盾构刀盘变频驱动技术研究
盾构机刀盘设计要点探究
盾构机刀盘设计要点探究盾构机刀盘设计五花八门，主要设计依据是盾构隧道的地质条件。
但针对相同地质条件，各制造厂家基于各自的理念设计出的刀盘又不尽相同。
作为使用单位，在进行设计联络、设计评审时，如何入手，如何判定优劣呢？刀盘设计的适应性判断是考虑问题的出发点。
刀盘结构外形的差异并不重要，只要结构强度满足力学要求，即满足极限条件下的推力、扭矩的要求即可。
我们需要关心的是另外几方面的问题：一、刀盘开口率刀盘开口率是指刀盘留空面积占整个刀盘面积的百分比。
这部分留空面积，是切削渣土的运动通道。
渣土脱离土体后，在重力及刀具刮削作用下，沿刀盘开口流动到土仓。
搅拌后，从土仓底部螺旋输送机排出。
开口率的大小对应的是渣土排放的效率。
若取值过小，破碎（切削）的渣土不能及时进入土仓，滞留在刀盘前方，跟随刀盘做摩擦运动，随着温度升高，会固结在刀具、辐条等部位形成泥饼。
因此，在结构强度允许的情况下，开口率尽可能地取较大的值较好。
开口率的取值对应刀盘的常态转速。
开口率的计算公式：K=1/（r+1）其中：K——开口率（%）r——刀盘转速（rpm）刀盘转速是一个从0到Rmax的范围值。
通常是连续可调的。
但刀盘的开口率是固定的，一经设计、制造成型就不可更改。
因此，确定刀盘开口率需要预先评估针对隧道地质条件下刀盘的经常工作状态，根据刀盘的常态转速来确定刀盘的开口率。
岩土硬度高、结理发育差的地层，刀盘转速应较大。
相应的，对刀盤开口率要求就小。
这与高硬度岩土开挖效率低，出渣量小的施工形态是对应的。
反之，岩土硬度低、结理发育丰富地层（如全、强风化地层），刀盘转速应较小。
对刀盘开口率要求就大。
例如，我单位施工的莞惠城际轨道交通GZH-6项目隧道地质主要是弱风化混合片麻岩，岩体较硬。
对于这类地层，施工时刀盘常态转速的经验值在1.5～2rpm之间。
据此，计算出开口率的值K在40%～33%范围内。
根据强度优先的原则，采用辐条+面板的结构形式。
结合刀具的布置等其它因素，刀盘开口率最后结果值是31%。
盾构机刀盘驱动系统动力计算分析
收稿日期——作者简介王得军(—),男,山东济南人,工程师。
盾构机刀盘驱动系统动力计算分析王得军(中铁十四局集团有限公司隧道工程分公司,山东济南 250002)摘要:通过对广州地铁西草区间两台盾构机现场实测刀盘转速、刀盘扭矩数据,结合盾构配置的电机、液压泵、马达、减速箱的铭牌标定参数,计算分析得出制造商配置的减速箱并不能满足招投标时的产品承诺和现场实际需要。
关键词:盾构机;刀盘驱动系统;参数;测试数据;计算;分析中图分类号:U455.3文献标识码:BThe ca lcul a ti on and ana lysis of theSH IELD M AC H INE cutti n gwheel m a i n dr i ver syste mWANG D e -j un(The Tunne l Eng inee ring Co m p a ny O f China R a ilwa y 14th Bu r ea uG r ou p C o r po ra tio n J in a n Sha ndo ng 250002Ch ina)Ab stra ct:A cc o rd ing t o the actual cutting wheel ro tation s peed and t o rque of 2S H IE LD MACH I N E which work in Guangzhou Metro line 5[xi -chao ]interz one,co mpared with the na mep lates of the electromo t o rs,hydraulic pu mp s,hydraulic mo t ors,we calcu latedthatthegearboxes supp lied by the T BM manufactory are not satisfy with the p romises in the tender book and the actual requ ire ment in