大直径盾构机刀盘驱动系统

大直径盾构机刀盘驱动系统 RMCM本刊特稿SpecialStory 大直径盾构机刀盘驱动系统 石元奇,庄欠伟,吕建中上海隧道工程股份有限公司,上海200235 田引言 盾构机全称为盾构隧道掘进机, 是集机械,电器,液压,测量,控制 等多学科技术于一体,专用于地下隧 道工程开挖的技术密集型重大工程装 备.与传统的隧道掘进技术相比,盾 构法施工具有安全可靠,机械化程度 高,工作环境好,土方量少,进度 快,施工成本低等优点.在地质条件 复杂,地下水位高而隧道埋深较大 时,隧道掘进只能依赖盾构法…. 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.虽然盾构的刀盘工作转速不高, 但由于地质构造复杂,刀盘作业直 径较大,要求刀盘的驱动系统具备大 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 下减小装机功率,节能降耗等工作特 点.刀盘的驱动系统必须可靠性高, 操作性能良好.刀盘的驱动方式主要 有液压驱动和电机驱动2种. ?刀盘液压驱动方式 刀盘液压驱动方式根据液压回路 形式可以分为开式液压回路驱动和闭 式液压回路驱动,根据调速方式可以 分为阀控节流调速,变量泵容积调速 和变频电机定量泵容积调速. 图1所示液压系统为开式液压回 路,调速方式采用的是变量泵容积调 速.它可适应2种工况,即软岩工况 时的低速大扭矩和硬岩工况时的高速 小扭矩,这2种工况的转换可通过控 制二位四通电磁换向阀来实现.当电 磁铁B失电时,由低压溢流阀来确定 系统最大压力,t~La,1系统压力调定为 1OMPa,输出扭矩小,但流量大(最 大流量可J2k_300L/min),输出转速 高,可适应硬岩工况:当电磁铁B通电 时,则由高压溢流阀来确定系统最大 压力,此时系统压力调定为20MPa, 输出扭矩大,但流量小,输出转速 低,可适应软岩工况. 刀盘转速的调节通过调节变量泵 的排量实现,压力传感器通过梭阀检 测液压马达的进油口压力,压力信号 经处理后反馈到变量泵的比例阀上, 构成闭环控制系统.变量控制机构使 得泵的排量在其整个范围内可无级调 节,并与比例电磁铁的控制电流成比 例.液压马达的正反转可通过三位四 基金项目:国家863高技术研究发展资助项I~1(2007AA041805) ??-18 l, 一 _ll一 - lll, …一 一 .0 一- 0ll .l _ 一 一 _一 l 一?一 ? SpecialStory本刊特稿 通电液换向阀来控制,电磁铁A1通 电,马达正转,电磁铁A2通电,马达 反转.单向阀建立系统最低的控制油 压力,该阀开启压力约为0.85MPa. 液压驱动方式启动扭矩小,可以 带载启动.液压驱动方式与电驱动方 式相比,其微动操作性及同步性好, 停止精度高,多个液压马达并联驱 动,根据液压油压力自适应原则,多 个马达可以实现很好的同步.液压驱 动方式与电驱动方式相比也存在一些 不足,如效率低,噪音高,液压油泄 露对环境有污染等.由于放置液压泵 站和液压油箱,其后续台车较长.总 之,液压驱动方式技术成熟,操作性 好,比较实用.随着盾构直径的增 加,盾构刀盘驱动扭矩成倍增加. 若盾构直径大于9m,称为大直径盾 构:若直径大于14m,则称为超大直 径盾构.这时,若驱动系统采用液压 系统,则功率损失比较大,效率比较 低,后配套液压系统更加庞大,维修 保养更加复杂. 目刀盘电机驱动方式 电机驱动方式又分为单速电机驱 动方式,双速电机驱动方式和变频电 机驱动方式. 单速电机驱动方式不能调节速 度,并且不能带负载启动,需要增加 磁粉离合器.启动时,通过磁粉离合 器将电机输出轴与刀盘驱动/J,齿轮轴 分离,进行无负载启动.这种由 于近年来在投入和功能的比较上越来 越缺乏竞争力,因此较少使用. 双速电机驱动方式是通过改变定 子空间磁极对数的方式改变同步转 速,从而达到调速的目的.在恒定频 率情况下,电动机的同步转速与磁极 对数成反比,磁极对数增加一倍,同 步转速就下降一半,从而引起异步电 动机转子转速的下降0. 双速电动机定子绕组常见的接法 有Y/YY和?/,,Y两种.图2所示为4极 ?/,/Y的双速电动机定子绕组的接线 图.在制造时每相绕组分为2个相同 的绕组,中间抽头依次为U2,V2, W2,这2个绕组可以串联或并联. 根据变极调速原理——"定子一 半绕组中电流方向变化,磁极对数成 倍变化",图2(a)将绕组的U1,V1, RMCM W1三个端子接三相电源,将U2, V2,W2三个端子悬空,三相定子绕 组接成三角形(?).