摘要：电驱盾构机刀盘由多个电机共同驱动，在控制时需要对多个电机进行同步控制和负载平衡控制，是盾构机的核心关键技术之一。本文基于NFM土压平衡盾构机，介绍了其刀盘驱动系统的控制原理及常见故障，为现场施工操作与设备维修提供了一些借鉴依据。
关键词：盾构机；刀盘驱动控制；变频器；变频电机
1．前言
盾构机是集光、电、机、液、控制等技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能的高度自动化的隧道挖掘设备，被广泛应用于世界各地的城市地铁、穿山隧道、污水管线等众多领域。刀盘驱动系统是盾构的重要组成部分，是盾构机的核心技术。随着变频技术的不断发展，变频驱动技术被广泛应用于盾构机刀盘控制系统。液压驱动与变频驱动各有优缺点，液压驱动马达体积小、同步性能好等优点，但其效率低、噪音高，现今市场上中、小直径的软土盾构通常使用液压驱动。相对于液压驱动方式，变频驱动具有启动电流小、效率高、控制灵活方便等优点，通常大直径盾构机刀盘选择变频电机驱动。
2．工程概况
莞惠城际轨道交通项目6标项目位于广东省东莞市大朗镇，盾构区间起点里程为GDK38+359，终点里程GDK35+423.25，隧道全长2925米。盾构施工采用北方重工（NFM技术）生产的直径8.83m土压平衡式盾构机，主轴承外圈直径为4.8m，刀盘驱动系统采用变频器驱动控制。
3．刀盘驱动系统的控制要求
该土压平衡盾构机由9个西门子S120系列变频器分别控制9个三相异步交流电机共同驱动刀盘，额定扭矩为12800KNm，脱困扭矩为16400KNm。单个电机功率为220KW，冷却方式为水冷。
各电机与刀盘齿轮是刚性连接使得各电机的速度是强制同步，这种速度同步是“被动”同步。如果有些电机速度比较慢的情况下“被提速”，使得此电机没有对刀盘做正功，反而成为其他电机的负载，增加整个刀盘的扭矩负载。相反，如果个别电机因为转速比其它都快，则在刀盘齿轮啮合的作用下“被减速”，此电机的负载将会比正常负载大，定子电流急升，增加电机发热量，严重时甚至会烧坏电机。
仅依靠机械结构完成同步，很容易对传动机械器件造成机械疲劳，大大缩短其设计使用寿命。因此，在多电机驱动系统中需要多个电机同步控制和负载平衡控制，即让电机速度相同的情况下承担相应的平均负载，避免电机之间出力不均衡而引起部分电机过载。
4．NFM盾构机刀盘驱动系统的控制结构及方式
NFM土压平衡盾构机的刀盘控制系统分别选用施耐德Modicon Preminumm PLC、西门子S7-300PLC和西门子S120变频器。变频驱动控制系统采用“一拖一”的控制结构，变频电机通过PLC控制器与变频器通讯来控制，PLC把速度和扭矩同时传送给各个变频器，同时又接受各个变频器的各种参数，刀盘变频驱动控制结构如图1所示，控制概述如图2所示。
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图1 刀盘驱动控制结构图
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图2 控制概述图
在多种控制方式中，NFM土压平衡盾构机选用“主从同步控制”的方式来控制9个电机，在整个刀盘驱动控制系统中，共设有两个主电机，分别为1号电机和8号电机（其中一个为备用），这两个主电机上都装有旋转编码器。在刀盘运动时，选用两个电机中的一个作为当前主电机，其余电机则为从属电机。在这种控制方式里，主电机接受给定的输入信号，而主电机的输出转速值作为从电机的输入转数值，即从电机能够反映并且跟随任何加在主电机上的速度指令。这种控制方式，所有从电机给定信号都来源于唯一的主电机，可以保证输入力矩的平衡。虽然从电机的速度不能反馈到主电机上，但对于盾构机同轴负载来说已经足够满足同步及力矩平衡的要求。
5．NFM盾构机刀盘变频驱动的控制特点
刀盘驱动负载是随开挖仓地层土质状况改变而变化的，在硬岩地层和软土地层中，刀盘切削所需要的切削力矩及转速差异较大。在硬岩地层中掘进时通常需要刀盘高速小扭矩，在软土中掘进时通常需要刀盘低速大扭矩。因此刀盘驱动系统就需要在低速时，刀盘的扭矩可以恒定不变，即恒转矩控制；在高速时，刀盘的功率可以恒定不变，即恒功率控制。NFM盾构机刀盘速度与转矩的控制曲线如图3所示。
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图3 刀盘转速与转矩曲线
6．刀盘驱动系统常见故障及解决措施
（1）刀盘扭矩到80％容许值并持续超过5s，或刀盘扭矩达到容许值150％时，所有刀盘驱动电机会立即停止工作并发出报警提示。出现刀盘停止现象须立即停止掘进，检查造成扭矩大的原因，常见故障及解决措施有：刀盘贯入度较大造成扭矩较大，可适当提高刀盘转速或者降低掘进速度减少刀盘扭矩；刀盘因刀具磨损较大，需根据地质情况采取相应措施，更换磨损刀具；因地质变化导致扭矩增加，可适当调整掘进参数，改良渣土性能，增大泡沫剂注入或其他渣土改良剂的注入；刀盘刹车故障导致刹车未及时打开，需检查刀盘刹车系统；刀盘出现突然扭矩增加随后正常则需检查刀盘控制系统，重点检查刀盘电机编码器及其相应控制电缆是否损坏。
（2）刀盘密封圈温度超过60 ℃，所有刀盘驱动电机将停止工作。出现该故障时应及时检查刀盘润滑系统进行故障排除；刀盘整体土仓温度较高亦会导致密封圈温度高，应检查土仓内刀盘是否结泥饼；因主轴承齿轮油温度过高导致的刀盘密封圈温度高需检查刀盘齿轮油冷却系统是否出现故障。
（3）变频器电源中断时或出现不正常的状态时，刀盘驱动电机将不能转动。出现该故障时，应检查造成变频器电源中断原因后再及时恢复变频器工作。
（4）工作舱内的安全确认开关处于打开（ON）状态时，刀盘驱动电机不能转动。此时应检查土仓内情况确保土仓内工作完成后关上仓门再恢复盾构掘进。
（5）仿形刀处于收缩行程的末端时刀盘驱动电机才允许启动。可检查仿行刀位置，是否处于伸出状态，若仿形刀伸出则应将仿行刀缩回后再旋转刀盘。
7．结束语
刀盘变频控制是盾构机的关键技术之一，本文结合NFM盾构机的刀盘驱动设计，全面介绍了盾构机刀盘变频驱动控制结构、方式及控制原理并介绍了刀盘驱动系统常见故障及解决措施，希望给同行带来一些参考。
参考文献
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【3】王胜勇．盾构机刀盘驱动研究［J］．城市道桥与防洪，2007（12）：95-96．
论文作者:于祥涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年7期
论文发表时间:2019/7/11
标签：盾构论文; 电机论文; 扭矩论文; 变频器论文; 负载论文; 系统论文; 速度论文; 《建筑学研究前沿》2019年7期论文;