the job site 1K ey word s:S H IE LD MACH I NE;cutting wheel main d riversyste m;p ara meter;testingdata;calcu lation;analysis1 使用情况及问题的提出2003年11月我单位从维尔特公司购买了两台土压平衡盾构机,经过广州地铁3号线施工了1900m,转场到地铁5号线西草区间施工到1600m 后,两台盾构机刀盘驱动减速箱陆续损坏,后停机将两台盾构机共12个减速箱拆下运到地上进行全面检查发现,这12台行星齿轮减速箱都有不同程度的损坏,损坏部位都集中在行星齿轮的齿圈和滚珠,部分滚珠脱落导致内齿圈打坏。
盾构刀盘刀具使用与管理
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
（4）周边刮刀
周边刮刀（也称铲刀）采用背装式设计安装于刀盘外
圈，可从土仓内进行更换，用于清除边缘部分开挖渣
土，防止渣土沉积，确保刀盘开挖直径以及防止刀盘 外缘间接磨损。
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
（4）周边刮刀
周边刮刀的切削面上设有一排连续的碳钨合金齿和一
（3）先行刀
耐磨性结构设计：先行刀按刀盘双向转动设计，齿刀
和撕裂刀可安装在一个特殊设计的刀箱中，并允许根
据刀盘转动方向做适当微动。这种微动的结构设计主 要用来减少先行刀侧面的磨损。必要时，齿刀和撕裂 刀的刀座可设计成与滚刀可互换的结构。此外，先行 撕裂刀也可采用类似的双层耐磨设计，并可在刀具背 部设有双排碳钨合金柱齿。
（一）刀具类型与结构形式
单刃滚刀的安装结构
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
双刃滚刀的安装结构
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
（2）切刀
切刀（也称刮刀），用于切削未固结土壤和软岩地层
，并将切削渣土刮入土仓中，既可用于软土盾构刀盘
，如面板式刀盘和辐条式刀盘，也可用于卵砾石地层 及风化岩地层盾构刀盘。 切刀主要由矿山用硬质合金刀刃和刀体组成。其中， 刀刃焊接在刀体上。根据刀刃焊接方式不同可分为附 着式和嵌入式。
个双排碳钨合金柱齿，用于增强刀具耐磨性，以确保 即使在掘进几公里之后刀盘仍然有一个正确的开挖直 径。对周边刮刀而言，单排连续碳钨合金刀齿是足够 的，因为周边刮刀仅其端部切削地层，而切刀在整个 宽度范围切削地层。
盾构及掘进技术国家重点实验室
（一）刀具类型与结构形式
盾构掘进施工技术国内外研究现状
盾构掘进施工技术国内外研究现状1.1盾构掘进施工技术国外研究现状纵观盾构隧道掘进180多年的发展历史，盾构隧道施工法和盾构掘进机的改进都是在围绕着：①地层稳定和地面沉降控制；②机械化、自动化掘进和掘进速度；③衬砌和隧道质量，这三个要素进行盾构掘进机的改进和施工方法的革命。
传统的盾构法是把这三个要素分别独立考虑的，把地层稳定处理作为盾构的辅助方法，主要有降低地下水位法、改良地基法、冻结法及气压法等。
在盾构掘进机本身结构上没有考虑对地层稳定的影响或减少和防止地面沉降，盾构一般为敞胸式结构。
然而，任何地层稳定处理方法即使能抑制对地层的影响，也很难满足在城市内施工时的各种要求，特别是关系到地面建筑安全的地面沉降问题，所以，很自然地发展到下一代盾构——闭胸式盾构。
现代盾构的一个最为显著的特点就是统筹考虑盾构法的这三个要素，用盾构掘进机设备本身解决工作面稳定的问题。
用压缩空气平衡土压力的方法，由于容易发生漏气、喷发、工作面崩塌等事故，和造成地面沉降等对环境的不良影响，尤其在遇到粘聚力小、透气性的地层这种方法无法胜任。
自然，人们想到用液体代替空气来支撑工作面，最初在德国和英国进行了有关的试验，1967年日本完成了这一系统，即产生了现代概念上的泥水平衡盾构。
泥水平衡盾构是靠送入工作面与密闭胸板间所形成空腔的加压泥水平衡土压、保持工作面稳定，并用泥水输送刀盘切削下来的弃土，这个方法的问世使工作面稳定状况大大改善，盾构法的适用范围被大大拓宽，盾构掘进机得到了前所未有的发展。
