隧道掘進機刀具破巖綜合試驗臺電氣系統的研制

王國政，王國濤

(中鐵工程裝備集團盾構制造有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著地下空間建設的蓬勃發展，TBM法在國內得到了迅速發展。TBM法已成為隧道、地鐵、水利水電等地下工程施工的主要施工方法之一［1］。TBM設計和使用的關鍵理論是其刀盤上的滾刀與巖石的相互作用理論。研究滾刀的破巖規律，尤其是滾刀作用下巖石的裂紋擴展機制，滾刀與巖石的相互作用力、貫入度等對合理的刀具選擇與刀盤布置及提高TBM的掘進能力，具有重要意義［2］。國內外學者，特別是破巖設備廠商，在壓頭靜力侵入巖石試驗的基礎上，對滾壓破巖作了大量研究。張照煌等［3］從滾刀運動學出發，研究滾刀結構參數對切削過程的影響，并就滾刀回轉切削時內外側的切削軌跡進行分析。宋克志等［4］、楊金強［5］、丁俊宏等［6］通過大量的實驗及理論分別就滾刀對地質條件的適應性、切削力及結構參數、地質參數的關系進行了研究。可以看出，近年來，刀盤刀具破巖能力與刀盤扭矩、刀盤轉速、推力、侵深等因素相互影響方面的研究比較少。本文重點介紹該刀具破巖檢測試驗臺的電氣系統方案及實現功能情況。

1 刀具破巖試驗臺

該試驗臺主要由結構本體、液壓系統及電氣系統3部分組成。

1)結構本體。移動導向、主驅動、固定導向、刀盤、轉軸支座及皮帶機。

2)液壓系統。液壓泵站、推進系統及刀盤驅動系統。

3)電氣系統。刀盤電機控制系統、油缸推進控制系統及皮帶機控制系統。

刀具破巖試驗臺總成如圖1所示。

圖1 試驗臺總成圖Fig.1 Assembly of test bench

掘進切削實驗平臺通過控制油缸的同步推進，推進速度可調，刀盤轉速可調，再配合聲發射系統及高速攝像機，可進行刀盤刀具的連續破巖指標測試及刀具的單項指標測試。生成掘進中的轉速－扭矩曲線，推力－侵深曲線為盾構刀盤刀具數字化設計提供依據。

2 電氣系統

2.1 試驗臺供配電系統

考慮到試驗臺中所用電機均為三相異步電動機，電機采用直接啟動或軟啟動器啟動，在工作過程中存在較大無功功率。若不進行無功補償，會造成用電負荷增加，影響實驗室其他實驗設備。故考慮通過并聯電容器補償無功功率。

試驗臺動力電有實驗室變壓器分出獨立380 V供電，無功補償需將功率因數補償到0.9以上，故需考慮試驗臺所需分配的變壓器容量及需添加的補償電容器大小。

2.1.1 刀盤試驗臺總負荷計算

刀盤電機160 kW。

推進電機75 kW。

補油泵電機5.5 kW。

皮帶機電機5.5 kW。

總有功功率=160+75+5.5+5.5=246 kW。

補償前功率因數為0.75。

2.1.2 變壓器容量計算及補償計算

2.1.2.1 試驗臺計算負荷

在負荷計算中，電力變壓器的功率損耗可按下列簡化公式近似計算:

有功損耗ΔPT≈0.015 S30;

無功損耗 ΔQT≈0.06 S30。

式中為變壓器二次側的視在計算負荷。

變壓器低壓側有功計算負荷P30=246 kW。

無功計算負荷Q30=P30×tan arccos 0.75=217 kvar。

2.1.2.2 補償前變壓器所需的容量

2.1.2.3 平均功率因數

本系統中主要的無功功率的產生是由于交流異步電機實際負荷低于額定負載所至。異步電機在額定負載時的功率因數較高，為0.85～0.89，而空載或輕載時的功率因數只有0.2～0.3。但輕載時的功率因數低，此時的電流值也小，所以計算電機最大需要補償的無功功率不能簡單地取空載時的無功功率。根據經驗值通常可以75%負荷時為計算點。本設計取補償前的功率因數平均為0.75。

按規定，變電所高壓側的cos φ≥0.9，考慮到變壓器本身的無功功率損耗ΔQT遠大于其有功功率損耗Δ PT，一般ΔQT=(4～5)ΔPT，因此在變壓器低壓側進行無功補償時，低壓側補償后的功率因數應略高于0.9，這里取 cos φ'≥0.92。

