盾构机刀盘变频驱动控制研究
盾构机刀盘驱动控制系统分析和使用
盾构机刀盘驱动控制系统分析和使用[摘要] 刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分，本文分析了国内盾构机中刀盘常用的几种典型的驱动方式，结合广佛地铁十二标中罗宾斯盾构机的刀盘驱动系统进行重点分析。
并使用GX Developer和GT Designer2进行联合仿真，分析其控制过程，供施工人员进行学习检修作参考。
[关键词] 盾构机；刀盘驱动；PL前言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并不高，但是由于广佛地铁十二标地质构造复杂、刀盘作业直径较大。
要求刀盘的驱动系统需具备: 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，具备节能降耗等工作特点。
盾构机中主要使用三菱电机自动化生产的Q2大型PLC进行分布式控制，各个部分在控制系统中分工明确，整个控制系统具有一定的复杂性。
因此，刀盘的驱动系统以及控制系统必须具有高可靠性和良好的操作性能。
通过使用GX Developer 和GT Designer2进行联合仿真可以很好地克服整套大型设备难以开展调试、学习、检查等工作的缺点。
1刀盘驱动系统分类刀盘驱动系统是盾构机的主要系统之一, 分析盾构机刀盘驱动系统液压驱动方式和电驱动方式, 并对两种驱动方式进行了优缺点比较,结果如表1-1所示。
表1-1 驱动方式优缺点对比表驱动形式特点电机驱动能源使用效率高，噪音小，价格上比液压驱动具有优势，但是在前盾中占用空间比较大。
液压驱动起动力矩大，容易同步控制，效率低，噪音高。
前盾内空间宽敞，后续台车配套设备所占空间比较大。
虽然液压控制在控制精度以及起动转矩方面有一定的优势，但是随着异步电机变频控制技术的发展和完善，在刀盘驱动中使用电机驱动技术更加符合生产和设备使用和维护实际情况。
刀盘采用电机驱动将会越来越普遍。
2刀盘电驱动分析电驱动方式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，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。
ATV71变频器在盾构机刀盘驱动中的应用
AT V71变频器在盾构机刀盘驱动中的应用郁陈华(施耐德电气中国投资有限公司,上海200233)摘要:盾构机刀头由多个电机共同驱动,控制电机的变频器必须保证负载能在多个电机之间平衡。
同时,盾构机施工地点环境较差,环境温度高,粉尘污染严重。
介绍了施耐德电气AT V71变频器及在盾构机刀盘驱动中的应用。
描述了刀盘驱动对于电机控制的具体要求,并论述了如何利用A T V 71内置的功能设计实现这些要求。
同时,描述了如何合理设计变频器的控制机柜来适应盾构机的特殊使用环境。
经过数个工程的实践,证明上述方法能很好地满足变频器在盾构机应用的要求。
关键词:盾构机;负荷平衡;防护中图分类号:T P29 文献标识码:BApplication of ATV71on C utter Head of Tunnel Boring MachineY U Chen hua(Schneider Electr ic (China)I nv es tment Co.Ltd ,S hang hai 200233,China)Abstract:T he cutt er head of t unnel boring machine is driven by multi moto rs.T he A C dr ive o f t hese mo to rs must guarantee that the t orque betw een different moto rs is w ell balanced.A t the same t ime,t he environ ment of tunnel bo ring machine is harsh,t he temper ature is high and ther e is heavy dust pollutio n.T he applica tion of A T V71o n cutt er hear d of tunnel bor ing machine was intro duced.T he requir ements to the drive co ntr ol of mot or o f the cutter head was described and discussed ho w to use the int eg r at ed functio n in AT V71to design the appro pr iate driv e co ntr ol system to meet these r equirements.A t the same time,the questio n o f ho w to de sig n the panel to adapt the special env iro nment in tunnel bor ing machine w as also discussed.T he practice o f sev eral pr ojects prov e that this so lutio n can meet the requir ement o f tunnel bor ing machine.Key words:tunnel bor ing machine;load shar e;prot ection against to ug h env iro nment作者简介:郁陈华(1971-),男,研究生,工程师,Email:chenhua.yu@schneider 1 引言盾构隧道掘进机(盾构机)是一种隧道掘进的专用工程机械。