然而，由于泥水平衡盾构需要大规模的泥水分离处理系统，占地面积大，对环境影响大，施工成本高，对城市内施工的隧道这个系统并不理想。
继而在1974年日本首先研制成功土压平衡盾构，这一系统是将刀盘切削下来的弃土送入前端密闭仓内，搅拌或注入添加剂搅拌成塑流化的弃土并与螺旋型输送机等机构相结合，边使工作面保持适当稳定的压力，边通过螺旋输靠性较高，得到了广泛的应用。
地铁盾构机施工中的刀盘及刀具改造技术
地铁盾构机施工中的刀盘及刀具改造技术摘要：盾构法是地铁区间隧道施工常用的方法，地质水文适应能力强，对地面交通影响很小，对施工周边环境的振动和噪声等干扰较小，地面沉降控制比较好，对周边地下管线、地面建筑物和构筑物及周围环境的影响比较小，施工速度比较快，工程质量比较高。
关键词：地铁盾构机；施工；刀盘；刀具；改造刀盘是盾构的主要工作部件，不同地质地层应采用不同的刀盘结构形式及刀具布置，刀盘及刀具的好坏关系到盾构施工的成败，影响盾构掘进的速度和效益，甚至关系到盾构施工的成败。
一、刀具工作原理1.刮削类刀具的工作原理。
在刀盘推力的作用下，刮刀嵌如岩渣或岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环犁沟，特点是效率高，刀盘转动阻力大。
在软土地层或滚刀破碎后的渣土通过刮刀进行开挖，渣土随刮刀正面进入渣槽，因此刮刀既具有切削的功能也具有装载的功能2.盘形滚刀工作原理。
刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，使其上的盘形滚刀压入岩石；刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压。
刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩），推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。
二、施工中的刀盘修复和改造1.施工过程中发生的刀具和刀盘严重磨损，北京地铁某标段从第2个区间开始隧道掘进施工，第2个区间完成后，盾构机再掘进施工第1个区间。
盾构机在第2个区间始发后，当掘进至在282环开始，推进速度放慢，推力和扭矩增大，泡沫注入量开始增大;掘进至287环时，推进速度明显减缓，刀盘扭矩增大，泡沫注入量大量增加，渣土温度较高，推进耗时约219分钟;至288环时，刀盘扭矩快速剧烈上升，推进停止。
经过分析，发生此现象的主要原因可能是之前在黏土和圆砾层掘进中，黏土在刀盘中部黏结，在挤压和相互间摩擦的作用下，膨润土、泡沫和地层中的砂石黏土在刀盘中部发生固结，刀盘开口率逐渐减小。
在第287和288两环的施工过程中，刀盘开口率迅速减小，造成排土不畅，扭矩和推力增大。
盾构机参数
随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。
在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。
控制原理土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。
土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值E，通过PID 控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。
以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。
主要参数抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。
过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。
比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。
积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E, 也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。