要使低壓側功率因數由0.75提高到0.92，低壓側需裝設的并聯電容器容量

由于配置電容器組多為整數，這里取QC=120 kvar。

補償系統分為6組20 kvar電容器組。

2.1.2.4 補償后變壓器的容量和功率因數

補償后變壓器低壓側的視在計算負荷

通過計算分析，試驗臺在工作過程中需保證從變壓器分得容量必須在264.4 kVA以上。從變壓器引入動力電的電源分配情況如圖2所示。

圖2 動力分配圖Fig.2 Power distribution diagram

380 V動力電經過控制變壓器，給接觸器、照明提供220 V控制電;經過直流電源給PLC、繼電器、傳感器提供24 V控制電。

刀盤電機選用施耐德ATS48C41Q軟啟動器啟動電機，有效降低啟動瞬間峰值電流，從而避免對電機及電網的沖擊。推進電機選用施耐德ATS48C17Q啟動。皮帶機電機功率小，選用接觸器直接啟動方式。

2.2 試驗臺控制系統

目前市場上可編程控制器種類繁多，綜合分析各品牌PLC的優缺點。西門子PLC通訊控制是其強項，指令較少，程序相對簡單，模擬量模塊較之其他主流PLC價格相對便宜［7］。故該試驗臺控制系統選用西門子300控制器做為主站，倍福控制器和阿托斯油缸控制器做為從站聯合組成［8］。

西門子300安裝于電氣控制柜中，主要控制電機啟動，采集傳感器信號，控制電磁閥;倍福安裝于琴臺內，通過數字量輸入通道采集琴臺按鈕輸入信號，通過輸出通道控制按鈕燈的閃爍狀態，模擬量輸入通道采集電位計輸入0～10 V電壓值，通過Profibus傳輸到配電柜PLC參與控制，阿托斯控制器采集油缸的壓力、位移等信號，控制油缸同步推進。

PLC通過網線與上位機電腦連接并進行數據傳輸，將邏輯運算結果在上位機上顯示［9］。并采集上位機觸屏輸入的數據參與控制。數據采集控制系統如圖3所示。

圖3 控制系統原理圖Fig.3 Principle of control system

2.2.1 信號檢測

在主驅動泵和推進泵處，設置有高壓口壓力傳感器，通過4～20 mA電流傳送給 S7－300進行采集、處理、運算［10］。運算結果經網線傳送至琴臺上位機顯示。

在主驅動和推進系統高壓油回路中設置有過濾器堵塞檢測壓差傳感器，當過濾器堵塞時，采集進來的數字量經PLC采集并在上位機給出報警信息，提示設備操作人員進行處理。

在試驗臺工作時，會產生大量熱量使液壓油溫度升高，溫度過高的液壓油會對液壓泵及其他液壓精密閥組造成損壞，因此該試驗臺配備有主驅動刀盤溫度傳感器和油箱溫度傳感器，通過4～20 mA電流傳送給PLC進行采集、運算。經過網線傳輸將液壓油溫度實時在上位機中顯示并發出報警信息，提醒操作人員注意和采取相應措施。

為達到試驗目的，采集精確的推力，并利用PID反饋控制油缸精確同步。設計在4組油缸分別裝有有桿腔壓力傳感器、無桿腔壓力傳感器和位移傳感器，通過模擬量信號4～20 mA電流傳送給PLC模擬量通道進行采集［11］，參與油缸同步反饋控制，并通過網線在上位機上顯示。

在主驅動減速箱上，設置有轉速接近開關。在主驅動運轉時通過測量齒數將采集到的電壓信號傳輸到圖爾克轉速監控器，再通過轉速監控器將采集的脈沖信號轉換為4～20 mA的模擬量信號，提供給PLC模擬量輸入進行采集轉換，并在上位機顯示出來且參與程序的邏輯運算。刀盤的速度檢測電路如圖4所示。