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术一、盾构机的主驱动技术盾构机的主驱动技术是指盾构机的推进系统和主要驱动部件，包括主推进缸、液压系统、主驱动电机等。
在地下隧道掘进作业中，盾构机需不断推进并对土壤进行开挖和排土，因此主驱动技术的稳定性和可靠性对盾构机的工作效率起着至关重要的作用。
目前，盾构机主驱动技术的发展趋势主要体现在以下方面：1. 高效节能。
盾构机主驱动系统的节能技术是目前的研究重点之一。
通过液压系统的优化设计和高效能电机的应用，实现盾构机主驱动系统的节能降耗，降低使用成本。
2. 智能化控制。
随着自动化技术的不断发展，盾构机的主驱动系统也在朝着智能化方向迈进。
通过对主驱动系统的传感器监测和控制算法的优化，实现盾构机主驱动系统的智能化控制，提高工作效率和安全性。
二、刀盘管路优化技术刀盘是盾构机的主要开挖装置，刀盘管路是刀盘输送土屑和排土的重要环节。
刀盘管路的优化设计能够有效提高盾构机的工作效率和安全性。
1. 输送效率的提高。
通过对刀盘管路的结构和材料的优化设计，减小土屑和排土的阻力，提高刀盘的开挖效率。
采用适当的输送介质和布置方式，减小土屑的堵塞和积压，提高土屑的输送效率。
2. 排土系统的安全性。
盾构机在进行掘进作业时，需要将土屑及时排出隧道，以保证盾构机正常工作。
因此排土系统的安全性对盾构机的工作效率和人员安全起着至关重要的作用。
刀盘管路的优化设计应该考虑排土系统的稳定性和可靠性，避免发生积土、堵塞等意外事故。
3. 输送管道的磨损控制。
在长时间的使用过程中，刀盘输送管道会受到土屑的磨损，降低输送效率。
需要通过材料的选用和管道结构的优化设计，减少管道的磨损程度，延长刀盘输送管道的使用寿命。
1. 节能环保。
随着能源资源的日益紧缺和环境保护意识的增强，盾构机主驱动和刀盘管路优化技术将更加注重节能环保，采用新型的高效能、低排放的动力装置和输送介质，以降低盾构机的运行成本并减少对地下环境的影响。
3. 高可靠性。
EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统的研究的开题报告
EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统的研究的开题报告一、研究背景及意义盾构机是城市基础设施建设中常用的隧道开挖工具。
在盾构机中，刀盘是其核心部件，负责破碎地层。
现有盾构机刀盘结构主要分为钻头式和剪刀式两种。
随着市政隧道规模的加大，传统刀盘结构往往难以胜任重负、高效等需求，因此提高刀盘的性能表现和效率迫在眉睫。
本研究旨在对新型EPB盾构刀盘液压驱动系统和刀盘结构进行深入研究，探讨其升级改造后的性能表现和适用性，以期为城市基础设施建设提供更高效、可靠的盾构机设备。
二、研究内容及方法（一）研究内容1.分析现有EPB盾构刀盘结构存在的问题，针对性提出改进措施。
2.设计新型EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统，并开展模拟仿真与试验研究。
3.对比新旧刀盘结构的性能表现及适用范围，总结新型刀盘的优势。
（二）研究方法1.文献资料调研法，分析现有EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统的发展历程、技术特点、应用范围等。
2.试验研究法，设计和制作新型EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统样机，并在实验室中进行模拟仿真和试验。
3.数据分析法，对比新旧刀盘结构的性能表现，在试验结果的基础上总结新型刀盘的优势。
三、预期结果及意义通过本研究，将可以改进现有EPB盾构刀盘结构的局限性，提高其在城市基础设施建设中的使用效率和适用范围。
同时，新型的EPB盾构刀盘结构及其液压驱动系统具有较高的科技含量，将可以成为相关行业的技术创新亮点，拓宽研究者的研究领域和研究深度。
此外，本研究也将为相关企业提供技术支持，促进盾构机设备制造行业的发展。
浅谈NFM盾构机刀盘驱动系统控制
浅谈NFM盾构机刀盘驱动系统控制摘要：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。
盾构机刀盘主驱动变频最优控制第二阶段
盾构机刀盘主驱动变频最优控制第二阶段1、概述在第一阶段方案设计完成以后，北方重工全断面掘进机国家重点实验室的3米试验机开始进入安装和调试阶段。
我们利用3米试验机这个平台，按照第一阶段的技术方案，进行了一系列的刀盘变频驱动的实验，收集了一些实验数据。
通过对比分析可以得出各种控制方法的有了更深的理解。
2、实验设备组成整个刀盘变频主驱动由西门子s7400 plc通过Profibus现场总线连接到变频器s120的控制单元CU320-2DP上，每个CU320-2DP可以最多可以控制6个变频电机。
4台30KW的水冷主驱动电机，分别由4台55KW的逆变器供电。
逆变器所需的直流电压由一台整流单元供给。
逆变器和CU320-2DP之间通过DRIVE-CLiQ电缆连接，可以保证控制单元和逆变器之间进行快速的数据交换。
