韩 伟

(福建林业职业技术学院 福建南平 353000)

0 引言

近年来，城市发展如火如荼，城区旧交通网改造，新建交通网不断扩张，城市交通问题已成为约束城市继续发展的主要因素，建立城市轨道交通网已成为解决日趋严重城市交通问题的必然选择[1]。面对不断开通的轨道交通新线路，其对城市轨道交通类专业技能型人才的需求也日益俱增。

行业大发展，需要大量生产、服务一线企业的高级技能型人才。高级技能型人才的培养，必须加强动手能力的训练，因此建设具有真实职业氛围、与实际生产相一致的实习实训基地是提高学生动手能力的基础，是高等职业教育改革和发展的必由之路，是推动职业资格认证制度的重要环节，同时也是提高师资队伍整体素质、产学研结合、服务区域经济不可或缺的条件。

盾构施工是一项理论性和操作性很强的技术，仅仅通过现有的教材文字、培训资料、图片、视频等进行教学、培训是达不到企业要求的，还需要直观演示和进行集中上机训练。考虑到真实盾构机造价昂贵及施工安全，也不宜以真实盾构机在实际施工环境中进行教学和培训，因此急需通过选用盾构机原型作为制作蓝本，按比例设计加工制作盾构机仿真操作装置，并结合具体施工条件营造并模拟建设相应的盾构施工环境，实现与工程实践的“零距离”接触。目前，关于此类盾构机仿真模拟实训的装置的建设应用于高职院校教学、培训的案例和报道极少，有必要对其建设方案进一步的进行研究和探讨。为此福建林业职业技术学院联合浏阳河仿真模型有限公司、长沙凯德技术股份有限公司联合研发了盾构机仿真操作装置，已安装完毕并应用于教学。本文介绍该装置相关研究成果及其应用成果。

1 盾构机仿真操作装置的建设原理

该装置在其设计原理，结构外观、操控原理及控制系统界面上与真实盾构机的基本一致，尽可能地还原真实盾构设备操作过程。但在计算机信号输出、输入接口和内部电路系统上，相比真实设备有所差别，计算机接收端及信息反馈系统也采用等比例模型控制系统进行控制，主要因为盾构施工环境和施工对象并非来自真实施工环境和隧道开挖面。

该装置基于计算机DCS操控系统和PLC智能模块技术一体的数字化模型。考虑施工环境、建造成本、场地、操作条件的限制，将一部分结构和装置进行简化和省略，如出渣排土、管片注浆、泡沫系统等。简化和省略的部分，其动作和装置也会保留，其功能主要通过PLC智能模块技术和DCS分布式控制系统等数字化模型来进行模拟，营建真实的施工环境和操作过程，达到预期的教学、培训目标。

2 盾构机仿真操作装置的设计和建设方案

2.1 装置的组成设计

为了让学员全面了解并掌握盾构机的主要设备结构原理和功能，主要设计了盾构机主体模拟装置系统、驱动系统、液压系统、管片拼装机、学员操控台(操作员站)、老师操控台(工程师站)、系统控制柜，如图1所示。

图1 盾构机模拟装置装置组成

土压平衡式盾构机主体，由圆筒形断面，自挖掘面起，由切口环、支承环、盾尾三部分构成。其强度足以承受土压、水压、盾构千斤顶的反推力及挖掘反作用力。梁部呈V型平面中折结构。中折部的前部称为前体、后部成为后体；支承环的前部装置的驱动部件，与切口环一壁相隔；隔壁后部设有环形空气室；螺旋输泥机(但不体现皮带运泥机，接运泥电瓶车)。在梁后部的外围沿圆周方向均匀排列有盾构机主体推进用的盾构千斤顶。盾尾部配备了组装管片用的拼装机装置、用作脚手架的后方作业台。拼装机装置、后方作业台由梁部进行支承。支承环通过竖梁、横梁加以强化稳固，确保学员实操过程安全。

