盾构掘进机模拟试验台开发研究

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盾构机是集机械、液压、测量、控制等多学科技术于-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、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而隧道埋深较大时，只能依赖盾构l1。盾构机不同于其它工程机械，它具有很强的针对性，往往需要针对隧道施工的地层地质及其他要求进行设计制造。这种适应胜”设计方法在盾构机的发展中显得格外重要。因为隧道岩土工程的复杂l生和现有理论的局限性，物理模拟试验成了盾构机设计和关键技术进步的基础，是提高盾构可靠性的有效手段。我国目前尚没有适合国情的适应性设计理论的指导，也没有系统的设计经验数据，系统的安装、调试技术也未完全掌握，国产盾构机仍存在性能不稳定等现象口，所以有必要建设高水平的盾构模拟试验平台，为完善系统设计理论来稿日期：2012-06-23提供试验数据和指导思想。驱动与传动是目前我国自主开发、自主制造盾构机的软肋，眷开发生产盾构所采用的主轴承、减速器、液压泵、变频电机等关键部件是当务之急。针对此 ，-方面要系统研究盾构主驱动与传动结构的负载模型，为其设计提供理论指导；另-方面，4e，lk间也需进行联合攻关，以解决主要零部件的制造和加工工艺，确保产品具有高可靠性、长寿命、抗疲劳、高功率密度等品质。此外，能源不足已经严重影响我国国民经济发展，盾构机在使用中存在着很大的节能要求和潜力，所以乖 用模拟试验平台进行盾构系统的节能研究，也具有重大的经济意义。

2试验台功能通过建立盾构主驱动性能测试及节能研究模拟试验台，期望实现以下功能：(1)针对主轴承、减速器、液压泵、变频电机等关键部件，进行系统性能测试，研究主驱动与传动系统的系列化设基金项目：天津市高等学衅技发展基金计划项目(201 10405)作者简介：杜 峰，(1970-)，男，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向：车辆动力学及控制、机械系统可靠性等第4期 杜 峰等：盾构掘进机模拟试验台开发研究 233计方法；(2)针对不同动力型式与不同载荷之间的关系进行匹配性研究，获取试验数据，以对相关盾构理论进行验证，达到应用基础研究与工程实践相结合的目的，为盾构机动力选型、功率匹配、主驱动优化设计、系统节能等方面的研究提供有益的指导性建议；(3)在实际盾构掘进过程中，驱动系统的同步工作非常重要，同时也是施工过程中出现问题较多的-个环节，-旦技术存在缺陷就很容易造成扭矩出现波动而发生事故。因此，借助对电机转速与扭矩的实时监测，在试验台上进行电机同步控制方法的研究也是试验台的功能之-；(4)利用统计分类方法对地层状况进行划分，合理确定负载形式以输出适应地层的控制参数，进行刀盘转速调节特性、负载适应特 以及刀盘驱动系统的功率自适应控制研究。

3试验台结构刀盘驱动与传动机构模拟试验台主要包括支撑机架 (试验台架)、加载系统、驱动系统 、测控系统及辅助设备等部分，并可实现动力执行元件(变频电机与液压马达)的相互替换功能〖虑到安装空间、制造成本及节能等方面的要求 ，整个系统采用与原始样机物理相似(功率、转矩)和几何相似(尺寸)的原则进行结构设计。试验台整体结构方案，如图 1所示。

图 1刀盘主驱动试验 台结构Fig.1 Test Rig Structure of the Cutter Head Main Driving3.1支撑机架试验台依据安装空间及相互替换的需要，以及稳定性等要求，采用周边支承安装方式。模拟刀盘与主轴承内圈(行星轮系大齿圈)相连，主轴承外圈与支撑机架固结，小齿轮与大齿圈啮合，并与减速器相连，减速器后接变频电机或液压马达，形成动力传动链路，而减速器与变频电机(或液压马达)则固定在周边支撑机架上。

3.2加载系统加载系统的作用主要是：(1)考核承载对象在近似实际载荷作用下的动态工作情况，验证其在实际工作中的可行性；(2)加入载荷后将主驱动及传动机构的动态过程反镭加载回路，进行功率适应性控制，考察动力系统 、驱动系统与负载的功率匹配特性；(3)在规定负载作用下，通过对变频电机或液压马达流量的调节，来研究刀盘的调速特性和功率控制特性。由于利用直流电机加载具有如下特性 ：(1)加载特生优良，具有额定转速以下恒扭矩特性，额定转速以上恒功率特性；(2)具有正反转向同样加载特性；(3)采用电力回馈，可大大节约能源消耗；(4)恒扭矩，匣转速工作方式任意切换；(5)响应快、加载稳定性好。因此，试验台采用带电力回烙载器的直流电力测功机作为刀盘驱动系统功率试验的负载。直流电力回烙载器是利用直流电机作为负载并将加载能量通过控制器回馈给输入端的-种先进加载设备 ，它只需要-台直流电机加-个电力回烙载控制柜就可以代替庞大的负载机组，不但投资省，而且使用极其方便和稳定，它可以在整个转速范同内，特别是在最小扭矩乃至堵转时都能够做到极其稳定。