S7400plc发出刀盘的启停命令和速度给定通过profibus-dp传送到控制单元CU320-2DP上，控制单元根据不同的算法，控制逆变器的输出频率来控制电机的转速。
详细的结构图如下：3、实验数据的采集及分析按照第一阶段的技术方案，对刀盘主驱动的3种同步控制方式进行试验。
3.1V-F频率控制方式：V-F频率控制方式是一种最简单的变频器控制方法，是一种开环控制策略。
采用这种控制方式下，主驱动的4台变频电机在控制上是完全独立的，只是在机械安装上是要求机械同步的。
变频器接收到plc信号后，根据给定值给出一个固定的输出频率，电机在这个转速下运行。
这4台电机的负荷平衡就得靠电机本身的滑差特性来进行补偿。
控制框图如下：通过计算图形可以看出，电机的电流波动范围在21.5A～23A的范围之内，波动比较大。
总体来看各个电机的电流相当。
3.2转矩主从的同步控制：转矩主从控制是一种典型的同步控制方式，4台电机中有一台电机为主电机，其余3台电机为从电机。
主电机的控制方式速度控制，从电机为转矩控制，主电机的电流环输出作为从电机的转矩给定值。
盾构机刀盘的变频控制
计 算机 光盘 软件 与应 用
２ １ 第 ４期 ０ ２年
Ｃｍ ｕ ｅ Ｄ Ｓ ｆｗ ｒ ｎ ｐ ｌ ｃ ｔ ｏ ｓ ｏ ｐ ｔ ｒＣ ｏ ｔ ａ ｅａ ｄＡｐ ｉ ａ ｉｎ 工 程 技 术
盾构机刀盘的变频控制
李 驰 ，朱 岩 北方重 工集团有 限公 司盾构机 分公司 ，沈 阳 Ｉ０ ４ ） １１ １
ｃ ｉ ｄ ｒ ｏｐ ｈ， ｔ ｅｓ ｌ ｉ ｅｉ ｃ ｎ ｂ ｉｄ ｔｅｒｎｇ ｙｌｎ ｅ ｓｔ ｕｓ ａ ａｎｅｔｍ ｔ ａ ｕ ｌ ｈ ｉ ，ｍａ ｅａｃ ｍ ｐ ｅｅｔ ｎ １ Ｏｎｔ ｅｍ ａ ｈｉｅ ｔ ｅｃ ｔｅ ｅ ｄｉ ｒ ｍｐｏ ｔｎ ， ｈ ｔ ｋ ｏ ｌｔ ｕｎ ｅ ． ｈ ｃ ｎ ， ｕ ｒｈ ａ ｓｖｅｙ ｉ ｈ ｒａ ｔ
［ 朝
备 。具有 开挖 速度 快 、质 量高 、人 员 劳动 强度 小 、安全 性高 、对
地表 沉 降和 环境 影 响小等 优 点 ，与传 统 的钻爆 法 隧道 施工 相 比具
开题报告(盾构机刀盘液压驱动与控制系统研究)
制盾构机掘 过控制预测， 土压平衡式
进方向的系 利用调节力 盾构机，每
统。
矩大小适当 分钟推进速
修正偏差。 度达60毫米。
二、国内外研究现状
盾构刀盘驱动液压系统
日本TAMAKI SHOJI和KATO MINORU于1994年申请的“盾构 掘进机的液压驱动技术”中为了提高液压系统的工作效能， 该系统通过一个齿轮驱动装置，实现了将某一失效的液压 马达的压力能转移到其它正常液压马达侧。
随着经济的发展，许多 地下工程建设，包括地 铁，市政，铁路，公路， 水利，矿山等会需要大 量的盾构隧道掘进机。
一、研究背景及意义
盾构机刀盘液压驱动与控制系统
盾构掘进机的关键技术主要 集中在欧，美和日本等少数几 个发达国家，我国也有几家企 业对盾构掘进机的开发作了有 益的探索，并取得了一些成果， 但与我国经济发展水平相比， 盾构技术发展相对较慢，还不 能满足国内工程建设的需求。
随着经济的发展，发展我国的 盾构技术已成当务之急，必须在 引进，消化，吸收国外先进技术 的基础上认真分析制约我国盾构 技术发展的关键性瓶颈，并组织 力量，联合攻关，以加速我国盾 构机的发展。
盾构机核心厂 商
海瑞 克
川崎
三菱 重工
一、研究背景及意义
刀盘液压驱动
具有良好的抗冲击能力 过载保护能力好 可靠性高，成本低
六、目录及参考文献
2.2 多泵组合液压驱动系统主要参数设计 2.2.1刀盘扭矩与系统压力设计 2.2.2系统流量与刀盘转速设计 2.2.3恒功率控制参数设计 2.2.4闭式回路换油和冷却设计
2.3 本章小结 第3章 多泵组合液压驱动系统仿真研究
3.1 AMESim软件简介 3.2 液压系统仿真模型建立 3.3 液压系统仿真参数设计
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术盾构机的主驱动技术是影响整个盾构机性能的关键因素。
主驱动技术的优化可以提高盾构机的推进速度、提高施工效率，并有效控制盾构机的运行成本。
1. 电动机系统的优化在盾构机的主驱动系统中，电动机是最核心的部件。
通过优化电动机系统，可以降低能耗、提高输出功率、增强稳定性和可靠性。
目前，随着电机技术的不断发展，高效、低噪音、低能耗的电机已成为主流选择。
采用变频调速技术可以使盾构机在不同地质条件下有更好的适应性，提高推进效率。
盾构机的推进主要依靠液压系统，因此液压系统的优化对于盾构机的推进性能至关重要。
在液压系统的设计中，需要考虑流量、压力、温度等因素，选用高效、稳定的液压元件，优化管路布局和配比，以确保盾构机的稳定推进。
盾构机的控制系统是其“大脑”，对于整个机器的操作和安全至关重要。
通过优化控制系统，可以实现盾构机的智能化、自动化和远程控制。
控制系统的优化还可以降低操作难度、提高施工精度和可靠性。
二、刀盘管路优化技术刀盘是盾构机推进的关键设备，其管路系统的优化对于盾构机推进效率和质量都有着重要的影响。
1. 优化刀盘结构刀盘结构直接影响刀盘的切削性能和耐磨性。
通过优化刀盘结构，可以提高切削效率、延长刀具使用寿命。
目前，一些先进的刀盘结构设计采用了多层次、多角度的刀片布置，以增加刀片的受力面积和切削角度，提高切削效率和稳定性。
2. 输送系统优化刀盘的切削作业离不开输送系统的支持。
输送系统的优化影响着切削碴的处理和盾构机的推进速度。
通过优化输送系统的设计和布局，可以降低碴料的粘结和回填，提高碴料输送的效率和稳定性。
在盾构机施工中，泥浆系统是用来控制地层稳定和润滑切削的重要系统。
