УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА Российский патент 1995 года по МПК E21C35/24 

Изобретение относится к подземному строительству и может быть использовано при проходке тоннелей для измерения углового отклонения проходческого щита в плане, профиле и угла крена.

Известно устройство для определения углового положения проходческого щита, содержащее лазерный источник светового луча, закрепленный в тоннеле, и закрепленные на корпусе проходческого щита двухкоординатный фотоприемник и датчик крена, связанные с формирователем импульсов [1]
Указанное устройство позволяет определить угловое отклонение проходческого щита в плане, профиле и угол крена.

Недостатком указанного устройства является разнесение узлов устройства на значительное расстояние друг от друга, а именно: лазерный источник закреплен в готовой части тоннеля, а двухкоординатный фотоприемник закреплен на корпусе проходческого щита, что снижает эффективность работы устройства в запыленной непрозрачной атмосфере подземной проходки.

Кроме того на криволинейных участках трассы из-за ухода фотоприемника от светового луча необходимо производить переориентацию светового луча. Для этого необходимо установить дополнительно отклоняющие призмы или перезакрепить лазерный источник на более близкое расстояние от фотоприемника. Во всех случаях необходима остановка проходческого щита и дополнительное время на закрепление оборудования, что увеличивает трудоемкость работ и снижает эффективность работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения углового положения проходческого щита, содержащее установленную на корпусе щита платформу с датчиком углового положения, связанным с реверсивным счетчиком [2]
Указанное устройство закреплено на проходческом щите.

Недостатком указанного устройства является то, что оно позволяет определить только уклон щита, т.е. угловое отклонение от одной пространственной оси (оси y).

Кроме того, это измерение недостаточно точно, так как датчик углового положения выполнен в виде ампулы уровня, содержащей жидкость с пузырьком, и размещенных с противоположных сторон ампулы уровня светодиодов и фотодиодов, которые через электронные элементы соединены с реверсивным счетчиком. При вибрации и ударах проходческого щита пузырек также может смещаться, как и при отклонениях проходческого щита, что вызывает ошибочные показания реверсивного счетчика.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет измерения всех трех углов отклонения от пространственных осей проектного положения проходческого щита, повышение устойчивости измерений к вибрациям, ударам при работе щита, возможность работы в аварийных условиях и запыленной непрозрачной атмосфере, а также на криволинейных участках трассы.

Цель достигается тем, что устройство снабжено двумя дополнительными реверсивными счетчиками и вычислителем, датчик углового положения выполнен в виде трех лазерных гироскопов, оси которых взаимно ортогональны, а ось одного из лазерных гироскопов параллельна продольной оси проходческого щита, при этом входы реверсивных счетчиков соединены с выходами лазерных гироскопов, а выходы реверсивных счетчиков соединены с входами вычислителя.

Выполнение датчика углового положения в виде трех лазерных гироскопов, оси которых взаимно ортогональны, позволит получать импульсные сигналы при отклонении проходческого щита от любой из трех пространственных осей координат в любых условиях проходки: при работе проходческого щита в запыленной непрозрачной атмосфере, при ударах, на криволинейных участках трассы. Соединение выходов лазерных гироскопов с входами реверсивных счетчиков, а выходов последних с входами вычислителя позволит получать информацию об углах отклонения проходческого щита, вычисленных по определенному алгоритму и выведенных на блок индикации.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для определения углового положения проходческого щита; на фиг.2 оптическая схема лазерного гироскопа.

Устройство для определения углового положения проходческого щита содержит установленную на корпусе 1 проходческого щита платформу 2 с датчиком углового положения, выполненным в виде трех лазерных гироскопов 3, 4, 5, смонтированных в моноблоке. Оси (x,y,z) лазерных гироскопов взаимно ортогональны, а одна из осей одного лазерного гироскопа параллельна продольной оси проходческого щита.

Каждый лазерный гироскоп имеет замкнутый контур, в вершинах которого установлены непрозрачные зеркала 6, 7, 8 и полупрозрачное зеркало 9. По периметру замкнутого контура между зеркалами 6, 7, 8, 9 размещены газоразрядные трубки 10, 11, 12, 13. На полупрозрачном зеркале 9 установлены смесительная призма 14 и фотоприемники 15, 16.

