液驅(qū)土壓平衡盾構(gòu)刀盤電氣原理分析

朱紅光 李朗煥 李 吉

（中鐵五局集團電務(wù)城通工程有限責任公司，湖南 長沙 410205）

液驅(qū)土壓平衡盾構(gòu)刀盤電氣原理分析

朱紅光 李朗煥 李 吉

（中鐵五局集團電務(wù)城通工程有限責任公司，湖南 長沙 410205）

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

液驅(qū)盾構(gòu)機；刀盤系統(tǒng)；啟動原理；電氣原理；地鐵施工

文章以液驅(qū)土壓平衡盾構(gòu)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(gòu)的電路圖紙為準，按照電路圖紙的編號規(guī)則，每個元器件都有各自的編號。結(jié)合電路圖紙，可以針對每個數(shù)字編號查詢到相對應(yīng)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(nèi)循環(huán)水電機開啟、空壓機啟動、先導(dǎo)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(nèi)循環(huán)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(dǎo)泵電機提供刀盤運轉(zhuǎn)的控制油，控制刀盤的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。補油泵電機主要給刀盤液壓驅(qū)動閉式系統(tǒng)提供液壓油。齒輪油泵電機負責刀盤主驅(qū)動齒輪油的內(nèi)部循環(huán)冷卻潤滑。黃油多點泵電機負責泵送黃油給刀盤主驅(qū)動密封系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)分為遠程控制與現(xiàn)場控制。遠程控制系統(tǒng)安裝于主控室內(nèi)部操作臺上，用于盾構(gòu)正常掘進的刀盤控制，為刀盤主要的控制方式；現(xiàn)場控制系統(tǒng)安裝于人閘倉內(nèi)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(guān)，將其開關(guān)選擇至遠程。在電路圖紙上，根據(jù)第13章第29頁，-29S2吸合，9-7A5.2：6接收電信號，PLC感應(yīng)到主控室已經(jīng)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(guān)都選擇遠程，則第29頁，9-9A4：3發(fā)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(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)出電信號，-46K2吸合，電磁閥線圈-46Y3吸合，刀盤主驅(qū)動馬達上的斜盤在先導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速。在盾構(gòu)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(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以盾構(gòu)掘進方向為正方向，刀盤順時針轉(zhuǎn)動為正轉(zhuǎn)，刀盤逆時針轉(zhuǎn)動為反轉(zhuǎn)。刀盤正反轉(zhuǎn)的選擇主要根據(jù)盾體翻轉(zhuǎn)角來決定，若翻轉(zhuǎn)角為正值，則代表盾體順時針轉(zhuǎn)動了一定角度，刀盤需要正轉(zhuǎn)；若翻轉(zhuǎn)角為負值，則代表盾體逆時針轉(zhuǎn)動了一定角度，刀盤需要反轉(zhuǎn)。在第13章第32頁，-32S2為方向選擇旋鈕，若選擇左轉(zhuǎn)，則9-7A6：1接收到電信號，若選擇右轉(zhuǎn)，則9-7A6：5接收到電信號。以刀盤左轉(zhuǎn)為例，9-7A6：1接收到電信號。第54頁，9-15A2.1：5發(fā)出信號，-54K1吸合，-54Y3吸合，1號刀盤泵內(nèi)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(qū)動急停頁面，22-2N2為刀盤的急停繼電器。刀盤急停系統(tǒng)有三個急停開關(guān)，分別為刀盤現(xiàn)場控制盒上的急停開關(guān)-2S1、刀盤現(xiàn)場控制盒上的運行-維護開關(guān)-2Q1、人倉外的刀盤急停開關(guān)-2S3。在正常情況下，這三個開關(guān)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(guān)，使急停繼電器發(fā)出急停信號，刀盤系統(tǒng)緊急停止。

在急停發(fā)生作用時，其13號與14號點位斷開，在第3頁可以發(fā)現(xiàn)，-3K2、-3K3繼電器失電斷開，根據(jù)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(zhuǎn)，整個刀盤系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)。

在第3頁，除了-2N2這個刀盤急停繼電器可以讓刀盤系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)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(tǒng)的急停繼電器，即螺機急停作用之后，不止螺機停止運轉(zhuǎn)，刀盤系統(tǒng)也會停止運轉(zhuǎn)。

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(fā)出信號，讓PLC判斷刀盤處于急停狀態(tài)，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(tǒng)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(fā)出刀盤急停的報警信息，則可能是這里的線路出現(xiàn)問題。

2.5 速度旋鈕歸零

刀盤在轉(zhuǎn)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(diào)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(jīng)歸零，PLC才可以允許刀盤轉(zhuǎn)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(fā)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(jù)PLC內(nèi)部的計算規(guī)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(shù)設(shè)置界面，可以設(shè)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(fā)出報警信息；達到高限值，PLC除了發(fā)出報警信息之外，還會停止刀盤系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

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(zhuǎn)油壓，其發(fā)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(jù)PLC內(nèi)部的計算規(guī)則，換算出實際的刀盤運轉(zhuǎn)壓力，并在工控機上顯示出來。在工控機的參數(shù)設(shè)置界面，可以設(shè)置刀盤壓力高限。若刀盤的實時運轉(zhuǎn)壓力超出這個壓力限值時，PLC會發(fā)出報警信息并停止刀盤系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

2.8 刀盤磨損檢測未報警

在盾體內(nèi)側(cè)，有一路60bar左右的高壓油通過中心回轉(zhuǎn)體及刀盤內(nèi)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(dǎo)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(nèi)部線路連通，發(fā)出24V的電信號至9-13A6：2。PLC感應(yīng)到電信號之后，判斷刀盤刀具發(fā)生磨損，停止刀盤系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

2.9 盾體傾角、翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)電信號輸送到9-2A4的18號點位。PLC根據(jù)接收的電流信號換算成傾角、翻轉(zhuǎn)角數(shù)值并顯示出來。

當傾角、翻轉(zhuǎn)角超限之后，刀盤無法轉(zhuǎn)動，需要通過其他的辦法使這些數(shù)值變正常后，才可以進行刀盤的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速。例如一臺盾構(gòu)機的推進速度為40mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1r/min，通過計算，貫入度為40mm/r，代表刀盤轉(zhuǎn)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(shù)設(shè)置界面有貫入度高限設(shè)置，當?shù)侗P貫入度超限之后，刀盤無法轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)出信號，9-13A2：2接收到信號，PLC判斷制動器的行程已經(jīng)到位；壓力傳感器-48B4發(fā)出信號，9-13A2：6接收到信號，PLC判斷制動器的壓力已經(jīng)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(jīng)完全松開。

3 結(jié)語

當以上條件滿足時，盾構(gòu)機的刀盤就可以正式啟動。盾構(gòu)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(yīng)該通過對盾構(gòu)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(gòu)機的正常運轉(zhuǎn)。

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

[2]周文波．盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：中國建筑工程出版社，2004.

（責任編輯：蔣建華）

TG71

1009-2374（2017）07-0089-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.041

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

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