为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。
盾构机的研究现状及发展前景
盾构机的研究现状及发展前景摘要：这就主要介绍国内外盾构机的发展过程、现状以及前景，并就取得的一些成果做探究。
同时就我国盾构机发展面临的挑战分析，提出相应的意见。
关键词：盾构机 ; 土压平衡轻量化;煤矿引言:盾构机是隧道施工中的关键设备，盾构工法由英国人Brune于1810年发明最先有提出，其后发展到欧洲各国，如英国、德国以及引入日本。
它的应用范围广泛，是现代工程建设中非常重要的工程机械。
主要用于铁路、公路、地铁、城市管廊、煤矿巷道、引水工程、矿山开采等隧道施工。
可以说盾构机的出现有效的推动了国民经济的发展与建设，已经成为工程建设中不可缺少的重要机械装备，因此盾构机也成为各国探索发展的重要机械，成为衡量一个国家工程领域发展的重要标志。
1关于我国盾构机现状研究经过多年的发展，我国已经具备相对完善的盾构机设计、研发、生产的配套产业链，并具备自主知识产权。
这里经过我对盾构机文献的各方查阅发现，盾构机的研发与设计主要集中在两个大的难点方面，分别盾构机刀盘以及拼装技术上的研究。
这主要的原因在于在盾构机实际工作中，掘进和管片拼装是盾构机最基础性的工作要求。
除了这些以外，盾构机的各项组成也极其复杂，其中就涉及机、电、液、导向、计算机技术等学科的综合性大型机械装备。
所以不难看出，研究盾构机需要涉及很多门学科，主要包括传统的机械、电子、地质、土木、材料等综合性技术。
2盾构机发展与展望盾构机已经成为交通、矿山、水利等工程方面关键的技术装备，已经在众多领域有着广泛的应用。
随着当下信息、自动控制技术以及微电子遥感技术的不断发展，对于盾构机的多功能化越来越强烈，因此未来这些技术已经密集性应用于盾构机的设计与研发，使得盾构机能满足复杂的地质工况，同时也让盾构机更加智能，下面就具体就盾构机的发展做几点研究。
2.1机型多样化发展未来的盾构机将不在运用于单一的工况，而是随着盾构机的不断改进与优化，盾构机的使用也将发生巨大变化，未来盾构机不管是形状还是大小都将发生改变。
盾构机刀盘与刀箱开槽修复技术研究
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald56DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.19.056盾构机刀盘与刀箱开槽修复技术研究王伟金 靳党鹏(中交天和机械设备制造有限公司 江苏常熟 215500)摘 要：刀盘是盾构机的主要工作部件，不同的地质对刀盘的结构形式和刀箱刀具的布置情况要求不同，刀盘的好坏决定了盾构的开挖性能，甚至影响整个盾构工程的成败。
盾构机在穿越软硬交替、上软下硬等复合地层时，刀盘、刀箱易出现异常磨损，本文通过研究在稳定的全断面岩层中，刀盘前方开凿维修槽，维修、更换刀盘及刀箱工艺，总结了一套较为完整的施工技术，以期为类似工程提供有益的借鉴。
关键词：盾构机 刀盘 刀箱修复 维修槽 焊接面板 耐磨板中图分类号：U455.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)07(a)-0056-02某轨道交通工程盾构机在穿越上软下硬地层时，进仓检查刀具时发现刀盘、刀箱、刀具有磨损和脱焊现象，已严重影响正常的掘进，必须采取全面修复，以确保盾构机的正常掘进。
如果在采用地面开挖的方式将刀盘拆解吊出维修，一方面受场地条件制约，另一方面成本高、周期长，而且会严重影响工期和造成不良的社会影响，因此制定刀盘、刀箱维修方案原则是：(1)洞内维修；(2)按原设计进行复原；(3)根据现场情况对刀盘、刀箱进行适当改进。
1 工程概况盾构机在穿越上软下硬的复合地层时，发现盾构机的推力和扭矩明显增大，超出报警值。
开仓检查后，发现刀盘面板和刀箱磨损、刀箱与主梁脱焊、刀具损坏严重(见图1)。
2 刀盘、刀箱维修方案分析采用爆破预处理，并用双液浆进行封堵，使盾构机进入全断面硬岩层。
