頂管掘進機糾偏控制系統(tǒng)的設計與研究*

上海市城市排水有限公司 上海 200233

近年來，地下大直徑頂管施工技術(shù)代替了傳統(tǒng)的施工方法，在我國得到了廣泛應用。但隨著頂管直徑越做越大，頂進距離越來越長，對施工精度的要求也越來越高。上海市污水治理項目白龍港片區(qū)南輸送干線工程項目采用頂管施工設計直徑達4 680 mm，是目前世界上直徑最大的頂管項目[1]。 經(jīng)工前分析，頂管的頂進方向進行糾偏仍然是本項目施工的最關鍵問題[2]。

現(xiàn)在，頂管機的糾偏控制還主要用手工完成，即定時對機頭空間位置進行測量，通過操控換向閥使x、y方向相應的糾偏油缸伸或縮，最終實現(xiàn)機頭糾偏[3]，但其缺點是隨意性較大。本文依托白龍港污水治理項目，針對該項目頂管特點，對頂管的自動糾偏控制系統(tǒng)進行了研究。

1 頂管工程糾偏系統(tǒng)參數(shù)的確定

1.1 長徑比確定

長徑比是指頂管機前殼體長度與外徑的比值，長徑比的大小會影響糾偏過程的靈敏度，它的選取需根據(jù)施工的地質(zhì)情況、頂進速度、頂管機外徑等因素綜合考慮。本機根據(jù)施工現(xiàn)場土質(zhì)及以往經(jīng)驗，選取長徑比為1.25。

1.2 糾偏角度

糾偏過程中，機頭前后殼體間會形成大于或小于180°的角度，極易引起地面的沉降或隆起，應盡量采用小糾偏角度，根據(jù)經(jīng)驗通常采用糾偏角度為±（2～2.5）°。

1.3 糾偏油缸推力的確定

頂進過程中機頭往上偏的工況為最惡劣工況，所需糾偏力最大，除了克服土荷重及水壓形成的力以外，還須克服自重。所以本機選定機頭往上偏的工況為基準來決定油缸的推力。油缸的布置方法為井字形均勻布置，并假設4 組（8 臺）油缸均衡受力。由于覆土較深有土拱作用和糾偏過程只是對部分土的1 次壓縮過程。故糾偏過程中僅在機頭前上方表面有分布阻力，根據(jù)施工現(xiàn)場土質(zhì)和經(jīng)驗，這個分布力在150 kN/m2左右[4]。

如圖1所示，A為最下一組油缸，它在往外推時，機頭是以O點支點轉(zhuǎn)動，機殼是軸向受力情況。徑向則按中心角120°垂直投影至水平面均布受力。故投影面的合力為：

式中：f——投影面上所受的合力（kN）；

P——經(jīng)驗分布力，為150 kN/m2；

L——機殼長度為4 m；

D——頂管外徑（m）。

圖1 糾偏系統(tǒng)受力簡圖

根據(jù)式（1）糾偏時，Φ4 680 mm頂管機120°投影面上所受的合力f為：f=2 432 kN。

為了安全起見，取f'=2f，同時作為B點的阻力，可略去頂管機的自重，然后簡化為圖2所示的力矩關系，其力矩平衡式為：

式中：F——兩組油缸的推力之和（kN）；

OA——油缸作用力臂（m）。

由于采用井字形布置，OA就是油缸分度圓直徑d（4.11 m）的

根據(jù)式（2）計算得：F=6 695 kN。所以，每臺油缸的推力定為1 674 kN，每組2 臺。

上述計算過程中，把影響糾偏油缸推力的結(jié)構(gòu)布置也考慮其中，因此是比較合理的。

1.4 油缸直徑計算

單缸工作推力計算公式為：

糾偏油缸的工作壓力P=32 MPa，單缸工作推力 =1 674 kN，代入式（3）計算得油缸內(nèi)徑為：D缸=258 mm。

查手冊，取D缸=280 mm。根據(jù)計算所選用的糾偏油缸工作壓力P=32 MPa，缸徑D缸=258 mm。

1.5 糾偏運動學仿真分析校核

由于糾偏油缸采用井字形布置方式，在糾偏過程中，糾偏油缸不僅僅是簡單的伸縮運動，還伴有繞油缸座的旋轉(zhuǎn)運動以及繞自身中心軸的旋轉(zhuǎn)運動。因此糾偏油缸與油缸吊耳間采用球鉸連接，避免因圓柱連接帶來的卡死、增加油缸桿受彎扭等問題的產(chǎn)生。根據(jù)運動分析要求建立分析模型，如圖2所示。

圖2 糾偏系統(tǒng)運動學仿真模型

根據(jù)模型運動學仿真檢測設計模型，分析在糾偏角度達到極限值2.5°時是否存在運動干涉，以及糾偏油缸的實際位移量。分析結(jié)果如圖3所示。

為了使設計的產(chǎn)品能夠完成極限糾偏角達2.5°的要求，對極限位置時前后殼體進行干涉分析，前后殼體間的周向最小間隙為3.4 mm，不會發(fā)生運動干涉的情況，設計符合要求。

