刀盘驱动系统

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。

盾构机刀盘驱动系统液压故障案例分析一、海瑞克盾构刀盘驱动液压系统的故障分析及处理1.液压系统深圳某地铁项目使用的德国海瑞克盾构机，其刀盘驱动系统为泵、液压马达闭式回路，由3台并联的斜盘式轴向柱塞变量泵和8台并联的轴向柱塞液压马达组成。

系统附带补油液压泵、控制泵等元件。

整个系统为电比例调速，恒功率保护方式。

泵采用带有补油冲洗阀的双向变量泵。

2.故障及原因分析（1）故障现象盾构在掘进时，三个刀盘泵突然出现故障无法重新起动。

主控室显示补油液压泵压力不足，达不到设计要求的最低补油压力，此时补油液压泵压力显示为1.8MPa，而设定值为2.7MPa左右。

（2）原因分析1）检查油箱液位，液位常，可以排除吸油不足的因素。

2）检查补油液压泵溢流阀。

怀疑溢流阀被卡，造成卸荷。

清洗溢流阀后再装回原来位置仍不能建立正常压力，由此判断溢流阀无故障。

3）补油液压泵为螺杆泵，自身抗污染能力很强，由于补油液压泵自身原件损坏造成压力不足的可能性很小，而且在关闭补油液压泵出口球阀的情况下，调节补油液压泵溢流阀，压力显示与新泵相同，可以排除补油液压泵自身的问题。

至此可以判断补油液压泵压力不足是由于部分流量从某个地方非正常流走造成的。

4）补油液压泵除对闭式回路进行补油和对3台主泵进行壳体冷却外，还为螺旋输送机的减速器进行壳体冷却，在补油主管路上还装有蓄能器。

检查蓄能器回油管，没有油液流出；关闭通往螺旋输送机减速器管路上的球阀，补油压力还是达不到设计要求。

由此可以判断三个刀盘泵内部泄漏是造成补油压力不足的主要原因。

5）在观察三个刀盘泵泄漏油管时发现，3号刀盘泵泄漏油管有大量油液流动的迹象，同时发现斜盘没有归零，卡在5°左右的位置。

随即打开3号刀盘泵泄漏油口，发现有铜屑杂质，接着在冷却循环过滤器也发现了大量铜屑。

随即将3号刀盘泵送生产厂家拆检，发现泵的内部已严重损坏。

如滑靴磨损严重，其中的两个已碎裂成多块，固定回程盘的8颗螺栓也全部剪切断裂，且回程盘已断裂成三部分。

培训教材盾构机系统原理介绍（C型盾构）宏润建设集团股份有限公司二OO七年八月目录1.概要 (2)2.盾构壳体结构 (2)3.刀盘驱动系统 (3)4.刀盘装置 (5)5.盾构推进系统 (7)6.人行闸 (9)7.管片拼装机 ............................................................... - 10 -8.螺旋输送机 ................................................................ - 11 -9.盾尾密封装置............................................................ - 12 -10.液压系统................................................................. - 13 -11.集中润滑系统.......................................................... - 14 -12.稀油润滑系统.......................................................... - 15 -13.盾尾油脂压注系统................................................... - 15 -14.注浆系统................................................................. - 16 -15.加泥加水系统.......................................................... - 17 -16.冷却系统 (17)17.车架系统 (18)18.皮带输送机 (19)19.双梁系统 (19)20.单梁系统 (20)21.电气系统 (20)1.概要本教材主要内容为盾构机各系统设备的主要功能介绍。

摘要集机械、电气、信息、测量、液压与控制等多学科技术为一体的盾构掘进机以其高效、快速、优质、安全等特点成为了全球范围应用最为广泛的大型地下隧道掘进工程装备，其刀盘驱动系统具有大惯性、大功率和变负载的特点，而近来迅速发展起来的电液控制技术在继承了原有液压系统优点的基础上与电子技术紧密结合于一体，成为盾构机驱动方式的发展趋势。

论文从盾构机刀盘驱动的实际工况出发，针对盾构掘进过程中出现的负载突变冲击乃至刀盘卡死等现象，分析了现有盾构刀盘驱动方式所存在的问题，探讨了一种具有更高可靠性和节能性的盾构刀盘驱动液压系统，重点研究了系统的动态特性及其冲击适应性，主文主要研究内容如下:1.介绍了国内外盾构施工技术和盾构掘进机的发展历程和研究现状。

分析了盾构刀盘的现有驱动方式的特点，对变频电机驱动和液压驱动两种方式进行了对比。

2.从负载的角度论述了盾构刀盘切削作用对象岩土的基本特性，分析了盾构刀盘上主要刀具的切削物理现象以及切削力模型，论述了盾构扭矩的构成情况及计算方法。

重点研究了盾构刀盘在切削过程中负载冲击和刀盘卡死产生的原因以及冲击带来的影响。

通过盾构刀具切削实验和盾构实际现场测试的数据相结合，验证和分析了盾构掘进过程中负载的随机性和冲击的产生原因。

3.分析了盾构刀盘驱动系统的结构形式，研究了现有盾构刀盘驱动液压系统的优缺点，针对盾构的负载特点设计了一种基于负载变化的变量泵一变量马达容积控制驱动回路，并采用比例阀控蓄能器来控制负载的动态冲击。

