液驅土壓平衡盾構刀盤電氣原理分析

朱紅光+李朗煥+李吉

摘要：隨著全國一線城市地鐵的普及，用于地鐵施工的盾構機也逐漸走向成熟。盾構操作手除了需要對地層進行了解，還需要對盾構的性能有深入的認知，掌握盾構的運轉原理。文章主要介紹了盾構機盤系統的啟動條件及連鎖限制條件。

關鍵詞：液驅盾構機；刀盤系統；啟動原理；電氣原理；地鐵施工 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG71 文章編號：1009-2374（2017）07-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.041

文章以液驅土壓平衡盾構為模板，討論刀盤啟動過程中的各種電機啟動條件及連鎖限制條件。文章中涉及的編號都是以集中式盾構的電路圖紙為準，按照電路圖紙的編號規則，每個元器件都有各自的編號。結合電路圖紙，可以針對每個數字編號查詢到相對應的元器件。

1 電機啟動條件

刀盤的啟動需要滿足以下電機啟動條件：內循環水電機開啟、空壓機啟動、先導泵電機啟動、補油泵電機啟動、齒輪油泵電機啟動、黃油多點泵電機啟動、1～3號刀盤電機啟動。內循環水電機啟動的主要作用是冷卻刀盤馬達減速箱的齒輪油及空壓機。空壓機啟動的主要作用是給黃油氣動泵及HBW氣動泵提供氣源。先導泵電機提供刀盤運轉的控制油，控制刀盤的轉向及轉速。補油泵電機主要給刀盤液壓驅動閉式系統提供液壓油。齒輪油泵電機負責刀盤主驅動齒輪油的內部循環冷卻潤滑。黃油多點泵電機負責泵送黃油給刀盤主驅動密封系統提供潤滑冷卻密封作用。1～3號刀盤電機為刀盤的主電機，負責提供刀盤運轉的液壓動力源。

2 連鎖限制條件

2.1 本地與遠程的模式選擇

刀盤的控制系統分為遠程控制與現場控制。遠程控制系統安裝于主控室內部操作臺上，用于盾構正常掘進的刀盤控制，為刀盤主要的控制方式；現場控制系統安裝于人閘倉內部，主要用于開倉換刀時的控制。

在主控室操作臺上，刀盤控制面板上有一個插鑰匙的選擇開關，將其開關選擇至遠程。在電路圖紙上，根據第13章第29頁，-29S2吸合，9-7A5.2：6接收電信號，PLC感應到主控室已經選擇遠程模式。人倉刀盤控制盒上也有一樣的選擇按鈕，將其選擇本地，則在第34頁，34S5斷開，PLC未接收信號，判斷為遠程控制模式。只有將兩種選擇開關都選擇遠程，則第29頁，9-9A4：3發出信號，-29H3二極管亮燈，本地模式激活。若兩種選擇模式選擇不一樣，則-29H3二極管閃燈，刀盤各種控制按鈕失靈，無法控制。若都選擇本地控制，則人倉刀盤控制盒激活，在其他條件滿足的情況下，刀盤可以現場控制。

2.2 高低速選擇

刀盤有兩個速度檔位，低速度檔及高速檔，低速檔的最高刀盤轉速可達1.6r/min，高速檔的最高速度可達2.3r/min。刀盤速度選擇的電路位置在第13章第31頁，-31S2為速度檔位選擇按鈕，若選擇低速檔，則9-7A5.2：4接收到信號；若選擇高速檔，則9-7A5.2：8接收到信號。

PLC接收到高速檔信號之后，在第46頁電路圖紙中，9-15A2：4發出電信號，-46K2吸合，電磁閥線圈-46Y3吸合，刀盤主驅動馬達上的斜盤在先導油的作用下形成一定角度，刀盤最終在高壓油的作用下形成最高可達2.3r/min的轉速。若PLC接收到低速檔信號，則-46K2與-46Y3失電，未吸合，馬達上的斜盤本身有一定的角度，刀盤最終在高壓油的作用下形成最高可達1.6r/min的轉速。在盾構掘進過程中，大部分時間都是在低速檔進行推進，速度控制在1.0～1.5r/min。

