一种盾构机、盾构机保压系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，更具体地说，涉及一种盾构机、盾构机保压系统及其控制方法。

背景技术

盾构机是一种隧道掘进专用设备，广泛用于地铁、铁路、公路、市政水电等隧道施工中。盾构施工过程中，为保证底层不发生大的沉降或者隆起变形，盾构前方密封舱必须保证有一定的压力以与地层土压力和水压力保持动态平衡，泥水平衡盾构以泥浆和开挖面处形成的泥膜为介质，利用自动保压系统调节气舱的压缩空气的压力，使开挖面压力保持动态平衡。

然而，目前的保压系统无法同时兼顾气舱压力与目标压力相差过大时的快速进排气需求，以及气舱压力与目标压力接近时的精确流量控制需求。其控制精度和系统响应能力已不能满足当前超大直径泥水平衡盾构施工过程对气舱精确控制的需求。

另外，盾构机的压力设定方式为本地控制方式，盾构机每次调试和设定，必须要工作人员到工作舱现场调试，在出现管路阻塞等紧急情况时不能及时调节系统设定压力，容易出现爆舱等故障。另外，工作舱没有实时给主控室反馈压力，主控室的工作人员不能及时了解工作舱内的压力参数，主控室工作人员不能及时发现控制系统内部的故障。

综上所述，如何有效地解决盾构机保压系统控制精度和系统响应能力难以满足施工需求等问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种盾构机、盾构机保压系统及其控制方法，该盾构机保压系统的结构设计可以有效地解决盾构机保压系统控制精度和系统响应能力难以满足施工需求的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构机保压系统，包括主控室、气动控制器、电气转换器、第一气动调节阀、第二气动调节阀、第三气动调节阀、第四气动调节阀、气舱和压力检测器；

所述第一气动调节阀的出气口和所述第二气动调节阀的出气口分别与所述气舱连通，所述第一气动调节阀的进气口和所述第二气动调节阀的进气口分别与所述气源连通，所述第一气动调节阀的通径大于所述第二气动调节阀的通径；

所述第三气动调节阀的进气口和所述第四气动调节阀的进气口分别与所述气舱连通，所述第三气动调节阀的出气口和所述第四气动调节阀的出气口分别与大气连通，所述第三气动调节阀的通径小于所述第四气动调节阀的通径；

所述压力检测器用于检测所述气舱的压力；

所述主控室通过所述电气转换器与所述气动控制器连接，用于向所述气动控制器发送设定压力信号；

所述气动控制器分别与所述压力检测器、所述第一气动调节阀、所述第二气动调节阀、所述第三气动调节阀、所述第四气动调节阀连接，以根据所述压力检测器检测的压力分别控制所述第一气动调节阀、所述第二气动调节阀、所述第三气动调节阀和所述第四气动调节阀动作。

可选地，上述盾构机保压系统中，所述压力检测器与所述主控室连接，所述主控室还用于接收所述压力检测器发送的气舱的检测压力信号。

可选地，上述盾构机保压系统中，还包括消音器，所述第三气动调节阀的出气口和所述第四气动调节阀的出气口分别通过所述消音器连通大气。

可选地，上述盾构机保压系统中，所述压力检测器包括压力变送器，所述压力变送器通过气电转换器与所述主控室连接。

可选地，上述盾构机保压系统中，还包括第五气动调节阀和第六气动调节阀，所述第五气动调节阀的出气口与所述气舱连通，进气口与所述气舱连通，所述第五气动调节阀的通径大于所述第一气动调节阀的通径；所述第六气动调节阀的进气口与所述气舱连通，出气口与大气连通，所述第六气动调节阀的通径小于所述第三气动调节阀的通径；所述气动控制器还用于控制所述第五气动调节阀和所述第六气动调节阀动作。