4.建立了盾构刀盘液压驱动系统的数学模型，从系统动态特性入手研究了刀盘在剧烈负载冲击下液压系统的各个参数对系统本身的影响，揭示了液压冲击的物理现象以及峰值的计算方法，在蓄能器模型的基础上分析了其吸收压力冲击时的动态特性。

5.在已建立的数学模型的理论基础上，利用A州[ESim图形化仿真软件建立了盾构刀盘液压驱动系统仿真模型，对所构建系统的动态特性以及对冲击的适应性进行了仿真研究。

《双护盾TBM撑靴液压系统及刀盘驱动系统的研究》篇一一、引言随着地下工程建设的高速发展，双护盾TBM（全断面硬岩隧道掘进机）作为一种高效、快速的隧道施工设备，得到了广泛的应用。

其中，TBM的撑靴液压系统和刀盘驱动系统作为其核心部件，对机器的稳定性和施工效率具有重要影响。

本文旨在深入研究双护盾TBM的撑靴液压系统及刀盘驱动系统，探讨其工作原理、性能特点及优化方向。

二、双护盾TBM撑靴液压系统研究1. 撑靴液压系统的工作原理双护盾TBM的撑靴液压系统主要通过液压泵提供动力，通过控制阀组调节液压油的流向和压力，从而驱动撑靴实现TBM 的定位和稳定。

撑靴的设计需考虑到地质条件、隧道断面大小等因素，以保障施工过程中的机器稳定。

2. 液压系统的性能特点双护盾TBM的撑靴液压系统具有以下性能特点：（1）高效率：通过液压传动，实现高扭矩、低速度的要求，提高工作效率。

（2）稳定性好：通过精确的控制阀组，实现撑靴的精确定位和稳定支撑。

（3）适应性强：根据不同的地质条件和隧道断面大小，调整撑靴的压力和位置，以适应不同的施工需求。

3. 液压系统的优化方向为进一步提高撑靴液压系统的性能，可从以下几个方面进行优化：（1）提高液压泵的效率和可靠性，减少故障率。

（2）优化控制阀组，实现更精确的控制和更高的响应速度。

（3）加强系统的散热性能，防止因高温导致的系统故障。

三、刀盘驱动系统研究1. 刀盘驱动系统的工作原理双护盾TBM的刀盘驱动系统主要通过电机、减速器、驱动机构等部分组成，将动力传递到刀盘上，驱动刀盘进行旋转切削作业。

2. 驱动系统的性能特点刀盘驱动系统具有以下性能特点：（1）高扭矩：通过减速器和电机的高扭矩输出，实现强大的切削能力。

（2）稳定性好：通过精确的控制系统，实现刀盘的平稳旋转和切削。

（3）适应性广：根据不同的地质条件和施工需求，调整电机的功率和转速，以实现最佳的切削效果。

3. 驱动系统的优化方向为进一步提高刀盘驱动系统的性能，可从以下几个方面进行优化：（1）采用更高效的电机和减速器，提高系统的整体效率。

全断面硬岩掘进机第1节全断面硬岩掘进机概述1.1 全断面硬岩掘进机的定义和研究现状全断面硬岩掘进机（Full Face Rock Tunnel Boring Machine，以下简称TBM），TBM是集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高度机械化和自动化的大型隧道开挖衬砌成套设备，是一种由电动机（或电动机——液压马达）驱动刀盘旋转、液压缸推进，使刀盘在一定推力作用下贴紧岩石壁面，通过安装在刀盘上的刀具破碎岩石，使隧道断面一次成型的大型工程机械。

TBM施工具有自动化程度高、施工速度快、节约人力、安全经济、一次成型，不受外界气候影响，开挖时可以控制地面沉陷，减少对地面建筑物得影响，水下地下施工不影响水中地面交通等优点，是目前岩石隧道掘进最有发展潜力的机械设备。

如下图所示。

生产TBM最早的厂家是美国的罗宾斯（Robbins）公司。

罗宾斯公司于1951年由James Robbins创建，1952年James Robbins研制出世界第一套全断面掘进机而闻名于世界。

1956年，罗宾斯发明了硬岩掘进机用的盘形滚刀，使硬岩掘进机的研制实现了真正意义上的成功。

罗宾斯初期产品结构简单、作业快速灵活，经过50年得发展，罗宾斯公司已经成功研制出了应用于地质条件较好的中硬岩全断面岩石掘进机、硬岩全断面岩石掘进机和软岩全断面掘进机，适用于复杂地质条件的单护盾全断面岩石掘进机、双护盾全断面岩石掘进机和高性能能硬岩全断面岩石掘进机等。