圖4 刀盤轉速檢測原理圖Fig.4 Schematic diagram of testing of cutter head rotation speed

2.2.2 速度控制裝置

為滿足試驗需求，刀盤速度有2種控制方式，通過琴臺撥動開關來對2種速度控制模式進行切換。

一種為放大板VT3000進行控制，在電氣控制電路中，設置有速度控制使能繼電器，當速度控制允許的情況下，放大板使能端得電，放大板工作。通過S7－300上面的模擬量輸出模塊，輸出－10 V到+10 V的電壓，作為放大板的輸入信號;當輸入0到－10 V時，左旋轉通道激活，輸出的電流值與電壓成正比，當輸入0到10 V時，右旋轉通道激活，輸出的電流值與電壓成正比。比例電磁閥的開口度與閥的電流成正比，因此管路的流量受到控制，最終控制了刀盤的轉速。電氣控制電路原理圖如5所示。

另一種為轉速顯示屏輸入，通過工業電腦輸入轉速值(0～6 r/min)。將輸入轉速值與實際測量算的轉速值進行比對，通過PID反饋控制［12］，不斷調整PLC輸出到比例閥的電流大小，通過實時調整比例閥的開口度，調節刀盤轉速，使轉速無限趨近與輸入轉速值。

圖5 刀盤速度電位計控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of potentiometer control of cutter head rotation speed

3 試驗臺邏輯功能

根據試驗臺需要完成的試驗和采集相關數據的需求，系統安裝多個壓力傳感器、過濾器、溫度傳感器。通過PLC數據傳輸模塊采集，參與運算處理，運算結果通過以太網通訊在上位機上顯示。在液壓回路中相應安裝電控調節閥、溢流閥、比例調速閥，通過PLC輸出和放大版輸出來控制相關電磁閥的精確動作［13］。

為計算準確的推力，消除刀盤和油缸自重的影響，考慮設計2種工作模式:水平狀態和豎直狀態。根據實際試驗的需要，2種工作模式可通過上位機觸屏按鈕進行切換。水平狀態為模擬TBM施工過程，測算推力過程可消除刀盤自身重力影響。

在不同的地質情況下，TBM在施工時刀盤扭矩和油缸推力不盡相同，為使實驗臺更好地為具體設計制造提供理論依據，在電氣控制中編寫相應程序來選擇油缸和馬達的動作數量。4組油缸中可選擇兩組同時動作另外兩組油缸浮動或四組油缸同時動作。4個馬達可任意選擇動作數量。選擇開關設置為上位機觸屏按鈕，當通過上位機選擇油缸和馬達動作數量后，數據通過以太網傳輸到PLC，控制相應輸出點狀態，控制相應閥組的失電狀況。從而達到所選工作模式。

推進過程:在推進開始前也就是上電后，先檢測油缸是否同步，如果不同步，上位機給出報警信號，油缸控制系統給出油缸伸出信號，使油缸伸出到初始位置。再根據上位機給出的信號選擇不同的工作模式(豎直模式和水平模式);4根油缸同時動作模式;2根動作2根浮動模式。然后再執行相應的推進操作。

推進過程中按下推進按鈕，油缸開始推進，比例伺服閥得電，4個電磁球閥得電，通過電位器調節推進速度。

刀盤旋轉過程:根據報警信息，排除電氣控制相應故障點。啟動主驅動電機，選擇轉速調節模式，選擇刀盤順時針或者逆時針旋轉，啟動刀盤旋轉，調節轉速。

試驗中傳感器信號和通過程序計算的相應試驗參數在上位機電腦上顯示，顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機主界面顯示Fig.6 Main interface of PC

4 試驗臺完成試驗

4.1 試驗1:TBM切削試驗

水平狀態工作模式，模擬TBM掘進原理進行設計。在試驗中，刀盤扭矩、轉速、貫入度、推進力等參數通過PLC邏輯運算經以太網傳輸能動態自動存儲到上位機Excel表中。顯示界面如圖7所示。

圖7 數據查詢記錄Fig.7 Data query log

4.2 試驗2:推力－扭矩試驗、轉速－扭矩試驗

通過選擇不同試驗模式，形成推力－扭矩試驗和轉速－扭矩試驗，試驗曲線在上位機上動態顯示，方便直觀地看出不同推力、轉速下扭矩的大小。實驗數據動態存儲到Excel表格中。顯示界面如圖8所示。