在刀盘中心至右侧打维修槽，并安装钢管支架，确保维修作业安全(见图2)。
2.1 刀箱由于刀具磨损较为严重，滚刀刀箱与主梁脱焊，损坏严重的从新安装新刀箱，其余的补焊刀箱与主梁之间的焊缝；中心刀刀箱为八联整体刀箱，空间限制无法更换，故中心刀箱采用焊接修复。
盾构机的研究现状及发展前景
盾构机类型 隧道直径φ （ｍ） 隧道名称
泥水
１４．１４
东京湾道路隧道
国家 日本
建成年限 １９９６ 年
口，影响盾构机的国产化进程。譬如，国内盾构关键 部件 —— 大轴承、驱动马达、液压阀件都是引进的
泥水
泥水 土压 泥水
１４．８０ １４．２０ １４．８０ １５．００ １５．２０
东京地铁 ７ 号线 日本 １９９６ 年
系统的安装、调试技术，所以国产盾构存在性能不稳
块、砖块、铁器管、铁器等） 时掘削困难。目前，直
定的现象［２，５ ，９］ 。
径为 ０．２ ｍ 的微型盾构机已在工程中得到应用。 近年超大断面盾构机应用情况见表 １。
表 １ 近年超大断面盾构机应用情况
３．３ 关键元配件生产技术
盾构机许多配套设备要求很高，但是国内盾构机 配套设备生产技术相对落后，许多关键设备还需要进
有：Ｈ ＆ Ｖ 盾构法、Ｍ Ｓ Ｄ 盾构法、Ｍ Ｍ Ｓ Ｔ 盾构法、局
部扩大盾构工法、气泡盾构工法、硅胶盾构工法、
Ｅ Ｃ Ｌ 盾构工法
等，适用于各种
盾构工法的盾构
机也相应开发使
用。
Ｈ＆Ｖ （Ｈｏｒｉ－
ｚｏｎｔａｌ ＆ Ｖｅｒｔｉｃａｌ
ｖａｒｉａｔｉｏｎ） 盾构
机。就是将几个
圆形断面单体盾
术的开发，但是与国外相比，我国现代盾构机的研制
数企业在生产研制过程中过分依赖于国外技术的吸
在适应性设计、系统集成技术和关键元配件的生产制
收、图纸的消化，缺乏必要的模型试验与系统仿真研
造等方面，存在着一定的差距。
究。在盾构机虚拟样机建立与动态仿真，盾构机施工
３．１ 适应性设计
英、德、日、法、美等国在长期的实践探索过程 中，形成了一套针对本国隧道地质条件的盾构设备设
简析盾构机刀盘与刀具的选型配置
简析盾构机刀盘与刀具的选型配置1工程概况湛江湾跨海盾构隧道工程是湛江市鉴江供水枢纽工程的一部分，工程位于湛江湾最窄处，不但水深流急，又是进出湛江港的咽喉，航道非常繁忙。
湛江湾盾构隧道穿越南三岛与东海岛之间海底，横穿湛江湾海峡，长2750m。
盾构隧道内径5.1m、外径6.0m。
2工程地质根据勘探资料，场区为深厚第四系地层，从上向下有：①、中全新统海风混积层，②、中全新统海相沉积层，③、中更新统北海组层，④、下更新统湛江组层。
各岩土层主要特征分述如下：①、中全新统海风混积层：黄色中细砂、细砂，局部含泥质，砂质均匀，以石英为主，主要分布在地势较高的陆地。
②、中全新统海相沉积层：主要呈灰色、深灰色，成分不均匀，主要为中细砂，次为中粗砂，含泥质，底部为粗砂，含少量砾，局部为泥粉质细砂、淤泥质细砂，含少量贝壳碎片、腐殖质，见少量薄层粘土夹层，砂以石英为主。
③、中更新统北海组层：主要呈土黄、棕黄、浅黄色，以中细砂为主，含泥质，局部夹粗砂，含少量砾和粘土，含铁质及发育铁质层为其特征，底部以波状起伏的铁质层与湛江组上部杂色粘土接触，铁质层呈暗红色，主要为贴胶结的粉细砂，致密坚硬。
④、下更新统湛江组层：主要为灰色、青灰色粘土、砂质粘土，含淤泥，见少量黑色碳化腐殖质木，土层不均匀，夹有砂层或与薄层砂互层。
砂为中粗砂夹细砂，含泥质、少量砾石，砂以石英为主。
3、刀盘与刀具的型式及布置本工程隧道穿越中全新统海相沉积层砂层和下更新统湛江组层砂质粘土层为主，存在中等～强透水砂层，围岩与海水直接连通，拱顶覆土厚度为20～40m，隧道水下埋深27～61m，最大外水压力约0.3MPa～0.6MPa，外水压力较大。
同时海中无条件设置途中工作井，不能分段掘进，因此本隧道掘进距离长达2750m，对盾构刀盘与刀具的可靠性及耐久性要求高。
同时小直径盾构在高水压条件下刀具更换存在较大的安全风险，换刀过程十分困难且提高了工程成本，耗资巨大，同时对工程进度造成严重影响。
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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 。
