張合沛，李鳳遠(yuǎn)，王助鋒

(1．盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001;2．中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構(gòu)在硬巖及復(fù)合地層掘進(jìn)過程中，盤形滾刀是破巖最有效的工具之一，盤形滾刀破巖機(jī)制的研究對盾構(gòu)及掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)(如推力、刀盤扭矩、刀間距等)的地層適應(yīng)性設(shè)計(jì)有非常重要的影響，對規(guī)范國內(nèi)盾構(gòu)的刀盤刀具設(shè)計(jì)具有重大意義。

根據(jù)不同巖石的物理特性，合理設(shè)計(jì)盤形滾刀的刀間距尤為重要。查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，有一些學(xué)者或機(jī)構(gòu)進(jìn)行了滾刀破巖機(jī)制方面的研究，但大部分處于初步理論模型研究階段，A．Bruland于1976年提出的NTNU理論模型，其中提及節(jié)理傾向?qū)L刀破巖速率的影響，但并沒有對破巖角進(jìn)行量化研究。馬洪索等［1］介紹了節(jié)理傾向?qū)L刀破巖速率的影響，文中根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)重點(diǎn)分析節(jié)理傾向?qū)L刀破巖速率的影響，對破巖角和盤形滾刀刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)沒有過多的研究，在工程施工過程中更關(guān)注的是盤形滾刀的破巖速率和破巖效率，而不同巖層破巖角的合理確定則直接影響到盤形滾刀的破巖速率和破巖效率。

為了把盤形滾刀對不同巖石的刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)上升到參數(shù)化計(jì)算階段，本文重點(diǎn)介紹和分析刀盤刀具破巖模態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)針對破巖角進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、處理和計(jì)算，以期為盤形滾刀刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種方法。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺主要利用盤形滾刀對不同巖樣進(jìn)行滾壓破巖實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)采集分析儀器對滾壓破巖實(shí)驗(yàn)過程中巖樣破裂狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，然后分析、計(jì)算得到不同巖樣的破巖角、貫入度等參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)分析，確定最優(yōu)的刀間距，為刀盤設(shè)計(jì)和刀具選型做出理論指導(dǎo)，并得出巖石破碎的有效推力，從而規(guī)范、指導(dǎo)盾構(gòu)推力參數(shù)設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)平臺借助PLC控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、狀態(tài)參數(shù)，聲發(fā)射采集儀實(shí)時(shí)記錄滾刀破巖的聲發(fā)射信號，然后分析、計(jì)算巖樣的破巖角，得出不同巖樣在同等受力及同等巖樣在不同受力狀態(tài)下的破巖角、貫入度等參數(shù)，為以后盾構(gòu)施工過程中刀盤刀具的選型設(shè)計(jì)、施工過程控制等提供理論依據(jù)。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)目前對巖石在外力作用下破裂狀態(tài)信息的檢測、處理、分析方面的理論和技術(shù)日趨成熟。其控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、處理方案如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)Fig．1 Control system of test platform

2 控制系統(tǒng)分析

2．1 控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、處理

對巖樣做破巖實(shí)驗(yàn)的時(shí)候如何快速、可靠采集到巖樣破裂過程的狀態(tài)信息是本實(shí)驗(yàn)的重難點(diǎn)所在。通過傳感器采集到的信息，繪出巖樣在外力作用下的破裂狀態(tài)信息圖，通過軟件近似計(jì)算出滾刀破巖角，通過破巖角、貫入度等參數(shù)來分析滾刀的破巖機(jī)制。巖樣在變形、破裂過程中會產(chǎn)生微震波信號和電荷感應(yīng)信號，同時(shí)巖石的電阻率會實(shí)時(shí)變化，巖石受外力作用過程中巖樣破裂過程的狀態(tài)信息采集可以采用如下方法進(jìn)行。

1)巖石破裂過程中電阻率的變化采集。電阻率是巖石的重要電性參數(shù)，巖體的破碎程度對電阻率的影響較大。一般有裂紋的地方，電阻率會產(chǎn)生突變［2］。在巖石上鉆孔實(shí)時(shí)監(jiān)測巖石在加載應(yīng)力水平增加過程中巖石破裂狀態(tài)下的電阻率變化，不同檢測位置對應(yīng)的電阻率變化不同，由多點(diǎn)檢測，通過數(shù)據(jù)分析近似繪制出巖石的破裂狀態(tài)［3］。

