小直徑土壓平衡盾構機的皮帶自動糾偏控制

李武峰

[摘 ? ?要]針對小直徑土壓平衡盾構機在轉彎過程中出現皮帶跑偏問題，設計了一種可使盾構機皮帶在連續轉彎過程中進行自動糾偏的機構及控制方法，主要用于小直徑隧道施工作業中對皮帶機皮帶跑偏進行動態糾偏。該皮帶自動糾偏機構及控制方法可對盾構機的皮帶進行自動糾偏，減少作業人員在狹小空間內人工糾偏皮帶的困難，提高了皮帶機糾偏效率，降低了安全

風險。

[關鍵詞]皮帶機;自動糾偏;盾構機;皮帶自動糾偏系統

[中圖分類號]U231 [文獻標志碼]A [文章編號]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

隨著經濟的快速發展，城市規模的日益增大，目前我國越來越多的城市主排污隧道或電纜隧道開始采用盾構法施工。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機進行隧道施工。盾構機在轉彎施工過程中，因皮帶頻繁跑偏導致系統跑偏報警急停，嚴重影響整機的正常施工，導致施工效率降低及工期延長。如何解決小直徑土壓平衡盾構機的皮帶快速糾偏成為小直徑土壓盾構施工中急需解決的工程施工問題，針對該問題設計了一種皮帶機的自動糾偏控制機構及控制方法，可解決該工程施工急需解決的皮帶自動糾偏問題。

1 皮帶跑偏的危害及常用糾偏措施

皮帶輸送機用于將螺旋輸送機尾部出渣口排出的渣土傳送到渣車上，一般布置在盾構機后配套臺車的頂部，皮帶卸渣口設置在尾部臺車頂部，它主要由頭部調向滾筒、尾部驅動滾筒、上托輥、下托輥、清掃器、速度檢測裝置、拉繩急停開關、跑偏開關等部件組成。

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，導致皮帶兩邊周長不等，張力不均，皮帶始終往一邊跑偏;

（2）接渣槽兩側的橡膠壓板不均，導致皮帶兩邊的運行阻力不一致;

（3）所在機械機構不直，如設備正在轉彎;

（4）運行過程中，滾筒局部粘連渣土，皮帶張緊力不均;

（5）螺旋機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

盾構機皮帶跑偏現象在盾構隧道施工中非常常見。皮帶跑偏輕則會造成沿機掉渣、加速皮帶的磨損、嚴重時還會造成皮帶的撕裂、刮破，甚至使皮帶報廢，對設備安全運行構成很大危害。由于在皮帶輸送機系統中，皮帶兼具承載和牽引功能，其成本約占輸送機整機總成本的1/3，皮帶使用壽命的長短直接關系到輸送機的運營成本，皮帶長時間跑偏，如不及時處理將會導致皮帶與側邊的導向擋輪接觸，造成輸送帶側邊磨損，減少使用壽命，造成經濟損失。

1.3 皮帶機跑偏的常見處理措施

目前盾構機的皮帶機皮帶糾偏方式多采用人工手動調整，當盾構機右轉彎時，抬高輸送帶內曲線，利用輸送帶和渣土的重力產生向外的離心推力平衡向心力。通過皮帶輸送機側面的調整機構使整個皮帶支架中心線與豎直線產生傾斜角，實現皮帶輸送機調偏功能。將轉彎處托輥組的內側沿皮帶運行方向前移，使托輥組的軸線與輸送帶中心線的法線方向產生一定角度，輔助皮帶輸送機跑偏。

2 小直徑盾構機皮帶人工糾偏難題

皮帶機的皮帶糾偏無人化一直是盾構隧道施工中眾多施工單位的目標，尤其是在小直徑土壓平衡盾構施工環境中。面對需頻繁糾偏的皮帶機，目前多數盾構施工現場都是安排專職設備維保工24h值守，隨時準備調整皮帶機。大直徑盾構機皮帶機沿線兩側空間富裕，其后配套皮帶機大多采用人工手動糾偏的方式，而在小直徑盾構隧道施工過程中因盾構機后配套臺車頂部作業空間過于狹小，人員作業困難。皮帶頻繁跑偏需要崗位人員及時調整皮帶托架或托輥，由于隧道曲率不停變化、渣土在皮帶上有粘連、刮渣不徹底、托輥黏結等原因，易造成剛調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，人員勞動強度較大，調整困難，難以確保皮帶長周期穩定運行，采用人工糾偏既浪費人力又對作業人員人身安全造成極大威脅。