为了达到上述目的，本发明还提供如下技术方案：

一种盾构机保压系统的控制方法，用于如上所述的盾构机保压系统，包括：

通过压力检测器获取气舱的实时压力；

若所述实时压力小于第一预设压力，则所述气动控制器控制所述第一气动调节阀打开以与所述气源连通；

若所述实时压力大于或等于所述第一预设压力且小于所述设定压力，则所述气动控制器控制所述第二气动调节阀打开以与所述气源连通；

若所述实时压力大于所述设定压力且小于或等于第二预设压力，则所述气动控制器控制所述第三气动调节阀打开以与大气连通；

若所述实时压力大于所述第二预设压力，则所述气动控制器控制所述第四气动调节阀打开以与大气连通；

若所述实时压力等于所述设定压力，则气动控制器控制所述第一气动调节阀、所述第二气动调节阀、所述第三气动调节阀、所述第四气动调节阀均关闭；

其中，所述第一预设压力<所述设定压力<所述第二预设压力。

可选地，上述控制方法中，若所述实时压力小于第一预设压力，则所述气动控制器控制所述第一气动调节阀打开以与所述气源连通，具体包括：

若所述实时压力小于第三预设压力，则所述气动控制器控制所述第一气动调节阀和所述第二气动调节阀均打开以与所述气源连通；

若所述实时压力大于或等于所述第三预设压力且小于所述第一预设压力，则所述气动控制器控制所述第一气动调节阀打开以与所述气源连通；

其中，所述第三预设压力<所述第一预设压力。

可选地，上述控制方法中，若所述实时压力大于所述第二预设压力，则所述气动控制器控制所述第四气动调节阀打开以与大气连通，具体包括：

若所述实时压力大于所述第二预设压力且小于或等于所述第四预设压力，则所述气动控制器控制所述第四气动调节阀打开以与大气连通；

若所述实时压力大于所述第四预设压力，则所述气动控制器控制所述第三气动调节阀和所述第四气动调节阀均打开以与大气连通；

其中，所述第四预设压力＞所述第二预设压力。

应用本发明提供的盾构机保压系统及其控制方法，盾构施工过程中，通过压力检测器获取气舱的实时压力；若实时压力小于第一预设压力，则气动控制器控制第一气动调节阀打开以与气源连通；若实时压力大于或等于第一预设压力且小于设定压力，则气动控制器控制第二气动调节阀打开以与气源连通；若实时压力大于设定压力且小于或等于第二预设压力，则气动控制器控制第三气动调节阀打开以与大气连通；若实时压力大于第二预设压力，则气动控制器控制第四气动调节阀打开以与大气连通；若实时压力等于设定压力，则气动控制器控制第一气动调节阀、第二气动调节阀、第三气动调节阀、第四气动调节阀均关闭。

通过检测气舱的实时压力，并将其与主控室设定的设定压力进行比较，当实时压力低于设定压力值时，气动控制器根据实时压力与设定压力差值的大小，输出控制信号以打开第一气动调节阀或第二气动调节阀，升高气舱内的压力；当检测气舱的实时压力高于设定压力值时，气动控制器根据实时压力与设定压力差值的大小，输出控制信号以打开第三气动调节阀或第四气动调节阀，降低气舱内的压力；当气舱的实时压力与设定压力值一致时，则气动控制器将所有气动调节阀关闭。综上，本发明采用电气联合远程自动控制，在遇到管路阻塞等紧急情况时，通过远程控制系统能快速、安全的调整保压系统的设定压力，从而避免了爆仓等故障的问题，并且通过远程控制，无需通过布置在盾体上的控制器实地操作，能够提高系统安全性。且该系统压力调节是通过不同通径的气动调节阀分程控制，可以克服大口径阀门流量大，流速快，难以控制的技术难题，增强了保压系统的稳定性，提高了盾构机保压系统的适用性。

本发明还提供了一种盾构机，该盾构机包括上述任一种盾构机保压系统。由于上述的盾构机保压系统具有上述技术效果，具有该盾构机保压系统的盾构机也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个具体实施例的盾构机保压系统的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施例的盾构机保压系统的控制方法的流程示意图。

附图中标记如下：

气舱1，第一气动调节阀2，第二气动调节阀3，第三气动调节阀4，第四气动调节阀5，气源6，消音器7，气动控制器8，电气转换器9，压力变送器10，气电转换器11，主控室12。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种盾构机、盾构机保压系统及其控制方法，以实现分程调节，提高控制精度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明一个具体实施例的盾构机保压系统的结构示意图。

在一个具体实施例中，本发明提供的盾构机保压系统，包括主控室12、气动控制器8、电气转换器9、第一气动调节阀2、第二气动调节阀3、第三气动调节阀4、第四气动调节阀5、气舱1和压力检测器。

