(jī)皮帶人工糾偏難題

皮帶機(jī)的皮帶糾偏無(wú)人化一直是盾構(gòu)隧道施工中眾多施工單位的目標(biāo)，尤其是在小直徑土壓平衡盾構(gòu)施工環(huán)境中。面對(duì)需頻繁糾偏的皮帶機(jī)，目前多數(shù)盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)都是安排專職設(shè)備維保工24h值守，隨時(shí)準(zhǔn)備調(diào)整皮帶機(jī)。大直徑盾構(gòu)機(jī)皮帶機(jī)沿線兩側(cè)空間富裕，其后配套皮帶機(jī)大多采用人工手動(dòng)糾偏的方式，而在小直徑盾構(gòu)隧道施工過程中因盾構(gòu)機(jī)后配套臺(tái)車頂部作業(yè)空間過于狹小，人員作業(yè)困難。皮帶頻繁跑偏需要崗位人員及時(shí)調(diào)整皮帶托架或托輥，由于隧道曲率不停變化、渣土在皮帶上有粘連、刮渣不徹底、托輥黏結(jié)等原因，易造成剛調(diào)整后的皮帶來回跑偏，崗位人員需要在整條皮帶沿線來回奔跑作業(yè)，人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大，調(diào)整困難，難以確保皮帶長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，采用人工糾偏既浪費(fèi)人力又對(duì)作業(yè)人員人身安全造成極大威脅。

3 皮帶自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)組成

設(shè)計(jì)了一種皮帶自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)及控制方法。在原手動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上將皮帶機(jī)的手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改為油缸控制，通過跑偏開關(guān)檢測(cè)皮帶的跑偏情況將跑偏信號(hào)傳入PLC控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過邏輯分析發(fā)出糾偏油缸控制指令，糾偏油缸驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)架和皮帶托輥?zhàn)龀鱿鄳?yīng)的姿勢(shì)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)皮帶的跑偏自動(dòng)調(diào)整。本皮帶機(jī)自動(dòng)糾偏系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)單元、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)單元

機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由皮帶機(jī)機(jī)架、皮帶托輥、托輥調(diào)整架、機(jī)架左右傾斜旋轉(zhuǎn)裝置等組成。其糾偏總體結(jié)構(gòu)如圖1示。在皮帶機(jī)自動(dòng)糾偏裝置附近裝有皮帶跑偏檢測(cè)開關(guān)。皮帶跑偏檢測(cè)開關(guān)內(nèi)部有電氣檢測(cè)觸點(diǎn)，用于皮帶機(jī)的跑偏檢測(cè)。當(dāng)運(yùn)行中的皮帶機(jī)發(fā)生跑偏時(shí)，皮帶邊緣帶動(dòng)跑偏開關(guān)的立輥旋轉(zhuǎn)并擠壓立棍使之傾斜，若立輥傾斜角度大于開關(guān)的動(dòng)作角度時(shí)，跑偏開關(guān)的跑偏觸點(diǎn)立即發(fā)出開關(guān)動(dòng)作信號(hào)并傳給PLC控制系統(tǒng)。皮帶跑偏故障恢復(fù)正常后，跑偏開關(guān)自動(dòng)復(fù)位。

3.2 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

皮帶自動(dòng)糾偏系統(tǒng)的液壓部分主要由液壓泵、側(cè)傾調(diào)節(jié)油缸、平移調(diào)節(jié)油缸、液壓換向閥、液壓節(jié)流閥、液壓油管和液壓油箱等組成。液壓系統(tǒng)采用盾構(gòu)機(jī)輔助系統(tǒng)的輔助泵供油，當(dāng)需要對(duì)油缸進(jìn)行控制時(shí)，由輔助泵通過節(jié)流閥和換向閥對(duì)傾斜調(diào)節(jié)油缸和平移調(diào)節(jié)油缸進(jìn)行供油驅(qū)動(dòng)，用于對(duì)皮帶的動(dòng)態(tài)自動(dòng)糾偏控制。為避免油路泄壓在液壓油缸上設(shè)置有液壓鎖。為了避免因動(dòng)作過快導(dǎo)致程序自動(dòng)糾偏震蕩，在液壓管路上設(shè)置有液壓節(jié)流閥，可根據(jù)油缸行程調(diào)節(jié)實(shí)際情況合理調(diào)整節(jié)流閥開度大小，以延長(zhǎng)每次動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)的液壓油缸動(dòng)作時(shí)間。