3 皮帶自動糾偏機構組成

設計了一種皮帶自動糾偏機構及控制方法。在原手動調節的基礎上將皮帶機的手動調節機構改為油缸控制，通過跑偏開關檢測皮帶的跑偏情況將跑偏信號傳入PLC控制系統，控制系統通過邏輯分析發出糾偏油缸控制指令，糾偏油缸驅動皮帶機架和皮帶托輥做出相應的姿勢調整，從而實現皮帶的跑偏自動調整。本皮帶機自動糾偏系統由機械結構單元、液壓驅動系統、電氣控制系統等組成。

3.1 機械結構單元

機械結構主要由皮帶機機架、皮帶托輥、托輥調整架、機架左右傾斜旋轉裝置等組成。其糾偏總體結構如圖1示。在皮帶機自動糾偏裝置附近裝有皮帶跑偏檢測開關。皮帶跑偏檢測開關內部有電氣檢測觸點，用于皮帶機的跑偏檢測。當運行中的皮帶機發生跑偏時，皮帶邊緣帶動跑偏開關的立輥旋轉并擠壓立棍使之傾斜，若立輥傾斜角度大于開關的動作角度時，跑偏開關的跑偏觸點立即發出開關動作信號并傳給PLC控制系統。皮帶跑偏故障恢復正常后，跑偏開關自動復位。

3.2 液壓驅動系統

皮帶自動糾偏系統的液壓部分主要由液壓泵、側傾調節油缸、平移調節油缸、液壓換向閥、液壓節流閥、液壓油管和液壓油箱等組成。液壓系統采用盾構機輔助系統的輔助泵供油，當需要對油缸進行控制時，由輔助泵通過節流閥和換向閥對傾斜調節油缸和平移調節油缸進行供油驅動，用于對皮帶的動態自動糾偏控制。為避免油路泄壓在液壓油缸上設置有液壓鎖。為了避免因動作過快導致程序自動糾偏震蕩，在液壓管路上設置有液壓節流閥，可根據油缸行程調節實際情況合理調整節流閥開度大小，以延長每次動態調整時的液壓油缸動作時間。

3.3 電氣控制系統

電氣控制系統包括跑偏檢測開關、行程傳感器、PLC子站、電磁閥、中間繼電器和HMI人機顯示界面等。PLC控制器采用西門子S7-1500的系列PLC，信號輸入輸出采用ET200SP子站進行采集或輸出。跑偏檢測開關將皮帶跑偏信號實時傳入PLC控制系統，由PLC控制系統根據跑偏信號和油缸行程信號進行邏輯運算，驅動側傾調節油缸和平移調節油缸動作，從而完成相應糾偏動作。

在整個皮帶機的2/5和3/5和4/5位置分別布置一套自動糾偏裝置，用于皮帶機的分段獨立自動糾偏以滿足皮帶機不同位置的自動糾偏控制。

4 皮帶機自動糾偏控制原理

4.1 工作原理

糾偏裝置由側傾調節機構和平移調節機構組成。側傾調節機構主要調節皮帶機的左右側傾角，通過在皮帶機架上安裝帶內置行程檢測的液壓油缸，調節機架側傾角度并將油缸伸出長度實時檢測并反饋回PLC控制系統。平移調節機構主要調節皮帶托輥相對皮帶的前后傾斜度，平移托輥調節架一端采用軸連接與機架固定，通過內置行程傳感器的液壓油缸驅動并將油缸伸出長度實時檢測反饋回PLC控制系統。

