一种盾构机自动定速掘进节能控制方法及系统与流程

本发明涉及一种盾构机自动定速掘进节能控制方法及系统，属于盾构机施工自动化与智能化。

背景技术：

1、盾构机是一种隧道掘进专用工程设备，可实现掌子面开挖、出渣、同步注浆、拼装管片等隧道施工作业。在过去的40年里，为提高隧道施工的效率(高扭矩、高转速、大推力等)和应对不可预见的风险，提高设备的通过性能，不断提高系统配置，导致设备装机功率不断提升，几乎翻了一番。然而，这种整体功率的增加和系统配的冗余只有在特殊情况下才需要，而在大多数情况下只需要其中的一小部分。

2、公布号为cn115098559a的中国发明专利授权文件公开了一种盾构机掘进速度与掘进参数关系的预测系统介绍了结合土压力的判断来预测掘进速度的方法，即根据预设地质信息参数、所获取的土仓压力信息以及刀盘的转速信息，采用回归分析方法对接收到的数据进行融合运算，从而预测刀盘掘进速度与掘进参数之间的关系，掘进参数包括刀盘的推力、所获取的土仓压力以及刀盘的转速。

3、公布号为cn112183993a的中国发明专利授权文件公开了一种tbm掘进控制参数智能预测及优化决策方法是以tbm破岩比能函数作为粒子群算法(pso算法)的目标函数，基于优化算法的迭代计算实现在综合考虑能耗的条件下tbm掘进控制参数的自适应匹配(tbm贯入度和刀盘转速为tbm掘进控制参数)。该破碎比能函数多适用于岩石地层，由于节理、页理岩层需要更大的功率和更大的刀盘扭矩，有时对节理和页理岩层的掘进功率大于对完整岩层的掘进功率。

4、以上两个方案均采用机械比能的方式对盾构掘进的各项系统数据进行分析比对，然后对盾构机掘进参数进行实时的控制调整来使其以较理想的能耗进行掘进；然而比能理论模型往往地质条件单一时较为适用，且在盾构机掘进过程中，地质往往千变万化，因此比能理论在实施上也存在较大的误差和不可靠性，且数据分析量较大。

5、除此之外，盾构机在工作的过程中往往需要考虑其他环节工序的时间安排，从而要求盾构机定速掘进来实现有序物料安排控制的同时进行节能控制。因此开发一种地质适应性更强、控制更简便的盾构机自动定速掘进节能控制方法很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种盾构机自动定速掘进节能控制方法及系统，用以解决现有技术中采用机械比能的方式来推导最佳的掘进参数以实现节能的过程推导比较复杂且针对不同的地层适应性不强的问题。

2、为实现上述目的，本发明的方案包括：

3、一种盾构机自动定速掘进节能控制方法，包括如下步骤：

4、1)获得盾构机掘进参数及对应的整机功率消耗；

5、2)选择一组整机功率消耗最小的最优掘进参数，使盾构机按最优掘进参数进行掘进，当发现掘进速度发生改变时，根据掘进速度与刀盘贯入度及刀盘转速的关系，通过调整刀盘转速将盾构机的掘进速度维持在一个设定好的目标掘进速度区间内。

6、该掘进方式在由盾构司机指定掘进速度、保证施工效率和施工进度的情况下，使盾构处于自动掘进的节能状态，较其他现有技术，不需要对盾构掘进的各项系统数据进行分析比对而对盾构机掘进参数进行实时的控制调整来使其以较理想的能耗进行掘进，整体控制方式较为简单；根据在该同类地层中的掘进最低功率消耗对应的掘进参数为基准，在可接受的范围内牺牲整机功率消耗，使整机功率消耗在靠近最小值的范围区间内，以掘进速度v恒定和不调整刀盘贯入度的情况下，以刀盘转速r为目标控制参数，实现自动定速掘进过程中的节能控制，减少了大量的无用掘进数据分析计算，较为容易实施，同时定速掘进还便于操作手对项目各环节实现整体的宏观控制和组织。

7、进一步地，步骤2)中，根据刀盘贯入度的变化通过调整刀盘转速使盾构机维持在所述目标掘进速度区间内，当掘进速度减小时，调整刀盘转速使刀盘转速对应增加；当掘进速度增大时，调整刀盘转速使刀盘转速对应减小。