3.3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包括跑偏檢測(cè)開關(guān)、行程傳感器、PLC子站、電磁閥、中間繼電器和HMI人機(jī)顯示界面等。PLC控制器采用西門子S7-1500的系列PLC，信號(hào)輸入輸出采用ET200SP子站進(jìn)行采集或輸出。跑偏檢測(cè)開關(guān)將皮帶跑偏信號(hào)實(shí)時(shí)傳入PLC控制系統(tǒng)，由PLC控制系統(tǒng)根據(jù)跑偏信號(hào)和油缸行程信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，驅(qū)動(dòng)側(cè)傾調(diào)節(jié)油缸和平移調(diào)節(jié)油缸動(dòng)作，從而完成相應(yīng)糾偏動(dòng)作。

在整個(gè)皮帶機(jī)的2/5和3/5和4/5位置分別布置一套自動(dòng)糾偏裝置，用于皮帶機(jī)的分段獨(dú)立自動(dòng)糾偏以滿足皮帶機(jī)不同位置的自動(dòng)糾偏控制。

4 皮帶機(jī)自動(dòng)糾偏控制原理

4.1 工作原理

糾偏裝置由側(cè)傾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和平移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。側(cè)傾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要調(diào)節(jié)皮帶機(jī)的左右側(cè)傾角，通過在皮帶機(jī)架上安裝帶內(nèi)置行程檢測(cè)的液壓油缸，調(diào)節(jié)機(jī)架側(cè)傾角度并將油缸伸出長(zhǎng)度實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋回PLC控制系統(tǒng)。平移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要調(diào)節(jié)皮帶托輥相對(duì)皮帶的前后傾斜度，平移托輥調(diào)節(jié)架一端采用軸連接與機(jī)架固定，通過內(nèi)置行程傳感器的液壓油缸驅(qū)動(dòng)并將油缸伸出長(zhǎng)度實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋回PLC控制系統(tǒng)。

PLC控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的皮帶跑偏信號(hào)狀態(tài)。當(dāng)PLC控制系統(tǒng)檢測(cè)到跑偏信號(hào)后，根據(jù)跑偏報(bào)警持續(xù)時(shí)間并查詢程序預(yù)設(shè)的“跑偏報(bào)警及油缸行程調(diào)節(jié)模糊控制規(guī)格表”輸出控制信號(hào)，分別控制相應(yīng)的電磁閥并驅(qū)動(dòng)液壓油缸完成相應(yīng)的動(dòng)作行程。由于采用油缸動(dòng)作行程模糊控制的策略，當(dāng)油缸目標(biāo)行程與預(yù)設(shè)目標(biāo)行程差在一定范圍內(nèi)，可忽略油缸動(dòng)作行程偏差。通過調(diào)整側(cè)傾調(diào)節(jié)油缸和平移調(diào)節(jié)油缸的伸出量實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)支架的左右傾角和托輥架的前后傾斜角調(diào)整，滿足皮帶機(jī)在轉(zhuǎn)彎工況下的自動(dòng)糾偏需要。

4.2 油缸行程控制

皮帶糾偏由機(jī)架左右側(cè)傾調(diào)節(jié)和托輥架前后平移調(diào)節(jié)兩種方式配合完成。兩調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的油缸目標(biāo)調(diào)節(jié)行程采用模糊控制的方式，通過查詢模糊控制表并對(duì)油行程進(jìn)行自動(dòng)控制。跑偏報(bào)警信號(hào)及油缸行程調(diào)節(jié)模糊控制規(guī)格如表1所示。