这时每相的2 个绕组串联,电动机以4极运行,为 低速.图2fb)将U2,V2,W2三个端 子接三相电源,U1,V1,W1连成星 点,三相定子绕组连接成双星(YY) 形.这时每相2个绕组并联,电动机 以2极运行,为高速.根据变极调速 理论,为保证变极前,后电动机转动 方向不变,要求变极的同时改变电源 相序. 图3所示为4极的双速交流异步 电动机控制电路. 图3中,合上电源开关QS,按下 低速启动按钮SB2,接触器KM1线圈 得电并自锁,KM1的主触点闭合, 电动机M的绕组连接成?形并低速运 转.由于SB2的动断触点断开,时间 继电器线圈KT不得电. 按下高速启动按钮SB3,接触器 KM1线圈得电并自锁,电动机M连接 成?形低速运转;由于SB3是复合按 钮,时间继电器KT线圈同时得电吸 合,KT瞬时动合触点闭合自锁,经 过一定时间后,KT延时动断触点分 断,接触器KM1线圈失电释放,KM1 主触点断开,KT延时动合触点闭合, 接触器KM2,KM3线圈得电并自锁, KM2,KM3主触点同时闭合,电动机 M的绕组连接成YY形并高速运转. 显然,这种调速方法只能一级一 级地改变转速,而不能平滑地调速. 这种方法具有以下优点:结构简单, RMCM本刊特稿SpecialStory 可靠性强:具有较硬的机械特性,稳 定性良好无转差损耗,效率高;接 线简单,控制方便,价格低.但它也 有缺点,与单速电机一样不能带负载 启动,同样通过磁粉离合器的分离和 结合来实现无负载启动和正常工作. 双速电机控制方式可以实现有级调速 但不能进行无级调速.但对于变化不 大的地质而言,采用双速电机也是合 适的.双速电机驱动常用于小直径地 铁盾构中. 变频电机驱动可在0,1O0Hz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.但其控制部分要求具备一定 的工作环境,需要解决环境潮湿的问 题.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.这种方式便于盾构机的使用和 保养,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. 采用变频调速驱动时,每台电机 都应配置自己的变频器,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. 变频调速驱动时,其同步性控制 方式通常有2种:一是测量所有电机 转速,取平均速度为目标值,所有变 频电机速度向目标值(平均速度) 接近,如图4所示:二是刀盘运行 时,在多台电机中设1台电机为主控 电机,主控电机跟踪系统设定速度. 将主控电机运行时的实际转矩作为其 他若干台电机的力矩设定值,即从控 电机跟踪主控电机的转矩值,如图5 所示. ??_20 目结语 刀盘的液压驱动和电机驱动各有 优,缺点,其对比如表1所示.液压 驱动方式起步早,技术相对成熟,同 步性能好,可以带载启动,无级调 速,比较适合于小直径的地铁盾构 中.随着盾构直径和系统功率的增 大,液压油箱和泵站日趋庞大和复 杂,系统的能量损失更大,系统维修 保养更加复杂.大直径盾构不推荐 使用液压驱动方式. 单速电机驱动方式功能单一,因 此较少使用.双速电机驱动方式功能 简单,价格低廉,常应用于地铁盾构 中.变频电机驱动方式综合了液压驱 动方式和双速电机驱动的优点.其 具有液压驱动方式的以下优点:带载 启动,无级调速,同步性能较好,并 表1刀盘驱动方式优,缺点对比 且没有液压驱动方式液压油污染,后 配套台车大的缺点:同时又具有双速 电机驱动方式效率高,维修保养方便 的优点,并且克服了双速电机驱动方 式不能无级调速的缺点.变频电机 驱动技术日趋成熟,更适合大直径盾 构机.回 ?庄欠伟土压平衡式盾构电液控制系统集成技 术及其应用_D].杭州:浙江大学,2005. 『2J胡国良,龚国芳,杨华勇,等盾构掘进机模拟试 验台液压系统集成及试验分析D1农业机械学 报,2(XB.36(12):102—105 刘锦波,张承慧电机与拖动IM】.北京:清华大学 出版社,2006 [4J杨华勇,龚国芳盾构掘进机及其液压技术的 应用?]液压气动与密封,2(X)4,24(1):27—29 [5]余佑富盾构推进电液控制系统研究【D】l杭州: 浙江大学,2006 ?巨iEi置jl田p譬jim_融獭强噩硼醐l甄-?蟹弱弱瑶亚跚酎睦疆 带载启动可以不可以不可以可以 调速可以不可以可以可以 无级调速可以不可以不可以可以 效率低高 同步性能好较好较好较好 液压油污染有无无无 配套车架大小小较小 价格高低较低较高