3.3主驱动系统(主机)33.1刀盘驱动系统完成土体切削功能的刀盘驱动系统是盾构机的主要组成部分，主要承担驱动刀盘旋转切削开挖面土体和搅拌密封舱内土体的任务。由于地层条件变化、埋深变化和掘进参数的变化使得盾构刀盘的负载扭矩会出现很大范围的波动，因此，盾构刀盘驱动系统具有大贯I生、大功率、调速范围大和负载变化大等特点 。鉴于刀盘系统的上述特点，要求刀盘驱动系统的转速调节范围应大、地层适应性要好、合理利用驱动元件的能力要强，而这些恰恰是我国盾构刀盘驱动系统与国外公司的差距所在，因此进行盾构刀盘驱动系统的研究是非常有必要的，这对于我国盾构机设计 、制造和操作技术的掌握有着非常重要的实际意义。刀盘驱动方式经历了-般电机驱动 、液压驱动和变频电机驱动的发展过程，从三种驱动方式的发展过程来看，驱动系统正向结构简化、液压泵大流量化和应用多种节能技术方向发展。根据BⅨ动需要，为了能够提供大功率动力源，试验台按最多 8个电机或液压马达的传动位置进行布置，且这两种驱动方式可以根据试验要求进行互换，当参与驱动的电机或液压马达数不足 8个时，剩余安装位置可空闲预留，如图 1所示。

3.3.2变频 电机驱动传动路线变频电机驱动的刀盘驱动系统主要由变频电机、减速器、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成[61，由多个变频电机驱动刀盘旋转，刀盘速度可调。丁作原理简图，如图 2所示。

图 2刀盘变频驱动系统控制原理Fig.2 Control Principle of Variable FrequencyDrive System of the Cutter Head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，其同步性控制方式有二种 ：(1)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接近，如图 3所示 ；(2)刀盘运行时，在多台电机中设-台电机为主控电机，主控电机跟踪系统设定速度～主控电机运行时的实际转矩作为其他电机的力矩设定值，即从控电机跟踪主控电机的转矩值，如图4所示。

冈 3电机同步性速度控制模式Fig.3 Speed Control Mode for Motor Synchronization234 机 械设 计 与制 造No.4Apr.2013目机图4电机同步性扭矩控制模式Fig.4 Torque Control Mode for Motor Synchronization3.3.3液压驱动传动线路液压驱动的刀盘驱动系统主要由液压泵站、阀组 、管路、驱动液压马达、减速器、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成191。由液压马达驱动刀盘旋转，刀盘转速通过液压系统调节。液压驱动传动控制原理，如图 5所示。系统是利用多个变量泵驱动多个液压马达来进行刀盘转速控制。由于液压驱动方式起步早 ，技术相对成熟，因此其同步性能好，可以带载启动，无级调速，比较适合于小直径的地铁盾构中。但随着盾构直径和系统功率的增大，液压油箱和泵站将日趋庞大和复杂，系统的能量损失也大，维修保养也将更加复杂。所以，大直径盾构-般不推荐采用液压驱动方式。

图5刀盘驱动液压传动系统控制原理Fig.5 Control Principle of Hydraulic Drive System of the Cuter Head4测控系统采用工业控制计算机和测控仪表实现测试流程的 自动控制，测控系统主要分为两部分(图略)。(1)对驱动电机、液压系统油源、润滑系统及其他系统的控制，它主要包括工业控制计算机、低压控制柜、PLC等；(2)主要包括扭矩、转速传感器、温度传感器、压力传感器、加速度传感器等，以实现对试验参数的采集[I1∝制系统硬件包括工业控制计算机 (IPC)、可编程逻辑控制器(PLC)、WINCC显示操作系统等，通过DP总线来实现对试验台驱动系统、液压系统、润滑系统、加载系统的控制；控制系统的软件设计主要包括主控拈软件的设计、压力伺服控制拈软件的设计以及多机之间通信协议的制定等∝制系统还应具有较完善的声、光报警系统。如油压、油位超低报警，以及负载超限时的自动停机功能等。测试系统包含专用的数据采集软件和SQL数据库等，通过工控机和数据采集装置实现各种信号的采集与自动分析，获得试验必须的数据(转速、扭矩、温度 、压力、功率、振动等)。监控系统实现试验台工作状态的闭环监控和信号输出，并通过-些参数判断试验台的工作状态，在试验台出现异常时及时报警，必要时自动停机。

在试验过程中，按照规定的试验规程，测试系统与控制系统即可联动运行，也可分别独立工作，同时又都具有数据分析与处理功能。即当测试系统不工作时，控制系统也同样能够发现系统故障，实现及时报警、完成停机功能等。

5结束语盾构掘进机作为隧道施工的大型装备，由于其产量少和成本高的因素，模型试验便成为了实现盾构机结构与陛能优化设计的重要手段。因此在设计理论不完善的情况下，根据相似原理，利用物理模型来代替实际系统进行试验研究，通过试验的方法来了解系统对不同负载、工况以及动力学参数变化的响应，对于深入研究盾构机的结构和性能，分析盾构施工过程中已经发生的问题或预测将来可能遇到的问题，促进盾构机设计的国产化，提高盾构施工技术与水平，具有重要的现实意义和经济前景。