＼
＼
＼
＼
＼
＼ ＼、
＼ ＼
一
与土摩擦的摩擦阻力扭矩； 土的搅拌 （ 向上） 阻力扭矩；
—
Ｔ ｛ 承 阻力 扭矩 ； 厂＿ 曲
一
轴封摩擦阻力扭矩 ； 减速装置 的机械损 失扭矩 。
・
实 际应用 中 ， 扭矩 采用下式计 算 。 刀盘
Ｄ０
式中：
卜 刀盘 扭矩 ；
击、 转速连续可调 、 满足使用要求的前提下减小装机
摘 要： 分析 了盾构机刀盘扭矩特性 ， 着重对常用变频驱动形
益
通常 ， 扭矩主要 有 下列要 素构成 。 刀盘
Ｔ ＝ Ｉ ＮΒιβλιοθήκη Ｔ＋ 死 式及其在盾构机刀盘驱动 中的应用方法进行 了剖析。
关键词 ： 构机 ； 盾 刀盘 ； 频驱 动 变
式中： Ｚ 刀盘 所需扭 矩 ；
—
１ 概述
频调速即将在三相坐标系下异步电动机 的定子交流
电流 Ｉ、 、 通过三相——二相变换 ， ａＩ Ｉ ｂｃ 等效成两相静 止坐标系下的交流 电流 ＩｌＩｌ ａ 、 ，再通过转子磁场定 ｂ
向旋转变换 ，等效成 同步旋转坐标系下 的直流 电流
Ｉ ｌＩ （ 相当于直流 电动机的励磁 电流 ， １ ｍ 、 ｌｍｌ ｔＩ Ｉ 相当 ｔ 于直流 电动机的电枢电流） ，然后模仿直流电动机的 控制方法 ， 求得直流 电动机的控制量 ， 经过相应的坐 标反变换实现对异步电动机的控制。
４ １ 开环 Ｖ ｆ 制 ． ／控
开环 ｖｆ ，控制是在改变 电动机 电源频率同时改
常 采用 开环 Ｖｆ ，方案 、 闭环 下垂 控 制方 案及 闭环 主从
控制 方案 。
图 ３ 开环 、 ｆ ， 控制特性曲线 ，
甲
闭环矢量控制具有低频大扭矩、 动态响应好及调
速精度高等优点而被大量应用于工程设备传动控制。 但 因其调 速 曲线 很“ ”当多 电机通过 刚性 连接共 同 硬 ， 驱动负载时 ， 由于电机间转速偏差会造成个别电机扭 矩过大 ， 而其调速特 陛使 电机以最大允许扭矩来驱动 负载 ， 造成 电机扭 矩进 一 步加 大 ， 因过 电流故 障而 终 使驱动该 电机的变频器停机。 大直径或复合型盾构等要求调速范围广 ，精度 高， 单纯 Ｖｆ ／控制无法满足要 求， 须采用闭环控制 ， 盾
液压驱动方式起步较早 ， 技术较成熟， 同步性能 较好 ， 可带载启动 ， 速度无极可调。 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 统损耗 日益增加 ， 不利于节能环保 ， 日常维护工作 且 繁重 。 单速 电机驱动方式简单易用 ， 但功能单一 ， 只在 早期小型盾构上采用。双速 电机驱动方式价格低廉 ，
２ １ 年 第 ２期 ０１ 总第 ３ ０期
重工 与起 重技术
ＨＥ ＡＶＹ ＮＤＵＳ ＲＩ Ｉ Ｔ ＡＬ ＆ Ｈ０ Ｓ Ｉ Ｉ Ｔ ＮＧ ＭＡＣＨＩ ＮＥＲＹ
Ｎｏ ２ ２ １ 。 ０１ Ｓｅ ｉＩＮｏ ３ ｒ ．Ｏ ａ
盾 构 刀 盘 变 频 驱 动 技 术 研 究
大连 重 工 ・ 重 集 团有 限公 司设 计研 究 院 王 起
＼
＼ 、
＼
＼
｜
图 ２ 刀盘扭矩与转速特性曲线
图 １ 盾构机驱动电机分布
３ 刀盘驱动方式
刀盘驱动方式主要有液压和 电机驱动两种。其 中液压驱动方式根据液压 回路型式分为开式和闭式 液压回路驱动 ； 电机驱动方式根据电机控制形式可分 为单速 、 双速及变频电机驱动。
变频电机 以其优 良的性 能在各种型式盾构刀盘
驱动中 日 益广泛应用 。 由于盾构刀盘驱动 中采用多 电机 （ 一般多于 ６ 台）通过各 自的减速器共同驱动刀盘大齿圈的形式， 要求各电机具有一定的同步性 ， 同时还要具有冗余性 能 。 当单台 电机 发生 故 障时可继 续正 常运行 ， 因此通
驱动 电机经行星齿轮减速器减速后驱动与其对 应的小齿轮， 各小齿轮又与大齿圈共同啮合传动 ， 提 供刀盘驱动扭矩 以抵抗掘进扭矩载荷。刀盘扭矩由
围岩条件 、 盾构型式、 盾构结构及盾构直径来决定 ，
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重工 与起 重 技术
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