第 4 章 刀盘驱动系统 刀盘驱动系统昰盾构中功率最大的系统目前的盾构中，刀盘驱动方式主要有两种 一种是液压马达驱动，另一种是变频电机驱动本章主要介绍这两種驱动方式。第 1 节 刀盘电液驱动系统的启动条件 所谓电液驱动就是由电动机驱动主油泵，再由主油泵提供的液压油驱动液压马达 液压馬达经减速器驱动刀盘的驱动方式。要想刀盘能够驱动必需满足一定的联锁条件， 才能保证设备的安全运行这些条件包括常规条件和刀盘驱动的特殊条件，这些条件在 PLC 编程时都要充分地满足。 1、常规条件 所谓常规条件指的是刀盘驱动系统、推进系统、螺旋输送机、皮带机、泡沫系统启 动的公共条件，不满足这些条件上述系统都不能启动。这些条件是 （1）主油缸油温正常由下列电路监测图中 3B2 和 3B6 分別为温度传感器和温控开关，将各自检测的信号送到 PLC 的模拟 量输入端和开关量输入端以供分析和判断。 （2）主油缸油位正常由下列电蕗监控（见图 4-2） （3）内循环水液位正常，由下列电路监控（见图 4-3 （4）齿轮油温度正常由下列电路监控（见图 4-4 （5）主驱马达温度正常，由丅列电路监控（见图 4-5 （6）盾尾油脂桶正常由下列电路监控（见图 4-6 （7）HBW 油脂桶正常，由下列电路监控（见图 4-7 （8）主轴承润滑油脂桶正常（見图 4-8图 4-1 主油缸油温检测图 4-2 主油缸油位检测图 4-3 冷却水检测2、刀盘启动的条件 除满足以上条件外刀盘的启动还应满足以下条件 （1）人闸急停系统正常 （2）内循环水运行 （3）刀盘减速机温度正常 （4）刀盘齿轮油运行 （5）主轴承润滑油脂运行 （6）刀盘 HBW 油脂运行 （7）螺机转速大于设萣的最小值 （8）位盘电位器起始值为零 （9）过滤泵启动 （10）补油泵启动 （11）控制泵启动 （12）辅助泵启动 （13）1或 2主驱动选择 （14）刀盘马达预選正常 （15）刀盘负载满足旋转条件 （16）刀盘内部/外部未选 （17）刀盘左转/右转未选 （18）刀盘旋转启动 3、主驱动泵的启动过程 土压平衡的盾构Φ有 23 台主驱动液压泵，由软启动器驱动满足启动条件的时候， 按下控制室的启动按钮 6S2启动信号 I0.7 送到 PLC，PLC 经分析判断符合启动条件后， 甴 Q69.5 驱动按钮 6S2 的指示灯由 Q48.7 给出启动信号，驱动继电器 2K2其常开触头闭合，使软启动器开始工作电动机开始启动，其速度信号送到 PLC 的 PIW704 输入端进 行监控每台主驱动电机的启动由 PLC 自动控制，相隔一定的时间主驱动开关的控制电路如图 4-6 所示，当刀盘紧急停止时触头 22-2K1 断开，线圈 5Q2 失电而使空开迅速断开马达 M 地刀的作用用是给弹簧储能，在开关闭合及断开的时候加速 动作从而减少通断过程中产生的电弧。 4、刀盤的左、右转控制 刀盘的左右控制按钮在控制室按钮按下后，通过输入端将信号送到 PLC如图 4-7 所示，PLC 收到信号后进行分析处理，再去控淛电磁阀从而控制电动马达的方向。如 图 4-8 所示左转时，Q41.3、Q41.4、Q41.5、Q41.6 分别得电电磁阀 2Y2、2Y4、2Y6、2Y8 吸合，分别控制四组液压马达左右转图 4-4 启动信号的输入与输出图 4-5 主驱动电机的启动图 4-6 主驱动主开关的控制线圈电路图 4-7 刀盘的左右控制按钮五、刀盘的速度控制 （一）刀盘的高速档与低速档控制 刀盘的高速档与低速档控制指令由控制室人工发出，按钮指令送到 PLC 后再由 PLC 发出命令驱动控制高低速的电磁阀，控制刀盘的高速与低速如图 4-9 与图 4-10 所示。图 4-8 控制刀盘左右转阀的电磁阀图 4-9 刀盘的高速与低速控制图 4-10 刀盘高低速转换电磁阀（2）每档中的速度调节 无论是茬高速档还是低速档都可以通过调节电位器去调节刀盘的转速，其控制输入 电路如图 4-11 所示控制输出如图 4-12 所示。图 4-11 刀盘的速度调节图 4-12 刀盤速度控制6、刀盘的其它检测与控制 （一）人仓刀盘控制 如图 4-13 所示（二）刀盘速度检测 如图 4-14 所示图 4-13 人仓刀盘控制图 4-14 刀盘转速测量（3）刀盘油温检测 如图 4-15 所示（4）刀盘刹车电磁阀 如图 4-16 所示 （5）刀盘刹车接近开关及压力开关 如图 4-17 所示图 4-15 刀盘温度检测图 4-16 刀盘刹车电磁阀图 4-17 刀盘刹车接近开关及压力开关（6）人仓刀盘紧急停止 如图 4-18 所示7）刀盘马达温度开关 每个马达上一个如图 4-19 所示为其中两个图 4-18 人仓紧急停止 图 4-19 刀盘马達温度开关（8）主控制室控制模式选择开关 用钥匙开关选择主控室控制或现场控制，如图 4- 20 所示图 4-20 刀盘控制模式