泥浆系统的优化可以改善地层稳定性，减少切削阻力，减少刀盘磨损，提高切削效率。
优化的泥浆系统还可以降低泥浆消耗，减小对环境的影响。
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的发展对盾构机的施工效率、安全性和环保性都有着重要的影响。
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术盾构机是一种在土壤或岩石中进行隧道开挖和建设的专用设备，是现代城市地下工程建设和地下管线铺设的重要工具。
而盾构机的主驱动和刀盘管路优化技术是盾构机性能提升和工程质量保障的关键之一。
一、盾构机主驱动技术主驱动是盾构机的核心部件，其作用是通过动力装置将动力传递给刀盘，驱动刀盘进行钻进。
盾构机主驱动采用的传动方式主要有液压驱动、电动驱动和内燃机驱动等多种形式。
1.液压驱动液压驱动是目前盾构机主要的驱动方式之一，其优点是传动平稳、能量转换效率高、响应速度快，具有适应性强等特点。
液压系统还可以实现多轴同步控制，有利于盾构机的精确掏土和定位。
2.电动驱动电动驱动是另一种常见的盾构机主驱动方式，通常采用交直流电机作为动力源，通过齿轮传动将动力传递给刀盘。
电动驱动具有动力大、速度可调、响应灵敏等特点，适用于地铁隧道、城市管线等工程。
3.内燃机驱动内燃机驱动是盾构机主驱动的传统形式，通过内燃机将燃油燃烧产生的能量传递给刀盘，驱动刀盘进行开挖。
内燃机驱动具有功率大、适应范围广等特点，适用于硬岩、长距离等特殊工况。
盾构机主驱动技术的发展趋势是高效化、智能化和环保化。
未来，盾构机主驱动将更加注重能源利用效率，提高动力装置的精度和可靠性，实现更高的工作效率和更低的排放。
随着自动化技术和智能控制技术的发展，盾构机主驱动系统将实现自动化协调、智能调节和远程监控，为地下工程建设提供更便捷、高效的解决方案。
二、刀盘管路优化技术刀盘是盾构机的开挖工具，其运行状态直接影响着开挖效率和质量。
为了提高刀盘的工作性能，刀盘管路的优化设计显得尤为重要。
刀盘管路优化技术主要包括刀盘结构设计、刀具选择、刀具布置以及刀盘动力传递等方面。
1.刀盘结构设计刀盘结构设计是刀盘管路优化的关键内容。
刀盘应具有足够的刚度和强度，以承受切削力和冲击力，并保证开挖的稳定性和安全性。
刀盘还应具有良好的自清洁性和降阻减振性能，以减少切削阻力和延长刀具使用寿命。
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术【摘要】盾构机主驱动和刀盘管路优化技术在地下隧道施工中扮演着关键角色。
本文首先介绍了这项技术的意义和发展背景，指出其在提高盾构机施工效率、减少能耗、保障施工安全等方面的重要作用。
接着详细分析了盾构机主驱动系统、刀盘管路系统的优化技术，并探讨了它们之间的协同优化和智能化应用。
通过案例分析验证了这些技术的实际效果。
展望了盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的未来发展方向，总结了其重要性，展望了其市场前景。
该技术的不断创新和应用将进一步推动盾构机施工领域的发展，为地下工程建设提供更加高效可靠的解决方案。
【关键词】盾构机主驱动、刀盘管路、优化技术、系统、协同、智能化、案例分析、未来发展、重要性总结、市场前景、发展背景、意义。
1. 引言1.1 盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的意义盾构机是一种用于地下隧道掘进的重要设备，主驱动和刀盘管路是盾构机的核心系统。
优化这两个系统的技术对于提高盾构机的掘进效率、降低设备运行成本、保障工程安全具有重要意义。
盾构机主驱动系统的优化技术可以有效提高设备的掘进速度和准确度，缩短工程周期。
通过优化主驱动系统的传动结构、控制方式和能源利用效率，可以使盾构机在地下施工中更加稳定、高效地运行，提高工程进度，降低工程成本。
刀盘管路系统的优化技术能够提高盾构机在地质复杂区域的适应能力，减少刀具磨损和故障率，延长设备使用寿命。
通过优化刀盘的设计、布局和控制方式，可以保证盾构机在各种地质条件下都能稳定高效地工作，降低维护成本，保障工程质量。
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的意义在于提高设备的工程效率，降低成本，保障工程安全，推动地下隧道工程领域的发展。
只有不断推进技术创新，不断优化盾构机的关键系统，才能更好地满足日益复杂的地下工程需求。
1.2 盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的发展背景在盾构机的发展过程中，主驱动和刀盘管路是其重要组成部分。
盾构机的主驱动系统负责提供动力驱动刀盘的旋转，而刀盘管路则是切削岩石并将碎片输送出隧道的关键部件。
变频器在盾构机的运用
东芝变频器盾构机刀盘驱动中的应用: 盾构机刀头由多个电机共同驱动，控制电机的变频器必须保证负载能在多个电机之间平衡。
同时盾构机施工地点环境较差环境温度高粉尘污染严重。
介绍了东芝盾构机专用变频器及在盾构机刀盘驱动中的应用。
描述了刀盘驱动对于电机控制的具体要求并论述了如何利用东芝盾构专用变频器内置的功能设计实现这些要求。
同时,描述了如何合理设计变频器的控制机柜来适应盾构机的特殊使用环境。
经过数个工程的实践,证明上述方法能很好地满足东芝变频器在盾构机应用的要求。
关键词:盾构机负荷平衡;防护；东芝盾构变频器1引言盾构隧道掘进机(盾构机)是一种隧道掘进的专用工程机械。