8、由盾构司机指定掘进速度、保证施工效率和施工进度的情况下，以掘进速度v恒定和不调整刀盘贯入度的条件下，刀盘贯入度会随着地质的变化而发生改变，根据刀盘贯入度的变化仅通过刀盘转速r为目标控制参数，实现自动定速掘进过程中的节能控制，使盾构机以整体相对节能的方式运行，简化了控制方式，较为容易实施。

9、进一步地，所述关系是：

10、v＝p×r

11、其中：v是掘进速度，p是刀盘贯入度，r是刀盘转速。

12、上述公式简单，逻辑关系清晰，在实际应用时易于代码的实现。

13、进一步地，步骤1)中，在当前盾构机运行过程中获得盾构机掘进参数及对应的整机功率消耗。

14、通过统计当前盾构机运行过程中获得盾构机掘进参数及对应的整机功耗，使用当前盾构机的数据对当前盾构机进行数据统计，获得的盾构机掘进参数及对应的整机功耗的数据更准确，适用性更强。

15、进一步地，步骤1)中，在盾构机当前运行时刻之前最近的若干环管片掘进过程中的盾构机掘进参数及对应的整机功率消耗。

16、通过统计当前运行时刻之前的若干环管片掘进过程中的各项掘进数据来获得最优掘进参数，由于使用的统计数据跟当前运行时刻比较接近，从而使分析的结果更为准确，适用性更强。

17、一种盾构机自动定速掘进节能控制方法，包括如下步骤：

18、1)获得盾构机掘进参数及对应的整机功率消耗；

19、2)选择一组整机功率消耗最小的最优掘进参数，使盾构机按最优掘进参数进行掘进，当发现掘进速度发生改变时，根据掘进速度与液压油的流量的关系，通过调整液压油的流量将盾构机的掘进速度维持在一个设定好的目标掘进速度区间内。

20、该掘进方式在由盾构司机指定掘进速度、保证施工效率和施工进度的情况下，使盾构处于自动掘进的节能状态，较其他现有技术，不需要对盾构掘进的各项系统数据进行分析比对而对盾构机掘进参数进行实时的控制调整来使其以较理想的能耗进行掘进，整体控制方式较为简单；根据在该同类地层中的掘进最低功率消耗对应的掘进参数为基准，使整机功率消耗在靠近最小值的范围区间内，以掘进速度v恒定的情况下，以液压油的流量为目标控制参数，实现自动定速掘进过程中的节能控制，减少了大量的无用掘进数据分析计算，较为容易实施，同时定速掘进还便于操作手对项目各环节实现整体的宏观控制和组织。

21、进一步地，步骤2)中，在刀盘转速恒定的条件下通过调整液压油的流量将盾构机的掘进速度维持在一个设定好的目标掘进速度区间内，当掘进速度减小时，增加油缸内液压油的流量，当掘进速度增大时，减小油缸内液压油的流量。

22、维持刀盘转速恒定不变，调整刀盘贯入度使使盾构机定速前进，本方案通过控制推进油缸的流量相对增加或者减小，实现掘进速度的恒定不变，实现定速掘进，从而不需要频繁对驱动刀盘旋转的主驱动电机进行频繁调速。

23、进一步地，所述关系是：

24、v＝q/s

25、其中：q是油缸内液压油的流量，s油缸的截面积，v是掘进速度。

26、上述公式中油缸内液压油的流量除以油缸的截面积得到的是油缸的伸出速度，而由于推进油缸的伸出速度对应于盾构机的掘进速度，该公式的逻辑关系清晰，在实际应用时易于代码的实现。

27、进一步地，步骤1)中，在盾构机当前运行时刻之前最近的若干环管片掘进过程中的盾构机掘进参数及对应的整机功率消耗。

28、通过统计当前盾构机运行过程中获得盾构机掘进参数及对应的整机功耗，使用当前盾构机的数据对当前盾构机进行数据统计，获得的盾构机掘进参数及对应的整机功耗的数据更准确，适用性更强。

29、进一步地，步骤1)中，在盾构机当前运行时刻之前最近的若干环管片掘进过程中的盾构机掘进参数及对应的整机功率消耗。

30、通过统计当前运行时刻之前的若干环管片掘进过程中的各项掘进数据来获得各项掘进数据，由于使用的统计数据跟当前运行时刻比较接近，从而使分析的结果更为准确，适用性更强。

31、一种盾构机自动定速掘进节能控制系统，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现如上述任一项所述的盾构机自动定速掘进节能控制方法。