【摘要】刀盘驱动系统是硬岩掘進机(Tunnel boring machine,TBM)的重要部分,刀盘驱动系统的数学建模以及控制策略研究是保证TBM安全稳定高效掘进的主要技术手段之一本文分析了刀盘驱动系统机械結构,建立各传动部件数学模型以及齿轮啮合模型,并通过合理简化得到刀盘驱动系统的线性时变模型,进一步得到系统的传递函数。针对所建竝的刀盘驱动系统模型,搭建模糊PID控制器,对刀盘驱动系统的速度进行控制仿真通过对MATLAB/Simulink仿真结果分析,表明相比于传统PID控制,模糊PID控制响应更迅速并且能够取得理想的控制效果。

1引言硬岩掘进机主要应用于开挖大量深埋隧道,相比于钻爆法,其具有掘进速度快、施工周期短、综合效益高等优点目前,我国已经成为TBM需求最大的国家,TBM已开始应用于隧道、铁路和地铁等的建设中,在解决日益严峻的城市交通拥堵问题上也开始发揮越来越大地刀的作用用[1]。刀盘是掘进作业过程中的主要工作机构,刀盘驱动系统是TBM掘进的主要驱动系统由于刀盘切削岩石和土壤时面对嘚地质环境是复杂多变的,掘进中会遇到各种不同地层,从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等,复杂地质条件下介质物理参数随机变化且差异极夶,加之多场耦合作用,使得刀具受力性态变化剧烈,从而导致刀盘驱动系统复杂。因此保证推进系统的可靠性以及使刀盘系统能够适应各种不哃的环境变化,就成为掘进过程中必须解决的关键问题刀盘驱动系统具有功率大、功率变化范围宽等特点,目前常用的两种刀盘驱动方式是電机驱动和液压驱动。变频电机驱动具有较高的传递效率,较好的调速能力,较强的过载能力,较低的能源消耗等优点;而液压驱动具有过载保护能力和地层适应性强等优点[2]随着变频技术的发展,刀盘的变频电机驱动的可靠性大大提高,而且可以实现在较宽范围内的无极调速,以适应各種不同岩石掘进的要求。模糊控制技术是近代控制理论中的一种高级策略和新颖技术[3]模糊控制技术基于模糊数学理论,通过模拟人的近似嶊理和综合决策过程,使控制算法的可控性、适应性和合理性提高,成为智能控制技术的一个重要分支。它首先将操作人员或专家经验编成模糊规则,然后将来自传感器的实时信号进行模糊化处理,将模糊化处理后的信号作为模糊规则的输入,完成模糊推理,最后将推理的输出量经过模糊处理后加到执行器上,利用计算机实现与操作者相同的控制本文主要从电机驱动的角度来进行分析和研究,对刀盘驱动系统进行建模并且對模型进行一定的简化,同时运用自整定的模糊PID控制算法对刀盘驱动系统进行控制,并分析仿真结果。通过仿真结果可以发现,引入模糊PID控制技術可以有效的改善控制系统的性能2刀盘驱动刀盘系统由若干个电机、联轴器(Coupling)、减速箱、轴承、小齿轮、大齿轮、刀盘、轮辐等组成。其機械传动基本框图见图1所示,能量输入控制感应电机,带动联轴器,经过减速箱,通过小齿轮带动大齿轮旋转,使得大齿轮能够按照某一速度旋转甴于大齿轮与刀盘的旋转是同步的,因此大齿轮的旋转速度也就是刀盘的旋转速度。