磨料水射流-机械联合切割钢筋混凝土的控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种磨料水射流

【技术实现步骤摘要】
磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法及系统


[0001]本专利技术属于隧道掘进
，涉及一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]随着地下工程的发展，在城市建筑密集区进行盾构隧道施工会遭遇钢筋混凝土障碍物。当规划线路遭遇无法避让的桩基、地下连续墙等钢筋混凝土障碍物时，单纯依靠隧道掘进机直接切削钢筋混凝土效率低，刀具磨损严重，螺旋输送机被卡以及钢筋缠绕刀盘等问题尤为突出。将高压磨料水射流与盾构刀具结合，使用磨料水射流切割预切割钢筋，再利用刀具对预切割处进行切削，可以快速有效破除钢筋混凝土，并能降低刀具与钢筋发生碰撞摩擦时的损耗，安全高效穿越地下障碍物，对破解城市地下盾构掘进钢筋混凝土难题具有巨大潜力。
[0004]尽管磨料水射流辅助盾构切割钢筋混凝土有很好的应用前景，但尚无配套的相关控制系统，若盲目进行施工，不能充分发挥磨料水射流高效切割的能力，甚至产生与预期相反的结果。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法及系统，本专利技术可以实现盾构切割钢筋混凝土障碍物过程中获取障碍物位置、磨料水射流切割钢筋混凝土过程中精准控制每个水喷嘴开启和关闭，避免所有的水喷嘴持续开启扰动地层，快速、自动匹配磨料水射流动力参数与盾构机械动力参数。
[0006]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法，包括以下步骤：
[0008]感知盾构刀具与钢筋混凝土的接触状态，确定盾构切割钢筋混凝土范围，以此为基础控制磨料水射流的开闭与切割范围；
[0009]利用构建的磨料水射流
‑
机械联合切割模型，以及预先构建的联合切割流程最优参数数据库，根据盾构刀具的作业位置，匹配施工参数，控制联合切割钢筋混凝土施工过程。
[0010]作为可选择的实施方式，感知盾构刀具与钢筋混凝土的接触状态的具体过程包括：盾构刀具切割力与的盾构机贯入度两者的比值作为判定值，划分盾构刀具与钢筋混凝土的接触状态。
[0011]具体的，当判定值数值在第一区间时，判定盾构刀具未接触到钢筋混凝土；当判定值数值数值在区间第二区间时，判定盾构刀具接触到钢筋混凝土中的混凝土部分；当判定值数值在第三区间时，判定盾构刀具接触到钢筋混凝土中的钢筋部分。
[0012]作为可选择的实施方式，确定盾构切割钢筋混凝土范围的具体过程包括：根据盾构刀具与钢筋混凝土障碍物的接触状态和盾构刀盘施工参数确定盾构切割钢筋混凝土范围。
[0013]具体的，以刀盘中心为原点，在刀盘平面上建立极坐标系，盾构刀具初始位置为(ρ
i0
，θ
i0
，t0)，盾构刀具旋转一圈切割力记录的时程曲线为F(i，t0，t)，根据所述盾构刀具与钢筋混凝土障碍物的接触状态的判定方法判定的滚刀刀具接触到钢筋混凝土中混凝土部分的初始时刻为t1，终止时刻为t2，则钢筋混凝土障碍物相对于刀盘分布的极角范围为[θ0+w*t1，θ0+w*t2]，其中w为刀盘转速；
[0014]根据判定值在第二区间的盾构刀具中最小安装半径ρ
min
和最大安装半径ρ
max
，得到的盾构切割钢筋混凝土的极径范围为[ρ
min
，ρ
max
]，盾构切割钢筋混凝土范围是由极角范围[θ0+w*t1，θ0+w*t2]和极径范围[ρ
min
，ρ
max
]形成的区域。
[0015]作为可选择的实施方式，控制磨料水射流的开闭与切割范围的具体过程包括：当刀盘上的水射流喷嘴进入到盾构切割钢筋混凝土范围时，开启磨料水射流；相反地，关闭磨料水射流。
[0016]进一步的，所述钢筋混凝土相对于盾构刀盘的分布范围的幅角大小为β，β＝w*(t2‑
t1)，其中w为刀盘转速，t1为盾构刀具接触到钢筋混凝土中混凝土部分的初始时刻为t1，t2为终止时刻；
[0017]当β＝2π时，采用刀盘连续单方向旋转的方式带动磨料水射流进行切割；当β<2π时，采用刀盘往复摆动旋转的方式带动磨料水射流进行往复切割。
[0018]作为可选择的实施方式，所述磨料水射流
‑
盾构机械联合切割模型包括磨料水射流切割钢筋深度预测模型、磨料水射流切割混凝土深度预测模型和联合切割流程参数优选模型。
[0019]进一步的，所述磨料水射流切割钢筋深度预测模型为：D
j
＝Cυ
k1
T
k2
P
k3
d
k4
F
k5
；
[0020]D
j
为钢筋切缝深度，v为线切割速度，T为靶距、P为水射流压力，d为喷嘴直径、F为磨料浓度，C、k1、k2、k3、k4、k5均为系数。
[0021]进一步的，所述磨料水射流切割混凝土深度预测模型为：
[0022][0023]其中，W
j0
