盾構機仿真操作實訓裝置建設及其應用

韓 偉

(福建林業職業技術學院 福建南平 353000)

0 引言

近年來，城市發展如火如荼，城區舊交通網改造，新建交通網不斷擴張，城市交通問題已成為約束城市繼續發展的主要因素，建立城市軌道交通網已成為解決日趨嚴重城市交通問題的必然選擇[1]。面對不斷開通的軌道交通新線路，其對城市軌道交通類專業技能型人才的需求也日益俱增。

行業大發展，需要大量生產、服務一線企業的高級技能型人才。高級技能型人才的培養，必須加強動手能力的訓練，因此建設具有真實職業氛圍、與實際生產相一致的實習實訓基地是提高學生動手能力的基礎，是高等職業教育改革和發展的必由之路，是推動職業資格認證制度的重要環節，同時也是提高師資隊伍整體素質、產學研結合、服務區域經濟不可或缺的條件。

盾構施工是一項理論性和操作性很強的技術，僅僅通過現有的教材文字、培訓資料、圖片、視頻等進行教學、培訓是達不到企業要求的，還需要直觀演示和進行集中上機訓練?？紤]到真實盾構機造價昂貴及施工安全，也不宜以真實盾構機在實際施工環境中進行教學和培訓，因此急需通過選用盾構機原型作為制作藍本，按比例設計加工制作盾構機仿真操作裝置，并結合具體施工條件營造并模擬建設相應的盾構施工環境，實現與工程實踐的“零距離”接觸。目前，關于此類盾構機仿真模擬實訓的裝置的建設應用于高職院校教學、培訓的案例和報道極少，有必要對其建設方案進一步的進行研究和探討。為此福建林業職業技術學院聯合瀏陽河仿真模型有限公司、長沙凱德技術股份有限公司聯合研發了盾構機仿真操作裝置，已安裝完畢并應用于教學。本文介紹該裝置相關研究成果及其應用成果。

1 盾構機仿真操作裝置的建設原理

該裝置在其設計原理，結構外觀、操控原理及控制系統界面上與真實盾構機的基本一致，盡可能地還原真實盾構設備操作過程。但在計算機信號輸出、輸入接口和內部電路系統上，相比真實設備有所差別，計算機接收端及信息反饋系統也采用等比例模型控制系統進行控制，主要因為盾構施工環境和施工對象并非來自真實施工環境和隧道開挖面。

該裝置基于計算機DCS操控系統和PLC智能模塊技術一體的數字化模型。考慮施工環境、建造成本、場地、操作條件的限制，將一部分結構和裝置進行簡化和省略，如出渣排土、管片注漿、泡沫系統等。簡化和省略的部分，其動作和裝置也會保留，其功能主要通過PLC智能模塊技術和DCS分布式控制系統等數字化模型來進行模擬，營建真實的施工環境和操作過程，達到預期的教學、培訓目標。

2 盾構機仿真操作裝置的設計和建設方案

2.1 裝置的組成設計

為了讓學員全面了解并掌握盾構機的主要設備結構原理和功能，主要設計了盾構機主體模擬裝置系統、驅動系統、液壓系統、管片拼裝機、學員操控臺(操作員站)、老師操控臺(工程師站)、系統控制柜，如圖1所示。

圖1 盾構機模擬裝置裝置組成

土壓平衡式盾構機主體，由圓筒形斷面，自挖掘面起，由切口環、支承環、盾尾三部分構成。其強度足以承受土壓、水壓、盾構千斤頂的反推力及挖掘反作用力。梁部呈V型平面中折結構。中折部的前部稱為前體、后部成為后體；支承環的前部裝置的驅動部件，與切口環一壁相隔；隔壁后部設有環形空氣室；螺旋輸泥機(但不體現皮帶運泥機，接運泥電瓶車)。在梁后部的外圍沿圓周方向均勻排列有盾構機主體推進用的盾構千斤頂。盾尾部配備了組裝管片用的拼裝機裝置、用作腳手架的后方作業臺。拼裝機裝置、后方作業臺由梁部進行支承。支承環通過豎梁、橫梁加以強化穩固，確保學員實操過程安全。