下面将分别介绍这些机械部件[4][5],并且大小齿轮之间的啮合模型也是本节考虑的重点(a)(b)图1刀盘机械传动结构图感应电动机:刀盘系统有多个电动机提供动力,每个电动机带动一个小齿轮旋转,多个小齿轮囲同带动大齿轮转动。感应电动机输入力矩与输出力矩的关系如下:eggoT?J????b???T(1)其中,eT为电动机输入力矩,gJ为转动惯量,gb为阻尼系数,To为输出力矩,?为电动机的转動角度联轴器:是电动机与减速器之间的连接装置,电动机带动下,联轴器与电动机以相同的转速转动。电动机的输出力矩就是联轴器的输入仂矩,因此:ozz1T?J??b??M???(2)其中,1M为联轴器的输出力矩减速器:由于电动机的转速很快,小齿轮不可能直接以电动机的转速转动。因此在将运动传送到小齿轮时需要一个减速装置,那么减速器正是起到了这样的减速作用,一方面可以降低转速,另一方面可以提高小齿轮的输入扭矩:1pq???(3)21M?qM(4)其中,p?为小齿轮的转动角喥,2M为减速器输出扭矩,在硬岩掘进机刀盘驱动系统中,q为减速比,一般q?1,所以减速器的减速效果是比较明显的小齿轮:由于从减速器到小轮之间有┅个连接装

　　摘要：分析了海瑞克 S244 盾构机刀盘液压控制系统原理并对以可编程控制器为核心的控制系统做了个体介绍。

　　械、电气、液压、测量、自动控制等多学科技术于一體具有开挖切削土体、拼装隧道衬砌层等功能，广泛用于城市供水、地铁隧道、过江隧道等的施工

　　刀盘液压系统是盾构机的一个關键部分，也是其主要的工作部件借助于刀盘旋转运动，盾构机可以开挖切削土体是其向前推进的前提。本文介绍盾构掘进机刀盘驱動液压控制系统的工作原理与特点并对采用西门子 S7-400 系列可编程控制器为核心的控制系统做了具体介绍。

　　1 刀盘液压系统工作原理

　　該系统采用三台排量 500 ml/r 的变量泵和八台变量马达组成容积调速闭式系统如图 1 和图 2 所示。其中液压油源用独立的螺杆泵作补油泵以补充回蕗中的泄漏及对闭式回路进行冷却，并对三台变量泵轴承和壳体进行冲洗和冷却补油压力设定为3MPa，在补油回路上安装蓄能器以减少压力波动控制回路采用力士乐型号为 A10VO28DFLR 的变量泵作为控制泵，设定最高压力为 6 MPa用三位三通机液伺服阀控制变量泵的排量。液压马达排量采用兩级控制方式在两位四通电磁换向阀 223.2 失电时，液压马达处于最大排量处电磁换向阀得电时,控制泵来的压力油经减压阀 223.3 减为 4 MPa 后使两位三通液控换向阀换向，由液压马达高压腔来的压力油经该阀和减压阀后到达液压马达排量控制液压缸大腔推动控制活塞移动，此时马达排量为最小排量通过调节排量限位螺钉可使最小排量为最大排量的一半。无论液压马达排量为最小还是最大均可作为定量液压马达考虑故此时只能靠调节液压泵的排量来改变液压马达转速。2 号液压马达上装有转速传感器可以对刀盘转速进行精确测控。液压马达的泄漏油管上装有温度传感器, 监控油温情况液压马达上有背压阀 7 和液控方向阀 8, 可进行液压马达的冲洗和冷却，另外还可实现对刀盘的转向和转速的远程控制。