为磨料水射流耗能，v为线切割速度，T为靶距、P为水射流压力，d为喷嘴直径、F为磨料浓度，k1、k2、k3、k4、k5均为系数。
[0024]进一步的，所述联合切割流程参数优选模型基于磨料水射流切割钢筋深度预测模型、磨料水射流切割混凝土深度预测模型的预测结果与磨料水射流切割耗能模型，确定最优磨料水射流参数，以最低能耗实现每一处磨料水射流切割深度一致。
[0025]作为可选择的实施方式，所述联合切割流程最优参数数据库，包括不同钢筋直径、刀具贯入度、切割速度条件下最优L
j
、L
m
的推荐值，其中L
j
为磨料水射流切割深度、L
m
为的盾构刀具切割深度。
[0026]作为可选择的实施方式，还包括以下步骤：在切割过程中，监测磨料水射流
‑
盾构机械联合切割系统的供水压力、磨料浓度和刀盘扭矩，进行诊断，当供水压力低于其设定阈值，或者磨料浓度低于其设定阈值，或者刀盘扭矩高于其设定阈值时，判定出现故障，关闭
磨料水射流动力机构与盾构机械动力机构。
[0027]一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制系统，包括：
[0028]采集设备，用于感知盾构刀具与钢筋混凝土的接触状态；
[0029]处理器，用于基于所述接触状态，确定盾构切割钢筋混凝土范围，以此为基础控制磨料水射流的开闭与切割范围，基于构建的磨料水射流
‑
机械联合切割模型，以及预先构建的联合切割流程最优参数数据库，根据盾构刀具的作业位置，匹配施工参数，控制联合切割钢筋混凝土施工过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法，其特征是，包括以下步骤：感知盾构刀具与钢筋混凝土的接触状态，确定盾构切割钢筋混凝土范围，以此为基础控制磨料水射流的开闭与切割范围；利用构建的磨料水射流
‑
机械联合切割模型，以及预先构建的联合切割流程最优参数数据库，根据盾构刀具的作业位置，匹配施工参数，控制联合切割钢筋混凝土施工过程。2.如权利要求1所述的一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法，其特征是，感知盾构刀具与钢筋混凝土的接触状态的具体过程包括：盾构刀具切割力与的盾构机贯入度两者的比值作为判定值，划分盾构刀具与钢筋混凝土的接触状态；或进一步的，当判定值数值在第一区间时，判定盾构刀具未接触到钢筋混凝土；当判定值数值数值在区间第二区间时，判定盾构刀具接触到钢筋混凝土中的混凝土部分；当判定值数值在第三区间时，判定盾构刀具接触到钢筋混凝土中的钢筋部分。3.如权利要求1所述的一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法，其特征是，确定盾构切割钢筋混凝土范围的具体过程包括：根据盾构刀具与钢筋混凝土障碍物的接触状态和盾构刀盘施工参数确定盾构切割钢筋混凝土范围；或进一步，以刀盘中心为原点，在刀盘平面上建立极坐标系，盾构刀具初始位置为(ρ
i0
,θ
i0
,t0)，盾构刀具旋转一圈切割力记录的时程曲线为F(i，t0，t)，根据所述盾构刀具与钢筋混凝土障碍物的接触状态的判定方法判定的滚刀刀具接触到钢筋混凝土中混凝土部分的初始时刻为t1，终止时刻为t2，则钢筋混凝土障碍物相对于刀盘分布的极角范围为[θ0+w*t1,θ0+w*t2]，其中w为刀盘转速；根据判定值在第二区间的盾构刀具中最小安装半径ρ
min
和最大安装半径ρ
max
，得到的盾构切割钢筋混凝土的极径范围为[ρ
min
,ρ
max
]，盾构切割钢筋混凝土范围是由极角范围[θ0+w*t1,θ0+w*t2]和极径范围[ρ
min
,ρ
max
]形成的区域。4.如权利要求1所述的一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法，其特征是，控制磨料水射流的开闭与切割范围的具体过程包括：当刀盘上的水射流喷嘴进入到盾构切割钢筋混凝土范围时，开启磨料水射流；相反地，关闭磨料水射流；所述钢筋混凝土相对于盾构刀盘的分布范围的幅角大小为β,β＝w*(t2‑
t1)，其中w为刀盘转速，t1为盾构刀具接触到钢筋混凝土中混凝土部分的初始时刻为t1，t2为终止时刻；当β＝2π时，采用刀盘连续单方向旋转的方式带动磨料水射流进行切割；当β<2π时，采用刀盘往复摆动旋转的方式带动磨料水射流进行往复切割。5.如权利要求1所述的一种磨料水射流
‑
机械联合切割钢筋混凝土的控制方法，其特征是，所述磨料水射流
‑
盾构机械联合切割模型包括磨料水射流切割钢筋深度预测模型、磨料水射流切割混凝土深度预测模型和联合切割流程参数优选模型；或进一步的，所述磨料水射流切割钢筋深度预测模型为：D
j
＝Cv
k1
T
k2
P
k3
d
k4

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，于虎，胡蒙蒙，李彪，张波，谷刘琪，黄闯，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：