2.2 實訓功能設計

2.2.1主要結構拆裝設計

滿足 “反復拆裝”訓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、機罩、梁、前體前瞳、后體后瞳、旋轉接頭、刀盤旋轉油壓馬達、千斤頂、螺旋輸泥機、盾構千斤頂、注漿鉆孔、拼裝機、形狀保持裝置、盾尾密封件及注漿設備、提升機等,各部件均按盾構機的實際圖紙，按統一1∶2比例進行制造；結構齊全，運行靈活可靠，經久耐用，各主要部件都可拆裝以讓學員全面了解并掌握構機的主要結構原理和各設備的功能。對裝置的各內部結構設備與零件進行文字標注，便于講解和學員觀察認知，特別是方便拆裝。拆裝訓練所需結構參數和工具如下：

仿真操作裝置全部采用全金屬構件，材質Q345B。盾構機規格直徑3040mm，總長度約6500mm，裝機功率約80kW；刀盤直徑3040mm×400mm；前盾直徑3000mm×2400mm；尾盾直徑3000mm×2000mm(非整圓)；盾內裝完成整圈的管片，軸式螺旋輸送機規格(內徑×長度)約360mm×4800mm，總質量在10 000kg(10t)以上。拆裝配套設備及工具：龍門式起重機(超重重量大于10t，并可在軌道上運行)、配套工具及工具柜、零配件及配件柜、拆裝零件毯、工具毯、各類潤滑油及儲存柜、其他專用設備等。

2.2.2仿真操作設計

全真實動作運行而非靠電腦模擬，各機電、液壓設備都處于真實設備位置并都具備相應的功能原理。能實際動手操作，全方位效果模擬，幫助學員熟悉盾構機的相關控制系統和操作方法。

2.2.3設故障模擬訓練設計

設置了“實際工作中的常見故障”，包括設備系統故障和電氣系統的故障模擬?！肮收稀毙Ч谠撗b置上及電腦中都有相應的現象出現，并可由教師隨機選定其中某個或幾個故障由學員動手解決，以達到實訓目標，培養學員處理常見故障和解決實際問題的能力、以及應變的能力。

設備系統故障模擬，常見設備系統故障不少于6種：結餅、堵塞、設備超壓、轉速降低等。

電氣系統的故障模擬，常見電氣系統故障不少于8種：電源缺相、突然停電、接觸不良、電機燒壞、動作不準等。

以上故障模擬可由教師隨機選定，電腦操控。學員解決問題后，電腦操控恢復并自動評分。

2.3 主體結構建設方案

盾殼裝置制造時，分切口環、支承環、盾尾3部分進行，如圖2所示。通過其內的大梁和中心橫梁原部件[2]，盾尾鋼絲刷設置3道。其他結構如下：

圖2 盾構裝置主體建設結構剖面

刀盤。采用模擬液壓驅動系統驅動，轉速控制在3轉/min左右，控制可正反轉。

推進系統。盾構設置12個千斤頂，均勻分布，其中長行程千斤頂4個，1200 mm,短行程千斤頂8個，800 mm。除三分區，其余千斤頂均安裝行程傳感器。錯縫拼裝時進行靴板型特殊設計,避免了千斤頂與管片接縫產生摩擦碰撞[2]。

拼裝機。拼裝機主體結構縮小制作，可繞中心橫梁旋轉，也可平移,并增加配重塊;裝置對壓力油箱進行改造,增裝遙控功能。

螺旋機。螺旋機主體結構按比例，可制作體現進料槽。進料槽與切口環焊接成一體,閘門開度采用手動式，取代“檢測拉繩式傳感器”[2]。

地層剖面。盾構機裝置制作一個“地層剖面”，以泥土沉積層為剖面主要表現效果，“地層剖面”長度都略大于盾構機及其施工臺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機及其施工臺車的下方，給學員一種“正在處于工作狀態”的感覺。

2.4 實際運行

該裝置要求“可展現實際盾構機工作運行中的所有動態演示”。如：刀盤的勻速轉動(真實運行)，即刀盤在電源開啟的狀態下可以以機體的縱軸心線進行無限360°旋轉，速度約為3轉/min，可在操控下正反轉；管片拼裝機原地360°勻速轉動(真實運行)，即盾體尾部的管片拼裝機會加裝一塊實訓的管片，依照既定的方向進行旋轉動作；液壓千斤頂的來回往返運動(真正液壓操控)，即盾體周圍的十幾個液壓油缸可以單獨或整體作伸縮運行；螺旋輸泥機真實運行；螺旋輸送機以12轉/min的速度勻速運行。與盾構教學相配合的視頻，能夠介紹盾構內部結構構造、施工工藝、關鍵部位演示。