4.3 試驗3:恒轉速推力－侵深試驗

轉速通過電位器調節或者顯示屏輸入保持恒定，通過試驗形成推力－侵深曲線，試驗數據能動態存儲到Excel表格中。顯示界面如圖8所示。

圖8 上位機曲線界面顯示Fig.8 Curve display interface of PC

5 結論和討論

該電氣控制系統已在國家重點實驗室刀具檢測試驗臺上成功運用，并通過實驗達到了預期目的。實驗過程中，可以通過模式轉換消除刀盤和油缸自重的影響，得到更精確的數據。同時可根據實驗土質不同，選擇馬達和油缸動作的數量，記錄針對性的數據。數據可通過PLC傳輸到工業電腦，自動存儲于Excel表格中存檔，同時可生產刀具破巖時的壓力、侵深、貫入度、扭矩等相應數據曲線，為后期盾構、TBM刀具選型提供依據。

隨著盾構及TBM的使用越來越普及，針對不同地質情況量身定制刀盤及滾刀布置情況顯得尤為重要。通過本試驗臺實驗數據，可以為滾刀選型及配置提供相應的數據支持。當然，本項目仍存在以下問題，本文僅有數據曲線，缺少破巖瞬間畫面直觀顯示，后期可以考慮添加聲發射系統，高速攝像機等。

［1］ 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.(ZHANG Fengxiang，ZHU Hehua，FU Deming.Shield tunnel［M］.Beijing:China Communications Press，2004.(in Chinees))

［2］ 張照煌.盤形滾刀與巖石相互作用理論研究現狀及分析［J］.工程機械，2009，40(9):16 － 21.(ZHANG Zhaohuang.Present situation and analysis of interacting theory between disc hob and rock［J］.Construction Machinery and Equipment，2009，40(9):16 －21.(in Chinese))

［3］ 張照煌，紀昌明.全斷面巖石掘進機盤形滾刀刃破巖點弧長的解析解及應用研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2009，17(2):265 － 273.(ZHANG Zhaohuang，JI Changming.Full face rock tunnel boring machine disc edge broken application research and analytical solution of arc length of rock bit［J］.Journal of Basic Science and Engineering，2009，17(2):265 －273.(in Chinese))

［4］ 宋克志，袁大軍，王夢恕.盤形滾刀與巖石相互作用研究綜述［J］.鐵道工程學報，2005(6):66 － 69.(SONG Kezhi，YUAN Dajun，WANG Mengshu.Study review on the interaction between dick cutter and rock［J］.Journal of Railway Engineering Society，2005(6):66－69.(in Chinese))

［5］ 楊金強.盤形滾刀受力分析及切割巖石數值模擬研究［D］.北京:華北電力大學能源動力與機械工程，2007.(YANG Jinqiang.Stress analysis of disc cutter and cutting numerical simulation study of rock［D］.BeiJing:School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，2007.(in Chinese))

［6］ 丁俊宏，金先龍，郭毅之，等.土壤切削大變形的三維數值仿真［J］.農業機械學報，2007，38(4):118 －121.(DING Junhong，JIN Xianlong，GUO Yizhi，et al.Three dimensional numerical simulation of large deformation of soil cutting［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，38(4):118 －121.(in Chinese))

［7］ 廖常初.PLC基礎及應用［M］.北京:機械工業出版社，2003.(LIAO Changchu.PLC application and basic［M］.Beijing:China Machine Press，2003.(in Chinese))

［8］ 蒲曉波.西門子PLC在盾構控制系統檢測試驗臺的應用［J］.隧道建設，2009，29(1):127 － 129.(PU Xiaobo.Application of siemens PLC in test-bed for shield machine control system［J］.Tunnel Construction，2009，29(1):127 －129.(in Chinese))

［9］ 謝希仁.計算機網絡技術［M］.大連:大連理工大學出版社，2002.(XIE Xiren.The technology of computer network［M］.Dalian:Dalian University of Technology Press，2002.(in Chinese))

［10］ 王也仿.可編程邏輯控制應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2003.(WANG Yefang.Programmable logic controller application technology［M］.Beijing:China Machine Press，2003.(in Chinese))

［11］ 田瑞庭.可編程邏輯控制應用技術［M］.北京:機械工業出版社，1993.(TIAN Ruiting.Applied Technology of PLC［M］.Beijing:China Machine Press，1993.(in Chinsee))

［12］ 陳忠華.可編程控制器與工業自動化系統［M］.北京:機械工業出版社，2007.(CHEN Zhonghua.Programmable controllers and industrial automation systems［M］.Beijing:China Machine Press，2007.(in Chinese))

［13］ 孫平.可編程控制器應用技術［M］.北京:高等教育出版社，2002.(SUN Ping.Applied technology of PLC［M］.Beijing:Higher Education Press，2002.(in Chinese))