其中，第一气动调节阀2、第二气动调节阀3为两个进气气动调节阀。第一气动调节阀2的出气口和第二气动调节阀3的出气口分别与气舱1连通，第一气动调节阀2的进气口和第二气动调节阀3的进气口分别与气源6连通，第一气动调节阀2的通径大于第二气动调节阀3的通径。第三气动调节阀4、第四气动调节阀5为两个排气气动调节阀。第三气动调节阀4的进气口和第四气动调节阀5的进气口分别与气舱1连通，第三气动调节阀4的出气口和第四气动调节阀5的出气口分别与大气连通，第三气动调节阀4的通径小于第四气动调节阀5的通径。压力检测器用于检测气舱1的实时压力，并将信号传输至气动控制器8。主控室12通过电气转换器9与气动控制器8连接，用于向气动控制器8发送设定压力信号。当主控室12设定气舱1压力后，传输电流信号至电气转换器9转换为气压信号设定气动控制器8的信号。主控室12用于对盾构机实行远程操作和数字通信，并记录盾构机的实时参数数据。主控室12会根据不同地质特征向气动控制器8发出4-20mA电信号，该信号作为设定值，对气动控制器8实行远程操作。气动控制器8分别与压力检测器、第一气动调节阀2、第二气动调节阀3、第三气动调节阀4、第四气动调节阀5连接，以根据压力检测器检测的压力分别控制第一气动调节阀2、第二气动调节阀3、第三气动调节阀4和第四气动调节阀5动作。

应用本发明提供的盾构机保压系统，盾构施工过程中，通过检测气舱1的实时压力，并将其与主控室12设定的设定压力进行比较，当实时压力低于设定压力值时，气动控制器8根据实时压力与设定压力差值的大小，输出控制信号以打开第一气动调节阀2和/或第二气动调节阀3，升高气舱1内的压力；当检测气舱1的实时压力高于设定压力值时，气动控制器8根据实时压力与设定压力差值的大小，输出控制信号以打开第三气动调节阀4和/或第四气动调节阀5，降低气舱1内的压力；当气舱1的实时压力与设定压力值一致时，则气动控制器8将所有气动调节阀关闭。

例如，当检测气舱1的实时压力远高于设定压力值时，气动控制器8会输出相应的控制信号打开第三气动调节阀4和第四气动调节阀5，降低工作舱内的压力；当气舱1的实时压力与设定压力差值减小时，只打开第四排气调节阀；当气舱1的实时压力与设定压力与差值继续减小时，只打开第三排气调节阀，其中第四排气调节阀的通径大于第三排气调节阀。当气舱1的实时压力低于设定压力值时，会根据实时压力与设定压力差值的大小，分别打开第一进气调节阀、第二进气调节阀，升高气垫舱内的压力；当检测舱压与设定压力值一致时，所有进排调节阀会全部关闭。即当气舱1的实时压力与设定压力相差较小时，进排气都是小阀门先打开，因而空气流速、进气量较小，压力升降缓慢、平稳。

综上，本发明采用电气联合远程自动控制，在遇到管路阻塞等紧急情况时，通过远程控制系统能快速、安全的调整保压系统的设定压力，从而避免了爆仓等故障的问题，并且通过远程控制，无需通过布置在盾体上的控制器实地操作，能够提高系统安全性。且该系统压力调节是通过不同通径的气动调节阀分程控制，大小通径气动调节阀组合使用，控制精度准确，调节范围广，有效的避免了大口径阀门小开度工作喘振等的问题，增强了保压系统的稳定性，提高了盾构机保压系统的适用性。

在一个实施例中，压力检测器与主控室12连接，主控室12还用于接收压力检测器发送的气舱1的检测压力信号。即主控室12记录气舱1实时的压力参数数据，从而主控室12的工作人员能及时了解工作舱内的压力参数。

在一个实施例中，该盾构机保压系统还包括消音器7，第三气动调节阀4的出气口和第四气动调节阀5的出气口分别通过消音器7连通大气。通过消音器7的设置，以降低排气噪声，并使气体能够安全可靠排出。

在一个实施例中，压力检测器包括压力变送器10，压力变送器10通过气电转换器11与主控室12连接。则压力变送器10检测气舱1的实施压力并发送至气动控制器8，气动控制器8将气舱1压力与设定压力进行比较来控制进排气部分在其他实施例中，同时，压力变送器10检测的气舱1压力通过气电转换器11反馈给主控室12。压力检测器也可以采用压力传感器等压力检测装置。