4.3 控制流程

跑偏控制：系統(tǒng)啟動(dòng)后，先執(zhí)行初始化程序，將CQ和PY油缸回至初始行程S0和M0位置，然后運(yùn)行皮帶機(jī)自動(dòng)糾偏程序。當(dāng)跑偏開關(guān)檢測(cè)到皮帶跑偏信號(hào)后傳遞給PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)經(jīng)過邏輯分析判斷，通過間歇性的輸出糾偏油缸動(dòng)作控制信號(hào)，糾偏控制信號(hào)控制液壓電磁閥驅(qū)動(dòng)糾偏油缸，糾偏油缸驅(qū)動(dòng)皮帶機(jī)糾偏機(jī)構(gòu)沿固定軸進(jìn)行預(yù)設(shè)量的轉(zhuǎn)動(dòng)。油缸內(nèi)置行程傳感器實(shí)時(shí)顯示糾偏動(dòng)作行程量，并在主控室的上位機(jī)皮帶機(jī)控制界面進(jìn)行顯示。當(dāng)皮帶跑偏報(bào)警信息消失后，停止皮帶機(jī)糾偏動(dòng)作，程序循環(huán)，待下次繼續(xù)監(jiān)測(cè)到新的皮帶跑偏信號(hào)后，繼續(xù)下一循環(huán)糾偏控制。由于采用了間歇糾偏的方式分時(shí)段對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行糾偏，避免了糾偏調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)輸送皮帶糾偏后存在滯后現(xiàn)象對(duì)糾偏產(chǎn)生的影響，解決皮帶機(jī)采用自動(dòng)糾偏容易因系統(tǒng)滯后帶來的頻繁糾偏過度問題。其控制流程圖如圖2所示。

4.4 人機(jī)界面

在主控室的上位機(jī)上設(shè)置有一個(gè)皮帶機(jī)控制界面，如圖3所示，可以實(shí)時(shí)查看皮帶跑偏狀態(tài)、系統(tǒng)糾偏狀態(tài)、載入預(yù)設(shè)表和油缸當(dāng)前伸出狀態(tài)。

皮帶跑偏狀態(tài)：實(shí)時(shí)顯示皮帶的跑偏狀態(tài)，當(dāng)皮帶左跑偏報(bào)警時(shí)，“左偏警告”顯示紅色，“右偏警告”和“無(wú)跑偏”顯示灰色;當(dāng)皮帶機(jī)右跑偏報(bào)警時(shí)，“右偏警告”顯示紅色，“左偏警告”和“無(wú)跑偏”顯示灰色;當(dāng)皮帶無(wú)跑偏報(bào)警時(shí)，“無(wú)跑偏”顯示綠色，“左偏警告”和“右偏警告”顯示灰色。

系統(tǒng)糾偏狀態(tài)：當(dāng)系統(tǒng)處于糾偏狀態(tài)時(shí)，“正在糾偏中”顯示綠色，當(dāng)系統(tǒng)未糾偏時(shí)，“正在糾偏中”顯示灰色。

參數(shù)設(shè)置：點(diǎn)擊“載入預(yù)設(shè)表”可以載入由用戶自定義的模糊控制規(guī)則表。

油缸當(dāng)前狀態(tài)：實(shí)時(shí)顯示每個(gè)糾偏油缸的當(dāng)前伸出行程。

5 結(jié)語(yǔ)

該皮帶自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)及控制方法解決了小直徑盾構(gòu)機(jī)后配套皮帶機(jī)的皮帶跑偏問題，能夠保證皮帶輸送機(jī)的安全可靠運(yùn)行，滿足小直徑盾構(gòu)機(jī)皮帶在轉(zhuǎn)彎時(shí)的糾偏要求。本皮帶自動(dòng)糾偏控制機(jī)構(gòu)及控制方法通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶跑偏狀態(tài)及跑偏報(bào)警持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)預(yù)設(shè)控制邏輯對(duì)皮帶跑偏進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)糾偏控制。相比盾構(gòu)機(jī)后配套皮帶傳統(tǒng)的人工糾偏作業(yè)，極大地降低了皮帶人工糾偏工作量，減少了人工值守維護(hù)成本，節(jié)省了人力和保障人身安全。該皮帶自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)及控制方法可以在空間狹小環(huán)境惡劣的工況下正常工作，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，省時(shí)省力安全高效，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，亦可用于其他皮帶機(jī)工況下的自動(dòng)糾偏需求。

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