现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，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,盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。
用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力施工速度快、一次成洞、不受气候影响开挖时可控制地面下沉、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的刚组建沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。
该圆柱体组件的壳体即护盾它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用承受周围土层的压力有时还成承受下水压以及将地下水挡在外面，挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
盾构机的掘进过程大致如下刀盘旋转同时开启盾构机推进油缸将盾构机向前推进,随着推进油缸的向前推进,刀盘持续旋转,被切削下来的渣土充满泥土仓,此时开动输送机构将切削下来的渣土排送至地面。
传统的盾构机刀盘是由液压驱动的,近几年出现了由变频器控制三相交流异步电机驱动的刀盘。
显然,与液压驱动相比,电机驱动具有机械设计简单、安装维护容易、控制灵活方便、成本低廉等诸多优点。
因此电驱动在盾构应用中有着广阔的前景。
2盾构机刀盘驱动的控制要求电驱动的刀盘通常由6~22个电机经过各自的减速箱与一个差不多和刀盘等直径的大齿轮啮合来驱动整个刀盘驱动。
盾构开挖系统变频控制分析
（） 与 定子旋 转磁场 的转速有 偏差 ： ３转子
Ｎｏ Ｎ ＝５ ｒ ｍ —ａ ０ｐ
在图 １ 虚线 内，仅 使用 电压 电流检 测为 开环 控 制 。
而在控 制 电路 中增加速 度检 测 电路 ， 即增加 速度 指 令 ， 就 是可 以对异 步 电动 机 的速 度 进 行控 制 更 精 确 的 闭环 控制 。盾 构开挖 系统 一般 使用 多个 电机 同时驱 动刀 盘 ， 为 了更精 确 的控 制 刀盘各 个 电机 的同 步性 ， 而选 择使 用 闭环 控 制方 式 ， 以减 少 因 负载 不平 衡 ， 导致 开 挖 系统 驱
（ 保护 电路 ， ６ ） 检测 主 电路 的电压 、 电流 等 ， 当发生 过 坏， 使逆 变器 停止 工作 或抑 制 电压 、 电流值 。
电路 、将运 算 电路 的控制信 号进 行放 大 的驱 动 电路 ， 以 载 或过 电压 等异 常 时， 了防止逆 变 器和 异步 电动机 损 为 根据 原 理 图我 们 再 看看 实 际盾 构 机 中 变频 系 统 电 路是 如何 实现其 功 能的 。
一
１ ４ ０
广东建材 ２１ 年第 ３ ０２ 期
工艺与设备 ຫໍສະໝຸດ 相 器 ，Ｍ ３ Ｓ Ｃ ０编 码 器 再 经 Ｄ ＩＥ Ｃ Ｉ Ｒ Ｖ — Ｌ Ｑ网 络 反 馈 给 Ｃ ３ ０ 而 产 生 感应 磁 场 ， 即转 子 与 定子磁 场 之 间有 “ 对运 Ｕ ２ ， ａ不可 能等 于 Ｎ ， ｏ 总要小 于 Ｎ 。 ｏ 控制 单 元 ，这 样 就 实现 一个 传 感 器控 制 多 个 电机 的 目 动 ”所 以转 子转 速 Ｎ 的 。电机 的状态 参数 通过 Ｐ Ｏ ＩＵ Ｒ Ｆ Ｂ Ｓ线路 和 主控 Ｐ Ｃ送 Ｌ
盾构机刀盘驱动液压系统设计探索
盾构机刀盘驱动液压系统设计探索文章主要分析了盾构机刀盘驱动液压系统的设计要求，阐述其具体的工作设计原理及特点。
针对目前盾构机刀盘驱动液压系统存在的问题，设计出结构相对更加简单、性能更加优越的盾构机刀盘驱动液压系统。
标签：盾构机；刀盘驱动；液压系统；设计盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送渣土、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，其专业从事工程隧道的挖掘工作，具有挖掘效率高、施工影响小、高质量的安全性能以及对于周边环境的影响小等特点。
目前我国在这一大型工程设备的设计制造工作仍然处于起步阶段，因此进行相关的科学技术研究对于打破国外的技术垄断，推动中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、中国产品向中国品牌转变具有十分重要的意义。
据此文章将针对盾构机刀盘驱动液压系统的设计展开相关的探索，具体的设计思路及过程详见下文。
1 盾构刀盘的驱动方式在盾构机的组成部件中，刀盘是掘进工作的主要工作机构，对于盾构机而言是核心工作部分。
对于盾构机中的刀盘来说，其具体的作用有：隧道岩土破碎切削功能、固定盾构机整体平稳功能以及搅拌推进功能。
刀盘的驱动方式能够实现效率高、范围广的要求，同时刀盘的推进速度也会随着具体掌子面的实际地质情况而有所变化，例如在针对硬岩层与软土层所用到的动力及刀盘运转速度会有巨大的差别。
在目前盾构刀盘的主流驱动方式中，主要有变频电机驱动及液压驱动。
变频电机驱动主要存在以下特点，适应不同工况条件下的频繁变速；采用电磁设计，减少了定子和转子的阻值；在一定程度上能够节省能耗。
而文章主要探讨、设计的是刀盘的液压驱动方式，其主要的构成部件有液压泵、阀组、液压管路、液压驱动马达、减速缓冲部件、大小规格不一的齿轮、主轴承以及相应的密封件构成，通过液压马达所提供的动力来带动刀盘的运转，刀盘的旋转速度由液压马达及其相应动力传动装置来进行调节控制，液压驱动刀盘的盾构机具有环境适应性强、维护修理较为简便和结构可靠、刀盘旋转速度易掌控并且具有过载保护的能力。