PLC控制系統根據實時檢測的皮帶跑偏信號狀態。當PLC控制系統檢測到跑偏信號后，根據跑偏報警持續時間并查詢程序預設的“跑偏報警及油缸行程調節模糊控制規格表”輸出控制信號，分別控制相應的電磁閥并驅動液壓油缸完成相應的動作行程。由于采用油缸動作行程模糊控制的策略，當油缸目標行程與預設目標行程差在一定范圍內，可忽略油缸動作行程偏差。通過調整側傾調節油缸和平移調節油缸的伸出量實現皮帶機支架的左右傾角和托輥架的前后傾斜角調整，滿足皮帶機在轉彎工況下的自動糾偏需要。

4.2 油缸行程控制

皮帶糾偏由機架左右側傾調節和托輥架前后平移調節兩種方式配合完成。兩調節機構的油缸目標調節行程采用模糊控制的方式，通過查詢模糊控制表并對油行程進行自動控制。跑偏報警信號及油缸行程調節模糊控制規格如表1所示。

4.3 控制流程

跑偏控制：系統啟動后，先執行初始化程序，將CQ和PY油缸回至初始行程S0和M0位置，然后運行皮帶機自動糾偏程序。當跑偏開關檢測到皮帶跑偏信號后傳遞給PLC控制系統，PLC控制系統經過邏輯分析判斷，通過間歇性的輸出糾偏油缸動作控制信號，糾偏控制信號控制液壓電磁閥驅動糾偏油缸，糾偏油缸驅動皮帶機糾偏機構沿固定軸進行預設量的轉動。油缸內置行程傳感器實時顯示糾偏動作行程量，并在主控室的上位機皮帶機控制界面進行顯示。當皮帶跑偏報警信息消失后，停止皮帶機糾偏動作，程序循環，待下次繼續監測到新的皮帶跑偏信號后，繼續下一循環糾偏控制。由于采用了間歇糾偏的方式分時段對皮帶機進行糾偏，避免了糾偏調節機構對輸送皮帶糾偏后存在滯后現象對糾偏產生的影響，解決皮帶機采用自動糾偏容易因系統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 人機界面

在主控室的上位機上設置有一個皮帶機控制界面，如圖3所示，可以實時查看皮帶跑偏狀態、系統糾偏狀態、載入預設表和油缸當前伸出狀態。

皮帶跑偏狀態：實時顯示皮帶的跑偏狀態，當皮帶左跑偏報警時，“左偏警告”顯示紅色，“右偏警告”和“無跑偏”顯示灰色;當皮帶機右跑偏報警時，“右偏警告”顯示紅色，“左偏警告”和“無跑偏”顯示灰色;當皮帶無跑偏報警時，“無跑偏”顯示綠色，“左偏警告”和“右偏警告”顯示灰色。

系統糾偏狀態：當系統處于糾偏狀態時，“正在糾偏中”顯示綠色，當系統未糾偏時，“正在糾偏中”顯示灰色。

參數設置：點擊“載入預設表”可以載入由用戶自定義的模糊控制規則表。

油缸當前狀態：實時顯示每個糾偏油缸的當前伸出行程。

5 結語

該皮帶自動糾偏機構及控制方法解決了小直徑盾構機后配套皮帶機的皮帶跑偏問題，能夠保證皮帶輸送機的安全可靠運行，滿足小直徑盾構機皮帶在轉彎時的糾偏要求。本皮帶自動糾偏控制機構及控制方法通過實時監測皮帶跑偏狀態及跑偏報警持續時長，并根據預設控制邏輯對皮帶跑偏進行自動動態糾偏控制。相比盾構機后配套皮帶傳統的人工糾偏作業，極大地降低了皮帶人工糾偏工作量，減少了人工值守維護成本，節省了人力和保障人身安全。該皮帶自動糾偏機構及控制方法可以在空間狹小環境惡劣的工況下正常工作，環境適應性強，省時省力安全高效，具有明顯的經濟效益，亦可用于其他皮帶機工況下的自動糾偏需求。

參考文獻

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