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[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。

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。