2.2 实训功能设计

2.2.1主要结构拆装设计

满足 “反复拆装”训练目的各部件除圆筒形盾壳外，从刀盘向盾尾有：刀头、仿形刀盘、机罩、梁、前体前瞳、后体后瞳、旋转接头、刀盘旋转油压马达、千斤顶、螺旋输泥机、盾构千斤顶、注浆钻孔、拼装机、形状保持装置、盾尾密封件及注浆设备、提升机等,各部件均按盾构机的实际图纸，按统一1∶2比例进行制造；结构齐全，运行灵活可靠，经久耐用，各主要部件都可拆装以让学员全面了解并掌握构机的主要结构原理和各设备的功能。对装置的各内部结构设备与零件进行文字标注，便于讲解和学员观察认知，特别是方便拆装。拆装训练所需结构参数和工具如下：

仿真操作装置全部采用全金属构件，材质Q345B。盾构机规格直径3040mm，总长度约6500mm，装机功率约80kW；刀盘直径3040mm×400mm；前盾直径3000mm×2400mm；尾盾直径3000mm×2000mm(非整圆)；盾内装完成整圈的管片，轴式螺旋输送机规格(内径×长度)约360mm×4800mm，总质量在10 000kg(10t)以上。拆装配套设备及工具：龙门式起重机(超重重量大于10t，并可在轨道上运行)、配套工具及工具柜、零配件及配件柜、拆装零件毯、工具毯、各类润滑油及储存柜、其他专用设备等。

2.2.2仿真操作设计

全真实动作运行而非靠电脑模拟，各机电、液压设备都处于真实设备位置并都具备相应的功能原理。能实际动手操作，全方位效果模拟，帮助学员熟悉盾构机的相关控制系统和操作方法。

2.2.3设故障模拟训练设计

设置了“实际工作中的常见故障”，包括设备系统故障和电气系统的故障模拟。“故障”效果在该装置上及电脑中都有相应的现象出现，并可由教师随机选定其中某个或几个故障由学员动手解决，以达到实训目标，培养学员处理常见故障和解决实际问题的能力、以及应变的能力。

设备系统故障模拟，常见设备系统故障不少于6种：结饼、堵塞、设备超压、转速降低等。

电气系统的故障模拟，常见电气系统故障不少于8种：电源缺相、突然停电、接触不良、电机烧坏、动作不准等。

以上故障模拟可由教师随机选定，电脑操控。学员解决问题后，电脑操控恢复并自动评分。

2.3 主体结构建设方案

盾壳装置制造时，分切口环、支承环、盾尾3部分进行，如图2所示。通过其内的大梁和中心横梁原部件[2]，盾尾钢丝刷设置3道。其他结构如下：

图2 盾构装置主体建设结构剖面

刀盘。采用模拟液压驱动系统驱动，转速控制在3转/min左右，控制可正反转。

推进系统。盾构设置12个千斤顶，均匀分布，其中长行程千斤顶4个，1200 mm,短行程千斤顶8个，800 mm。除三分区，其余千斤顶均安装行程传感器。错缝拼装时进行靴板型特殊设计,避免了千斤顶与管片接缝产生摩擦碰撞[2]。

拼装机。拼装机主体结构缩小制作，可绕中心横梁旋转，也可平移,并增加配重块;装置对压力油箱进行改造,增装遥控功能。

螺旋机。螺旋机主体结构按比例，可制作体现进料槽。进料槽与切口环焊接成一体,闸门开度采用手动式，取代“检测拉绳式传感器”[2]。

地层剖面。盾构机装置制作一个“地层剖面”，以泥土沉积层为剖面主要表现效果，“地层剖面”长度都略大于盾构机及其施工台车总体布置的总尺寸，布置在盾头刀盘的面前和铺垫在盾构机及其施工台车的下方，给学员一种“正在处于工作状态”的感觉。

2.4 实际运行

该装置要求“可展现实际盾构机工作运行中的所有动态演示”。如：刀盘的匀速转动(真实运行)，即刀盘在电源开启的状态下可以以机体的纵轴心线进行无限360°旋转，速度约为3转/min，可在操控下正反转；管片拼装机原地360°匀速转动(真实运行)，即盾体尾部的管片拼装机会加装一块实训的管片，依照既定的方向进行旋转动作；液压千斤顶的来回往返运动(真正液压操控)，即盾体周围的十几个液压油缸可以单独或整体作伸缩运行；螺旋输泥机真实运行；螺旋输送机以12转/min的速度匀速运行。与盾构教学相配合的视频，能够介绍盾构内部结构构造、施工工艺、关键部位演示。