盾构刀盘变频驱动技术研究
使用维护简便， 低端地铁盾构中较常应用。
变频 电机驱动方式综合了液压和双速 电机驱动 方 式的优点 ， 可带载启动 ， 无级调速 ， 同步性能较好 ， 且无环境污染 ， 节能显著。随着变频驱动技术 日益成
熟， 变频 电机驱动方式 已应用于多种型式和规格的盾 构 中。
４ 变频驱动
盾构机是集掘进 、 出渣及衬砌 （ 管片安装） 于一
切 削土 阻力 扭矩 ；
一
体的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 度快及施工成本低等优点。 刀盘是盾构机的关键部件 ， 具有开挖底层 、 稳定 开挖面、 搅拌渣土等功能。其驱动方式主要有液压驱 动和电机驱动两种。刀盘工作转速不高， 但由于地质 条 件 复 杂 多变 ， 求 刀盘 具 有 大 功率 、 要 大扭 矩 、 冲 耐
功率、 节能降耗等工作特点。因此刀盘的驱动系统必 须 具有高 可靠性和 良好 的操 作性能 。
０ 扭 矩系数 ； － 啪 构外径 。
根据地质条件及盾构机 自身结构确定出扭矩系 数后 ， 可知刀盘 扭矩 。 盾构机刀盘扭矩与转速特 Ｉ与切削型负载类似 ， 生
负载 。刀盘 扭矩 与转速特性 曲线如 图 ２所示 。
－
２ 刀盘负载特性
盾构机刀盘切削系统为采用多个 电机同步驱动
与刀 盘连 接 的大齿 圈 ， 用 １ 呈左 右对称 分布 的 采 ０个
小 转速 时接 近恒 扭矩负 载 ， 转速 逐渐加 大后 为恒功 率
变频 电机同步驱动刀盘 ， 如图 １ 所示 。
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盾构机刀盘驱动最优控制的分析
盾构机刀盘驱动最优控制的分析摘要:结合盾构机实际的应用，对刀盘驱动常用的三种控制方式的优缺点进行分析，提出的最优的控制方式。
其控制效果良好，提高盾构机驱动系统的可靠性和工作效率。
关键词: 盾构机；变频驱动；最优控制abstract: combined with the application on tunnel boring machine, analyse the advantages and disadvantages in three commonly used kinds of control mode on the cutter head drive, the optimal control mode was proposed. the control worked well, which improve the reliability of shield machine and production efficiency.key words: tunnel boring machine, optimal control, variable frequency drive中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：1 引言盾构机，是一种新型的隧道掘进设备，具有安全性高、可靠性好、开挖速度快、人员劳动强度小等特点，集机械、液压、电气技术与一体，涉及地质、土木、测量、控制等多门学科技术。
随着城市地下交通网络的建立，盾构法施工已经在地铁、铁路、公路、市政、水电等工程施工中广泛应用。
早期的盾构机多为液压驱动，随着时代的发展和科技的进步，交流变频调速技术已经成为盾构机发展的主要趋势。
变频器对电机进行控制，是根据电动机的特性参数及电动机的运转要求，对电动机的电压、电流、频率进行控制，达到负载要求。
因此不同的控制方式，其控制效果也是不一样的【1】。
在北方重工全断面掘进机国家重点实验室中，我们利用3米试验机这个平台，进行了一系列的刀盘变频驱动的实验，收集了一些实验数据。
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术【摘要】盾构机是一种重要的隧道施工设备，而盾构机主驱动和刀盘管路优化技术对其性能和效率具有重要影响。
主驱动系统是盾构机的核心部件，其设备和原理决定了盾构机的运行效果；刀盘管路优化技术则能够提高盾构机的施工效率和质量。
在工程中，盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的应用可以有效减少施工周期和成本，同时提高工程的安全性和稳定性。
未来，随着盾构机技术的不断发展，主驱动和刀盘管路优化技术也将不断创新和完善，以应对更加复杂的工程需求。
要实现这一目标，需要克服一些关键技术挑战，包括提高刀盘的耐磨性和优化刀盘与管片的配合。
盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的重要性不可忽视，其未来的发展方向仍有待进一步探索和发展。
【关键词】盾构机、主驱动系统、刀盘管路、优化技术、工程应用、发展趋势、技术挑战、解决方案、重要性、未来发展、总结。
1. 引言1.1 盾构机主驱动和刀盘管路优化技术介绍盾构机主驱动和刀盘管路优化技术是盾构机领域的重要研究方向，旨在提高盾构机的钻进效率和工程质量。
盾构机主驱动系统是盾构机的核心部件，其性能直接影响到盾构机的施工效率和稳定性。
刀盘管路优化技术则是针对刀盘的运行状态和切削效果进行优化，以实现更高效的掘进和更好的地质适应性。
在盾构机主驱动系统设备和原理方面，主要包括主驱动电机、减速器、传动轴等组成部分，通过电机驱动刀盘进行旋转并推进盾构机前进。