2.5 實際操控

學員操作琴臺及顯示屏界面與盾構真機完全一致，如圖3所示。系統所有動作、狀態、參數均在上位機系統有模擬顯示，并能根據需要在21英寸顯示屏上顯示。軟件設計能實現盾構機所有的操作、各種故障設置、典型地層掘進工況、掘進方向控制等。

圖3 主操作臺按鈕布置圖

2.6 電氣系統配置

2.6.1操作臺

主操作臺(琴臺)操作按鈕及工業電腦安裝，如圖4所示，依照盾構機實際情況布置，安裝4臺PPC1561工業電腦。2臺為上位機，顯示內容依據盾構機實物，配合琴臺按鈕操作盾構；其余2臺電腦，一臺模擬導向系統，按照編制的程序，手動輸入土質如上軟下硬、左右偏移等虛擬顯示盾構掘進姿態；一臺電腦采用四分屏，依據信號反饋，通過編制軟件包虛擬顯示油缸動作和拼裝機動作等動畫顯示[3]。

PLC系統采用分布式I/O控制，主PLC選用西門子400系列，琴臺按鈕接倍福從站，通過DP總線與主站進行通信傳輸。琴臺內部不安裝控制電源，所需24VDC,10VDC從控制柜引入。

2.6.2控制柜

控制柜考慮后期擴展功能，選用盾構上常用的配電柜，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真機配置，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

采用編程軟件采用西門子S7-400的plc編程軟件，專門針對本盾構的各運行設備進行實際操控，能完全模擬真實盾構機操控系統，對各系統配套的壓力、溫度、行程、限位、液位等大部分必要數據可通過傳感器真實地檢測到，只是要通過電腦放大處理后才能與真實一般；而某些壓力、溫度、刀具磨損等沒有真實數據生產，而只能在電腦模擬檢測，并對相應的設備進行調節與控制。以保證學員有完全“真實”的感受。

2.8 綜合自動評分考核系統

裝置設計了符合教學、培訓需要的模擬操作自動評分考核系統，如圖7～圖8所示，針對盾構機正常狀態下操作和故障模擬操作進行綜合考核評分，減少了人工考核帶來的主觀因素影響，提高了考核的準確性和效率。

圖7 操作自動評分考核系統

圖8 操作自動評分考核系統

3 應用成果

盾構機仿真操作裝置的應用，體現在院校教學和社會培訓兩個方面。前者針對在校相關方向或專業(如道橋、市政和城軌)進行理論教學和實訓教學，后者主要面向社會相關企業進行校企合作培訓。由于對象不同，學習重點和設備應用情況有所區別。

院校教學是通過課堂講解、現場觀摩等對盾構機械的整體結構，部分構造及其動力機電、軟件操作系統等進行全方位的認知和實訓操作，掌握盾構機的結構和運行原理以及操作性能，并通過教師示范操作，指導學生進行實訓操作，如設備安裝、機械操作、故常處理等，如圖9所示。培養學生對盾構設備的操作技能，加深對盾構機械設備的理解和掌握，加深對隧道工程施工技術學習的興趣，如圖10所示。

企業培訓主要面向社會相關企業，根據不同崗位(如盾構司機、機電人員、維修人員、安全人員等)，進行有針對性的崗位培訓(如操作技能、機械設備維護、安全檢查等)。通過短期學習，達到企業對相關人員的崗位要求。

圖9 指導學員進行實訓操作

圖10 學員進行管片拼裝實訓操作

4 結語

該裝置在教學和社會服務上充分體現職業教育的特色，為培養實用型、高技能型職業人才創造了基礎條件。為今后加強校企聯合，進行訂單式培養，創造了條件。

截止目前，相關設備投入運行過程，性能良好，狀態穩定，在教學和培訓中均發揮了積極作用，結合對畢業生和企業培訓人員的反饋，下一步將計劃在原來基礎上增設遠程遙控系統，面向全社會進行遠程教學，更好地發揮它的作用。