水射流辅助破岩智能控制系统及方法技术方案

本公开提供了一种水射流辅助破岩智能控制系统及方法，通过获取围岩状态和TBM掘进主参数，根据围岩状态和TBM掘进主参数判断是否启动水射流辅助破岩系统，如果开启水射流辅助破岩系统，实时检测水射流辅助破岩系统的供水压力、流量及泵组运行参数，并将检测值传输给所述诊断模块，当监测参数超出设定阈值时，判定出现故障，关闭水射流辅助破岩系统，有效提高了水射流辅助破岩系统的运行效率及安全可靠度。

Water jet assisted rock breaking intelligent control system and method

【技术实现步骤摘要】
水射流辅助破岩智能控制系统及方法
本公开涉及一种水射流辅助破岩智能控制系统及方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。随着国家基础设施建设力度的加大，大型地下洞室与隧道建设数量逐年增多。全断面隧道掘进机(TBM)已经成为不可或缺的大型施工机械，其具有破岩能力强、连续施工性优越、操作简单等优点而被大量应用于施工当中。然而实际使用过程中发现TBM在硬岩、极硬岩等工况条件下存在诸多不足：(1)贯入度、掘进速度低、(2)刀具磨耗数量大、(3)换刀次数和换刀时间严重增加、(4)掘进作业利用率大幅下降、(5)主轴承、主驱动寿命风险加大、(6)刀盘磨损寿命、开裂、变形风险加大，这些不足大大降低了隧道掘进施工效率，大幅增加了掘进成本。针对隧道掘进机存在的不足，急需找到一种提高破岩效率的手段。近年来水射流技术在煤矿开采、清洗、切割破碎等领域已经发展成熟，其具有清洁、高效、低能耗、易实现为特点，其原理是用高压泵将水加压，经过高压供水管路从喷嘴喷出以达到增加破岩效率。高压水射流破岩技术为解决当前隧道掘进机在硬岩条件下掘进效率低的问题提供了思路，当TBM掘进机在遇到硬岩与极硬岩工况条件时水射流辅助滚刀破岩能够大大提高掘进效率，降低掘进成本；但高压水射流辅助破岩时水压高达几十甚至几百兆帕，由于压强的原因极易造成供水管线的破裂，而且供水管线从泵组流出到达TBM刀盘需要很长的一段管线，如果出现泄漏很难诊断泄漏位置。此外当水射流泄漏时如果不能及时发现，几十甚至几百兆帕的压力从管线流出可能会危害到施工人员的生命安全；此外，由于TBM施工工况复杂多变，如果没有科学的决策依据可能会造成极大的资源浪费。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种水射流辅助破岩智能控制系统及方法，本公开能够提高水射流辅助破岩系统的运行效率与安全可靠度。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种水射流辅助破岩智能控制系统，包括处理器、诊断模块、岩体感知辅助决策模块和输入单元，其中：所述岩体感知辅助决策模块，被配置为获取围岩状态和TBM掘进主参数，根据围岩状态和TBM掘进主参数判断是否启动水射流辅助破岩系统；所述诊断模块，连接有压力传感器和流量计，分别检测水射流辅助破岩系统的供水压力、流量与泵组运行参数，并将检测值传输给所述诊断模块，当监测参数超出设定阈值时，判定出现故障，所述处理器发出信号，关闭水射流辅助破岩系统；所述输入单元，被配置为接收输入信号；所述处理器，被配置为接收所述输入信号，根据所述输入信号设置相应的预定阈值和围岩等级，并输出信号给所述诊断模块和所述岩体感知辅助决策模块。本控制系统应用于射流辅助系统/装置上，具体至少包括供水机构、动力机构和传输喷射机构，其中：所述供水机构提供流体来源，动力机构能够对流体施加压力，具有一定压力的流体能够进入传输喷射机构，并于其末端释放至TBM刀盘处，形成高压射流。本公开提供的控制系统，能够保证根据围岩状态及TBM掘进主参数，决定是否将滚刀破岩的作用与高压水射流破岩技术相结合，在破岩过程中需要时，能同时发挥两者的优势，极大程度的提高施工效率，在破岩过程中不需要时，只启用滚刀掘进，保证资源的不浪费。作为进一步的限定，所述岩体感知辅助决策模块，依据隧道掘进机的掘进主参数对当前隧道围岩等级进行实时划分；掘进主参数选取掘进机实时获取的单刀推进力Fn/(kN)和贯入度P/(mm/rev)，并将两者比值作为判定值Fn/P，根据判定值的不同，划分相应的围岩等级。作为更进一步的限定，当判定值在[0,100]区间内时判定围岩等级为V级、当判定值在(100,150]区间内时判定围岩等级为IV级、当判定值在(150,300]区间内时判定围岩等级为III级、当判定值在(300,500]区间内时判定围岩等级为II级、判定值在大于500时判定围岩等级为I级。上述岩体感知辅助决策模块，通过掘进过程中，提取关键参数，设置不同的阈值，对岩石进行分等级，有效的、清晰的划分了判定的边缘，保证了判定过程的简便性和准确性。作为进一步的限定，所述诊断模块，还连接有应急开关，所述应急开关控制所述水射流辅助破岩系统的开关，当所述诊断模块判定为出现故障时，发送信号给应急开关，所述应急开关停止所述水射流辅助破岩系统。通过应急开关的设置，能够保证在整个自动、智能控制出现问题时，通过应急开关对射流辅助破岩系统/装置进行急停，保证了机构的安全性。作为进一步的限定，所述处理器连接有报警装置，当处理器接收所述诊断模块的诊断结果，并所述诊断结果为出现故障时，发送信号给报警装置，报警装置发出警报。以上的设计，能够实现自动报警，引起工作人员的注意。作为进一步的限定，所述输入模块包括模式选择模块，所述模式选择模块被配置为确定处理器的运行控制模式。通过模式选择模块，能够使整个控制系统处于不同的控制模式，能够根据前方作业环境的不同灵活、任意切换，保证了施工的适应性和灵活性。作为进一步的限定，所述模式选择模块为手动控制模式时，所述处理器输出根据所述岩体感知辅助决策模块得到的等级，并给出与等级相适配的水射流辅助破岩系统的开启/关闭的建议。作为进一步的限定，所述模式选择模块为智能/自动控制模式时，所述处理器根据所述岩体感知辅助决策模块得到的等级，自动进行水射流辅助破岩系统的开启/关闭。作为进一步的限定，所述输入模块包括但不限于触摸屏、键盘、按键、鼠标等中的一个或多个。作为进一步的限定，所述处理器还连接有存储模块，所述存储模块内储存高压水射流运行监测参数及获得的岩体参数和掘进主参数。作为进一步的限定，所述处理器还连接有输出模块，所述输出模块包括显示屏。基于上述控制系统的工作方法，获取围岩状态和TBM掘进主参数，根据围岩状态和掘进主参数判断是否启动水射流辅助破岩系统，如果开启水射流辅助破岩系统，实时检测水射流辅助破岩系统的供水压力、流量及泵组运行参数，并将检测值传输给所述诊断模块，当监测参数超出设定阈值时，判定出现故障，关闭水射流辅助破岩系统。与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开能够实时监测水射流辅助破岩系统(或装置)的运行状态，当出现故障时可以第一时间发现故障所在的位置并发出警报信号，应急功能自行关闭水射流辅助破岩系统，降低系统运行过程中的风险，提高了水射流辅助破岩系统的故障诊断效率。本公开基于岩体感知系统反馈的围岩等级状态和TBM掘进主参数，辅助操作出科学决策；本公开利用模式选择模块给操作员提供了多种选择，可以降低操作人员的劳动强度；整个系统，减少故障判断和检修的时间，提高设备的运行效率，为用户带来更高的经济效益。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是总体结构框图；图2是岩体感知辅助本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水射流辅助破岩智能控制系统，其特征是：包括处理器、诊断模块、岩体感知辅助决策模块和输入单元，其中：/n所述岩体感知辅助决策模块，被配置为获取围岩状态和TBM掘进主参数，根据围岩状态和TBM掘进主参数判断是否启动水射流辅助破岩系统；/n所述岩体感知辅助决策模块，依据隧道掘进机的掘进主参数对当前隧道围岩等级进行实时划分；掘进主参数选取掘进机实时获取的单刀推进力Fn/(kN)和贯入度P/(mm/rev)，并将两者比值作为判定值Fn/P，根据判定值的不同，划分相应的围岩等级；/n所述诊断模块，连接有压力传感器和流量计，分别检测水射流辅助破岩系统的供水压力、流量、泵组运行参数，并将检测值传输给所述诊断模块，当监测参数超出设定阈值时，判定出现故障，所述处理器发出信号，关闭水射流辅助破岩系统；/n所述输入单元，被配置为接收输入信号，所述输入单元包括模式选择模块，所述模式选择模块被配置为确定处理器的运行控制模式，所述处理器输出根据所述岩体感知辅助决策模块得到的等级，并给出与等级相适配的水射流辅助破岩系统的开启/关闭的建议或自动进行水射流辅助破岩系统的开启或关闭；/n所述处理器，被配置为接收所述输入信号，根据所述输入信号设置相应的预定阈值和围岩等级，并输出信号给所述诊断模块和所述岩体感知辅助决策模块。/n...