2.5 实际操控

学员操作琴台及显示屏界面与盾构真机完全一致，如图3所示。系统所有动作、状态、参数均在上位机系统有模拟显示，并能根据需要在21英寸显示屏上显示。软件设计能实现盾构机所有的操作、各种故障设置、典型地层掘进工况、掘进方向控制等。

图3 主操作台按钮布置图

2.6 电气系统配置

2.6.1操作台

主操作台(琴台)操作按钮及工业电脑安装，如图4所示，依照盾构机实际情况布置，安装4台PPC1561工业电脑。2台为上位机，显示内容依据盾构机实物，配合琴台按钮操作盾构；其余2台电脑，一台模拟导向系统，按照编制的程序，手动输入土质如上软下硬、左右偏移等虚拟显示盾构掘进姿态；一台电脑采用四分屏，依据信号反馈，通过编制软件包虚拟显示油缸动作和拼装机动作等动画显示[3]。

PLC系统采用分布式I/O控制，主PLC选用西门子400系列，琴台按钮接倍福从站，通过DP总线与主站进行通信传输。琴台内部不安装控制电源，所需24VDC,10VDC从控制柜引入。

2.6.2控制柜

控制柜考虑后期扩展功能，选用盾构上常用的配电柜，PLC选用西门子300,交流变压器(400变230)，24VDC直流电源，10VDC交流电源，继电器，端子等元器件依照盾构真机配置，如图5～图6所示。

图5 电源控制柜

图6 操控主控制柜

2.7 DCS操控系统

采用编程软件采用西门子S7-400的plc编程软件，专门针对本盾构的各运行设备进行实际操控，能完全模拟真实盾构机操控系统，对各系统配套的压力、温度、行程、限位、液位等大部分必要数据可通过传感器真实地检测到，只是要通过电脑放大处理后才能与真实一般；而某些压力、温度、刀具磨损等没有真实数据生产，而只能在电脑模拟检测，并对相应的设备进行调节与控制。以保证学员有完全“真实”的感受。

2.8 综合自动评分考核系统

装置设计了符合教学、培训需要的模拟操作自动评分考核系统，如图7～图8所示，针对盾构机正常状态下操作和故障模拟操作进行综合考核评分，减少了人工考核带来的主观因素影响，提高了考核的准确性和效率。

图7 操作自动评分考核系统

图8 操作自动评分考核系统

3 应用成果

盾构机仿真操作装置的应用，体现在院校教学和社会培训两个方面。前者针对在校相关方向或专业(如道桥、市政和城轨)进行理论教学和实训教学，后者主要面向社会相关企业进行校企合作培训。由于对象不同，学习重点和设备应用情况有所区别。

院校教学是通过课堂讲解、现场观摩等对盾构机械的整体结构，部分构造及其动力机电、软件操作系统等进行全方位的认知和实训操作，掌握盾构机的结构和运行原理以及操作性能，并通过教师示范操作，指导学生进行实训操作，如设备安装、机械操作、故常处理等，如图9所示。培养学生对盾构设备的操作技能，加深对盾构机械设备的理解和掌握，加深对隧道工程施工技术学习的兴趣，如图10所示。

企业培训主要面向社会相关企业，根据不同岗位(如盾构司机、机电人员、维修人员、安全人员等)，进行有针对性的岗位培训(如操作技能、机械设备维护、安全检查等)。通过短期学习，达到企业对相关人员的岗位要求。

图9 指导学员进行实训操作

图10 学员进行管片拼装实训操作

4 结语

该装置在教学和社会服务上充分体现职业教育的特色，为培养实用型、高技能型职业人才创造了基础条件。为今后加强校企联合，进行订单式培养，创造了条件。

截止目前，相关设备投入运行过程，性能良好，状态稳定，在教学和培训中均发挥了积极作用，结合对毕业生和企业培训人员的反馈，下一步将计划在原来基础上增设远程遥控系统，面向全社会进行远程教学，更好地发挥它的作用。