2)巖石破裂過程中電荷感應(yīng)信號采集。巖石在變形破裂過程中產(chǎn)生電荷感應(yīng)信號，并能夠被研制的電荷傳感器檢測到;電荷感應(yīng)信號是瞬時(shí)脈沖，隨著加載應(yīng)力水平的增加，電荷感應(yīng)信號強(qiáng)度增強(qiáng)，在峰值應(yīng)力前，電荷感應(yīng)信號強(qiáng)度達(dá)到最大值;在破裂面接收到的電荷感應(yīng)信號較強(qiáng)，主破裂面接收到的信號最強(qiáng)，因而電荷的產(chǎn)生和巖石的破裂有很大的關(guān)系。作為正在探索的檢測巖石破壞過程的手段之一，電荷感應(yīng)方法是一種很具潛力的方法，值得深入研究。同樣，如果通過檢測巖石在加載應(yīng)力水平增加過程中感應(yīng)電荷信號，需要設(shè)置多組檢測點(diǎn)，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)分析軟件近似繪制巖石樣本的破裂狀態(tài)［4］。

3)巖石破裂過程中聲發(fā)射信號采集。聲發(fā)射(A-coustic Emission，AE)是研究脆性材料失穩(wěn)破裂演化過程的一個(gè)良好工具，因?yàn)樗苓B續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測在荷載作用下脆性材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，能實(shí)時(shí)檢測整個(gè)斷裂過程并實(shí)現(xiàn)對其破壞位置的定位，對斷裂信號的處理和分析就可以表征斷裂過程的開始、擴(kuò)展和斷裂等不同階段，并且這是其他任何實(shí)驗(yàn)方法都不具有的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于研究巖石、混凝土等材料的破裂失穩(wěn)機(jī)制。目前，很多巖石力學(xué)工作者借助聲發(fā)射技術(shù)研究巖石漸進(jìn)破裂失穩(wěn)過程，并已經(jīng)取得了很多研究成果［5］。

從以上分析可以看出，通過測試巖樣破裂過程中巖石電阻率變化的方法可以知道巖樣出現(xiàn)裂口，但這種檢測方法有它自身的局限性，就是需要預(yù)先知道巖樣破裂口的具體方位，需要對巖樣鉆孔處理，工序復(fù)雜、準(zhǔn)確度低;通過測試巖樣在變形破裂過程中產(chǎn)生的電荷感應(yīng)信號的方法，并能夠被研制的電荷傳感器檢測到，但該項(xiàng)技術(shù)還處于研究階段，目前，只有遼寧工程技術(shù)大學(xué)在做這個(gè)方面的基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)設(shè)計(jì)出的非接觸方式、高放大倍數(shù)、高效率的電荷傳感器來檢測巖樣在外力作用下破裂過程中自電位的變化;聲發(fā)射檢測技術(shù)可以精確地檢測出巖樣的破裂狀態(tài)，并可通過分析軟件近似繪制出巖石的破裂狀態(tài)。

聲發(fā)射采集儀采用時(shí)差定位法確定微震震源位置，時(shí)差定位是通過對各個(gè)聲發(fā)射通道信號到達(dá)時(shí)間差、波速和探頭間距等參數(shù)的測量及一定的算法運(yùn)算，來確定聲源的坐標(biāo)或位置。時(shí)差定位是一種精確而又復(fù)雜的定位方式，廣泛用于試樣和構(gòu)件的檢測［6］。

巖石破壞而產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展必將產(chǎn)生一系列向四周傳播的微震波，微震波被布置在巖樣周圍的傳感器采集到。根據(jù)各傳感器采集微震波的到時(shí)差，形成一系列的方程組，求解方程組，可確定微震震源位置，進(jìn)而計(jì)算出裂縫分布的方位、長度、高度等巖層參數(shù)。聲發(fā)射采集儀數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射采集儀數(shù)據(jù)處理流程圖Fig．2 Data processing flowchart of acoustic emission and acquisition device

2．2 控制系統(tǒng)中硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)由西門子S7-200 PLC和數(shù)據(jù)采集模塊組成，控制系統(tǒng)中模擬量采用高靈敏度、高精度傳感器采集并傳送至數(shù)據(jù)采集模塊處理，上傳PLC分析、處理和保存。

2．2．1 CPU 模塊

采用PLC作為實(shí)驗(yàn)平臺的核心控制器，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力。S7-200系列是一種可編程序邏輯控制器(Micro PLC)，它能夠控制各種設(shè)備以滿足自動(dòng)化控制需求。S7-200的用戶程序中包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠達(dá)到監(jiān)視輸入狀態(tài)、改變輸出狀態(tài)的控制目的。緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集使S7-200成為各種控制應(yīng)用的理想解決方案。S7-200 CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個(gè)緊湊的外殼中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的Micro PLC。下載程序之后，S7-200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸出設(shè)備，本控制系統(tǒng)選用CPU 226［7］。PLC硬件參數(shù)介紹如表1所示。