刀盘管路优化技术的意义在于通过优化刀具的布局和切削参数，提高切削效率和土层适应性，减少切削阻力和磨损，从而提高盾构机的掘进速度和施工质量。
在工程中的应用中，盾构机主驱动和刀盘管路优化技术被广泛应用于城市地铁、交通隧道、水利工程等领域，为工程的顺利进行提供了重要支撑。
随着技术的不断发展，盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的应用范围将继续扩大，为工程施工带来更多的便利和效益。
未来，随着城市化进程的不断推进和工程难度的不断增加，盾构机主驱动和刀盘管路优化技术的重要性将会更加突出。
盾构机主驱动启动控制研究
＿ 备 用 研 Ｚｕ ｇ ｉ ｇｏ ｎ 装 应 与 究Ｉ ｈ ｎｂｙ ｙｎｙＹ ｊ ａ ｅｉ ｇｕ ａｉ ｎ ｕ
一
盾构机主 驱动启动南 长沙 ４０ ０ ） 湖 ５ ００ 摘 要： 详细介绍 了盾构机 主驱动系统， 通过对 电机控 制的角度对 比， 深入分析 了 ２种启动方式 的特点 以及应用 ， 从而得 出同轴连接需要 同
盾 构机 涉 及 机械 、 电气 、 液压 、 量 、 测 控制 等 多 学科 技术 ， 常用 来 开挖 切削 土 体和 拼装 隧道 衬 砌层 等 ，是一 种用 于 地铁 和 过江 隧 道 、 市供 水等 施工 的 技术 密集 型重 大 工程 装备 。 点是 开挖质 量 城 特 高 、 度快 、 作 强度 小 、 速 工 安全 性 能 高 、 对地 表 沉 降 和环 境 影 响 小 ，
比传统 的钻 爆 法隧 道施 工 更加 具有 优势 。 在地 质 条件 复杂 、 下水 地
Ｐ Ｃ 最 后传 给变 频器 。在 Ｐ Ｃ控 制变 频 器工 作时 ， 以采 用 ２ Ｌ， Ｌ 可 种 启 动 方式 ： 种 是所 有 电机 同 时启 动 ， 量 所有 电机 转速 ， 一 测 取平 均 速 度 为 目标 值 ， 有变 频 电机速 度 向 目标 值 （ 均速 度） 所 平 接近 ， 图 如 ２所示 ； 另一 种 是主 从 电机 启动 ， 多 台 电机 中设 一 台 电机 为 主控 在 电机 ， 主控 电机 跟 踪系 统 设定速 度 。 主控 电机运 行 时 的实 际转矩 将 作为 其他 若干 电机 的 力矩 设 定值 ，即从 控制 电机 跟 踪 主控 电机 的
步运行 的盾构机驱动 主从启动控制是一种最 佳的选择方案。 关键词： 盾构机 ； 水冷 电机 ； 变频器： 电机启动方 式
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转 矩 保 护 等 级.2．4 Hz 以 下 时 为 1．8 Tn， 介 于 2．4 Hz～4．2 Hz 之间时为 1．6 Tn， 大于 4．2 Hz 时为 1．5 Tn； 正 常 运 转 时 在 触 摸 屏 上 根 据 不 同 的 操 作 权 限 可以设定 0～1．5 Tn.
启动时间保护：刀盘电机分为 7 个档位，每一 个档位对应一个变频器启动时间， 如果在规定的 时间内没有达到档位限定的转速时， 系统将报警 停机.刀盘转速表如表 1 所示.
近年来随着对变频技术和设备的开发，使其应用得越来越广泛，价格上比液压驱动更具有优势.变频 驱动的优点是：启动电流小、效率高，调节环路的反映好，配备的标准感应变频电机维修简单、噪音低、冷却 性 能 好 ，所 以 对 于 变 频 驱 动 控 制 研 究 具 有 重 要 意 义 ［3］.本 文 参 照 日 立 造 船 盾 构 机 的 刀 盘 变 频 驱 动 系 统 ，设 计 了一种新的刀盘变频驱动方案，使得变频控制的驱动电机随施工状况和土质的软硬进行调整，满足不同地 质的切削.
发出启 ／ 停、转向等控制命令；根据操作人员的指令给出 速度和转矩给定值；同步驱动电机的转矩，并将转盘驱动 系统的实时状态和转速、 转矩、 电流等数据传送到主控 PLC 系统.该刀盘驱动控制系统的结构如图 2 所示.
SINAMICS 家 族 S120 系 列 变 频 器 是 集 V ／ F 控 制 、矢 量控制、 伺服控制为一体的多轴驱动系统和高性能的单
收 稿 日 期 ：2010-11-24 基金项目：广西科学基金资助项目（桂科自 0991067）；北京三一重工盾构机基础研发项目资助. 作者简介：蔡启仲，教授，研究方向：嵌入式系统与自动化装置研究，E-mail: caiqzh@.
第1期
蔡启仲等：盾构机刀盘变频驱动控制研究
45
操作室
主站 PLC
CPU315-2DP，选用 SINAMICS 家族 S120 系列变频器作为刀盘驱动系统，采用一拖一的控制结构，并以其中
一个变频器为主，其它变频器为从，PLC 把频率或扭矩传给主变频器，其它变频器跟随主变频器运行的控
制方式.主控制 PLC 与刀盘控制 PLC 通过 PROFIBUS 进行通讯，刀盘 PLC 根据主控 PLC 的指令给变频器
刀盘系统设有 3 级转矩保护功能，第 1 级根据机械系统允许的最大转矩设在变频器中，该限定值在变 频器调试时设定，不可进行更改（该值通常小于电机机械安全剪断扭矩的 80％）；第 2 级转矩限定值（上限） 由高级工艺人员在触摸屏上设定，该值作为正常钻进时的极限转矩，只在盾构机脱困时等特殊情况下才可 由相关授权工艺人员修改；第 3 级转矩（上限值）限定由盾构机操作人员根据钻进工艺需要在触摸屏上设 定，该设定值被限定在第 2 级限定值下，当刀盘转矩达到该设定值时，控制系统将自动降低推进速度.刀盘 转矩（各运行电机转矩之和）等于该设定值时，刀盘进入堵转状态，此时控制系统将自动将推进速度降为 0.