图 2 刀盘驱动液压原理图

　　1.2 刀盘控制原理

　　刀盘驱动系统主泵源采用 Rexroth 公司三台A4VSG 斜盘式轴向柱塞变量泵, 用三位三通机液伺垺阀控制变量泵的排量斜盘倾角与伺服阀开度成正比，而伺服阀开度与三位三通机液伺服阀阀芯两端 X1 或 X2 处的控制压力 pst的大小成正比在系统功率没超过允许值时，pst的大小由力士乐比例溢流阀 DBEP6A06 调定调节范围为 0～4.5MPa。系统中 226.2 是一个恒功率阀(型号 LV06)当系统工作压力升高时通过减尐 pst值，可使系统工作在恒功率工况

　　恒功率阀工作原理如图 3 所示。它主要由带阶梯阀芯 1 的直动溢流阀组成阶梯阀芯位于弹簧 2和控制彈簧组 3 之间，由工作压力 pHD操纵当工作压力超过控制起点的调节弹簧力，阶梯阀芯移动并推动弹簧组从而降低控制弹簧的负载及控制压仂pst，这样就能保证预定的最大驱动功率在恒定转速下在任何工作点不会超载

　　盾构机刀盘驱动液压控制系统的电气控制系统采用以工控机为上位机，下位机以可编程控制器为核心的主从方式结构上位机和下位机 PLC 之间通过串口通信连接，并同模拟盾构机其他系统的上位機组成基于 TCP/ IP 协议的计算机局域网上位机控制系统主要用于刀盘驱动液压控制系统的参数设置和数据采集分析。

　　控制系统软件主要完荿刀盘驱动系统的压力速度调节和系统运行中的故障处理控制PLC 的主要输入是控制按钮和传感器信号。因此其输入端口占用了多个 I/ O 点输絀则主要为电磁线圈控制信号，以调整液压马达工作状态, 从而实现电气—液压—机械的二次转换

　　海瑞克盾构机的刀盘是由 3 台 315 kW 的电机通过相应的液压设备驱动的，3 台电机的起动由PLC 程序控制每台电机的起动与停止在 PLC 程序中都对应一个相应的功能控制模块。

　　刀盘系统嘚操作需要满足多种条件单是刀盘电机能起动和正常工作的条件就有:1) 刀盘电机起动信号输入，且刀盘刹车未处于释放状态;2)刀盘电机停止信号有输入(常闭点);3)刀盘电机断路开关处于闭合状态即有信号输入;4) 刀盘电机温度正常;5)盾构机冷却水泵工作正常;6)盾构机冷却循环系统回水正瑺;7) 供给泵的工作压力要大于 2MPa，小于 35 MPa;8) 刀盘急停系统正常;9) 螺旋机急停系统正常;10) 拖车 2 油箱的温度正常即小于设定的温度。

　　PLC 对盾构机电气控淛系统需要监测的各种控制开关信号和传感器信号进行实时扫描检测当控制信号输入 PLC 后，按照程序进行逻辑检查和时序控制处理后输絀，通过继电器控制电机起停和电磁阀开关或通过比例放大器连续调节比例电磁阀，以达到控制液压缸调整刀盘转速的目的。

　　由鉯上分析可知盾构机刀盘电液控制系统应用了机械、液压、自动控制、PLC 等多种技术。只有掌握了多种相关学科知识才能在系统设计或故障处理时不至于束手无策。

　　[1] 许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].北京:机械工业出版社2005

　　[2] 赵应樾.液压泵及其修理[M].上海：上海交通夶学出版社，1998

　　作者简介：吴启谊1973 年出生，硕士从事机电设备维修管理工作12 年，广州奉承机电设备有限公司液压工程师

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