表1 PLC硬件參數(shù)配置表Table 1 Parameters of PLC hardware

2．2．2 信號輸入輸出模塊

選用西門子S7-200配套的模擬量采集模塊，4個(gè)模擬量輸入端口，1個(gè)模擬量輸出端口模塊EM235。工作功耗為2 W，輸入電流信號范圍為0～20 mA DC，輸入電壓信號范圍為0～10 V DC。

EM235作為西門子S7-200系列PLC配套的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，為控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理提供了可靠保證。利用EM235的模擬量輸出端控制液壓泵站的比例伺服閥，根據(jù)液壓缸壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)與上位機(jī)設(shè)定工作壓力對比，形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液壓泵站的比例伺服閥，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺液壓缸工作壓力的精確可調(diào);利用EM235的另外一個(gè)模擬量控制變頻器，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定轉(zhuǎn)速對比，形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)控制變頻器，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確可調(diào)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)控制精度。實(shí)驗(yàn)臺控制系統(tǒng)Ⅰ/O地址配置如表2所示。

2．2．3 數(shù)據(jù)采集模塊

在做滾刀破巖實(shí)驗(yàn)的時(shí)候需要實(shí)時(shí)檢測刀具對巖石樣本的作用扭矩、推進(jìn)缸的工作壓力、檢測泵的出口壓力及推進(jìn)油缸移動(dòng)的距離，這些參數(shù)選擇傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理。實(shí)驗(yàn)臺電機(jī)的扭矩為0～300N·m;液壓泵的出口壓力為0～30 MPa;系統(tǒng)液壓的工作壓力為0～20 MPa;刀盤刀具移動(dòng)位移的測量為0～800 mm。選用進(jìn)口的傳感器，進(jìn)一步增強(qiáng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和可靠性。根據(jù)以上參數(shù)，傳感器選型如表3所示。

表2 控制系統(tǒng)Ⅰ/O地址配置Table 2 Ⅰ/O address configuration of control system

表3 傳感器參數(shù)配置表Table 3 Parameters of sensors

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

編程軟件選擇西門子PLC的配套編程軟件STEP 7-Micro/WⅠN，該編程軟件為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。為了能快捷高效地開發(fā)應(yīng)用程序，STEP 7-Micro/WⅠN軟件提供了3種程序編輯器:功能塊、語句表及梯形圖。本控制程序采用梯形圖編寫，數(shù)據(jù)采集處理部分采用對各個(gè)A/D信號輪詢的方式將數(shù)據(jù)信號經(jīng)采集、處理后上傳至人機(jī)界面。上傳PLC模擬量數(shù)據(jù)處理程序流程如圖3所示。

PLC軟件程序設(shè)計(jì)采用自由通訊口模式，波特率采用9 600，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位;SMB87=2#10 110 000為允許接收信息;SMB89=16#0D作為結(jié)束信息;SMB90=5為檢測空閑狀態(tài)時(shí)間，定時(shí)器使用內(nèi)部定時(shí)器;SMB94為最大接收字節(jié)數(shù)存儲器。初始化處理部分代碼如圖4所示。

4 系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用西門子的組態(tài)軟件Wincc6．2設(shè)計(jì)，控制實(shí)驗(yàn)臺的運(yùn)行及對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。根據(jù)工藝要求與控制需求，該系統(tǒng)有刀盤刀具三維模型示意圖、參數(shù)實(shí)時(shí)記錄曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警指示、歷史報(bào)警記錄、多參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)操作控制等。該控制系統(tǒng)將液壓泵站工作壓力、液壓油缸工作壓力、刀盤扭矩等信號在計(jì)算機(jī)上以動(dòng)態(tài)圖形顯示。系統(tǒng)的各種控制參數(shù)、工藝參數(shù)及生成的數(shù)據(jù)均可自動(dòng)存儲，實(shí)時(shí)查詢，同時(shí)根據(jù)用戶需求進(jìn)行報(bào)表打印。當(dāng)系統(tǒng)有異常發(fā)生時(shí)，立即以變色、閃爍等各種形式向操作人員報(bào)警，危險(xiǎn)時(shí)可自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行。人機(jī)界面設(shè)置為啟動(dòng)工控機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)操作界面，界面設(shè)置有用戶權(quán)限登錄控制，通過設(shè)定操作權(quán)限提高系統(tǒng)的安全性。用戶可根據(jù)操作指示調(diào)用目標(biāo)畫面。根據(jù)操作說明進(jìn)行具體操作，提高了工作效率。