【技术特征摘要】
20190221 CN 20191013275641.一种水射流辅助破岩智能控制系统，其特征是：包括处理器、诊断模块、岩体感知辅助决策模块和输入单元，其中：
所述岩体感知辅助决策模块，被配置为获取围岩状态和TBM掘进主参数，根据围岩状态和TBM掘进主参数判断是否启动水射流辅助破岩系统；
所述岩体感知辅助决策模块，依据隧道掘进机的掘进主参数对当前隧道围岩等级进行实时划分；掘进主参数选取掘进机实时获取的单刀推进力Fn/(kN)和贯入度P/(mm/rev)，并将两者比值作为判定值Fn/P，根据判定值的不同，划分相应的围岩等级；
所述诊断模块，连接有压力传感器和流量计，分别检测水射流辅助破岩系统的供水压力、流量、泵组运行参数，并将检测值传输给所述诊断模块，当监测参数超出设定阈值时，判定出现故障，所述处理器发出信号，关闭水射流辅助破岩系统；
所述输入单元，被配置为接收输入信号，所述输入单元包括模式选择模块，所述模式选择模块被配置为确定处理器的运行控制模式，所述处理器输出根据所述岩体感知辅助决策模块得到的等级，并给出与等级相适配的水射流辅助破岩系统的开启/关闭的建议或自动进行水射流辅助破岩系统的开启或关闭；
所述处理器，被配置为接收所述输入信号，根据所述输入信号设置相应的预定阈值和围岩等级，并输出信号给所述诊断模块和所述岩体感知辅助决策模块。


2.如权利要求1所述的一种水射流辅助破岩智能控制系统，其特征是：所述诊断模块，还连接有应急开关，所述应急开关控制所述水射流辅助破岩系统的开关，当所述诊断模块判定为出现故障时，发送信号给应急开关，所述应急开关停止所述水射流辅助破岩系统。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，李彪，谭顺辉，刘征宇，张金良，张波，胡蒙蒙，宁向可，杨应军，曹文正，
申请(专利权)人：山东大学，中铁工程装备集团有限公司，黄河勘测规划设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37