Каждый лазерный гироскоп имеет катод 17, размещенный в центре замкнутого контура, и аноды 18, 19, закрепленные на газоразрядных трубках 11 и 12.

Выходы фотоприемников 15, 16 соединены с входами реверсивных счетчиков 20,21,22, выходы которых соединены с входами вычислителя 23. Выход вычислителя 23 соединен с входом блока 24 индикации.

Устройство работает следующим образом.

Платформа 2, на которой закреплен датчик углового положения, регулируется таким образом, чтобы ее продольная ось была параллельна продольной оси корпуса 1 проходческого щита.

При работе датчика углового положения в замкнутом контуре лазерного гироскопа или в каждом из трех лазерных гироскопов 3, 4, 5 электрическим разрядом, образующимся между катодом и анодами, генерируются две бегущие световые волны, распространяющиеся по замкнутому контуру навстречу друг другу.

Для начального такта вычисления (временного интервала) n 0 оси x,y,z лазерных гироскопов совпадают с осями x_o, y_o, z_o заданного проектного положения проходческого щита. В этом случае углы отклонения от заданного проектного положения Ψ_x^o=Ψ_y^o=Ψ_z^o=0.

При отклонении проходческого щита от одной из трех осей х_о, y_o, z_oв соответствующем лазерном гироскопе возникает разность частот бегущих навстречу световых волн, которые с полупрозрачного зеркала 9 поступают на смесительную призму 14, где происходит измерение разности частот световых волн. Фотоприемники 15 и 16 регистрируют синусоидальные сигналы встречных волн и формируют импульсные выходные сигналы, которые поступают на входы реверсивных счетчиков 20, 21, 22, с выходов которых сигнал поступает на входы вычислителя 23. Число импульсов соответствует углу отклонения, который определяется на n-ом такте вычисления по формуле
где Ψ_xⁿ,Ψ_yⁿ,Ψ_zⁿ- углы, образуемые осями x,y,z лазерных гироскопов с осями x_o, y_o, z_o проектного положения проходческого щита на n-ом такте вычисления;
Ψ_x^n-1, Ψ_y^n-1, Ψ_z^n-1- углы, образуемые осями x,y,z лазерных гироскопов, с осями x_o, y_o, z_o проектного положения проходческого щита на предыдущем n-1 такте вычисления;
матрица направляющих косинусов, вычисляемая по показаниям лазерных гироскопов.

Информация об угловом положении проходческого щита выводится на блок 24 индикации для принятия решения по управлению движением проходческого щита. Для определения линейного смещения проходческого щита в плане и профиле используют обычные маркшейдерские средства, используя информацию об угловом отклонении щита.

Устройство для определения углового положения проходческого щита относится к подземному строительству. Сущность изобретения: датчик углового положения выполнен в виде трех лазерных гироскопов, оси которых взаимно-ортогональны, а одна из осей параллельна продольной оси проходческого щита. Выходы лазерных гироскопов соединены с входами реверсивных счетчиков, а выходы последних соединены с входами вычислителя, с помощью которого определяют (вычисляют) отклонение проходческого щита от заданного направления по трем осям координат. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА, содержащее установленную на корпусе проходческого щита платформу с датчиком углового положения, связанным с реверсивным счетчиком, отличающееся тем, что оно снабжено двумя дополнительными реверсивными счетчиками и блоком вычисления углового положения проходческого щита по формуле

где Ψnx

, Ψny, Ψnz углы, образуемые осями x, y, z лазерных гироскопов с осями x_о, y_о, z_о проектного положения проходческого щита на n-м такте вычисления;
Ψnx^-1, Ψny^-1, Ψnz^-1, углы, образуемые осями x, y, z лазерных гироскопов с осями x_о, y_о, z_о проектного положения щита на предыдущем (n 1)-м такте вычисления;
L матрица направляющих косинусов, вычисляемая по показаниям лазерных гироскопов,
датчик углового положения выполнен в виде трех лазерных гироскопов, оси которых взаимно ортогональны, а ось одного из лазерных гироскопов параллельна продольной оси проходческого щита, при этом входы реверсивных счетчиков соединены с выходами лазерных гироскопов, а выходы реверсивных счетчиков соединены с входами блока вычисления углового положения проходческого щита. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено блоком индикации, вход которого соединен с выходом блока вычисления углового положения проходческого щита.