根據(jù)滾刀在巖樣上的貫入距離通過位移傳感器采集、處理可以得到滾刀對巖石的實(shí)時(shí)貫入度。通過PLC實(shí)時(shí)采集液壓油缸的工作壓力、刀盤的推進(jìn)位移、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和刀盤扭矩等參數(shù)，實(shí)時(shí)處理后，結(jié)合聲發(fā)射采集儀處理的參數(shù)構(gòu)成整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)據(jù)，并上傳至上位機(jī)處理，最終以Excel表格形式記錄、輸出，供后期數(shù)據(jù)調(diào)用及處理，部分組態(tài)畫面如圖5所示。

圖5 基本參數(shù)設(shè)置畫面Fig．5 Ⅰnterface of basic parameters set

5 數(shù)據(jù)處理、分析

聲發(fā)射采集儀通過分布在巖樣上的探頭實(shí)時(shí)采集、存儲聲發(fā)射信號。通過聲發(fā)射采集儀數(shù)據(jù)處理軟件對實(shí)驗(yàn)得到的大量三維數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，可以近似得到某一時(shí)段巖樣在滾刀破碎時(shí)聲發(fā)射信號在巖樣中的三維定位圖，如圖6所示。

從圖6可以看出巖石樣本在滾刀破碎時(shí)聲發(fā)射信號在巖石樣本中的三維分布情況，要計(jì)算出滾刀對巖石樣本的破巖角，需要對聲發(fā)射采集儀采集的聲發(fā)射定位信號進(jìn)行如下處理。

1)根據(jù)滾刀對巖石樣本的貫入度確定定位點(diǎn)三維分布圖的基準(zhǔn)面。

圖6 定位點(diǎn)三維分布圖Fig．6 3D distribution of positioning points

2)把每個(gè)時(shí)段的定位點(diǎn)的三維分布數(shù)據(jù)進(jìn)行到基準(zhǔn)面的投影，可以得到定位點(diǎn)在基準(zhǔn)面上的分布情況，如圖7所示。

圖7 定位點(diǎn)在基準(zhǔn)面的分布Fig．7 Distribution of positioning points on reference surface

3)將定位點(diǎn)靠下并集中的位置作為最深處位置，根據(jù)貫入度h可以得出z0坐標(biāo)，對基準(zhǔn)面上的投影點(diǎn)通過軟件根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線、計(jì)算多組點(diǎn)的斜率，由((y0，z0)，(y1，z1)，(y2，z2)，…，(yn，zn))得到 (k1，k2，…，kn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和相關(guān)處理，得到基準(zhǔn)面上的定位點(diǎn)擬合直線圖，如圖8所示。

圖8 定位點(diǎn)擬合直線圖Fig．8 Fitting line of positioning points

根據(jù)三角函數(shù)公式可以計(jì)算出破巖角θ=2arctan((zn-z0)/h)。通過對不同地層的巖石做滾刀破碎實(shí)驗(yàn)，可以得到同一種滾刀對不同地層巖石的破巖角、不同型號滾刀對同一地層巖石的破巖角等相應(yīng)數(shù)據(jù)，為盾構(gòu)在不同地層施工時(shí)，刀具的優(yōu)化選擇提供一定的指導(dǎo)作用。

6 結(jié)論與建議

通過大量實(shí)驗(yàn)可以得到不同巖石在相同作用力下的破巖角和貫入度等關(guān)系，為后期盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具的設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)，為以后同行業(yè)對刀盤刀具進(jìn)一步深入研究提供一些參考。存在的不足之處是該實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理部分沒有把實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的數(shù)據(jù)信號采集環(huán)節(jié)(液壓泵站的壓力信號、系統(tǒng)工作壓力信號、刀盤的扭矩信號、電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號)與實(shí)現(xiàn)巖樣數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)信號采集環(huán)節(jié)(刀盤刀具的位移信號)分離。建議把刀盤刀具的位移信號通過傳感器直接傳送到聲發(fā)射采集儀，通過聲發(fā)射采集儀的外部參數(shù)接口處理數(shù)據(jù);對聲發(fā)射采集儀的軟件進(jìn)行二次開發(fā)，或者讓專業(yè)公司技術(shù)人員進(jìn)行軟件升級，改造后的控制系統(tǒng)與原來的控制系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點(diǎn):

1)把傳感器采集的刀盤刀具的位移數(shù)據(jù)通過聲發(fā)射采集儀的外部參數(shù)接口直接傳送給聲發(fā)射采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)及時(shí)處理、分析，可以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性;

2)可以提高該實(shí)驗(yàn)裝置的整體抗干擾能力，尤其是可以增強(qiáng)抑制現(xiàn)場噪聲干擾的能力，提高該實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)處理、分析的準(zhǔn)確度;

3)可以為后期該實(shí)驗(yàn)裝置的改造、升級做一個(gè)指導(dǎo)性說明。

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