在一个实施例中，该盾构机保压系统还包括第五气动调节阀和第六气动调节阀，第五气动调节阀的出气口与气舱1连通，进气口与气舱1连通，第五气动调节阀的通径大于第一气动调节阀2的通径；第六气动调节阀的进气口与气舱1连通，出气口与大气连通，第六气动调节阀的通径小于第三气动调节阀4的通径；气动控制器8还用于控制第五气动调节阀和第六气动调节阀动作。通过进一步设置第五气动调节阀和第六气动调节阀，实现进排气的多级分程控制，控制精度更高，响应速度更快。

本发明还提供了一种盾构机保压系统的控制方法，在一个具体实施例中，本发明提供的盾构机保压系统的控制方法，用于如上述任一种盾构机保压系统，包括：

通过压力检测器获取气舱的实时压力；

若实时压力小于第一预设压力，则气动控制器控制第一气动调节阀打开以与气源连通，气舱的压力升高，从而实现气舱压力与设定压力差距较大时气舱的快速进气；

若实时压力大于或等于第一预设压力且小于设定压力，则气动控制器控制第二气动调节阀打开以与气源连通，气舱的压力升高，从而实现气舱压力与设定压力接近时的精确流量控制；

若实时压力大于设定压力且小于或等于第二预设压力，则气动控制器控制第三气动调节阀打开以与大气连通，气舱的压力下降，从而实现气舱压力与设定压力接近时的精确流量控制；

若实时压力大于第二预设压力，则气动控制器控制第四气动调节阀打开以与大气连通，气舱压力下降，从而实现气舱压力与设定压力差距较大时气舱的快速排气；

若实时压力等于设定压力，则气动控制器控制第一气动调节阀、第二气动调节阀、第三气动调节阀、第四气动调节阀均关闭；

其中，第一预设压力<设定压力<第二预设压力。

采用本发明提供的盾构机保压系统的控制方法，根据气动调节阀流量特性，通过电控换向阀分别控制不同通径的气动调节阀启闭，分程调节控制气舱的进排气，可以克服大口径阀门流量大，流速快，难以控制的技术难题，从而实现自动保压系统精确流量控制的目的。

请参阅图2，图2为本发明一个具体实施例的盾构机保压系统的控制方法的流程示意图。

在该实施例中，盾构机保压系统的控制方法包括以下步骤：

S11：通过压力检测器获取气舱的实时压力；

S12：判断实时压力是否等于设定压力，若是执行步骤S114，否则执行后续步骤；

S13：判断实时压力是否小于设定压力，若是执行步骤S14，否知执行步骤S19；

S14：判断实时压力是否小于第三预设压力，若是，则执行步骤S15，否则，执行步骤S16；

S15：气动控制器控制第一气动调节阀和第二气动调节阀均打开以与气源连通，气舱压力上升；

S16：判断实时压力是否小于第一预设压力，若是，则执行步骤S17，否则，执行步骤S18；

S17：气动控制器控制第一气动调节阀打开以与气源连通，气舱压力上升；

S18：气动控制器控制第二气动调节阀打开以与气源连通，气舱压力上升；

S19：判断实时压力是否大于第四预设压力，若是，则执行步骤S110，否则，执行步骤S111；

S110：气动控制器控制第三气动调节阀和第四气动调节阀均打开以与大气连通，气舱压力下降；

S111：判断实时压力是否大于第二预设压力，若是，则执行步骤S112，否知执行步骤S113；

S112：气动控制器控制第四气动调节阀打开以与大气连通，气舱压力下降；

S113：气动控制器控制第三气动调节阀打开以与大气连通，气舱压力下降；

S114：气动控制器控制第一气动调节阀、第二气动调节阀、第三气动调节阀、第四气动调节阀均关闭；

其中，第三预设压力<第一预设压力<设定压力<第二预设压力<第四预设压力。

通过上述设置，实现进排气的多级分程控制，控制精度更高，响应速度更快。判断逻辑简单，控制响应速度快。在其他实施例中，判断顺序也并不局限于上述限定。

第一预设压力记为P1，第二预设压力记为P2，第三预设压力记为P3，第四预设压力记为P4，实时压力记为P，设定压力记为P*，气舱最大调节压力记为P0，气舱最大调节压力p0由气舱结构确定，为气舱能够允许的压力范围的上限。具体的，第一预设压力至第四预设压力可分别满足：P1＝P*-1/3P0；P2＝P*+1/3P0；P3＝P*-2/3P0；P4＝P*+2/3P0；