圖3 運動學仿真結(jié)果

由于糾偏時后殼體與前殼體間的密封圈必然受到壓力作用，從圖4的動力學仿真來看，在糾偏角最大時密封圈整體受力比較均勻，可以保證在糾偏過程中不會發(fā)生由于間隙不足產(chǎn)生的卡死或者間隙較大側(cè)發(fā)生密封不良等情況。

圖4 密封圈受力仿真結(jié)果

2 自動引導測量系統(tǒng)

自動引導測量系統(tǒng)是頂管掘進機自動糾偏控制系統(tǒng)中非常重要的一塊子系統(tǒng)。自動引導測量系統(tǒng)不僅引導頂管機頭方向，而且該子系統(tǒng)將測出的頂管機頭姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給計算機，由計算機智能判斷，然后油缸根據(jù)數(shù)據(jù)進行自動伸縮來糾偏，同時也是可以判斷當前的糾偏措施是否產(chǎn)生效果的保障。

2.1 自動導向系統(tǒng)簡述

系統(tǒng)由測量機器人（ART自動搜索功能）、自動整平基座、信號控制通信箱、工業(yè)計算機、通訊電纜線、傾斜儀傳感器和配套軟件等組成[5]。通過計算機發(fā)出指令，測量機器人就開始工作進行自動測量，測量數(shù)據(jù)實時傳輸給計算機，計算機進行數(shù)據(jù)處理，智能判斷測量精度和數(shù)據(jù)準確性，驗算無誤后，測量結(jié)果經(jīng)過軟件計算分析，最后得到頂管機機頭姿態(tài)并可視化顯示[6]。頂管司機可以通過可視化顯示的結(jié)果，更直接、更形象地了解頂管機推進的趨勢，以便根據(jù)不同的地質(zhì)和周邊環(huán)境監(jiān)測實際情況，來調(diào)整一些相關的施工參數(shù)，以更好地順利完成頂管施工工作。

2.2 系統(tǒng)的基本原理

系統(tǒng)仍基于傳統(tǒng)的連續(xù)支導線測量方法。由于頂管施工中整個管節(jié)都在向前移動和不能直接測到頂管機中心位置，因此根據(jù)不同類型頂管機、不同直徑大小、不同曲率線型頂管施工特性，逐級設站，最后一站盡量安置在離頂管機50 m范圍。

根據(jù)頂管機頭設定目標點（P1，P2）三維坐標的實測值，結(jié)合傾斜儀傳感器自動傳給的數(shù)據(jù)，采用通過三維向量歸算法，得到頂管機中心點坐標，然后運用常規(guī)測量偏差計算方法求解，最后得出機頭姿態(tài)偏差數(shù)據(jù)結(jié)果[7,8]。

2.3 系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)基本工作流程如圖5所示。

圖5 頂管機姿態(tài)導向系統(tǒng)運行流程

3 自動糾偏控制系統(tǒng)的探索

根據(jù)現(xiàn)有的PLC控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)以及圖像識別技術(shù)，擬設計頂管自動糾偏系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 頂管自動糾偏系統(tǒng)

由前述自動引導測量系統(tǒng)測得頂管機空間姿態(tài)位置值Bx、By、Bz（其中頂管軸線位置Bz跟糾偏操作無關），把Bx、By作為反饋量與控制目標線型導入量Rxy進行比較，比較差值作為模糊控制器的輸入Ex、dEx和Ey、dEy。通過模糊控制規(guī)則表可查得x、y兩組糾偏油缸伸縮量的模糊值，把該模糊值輸入PLC可編程控制器，控制相應方向閥換向及對應糾偏油缸伸縮，最終實現(xiàn)機頭的自動糾偏。

預設輸入語言變量Ex，dEx和Ey，dEy的波動范圍[－nEx，nEx]、[－ndEx，ndEx]、[－nEy，nEy]、[－ndEx，ndEx]即基本論域，考慮到頂管口徑、實際土質(zhì)及控制的方便性，輸入輸出語言變量各定義5個模糊子集：負大（NB）、負小（NS）、零（ZO）、正?。≒S）和正大（PB）。其中每一個語言變量對應一個模糊子集。論域及量化因子見表1。

模糊控制的規(guī)則為：“ifEand dE， then U”，U通過換向閥最終對應的是糾偏油缸的伸縮量。根據(jù)模糊子集，可得出25 條控制規(guī)則：

IfE=NB and dE=NB，thenU=PB；

IfE=NB and dE=NS，thenU=PB；

IfE=NB and dE=ZO，thenU=PS；

……

控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

4 結(jié)語

本文依托上海白龍港管道的工程實踐，對工程所需頂管的糾偏系統(tǒng)進行了探索性設計。根據(jù)施工的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點，計算設計了頂管的推進油缸。該自動引導測量系統(tǒng)對頂管頂進的方向進行連續(xù)測量，及時發(fā)現(xiàn)偏差，再通過自動糾偏控制系統(tǒng)，對頂管偏差方向進行修正，使其按照預期方向頂進。