韓 偉

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 福建南平 353000)

0 引言

近年來，城市發(fā)展如火如荼，城區(qū)舊交通網(wǎng)改造，新建交通網(wǎng)不斷擴張，城市交通問題已成為約束城市繼續(xù)發(fā)展的主要因素，建立城市軌道交通網(wǎng)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(yè)技能型人才的需求也日益俱增。

行業(yè)大發(fā)展，需要大量生產(chǎn)、服務(wù)一線企業(yè)的高級技能型人才。高級技能型人才的培養(yǎng)，必須加強動手能力的訓練，因此建設(shè)具有真實職業(yè)氛圍、與實際生產(chǎn)相一致的實習實訓基地是提高學生動手能力的基礎(chǔ)，是高等職業(yè)教育改革和發(fā)展的必由之路，是推動職業(yè)資格認證制度的重要環(huán)節(jié)，同時也是提高師資隊伍整體素質(zhì)、產(chǎn)學研結(jié)合、服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟不可或缺的條件。

盾構(gòu)施工是一項理論性和操作性很強的技術(shù)，僅僅通過現(xiàn)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(yè)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(gòu)機造價昂貴及施工安全，也不宜以真實盾構(gòu)機在實際施工環(huán)境中進行教學和培訓，因此急需通過選用盾構(gòu)機原型作為制作藍本，按比例設(shè)計加工制作盾構(gòu)機仿真操作裝置，并結(jié)合具體施工條件營造并模擬建設(shè)相應(yīng)的盾構(gòu)施工環(huán)境，實現(xiàn)與工程實踐的“零距離”接觸。目前，關(guān)于此類盾構(gòu)機仿真模擬實訓的裝置的建設(shè)應(yīng)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(shè)方案進一步的進行研究和探討。為此福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院聯(lián)合瀏陽河仿真模型有限公司、長沙凱德技術(shù)股份有限公司聯(lián)合研發(fā)了盾構(gòu)機仿真操作裝置，已安裝完畢并應(yīng)用于教學。本文介紹該裝置相關(guān)研究成果及其應(yīng)用成果。

1 盾構(gòu)機仿真操作裝置的建設(shè)原理

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

該裝置基于計算機DCS操控系統(tǒng)和PLC智能模塊技術(shù)一體的數(shù)字化模型?？紤]施工環(huán)境、建造成本、場地、操作條件的限制，將一部分結(jié)構(gòu)和裝置進行簡化和省略，如出渣排土、管片注漿、泡沫系統(tǒng)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(shù)和DCS分布式控制系統(tǒng)等數(shù)字化模型來進行模擬，營建真實的施工環(huán)境和操作過程，達到預(yù)期的教學、培訓目標。

2 盾構(gòu)機仿真操作裝置的設(shè)計和建設(shè)方案

2.1 裝置的組成設(shè)計

為了讓學員全面了解并掌握盾構(gòu)機的主要設(shè)備結(jié)構(gòu)原理和功能，主要設(shè)計了盾構(gòu)機主體模擬裝置系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、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(tǒng)控制柜，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機模擬裝置裝置組成

土壓平衡式盾構(gòu)機主體，由圓筒形斷面，自挖掘面起，由切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾三部分構(gòu)成。其強度足以承受土壓、水壓、盾構(gòu)千斤頂?shù)姆赐屏巴诰蚍醋饔昧?。梁部呈V型平面中折結(jié)構(gòu)。中折部的前部稱為前體、后部成為后體；支承環(huán)的前部裝置的驅(qū)動部件，與切口環(huán)一壁相隔；隔壁后部設(shè)有環(huán)形空氣室；螺旋輸泥機(但不體現(xiàn)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(gòu)機主體推進用的盾構(gòu)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(yè)臺。拼裝機裝置、后方作業(yè)臺由梁部進行支承。支承環(huán)通過豎梁、橫梁加以強化穩(wěn)固，確保學員實操過程安全。

2.2 實訓功能設(shè)計

2.2.1主要結(jié)構(gòu)拆裝設(shè)計

滿足 “反復(fù)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(zhuǎn)接頭、刀盤旋轉(zhuǎn)油壓馬達、千斤頂、螺旋輸泥機、盾構(gòu)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(shè)備、提升機等,各部件均按盾構(gòu)機的實際圖紙，按統(tǒng)一1∶2比例進行制造；結(jié)構(gòu)齊全，運行靈活可靠，經(jīng)久耐用，各主要部件都可拆裝以讓學員全面了解并掌握構(gòu)機的主要結(jié)構(gòu)原理和各設(shè)備的功能。對裝置的各內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)和工具如下：

仿真操作裝置全部采用全金屬構(gòu)件，材質(zhì)Q345B。盾構(gòu)機規(guī)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(nèi)裝完成整圈的管片，軸式螺旋輸送機規(guī)格(內(nèi)徑×長度)約360mm×4800mm，總質(zhì)量在10 000kg(10t)以上。拆裝配套設(shè)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(shè)備等。

2.2.2仿真操作設(shè)計

全真實動作運行而非靠電腦模擬，各機電、液壓設(shè)備都處于真實設(shè)備位置并都具備相應(yīng)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(gòu)機的相關(guān)控制系統(tǒng)和操作方法。

2.2.3設(shè)故障模擬訓練設(shè)計

設(shè)置了“實際工作中的常見故障”，包括設(shè)備系統(tǒng)故障和電氣系統(tǒng)的故障模擬?！肮收稀毙Ч谠撗b置上及電腦中都有相應(yīng)的現(xiàn)象出現(xiàn)，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(yǎng)學員處理常見故障和解決實際問題的能力、以及應(yīng)變的能力。