则当实时压力P与设定压力P*差值等于零时，四个气动调节阀都关闭；

当实时压力P小于设定压力P*，且设定压力P*与实时压力P的差值P*-P≤1/3P0时(实时压力大于或等于第一预设压力且小于所述设定压力)，打开第二气动调节阀进气；设定压力P*与实时压力P的差值1/3P0

当实时压力P大于设定压力P*，且实时压力P与设定压力P*的差值P-P*≤1/3P0时(实时压力大于设定压力且小于或等于第二预设压力)，打开第三气动调节阀进气；实时压力P与设定压力P*的差值1/3P0

在一个具体实施例中，本发明提供的盾构机保压系统的控制方法，用于如下所述盾构机保压系统，请参阅图1，其包括气舱1、第一气动调节阀2、第二气动调节阀3、第三气动调节阀4、第四气动调节阀5、气源6、消音器7、气动控制器8、电气转换器9、压力变送器10、气电转换器11、主控室12。

主控室12根据实际情况设定气舱1的设定压力值，传输电流信号至电气转换器9转换为气信号设定气动控制器8的压力，通过气动控制器8来驱动进排气调节阀(第一气动调节阀2、第二气动调节阀3、第三气动调节阀4、第四气动调节阀5)。此时压力变送器10检测气舱1内压力，将气舱压力信号反馈至气动控制器8，同时通过气电转换器11转换成气信号反馈至主控室12，气动控制器8接收来自压力变送器10的气舱的实施压力信号与电主控室12的设定压力信号，进行比较运算输出相应的控制信号打开相应的进排气调节阀。

当气舱的实时压力小于设定压力时，气动控制器8输出范围在P4-P7的控制信号分别控制第一气动调节阀2、第二气动调节阀3打开进气。具体而言，当设定压力与气舱压力差值较小时，如实时压力不小于第一预设压力时，则气动控制器8的控制信号范围为P4-P5时，第二气动调节阀驱动小口径阀门缓慢打开，气源6的压缩空气进入气舱1；当设定压力与实时压力差值较大时，如实时压力不小于第三预设压力但小于第一预设压力时，气动控制器8输出信号范围在P5-P6时，第一气动调节阀驱动大口径阀门缓慢动作打开；当设定压力与实时压力差值很大时，如实时压力小于第三预设压力时，则气动控制器8输出信号为P6-P7，第一气动调节阀2和第二气动调节阀3同时打开进气。

当气舱的实时压力等于设定压力时，压力变送器2检测气舱1压力反馈至气动控制器8，气动控制器8的输出信号为P4，四个气动调节阀均关闭。

当气舱的实时压力大于设定压力时，气动控制器8输出信号P1-P4的控制信号分别控制第三气动调节阀4、第四气动调节阀5打开排气。具体而言，当设定压力与气舱的实时压力差值较小时，如实时压力不大于第二预设压力时，则气动控制器8输出控制信号为P3-P4时，第三气动调节阀4接收信号动作，第三气动调节阀4控制小口径阀门缓慢打开，气舱1的压缩空气通过消音器7排出；当设定压力与实时压力差值较大时，如实时压力大于第二预设压力且不大于第四预设压力时，则气动控制器8输出信号P2-P3时，第四气动调节阀5接收信号动作，第四气动调节阀5控制大口径阀门打开；当设定压力与实时压力差值很大时，如实时压力大于第四预设压力时，则气动控制器输出信号为P1-P2时，第三气动调节阀4、第四气动调节阀5同时打开排气。

基于上述实施例中提供的盾构机保压系统，本发明还提供了一种盾构机，该盾构机包括上述实施例中任意一种盾构机保压系统。由于该盾构机采用了上述实施例中的盾构机保压系统，所以该盾构机的有益效果请参考上述实施例。

在一个实施例中，一台盾构机安装有两套自动保压系统，一套是工作系统，另一套是备用控制系统，一旦工作系统出现故障，备用控制系统马上可以启用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。