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摘要：盾构/TBM刀盘驱动系统是盾构机关键系统之一，盾构/TBM的刀盘驱动是由多个电机或马达共同来完成的，由于负载的特性没有预知性，所以只有多个电机或同步运行，才能确保机械受力均匀和一致，才能实现盾构的安全稳定运行，一旦刀盘驱动电机或马达出现不同步现象，对设备性能和工程施工造成很大影响。本文介绍了一台大直径土压盾构因主驱动不同步导致设备运行困难的原因及处理方法，为类似盾构故障提供参考。
关键词：盾构/TBM，同步控制，不同步，故障，原因
0 引言
盾构/TBM刀盘主驱动单元的圆周分布着几台驱动电机，这些驱动电机通过安装在轴上的小齿轮与回转大齿轮啮合，刚性的连接成一个整体，从而驱动整个刀盘。驱动电机的数量和功率随设备的类型和大小而有所不同，一般为6-20台电机。要使盾构机驱动系统安全可靠的工作，每台电机的负荷必须均衡，因此驱动电机必须同步运行。一旦主驱动电机出现不同步现象，因单个电机负载集中，就会出现整体系统停止工作、保险轴断裂及电机损坏等故障的发生。
1 故障现象
用于某项目施工的大直径土压平衡盾构机在掘进过程中出现刀盘突然跳停现像，变频器复位后仍出现跳停现象。经检查发现，主驱动电机2#、4#、8#变频器保险击穿，1#、3#、6#、9#主电机安全销被切断，对损坏的配件更换后刀盘仍出现频繁跳停现象。
2 刀盘控制方式介绍
2.1刀盘系统
刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。虽然盾构机刀盘工作转速要求不高，然而由于地质构造复杂、刀盘作业直径大，因此要求刀盘的驱动系统应具备以下特点：大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调，在满足使用要求的前提下需具有减小装机功率、节能降耗等工作特点。刀盘作为盾构机的主驱动系统必须具有高可靠性和良好的操作性能。
盾构机上主驱动通常靠变频水冷电机驱动，刀盘速度可调，具有较大的扭矩储备和较高的传动效率，能源消耗低，节省电力费用。盾构机刀盘变频驱动系统工作原理图如图1所示。变频电机驱动可在0-100Hz范围内调速达到全额扭矩，电动机功率恒定。变频电机驱动的优点是：启动电流小、效率高、调节环路的反应好、配备的标准感应变频电机维修简单、噪音低、冷却性能好、可改善环境温度。这种方式便于盾构机的使用和保养，在更换刀具时，刀盘转动可随时停止在现场需要的角度，可以通过改变相序，非常方便地来改变刀盘的转动方向。近年来，随着对变频技术和设备的开发，使得这种方式的应用越来越广泛。
图1 刀盘驱动控制原理图
采用变频调速驱动时，每台电机都需要配置单独的变频器，其目的是在主变频器不工作时，盾构机仍能正常运行，从而保证了刀盘驱动的平稳性。在性能及控制上，要求各变频器之间信号交换时间要降到最短，以保证它们之间的同步性。驱动电机上应装有扭矩限制器以保护主驱动器不受尖峰扭矩的损坏，并保证其在扭矩限制器动作后及时复位。
2.2盾构机刀盘多电机同步控制系统的构成
刀盘驱动控制系统由PLC和变频器及其围辅助电路构成，图2为六台电机的控制系统的结构框图。盾构机刀盘驱动系统采用西门子s7-400PLC为主控器件，采用施耐德Mxeco系列的PLUS250/3153Xpcs的变频器为驱动器件。
图2刀盘驱动同步控制系统
PLC为上位控制器，通过模拟量控制变频器输出频率进而控制每台电机的速度。变频器通过增量式旋转编码器构成闭环矢量控制方式，旋转编码器的监测信号同时通过PLC的高速数据通道接PLC，从而形成速度双闭环控制。
由于每台电机的编码器信号均需接入PLC，对PLC的计数通道要求度多，s7-400PLC采用模块化设计，利用功能模块FM450-1可方便的接入多路编码器信号。
3 原因分析
因盾构机刀盘频繁出现停机现象，严重影响了施工进度，对此故障进行了排查。为查明故障情况，首先开仓对对刀盘进行了检查，未发现任何异常；然后对盾构掘进参数进行了分析，再对掘进参数分析过程中发现，刀盘转速和额定扭矩远低于设定数值的情况下，也出现刀盘跳停的情况。为此对刀盘控制系统重新进行了研究和分析，刀盘调停主要有两种情况：一是单个电机的电流超过80%刀盘就会报警，达到120%刀盘就会跳停；二是当任意两个驱动电机扭矩相差过大超过5%时，也会出现刀盘调停现象。
通过对掘进参数分析，发现刀盘跳停时驱动扭矩均小于80%，但发现每次刀盘跳停均有几个电机扭矩相差超过5%，如图3所示，1号主驱动电机扭矩为45%，9号和11号主驱动电机扭矩均为39%，扭矩相差6%，可得刀盘调停是由刀盘驱动电机不同步导致。
图3 刀盘驱动电机电流显示
根据盾构机故障情况、初步原因分析，并结合盾构机刀盘驱动控制原理可知导致刀盘驱动不同步的原因主要为以下几个方面：
1）变频器散热不良
对变频器冷却水压进行了测试，水压为2.8bar，低于设计水压4.0bar，冷却水压力不足，出现冷却效果不良现象。
2）电流互感器存在误差
引起盾构主驱动不同步的主要原因为电流互感器存在误差，导致采集到的电流信号出现差异，带有误差的电流信号反馈给变频器，使变频器的输出产生错误，导致出现主驱动电机不同步问题。
4 故障处理
1）优化电流互感器
变频器的控制机制中，电流信号采集、反馈环是非常重要的环节，如果电流互感器的反馈值不准确将直接影响变频器的控制。变频器中的很多保护也是以输出电流为基准值，电流互感器的值如果不准确将可能引起变频器的误动作进而导致整个系统的可靠性降低。为此对11台变频器电流互感器进行了校准，确保输出电流参数一致。
2）加强变频器散热能力
对11台刀盘驱动变频器冷却水压进行了检测，对压力低于4.0bar的冷却系统全部进行了补加冷却水并确保水压为4.0bar。
通过对变频器电流互感器进行校准和加强变频器散热能力，解决了刀盘驱动电机不同步问题，在后续施工中未出现类似问题。同时，为防止类似问题的出现，对主驱动控制系统日常保养工作进行了加强。
参考文献：
«盾构机构造及应用»作者吴巧玲 人民交通出版社
«电气控制与PLC原理及应用»作者李道霖 电子工业出版社
论文作者:何勃
论文发表刊物:《基层建设》2018年第11期
论文发表时间:2018/6/7
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