2.3 方向選擇

刀盤分為正轉與反轉，以盾構掘進方向為正方向，刀盤順時針轉動為正轉，刀盤逆時針轉動為反轉。刀盤正反轉的選擇主要根據盾體翻轉角來決定，若翻轉角為正值，則代表盾體順時針轉動了一定角度，刀盤需要正轉；若翻轉角為負值，則代表盾體逆時針轉動了一定角度，刀盤需要反轉。在第13章第32頁，-32S2為方向選擇旋鈕，若選擇左轉，則9-7A6：1接收到電信號，若選擇右轉，則9-7A6：5接收到電信號。以刀盤左轉為例，9-7A6：1接收到電信號。第54頁，9-15A2.1：5發出信號，-54K1吸合，-54Y3吸合，1號刀盤泵內部的斜盤形成左旋的角度。第55頁為2號刀盤左右旋控制電路。第56頁為3號刀盤左右旋控制電路。

2.4 急停正常

第22章第2頁，為刀盤驅動急停頁面，22-2N2為刀盤的急停繼電器。刀盤急停系統有三個急停開關，分別為刀盤現場控制盒上的急停開關-2S1、刀盤現場控制盒上的運行-維護開關-2Q1、人倉外的刀盤急停開關-2S3。在正常情況下，這三個開關的接線端子閉合，保證22-2N2急停繼電器的A1有電；若出意外狀況，可以按壓這幾個急停開關，使急停繼電器發出急停信號，刀盤系統緊急停止。

在急停發生作用時，其13號與14號點位斷開，在第3頁可以發現，-3K2、-3K3繼電器失電斷開，根據這兩個繼電器的接線方式，可以看出這兩個繼電器控制刀盤軟啟動器的控制電，軟啟動器失電之后，刀盤電機停止運轉，整個刀盤系統停止運轉。

在第3頁，除了-2N2這個刀盤急停繼電器可以讓刀盤系統停止運轉之外，-6N3急停繼電器也可以讓刀盤停止。在第6頁，-6N3為螺機系統的急停繼電器，即螺機急停作用之后，不止螺機停止運轉，刀盤系統也會停止運轉。

在第13章第34頁中，22-2Q1、22-2S1除了可以控制22-2N2之外，還直接往9-12A3：1發出信號，讓PLC判斷刀盤處于急停狀態，通過這兩種雙重保險，保證刀盤急停信息能及時送達至PLC，讓刀盤系統能夠及時停止。若解決了刀盤急停繼電器的故障之后，工控機還發出刀盤急停的報警信息，則可能是這里的線路出現問題。

2.5 速度旋鈕歸零

刀盤在轉動之前，速度旋鈕歸零的作用是防止速度在沒歸零的情況下，刀盤啟動之后，對泵及馬達形成太大的沖擊，造成機械部件的損壞。在第13章第37頁，主控室的旋鈕（電位器）-37R3是通過電阻分壓的原理來達到調整輸入電壓的目的。其能提供0～10V的直流電壓給9-1A3的28號點位，若PLC接收到0V的電壓，則代表速度旋鈕已經歸零，PLC才可以允許刀盤轉動。

2.6 溫度未超限

在第13章第44頁，-44B2為刀盤漏油溫度傳感器，可以檢測刀盤馬達泄漏油的溫度，其發出的4～20mA信號被9-1A3的40號點位接收，PLC接收到信號號之后，根據PLC內部的計算規則，換算出實際的刀盤漏油溫度，并在工控機上顯示出來。在工控機的參數設置界面，可以設置刀盤漏油溫度的警告值及高限值。若溫度達到警告值之后，PLC會發出報警信息；達到高限值，PLC除了發出報警信息之外，還會停止刀盤系統的運轉。