設(shè)備系統(tǒng)故障模擬，常見設(shè)備系統(tǒng)故障不少于6種：結(jié)餅、堵塞、設(shè)備超壓、轉(zhuǎn)速降低等。

電氣系統(tǒng)的故障模擬，常見電氣系統(tǒng)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(fù)并自動評分。

2.3 主體結(jié)構(gòu)建設(shè)方案

盾殼裝置制造時，分切口環(huán)、支承環(huán)、盾尾3部分進行，如圖2所示。通過其內(nèi)的大梁和中心橫梁原部件[2]，盾尾鋼絲刷設(shè)置3道。其他結(jié)構(gòu)如下：

圖2 盾構(gòu)裝置主體建設(shè)結(jié)構(gòu)剖面

刀盤。采用模擬液壓驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動，轉(zhuǎn)速控制在3轉(zhuǎn)/min左右，控制可正反轉(zhuǎn)。

推進系統(tǒng)。盾構(gòu)設(shè)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(qū)，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(shè)計,避免了千斤頂與管片接縫產(chǎn)生摩擦碰撞[2]。

拼裝機。拼裝機主體結(jié)構(gòu)縮小制作，可繞中心橫梁旋轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)按比例，可制作體現(xiàn)進料槽。進料槽與切口環(huán)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(gòu)機裝置制作一個“地層剖面”，以泥土沉積層為剖面主要表現(xiàn)效果，“地層剖面”長度都略大于盾構(gòu)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(gòu)機及其施工臺車的下方，給學員一種“正在處于工作狀態(tài)”的感覺。

2.4 實際運行

該裝置要求“可展現(xiàn)實際盾構(gòu)機工作運行中的所有動態(tài)演示”。如：刀盤的勻速轉(zhuǎn)動(真實運行)，即刀盤在電源開啟的狀態(tài)下可以以機體的縱軸心線進行無限360°旋轉(zhuǎn)，速度約為3轉(zhuǎn)/min，可在操控下正反轉(zhuǎn)；管片拼裝機原地360°勻速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動作；液壓千斤頂?shù)膩砘赝颠\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(zhuǎn)/min的速度勻速運行。與盾構(gòu)教學相配合的視頻，能夠介紹盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工工藝、關(guān)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(gòu)真機完全一致，如圖3所示。系統(tǒng)所有動作、狀態(tài)、參數(shù)均在上位機系統(tǒng)有模擬顯示，并能根據(jù)需要在21英寸顯示屏上顯示。軟件設(shè)計能實現(xiàn)盾構(gòu)機所有的操作、各種故障設(shè)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(tǒng)配置

2.6.1操作臺

主操作臺(琴臺)操作按鈕及工業(yè)電腦安裝，如圖4所示，依照盾構(gòu)機實際情況布置，安裝4臺PPC1561工業(yè)電腦。2臺為上位機，顯示內(nèi)容依據(jù)盾構(gòu)機實物，配合琴臺按鈕操作盾構(gòu)；其余2臺電腦，一臺模擬導(dǎo)向系統(tǒng)，按照編制的程序，手動輸入土質(zhì)如上軟下硬、左右偏移等虛擬顯示盾構(gòu)掘進姿態(tài)；一臺電腦采用四分屏，依據(jù)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(tǒng)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(nèi)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(gòu)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(gòu)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(tǒng)

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(gòu)的各運行設(shè)備進行實際操控，能完全模擬真實盾構(gòu)機操控系統(tǒng)，對各系統(tǒng)配套的壓力、溫度、行程、限位、液位等大部分必要數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)生產(chǎn)，而只能在電腦模擬檢測，并對相應(yīng)的設(shè)備進行調(diào)節(jié)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(tǒng)

裝置設(shè)計了符合教學、培訓需要的模擬操作自動評分考核系統(tǒng)，如圖7～圖8所示，針對盾構(gòu)機正常狀態(tài)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(tǒng)

圖8 操作自動評分考核系統(tǒng)

3 應(yīng)用成果

盾構(gòu)機仿真操作裝置的應(yīng)用，體現(xiàn)在院校教學和社會培訓兩個方面。前者針對在校相關(guān)方向或?qū)I(yè)(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(guān)企業(yè)進行校企合作培訓。由于對象不同，學習重點和設(shè)備應(yīng)用情況有所區(qū)別。

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

企業(yè)培訓主要面向社會相關(guān)企業(yè)，根據(jù)不同崗位(如盾構(gòu)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(shè)備維護、安全檢查等)。通過短期學習，達到企業(yè)對相關(guān)人員的崗位要求。

圖9 指導(dǎo)學員進行實訓操作

圖10 學員進行管片拼裝實訓操作

4 結(jié)語

該裝置在教學和社會服務(wù)上充分體現(xiàn)職業(yè)教育的特色，為培養(yǎng)實用型、高技能型職業(yè)人才創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。為今后加強校企聯(lián)合，進行訂單式培養(yǎng)，創(chuàng)造了條件。

截止目前，相關(guān)設(shè)備投入運行過程，性能良好，狀態(tài)穩(wěn)定，在教學和培訓中均發(fā)揮了積極作用，結(jié)合對畢業(yè)生和企業(yè)培訓人員的反饋，下一步將計劃在原來基礎(chǔ)上增設(shè)遠程遙控系統(tǒng)，面向全社會進行遠程教學，更好地發(fā)揮它的作用。