另外还有美国的佳伐公司（Jarva Inc.）、德国的德马克公司（Mannesmann Demag AG）和维尔特（Wirth Maschinen-und BohrgeraetefabrikGmbH），四家公司是20世纪70~80年代的世界四大硬岩掘进机制造商。

现阶段生产TBM的较著名厂商有美国的罗宾斯公司（Robbins）、德国的维尔特（Wirth）和海瑞克公司（Herrenkneeht）等。

4300×6000土压平衡顶管机电气操作显示与控制要求一、顶管机主要外界检测输入信号二、控制操作面板1.刀盘驱动系统A．动力与控制元件⑴大刀盘驱动三台·30千瓦电机3X3台，变频器控制⑵小刀盘驱动三台·30千瓦电机2X3台，变频器控制B．刀盘显示（每台/套）·电压V·电机电流 A·刀盘转速min-1·刀盘转向正（顺时针）反（逆时针），以后视方向（从后面向前看）作基准·刀盘总扭矩K N·m或%·总功率 KW·刀盘电机故障信号指示·稀油润滑油箱温度报警指示灯·集中润滑系统故障报警指示灯C．刀盘控制要求（六台，每台一套）·刀盘电动机变频启动、调速、停止·自动与手动操作模式切换D．刀盘操作模式·刀盘有二种工作模式：自动工作状态与手动工作状态·手动工作状态下，刀盘电机工作与稀油润滑电机、集中润滑电机联锁。

启动任一刀盘电机，必须先启动稀油润滑电机、集中润滑电机。

2.推进系统A．动力与控制元件·250吨推进油缸10支·油泵组1：电机30千瓦；油泵58升/分，31.5MPa·油泵组2：电机11千瓦；油泵250升/分，2.5MPa·电磁溢流阀1组·电磁换向总阀1组·电磁比例减压阀1组·电磁换向阀10组B.推进系统显示·推进油缸位置、行程显示（左下、右下各一只行程开关）·推进油缸升、缩速度状态显示·推进工作压力显示 MPa·油泵工作压力显示 MPa·总推进力 KN·推进比例减压显示·推时油缸工作显示（工作、不工作）C.推进系统控制·推进系统联锁控制刀盘系统没有处于工作状态，推进系统不能进入推进工作状态。

盾构刀盘驱动系统的原理盾构刀盘驱动系统是一种用于地下隧道掘进的大型机械设备。

它的工作原理是通过刀盘的旋转来推进掘进机，同时利用刀盘的破碎和掘进轨迹的稳定性来完成地下隧道的开挖工作。

盾构刀盘驱动系统由刀盘、刀盘驱动装置、刀盘液压系统和刀盘轨迹控制系统等部分组成。

刀盘是盾构机的核心部件，它由大量的刀具和刀齿组成。

在工作时，刀盘通过转动来破碎地质体，同时将破碎的土石等物料通过刀盘周围的物料间隙排出。

刀盘的转动速度和转向可以根据需要进行调整，以适应不同地质条件下的掘进工作。

刀盘驱动装置一般通过电机或液压系统来驱动刀盘的转动。

其中，电机驱动系统采用电动机作为动力源，通过齿轮减速机将电机的旋转速度转换为刀盘的旋转速度。

液压驱动系统则通过液压泵将液压油送入刀盘液压马达，产生马达的旋转力矩，从而推动刀盘的转动。

两种驱动方式可以根据需要进行选择，具有各自的特点和适用范围。

刀盘液压系统主要用于提供刀盘驱动所需的液压力和控制。

液压系统中的液压油通过泵站和管线输送到刀盘液压马达，产生马达的旋转力。

同时，液压系统还包括控制阀和传感器等部件，用于监测和调节液压油的流量和压力，从而实现对刀盘转动速度和力矩的控制。

刀盘轨迹控制系统是盾构机的关键部分，它的作用是确保刀盘的掘进轨迹稳定和准确。

该系统主要由测量传感器、控制系统和液压控制单元组成。

测量传感器可以测量刀盘的位置和姿态，将数据传输给控制系统。

控制系统基于传感器的数据，计算并控制刀盘的转动速度、推进力和方向，使刀盘按照预定的轨迹掘进。

盾构刀盘驱动系统使用比较广泛，其原理是通过刀盘的转动来推进掘进机，并利用刀盘的破碎和掘进轨迹的稳定性来完成地下隧道的开挖工作。

通过刀盘驱动装置提供动力，液压系统提供液压力和控制，刀盘轨迹控制系统确保刀盘的轨迹稳定和准确。

这种驱动系统具有高效、稳定和可靠的特点，适用于各种地质条件下的地下隧道掘进工程。