2.7 壓力未超限

在第13章第43頁，-43B2為刀盤高壓出口壓力傳感器，可以檢測刀盤實時的運轉油壓，其發出的4～20mA信號被9-1A3的35號點位接收，PLC接收到信號之后，根據PLC內部的計算規則，換算出實際的刀盤運轉壓力，并在工控機上顯示出來。在工控機的參數設置界面，可以設置刀盤壓力高限。若刀盤的實時運轉壓力超出這個壓力限值時，PLC會發出報警信息并停止刀盤系統的運轉。

2.8 刀盤磨損檢測未報警

在盾體內側，有一路60bar左右的高壓油通過中心回轉體及刀盤內部的固有管路到達刀盤前面的磨損檢測刀具或者某一些刀具刀體上。在正常情況下，刀具未磨損，到刀具上的油路則無法泄漏，油壓不會變低。若刀盤刀具磨損嚴重，導致油路與刀盤前方的土體連通，油壓變低。在第13章第57頁，-57B1為壓力繼電器，在油路油壓變低的情況下，內部線路連通，發出24V的電信號至9-13A6：2。PLC感應到電信號之后，判斷刀盤刀具發生磨損，停止刀盤系統的運轉。

2.9 盾體傾角、翻轉角不超限

盾體的傾角是盾體前后中心點連成的直線與地平線形成的角度，盾體上傾角為正值，下傾角為負值。盾體翻轉角是盾體順時針或者逆時針滾動的角度，順時針滾動角為正值，逆時針滾動角為負值。在盾體的左前方有一個傳感器，負責盾體傾角及翻轉角的測量。

在第9章第35頁中，傳感器9-35B1通過本身的傾翻作用，形成4～20mA的傾角電信號輸送到9-2A4的13號點位；形成4～20mA的翻轉電信號輸送到9-2A4的18號點位。PLC根據接收的電流信號換算成傾角、翻轉角數值并顯示出來。

當傾角、翻轉角超限之后，刀盤無法轉動，需要通過其他的辦法使這些數值變正常后，才可以進行刀盤的轉動。

2.10 刀盤貫入度不超限

刀盤貫入度不是一個測量值，是一個計算值，其單位為mm/r，代表刀盤轉動一圈的時候，往前掘進的距離。計算方法為：推進速度除以刀盤轉速。例如一臺盾構機的推進速度為40mm/min，刀盤轉速為1r/min，通過計算，貫入度為40mm/r，代表刀盤轉動一圈的過程中，盾體往前掘進了40mm，刀盤切入土體的厚度也是40mm。

貫入度越大，刀盤每一圈的切削厚度越大，對刀盤扭矩要求越高，刀具磨損越小；貫入度越小，對刀盤扭矩要求越小，刀具磨損越大。在工控機的參數設置界面有貫入度高限設置，當刀盤貫入度超限之后，刀盤無法轉動。

2.11 刀盤制動器松開

PLC接收到啟動信號之后，在第13章第47頁，9-15A2：8發出電信號，-47K2吸合，-47Y3吸合，刀盤制動器松開。刀盤制動器完全松開之后，在第48頁有制動器的行程傳感器-48B1發出信號，9-13A2：2接收到信號，PLC判斷制動器的行程已經到位；壓力傳感器-48B4發出信號，9-13A2：6接收到信號，PLC判斷制動器的壓力已經到位。PLC的兩個點位都接收到信號之后，PLC判斷刀盤制動器已經完全松開。

3 結語

當以上條件滿足時，盾構機的刀盤就可以正式啟動。盾構操作手對于刀盤的啟動，不僅需要準確認知刀盤的啟動條件，還應該通過對盾構機電路圖紙的分析，深入了解這些啟動條件的限制原因及限制方法，保證盾構機的正常運轉。

參考文獻

[1] 郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應用技術[M].南京：東南大學出版社，2003.

[2] 周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京：中國建筑工程出版社，2004.

作者簡介：朱紅光（1980-），男，湖南益陽人，供職于中鐵五局集團電務城通工程有限責任公司，研究方向：盾構施工。

（責任編輯：蔣建華）