1 刀盘变频驱动的控制结构
刀盘驱动系统主要由变频电机、减速机、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成. 日立造船盾构机的刀盘变频驱动控制系统采用一拖二的控制结构， 变频电机通过三菱 PLC 控制器与 东芝变频器通讯来控制，采用自由的 V ／ F 控制，PLC 把频率或扭矩同时传送给各个变频器，又同时接受各 个变频器的各种参数，直接监控各个变频器.使得刀盘速度可调，且具有较大扭矩储备和较高的传动效率［4］.8 个电机通过 CC－LINK 网络接收启 ／ 停以及速度信号， 通过 MELSEC NET ／ H 和 CC－LINK 网络控制的方式 可以保证 8 台电机启 ／ 停的同步性，从而实现 8 台电机的速度同步和扭矩保护.日立造船盾构机刀盘变频 驱动控制结构如下图 1 所示：
中 图 分 类 号 ：U452.2
文 献 标 志 码 ：A
0 引言
盾构机是集光、机、电、液、控等技术于一体，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.是实现掘进、岩渣转运、动壁支护等一次开挖成洞最为先进的隧道施工机械.
刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分之一，具有功率大、功率变化范围宽的特点.目前刀盘驱动方 式主要有液压驱动、变频电机驱动和双速电机驱动 3 种形式.通常大直径盾构机要求的转速高，宜选择电 驱 动 （变 频 电 机 驱 动 和 双 速 电 机 驱 动 ）.中 、小 直 径 的 软 土 盾 构 机 通 常 要 求 速 度 较 低 ，扭 矩 较 大 ，宜 选 用 液 压 驱 动 ［1］.液 压 驱 动 方 式 比 电 驱 动 方 式 微 动 操 作 性 好 ， 停 止 精 度 高 ， 同 步 性 能 好 ， 但 其 效 率 差 ， 噪 音 高 ， 后 续 台 车长，而对于大口径盾构机内空间大，驱动马达空间设置限制少，为提高效率、减低启动扭矩、简化后方设 备、改善隧道内环境等，切削刀盘采用变频驱动方式 ．［2］
S7.400 主控 PLC
S7.300 刀盘控制
PLC
PROFIBUS
轴驱动器，在盾构机刀盘驱动系统中，由于电机的功率比
PROFIBUS
较小，且需要电机冗余的设计要求，选用单轴控制的 AC ／ AC 变频器， 也称为 SINAMICS S120 单轴交流驱动器，其 机构形式为电源模块和电机控制模块集中在一起， 体积
5 结束语
刀盘变频控制是盾构机的关键技术之一，本文结合日立造船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.希望通过对某些问题的研究，给同行带来一些参考，从而推动 我国盾构机的研究和应用水平.
参考文献
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刀盘电机在启动和正常运转的时候有不同的
设置转矩 限制%
主机
PLC S7-400
刀盘 PLC 读取 变频器参数
发送指令给 PLC： （操作室） 电机转向、速度给
定、转矩限制等
刀盘
刀盘 PLC 读取 变频器参数
PLC S7-300
发送指令给变频 器：电机转向、速度 给定、转矩限制等
INV 柜
S120 变频器
第 22 卷 第 1 期 2011 年 3 月
广西工学院学报 JOURNAL OF GUAN广GX西I工UN学IV院E学RS报ITY OF TECHNOLOGY
文章编号 1004-6410（2011）01-0044-04
盾构机刀盘变频驱动控制研究
Vol.22 No.1 第Ma2r.22卷011
蔡启仲，汤 尧，吴玉鹏
一般 0—1 转为恒扭矩方式，1—1．5 转为恒功率方式.
扭矩/（103 N·m)
6
5
额定扭矩=5 770 N·m
4
（a=24.8）
3
2 最大转速=1.51 rad/s（额定时）
1
最大时的扭矩=3 790 N·m （a=14.6）
0 0.12 0.24 0.48 0.71 0.97 1.23 1.51 v/rad.s-1
（广西工学院 电子信息与控制工程系，广西 柳州 545006）
摘 要：刀盘驱动系统是盾构机重要系统之一，承担着驱动刀盘旋转、切削开挖面和密封舱内土体搅拌的任务.通过对
刀盘变频驱动的控制结构、控制方式以及控制过程和相关的控制连锁的介绍，为盾构机刀盘变频驱动控制选择提供
参考.
关 键 词 ：盾 构 机 ；刀 盘 驱 动 系 统 ；变 频 电 机 ；变 频 器 ；PLC
4 刀盘变频驱动的控制连锁
（1） 当达到 80％刀盘容许扭矩（可在触摸屏设定）持续时间超过 5 s 时，所有刀盘驱动电机将停止工作； （2） 当超过刀盘容许扭矩的 150％时，所有刀盘驱动电机就会立即停止工作； （3） 当刀具密封圈温度超过 60 ℃，所有刀盘驱动电机将停止工作； （4） 当变频器电源中断时，刀盘驱动电机将不能转动； （5） 当变频器控制器出现不正常的状态时，刀盘驱动电机不能转动； （6） 当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； （7） 刀盘驱动电机在过载时将会停止工作；
H网 PLC2
CC-Link 网
变频柜
变频柜
变频柜
变频柜
电机 1 电机 6
电机 2 电机 5
电机 3 电机 7
图 1 刀盘控制结构图
电机 4 电机 8
根据盾构机的特点以及刀盘变频驱动的控制要求，设计了一种新的刀盘变频驱动系统，主控制 PLC 选
用 SIMATICS7-400，控制器选用 CPU414-3，用于各系统的总体协调 .［5］ 刀盘驱动控制 PLC 采用 S7-300 系统