全斷面巖石掘進機刀盤驅動技術的發展和研究

楊生華，芮豐，蔣衛良

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

隨著礦山、交通、水利和能源的發展，全斷面隧道掘進機包括盾構和TBM都得到了長足發展。目前中國在礦山、交通、水利和能源方面都有世界上最大規模的隧道掘進，例如煤礦年產40億t/a規模占世界產量的近一半，每年掘進巷道達12 000 km，全巖巷超過1 000 km。全斷面巖石掘進機(TBM)隨著盾構的發展而發展，同時互相促進。TBM最大直徑已達14.4 m，盾構直徑17.6 m已經應用，可以制造的最大直徑為19.25 m。TBM最小直徑為0.6 m，微型盾構直徑僅為200 mm。

隧道掘進機刀盤最大功率超過了10 000 kW，14 000 kW已經應用，大型TBM刀盤驅動功率一般都有幾千kW。刀盤驅動方法主要分為電動機驅動和液壓馬達驅動，隨著電力電子的發展和變頻器的應用，交流變頻電氣傳動趨于主流，尤其大功率TBM都采用變頻驅動，但液壓驅動仍然不可或缺。在需要功率密度高的地方尤其是小直徑和微型TBM以及需要脫困扭矩大的地方，液壓驅動尤其重要。為了提高刀盤驅動性能，刀盤驅動方法從電動機和液壓組合驅動，向混合和復合驅動方向發展。而電動機驅動本身向高性能永磁電動機方向發展，液壓驅動向高效變速電動機驅動和低速馬達驅動方向發展。

1 全斷面巖石掘進的驅動方法

刀盤驅動方法主要有電動機驅動和液壓驅動，為了加大啟動和低速時轉矩，防止機器在遇到不穩定巖層是被卡，使用了組合、混合和復合驅動方法。

1.1 電動機驅動

刀盤的電動機驅動主要有定速電動機、雙速電動機和變速電動機驅動。在變頻器出現之前TBM都使用定速電動機和雙速電動機驅動，定速電動機有EJ50和EJ30煤礦使用的TBM，雙速電動機驅動代表是維爾特 TB880E。由于交流傳動的發展，使用變頻器的變速電動機驅動，具有啟動電流小、效率高、冷卻性能好、節能降耗等優點，可實現無極變速，適應不同的地質工況，啟動力矩和脫困扭矩大，多電動機同步控制性能好，系統可靠性高。因此變速電動機驅動取代了定速電動機和雙速電動機驅動，尤其在大功率大直徑TBM，圖1是變頻變速電動機驅動刀盤示意圖。由于出現了大功率低速永磁電動機，變速電動機除了異步電動機外又有了永磁直驅電動機，永磁直驅電動機可以簡化減速器結構，甚至可以取消減速器，采用永磁直驅電動機直接驅動，進一步減少了安裝空間，提高驅動系統的工作效率和可靠性。但由于價格貴，產品不成熟，尚處于推廣階段，目前僅在功率較小的大直徑盾構上應用。

圖1 變頻變速電動機驅動刀盤示意圖

2014年北方重工集團有限公司為淮南礦業巷道工程開發設計了世界首臺立井煤礦巖巷全斷面掘進機——QJYC045M。采用全變頻驅動，表1為QJYC045M主要技術參數。刀盤驅動功率為4臺360 kW變頻電動機驅動，總功率是1 440 kW，總裝機功率為2 000 kW。2015年1月，全斷面硬巖盾構機(TBM)在張集礦井下試驗成功，實現硬巖巷道單月掘進560 m，創造了當時全國煤礦硬巖巷道掘進最高紀錄。

表1 QJYC045M TBM主要參數

1.2 液壓驅動

TMB液壓驅動分為刀盤驅動和推進，TBM推進都采用液壓油缸驅動，刀盤的液壓驅動就是用液壓馬達驅動。由于空間限制，液壓馬達一般都使用高速馬達，馬達驅動方法有：定速泵驅動定速馬達，變速泵驅動定速馬達，變速泵驅動變速馬達。定速泵驅動定速馬達效率低已經被淘汰，一般都采用變速泵驅動變速馬達，常用軸向柱塞液壓泵和馬達，調速范圍廣，而且能適應復雜工況。 由于液壓驅動多了一個能量轉化環節，故效率沒有電動機直接驅動效率高，一般效率要低20%～50%，實際系統效率僅為40%～60%。但液壓驅動功率密度高，低速性能好，具有良好的抗沖擊能力和過載保護性能， 維修保養相對簡單，可靠性高。隨著對液壓驅動系統的研究，新的液壓系統效率提高了10%～30%，如果采用低速大扭矩馬達，系統效率和可靠性可進一步提高。TBM的液壓馬達驅動方法不可或缺，在小直徑或小功率TBM中有應用要求，大直徑和大功率TBM混合驅動方面也很重要，在功率較小的土壓和泥水平衡盾構中亦有應用。

遼寧通用重機公司研制的國內首臺KSZ-2600礦用全斷面硬巖快速掘進機(掘錨神盾1號)于2016年5月開始在北京部隊某部進行軍用設施巖石巷道工程掘進施工中，地面試驗取得圓滿成功。2017年又開發了KSZ-2800型礦用全斷面硬巖快速掘進機“神盾重慶1號”，在重慶能源集團旗下松藻煤電公司地面山體掘進，2018年初完成在高瓦斯工況條件下的煤礦巖石巷道工業性能試驗，目前正在掘進。KSZ-2600的刀盤是由4臺液壓馬達驅動，刀盤總功率為210 kW，總裝機功率380 kW，表2為KSZ-2600 TBM的技術參數，圖2為神盾1號KSZ-2600礦用全斷面硬巖快速掘進機TBM產品和結構示意圖。

表2 KSZ-2600 TBM技術參數

1.3 組合、混合和復合驅動

定速電動機或雙速電動機驅動刀盤時電動機不能同時啟動，需要逐個分時啟動，各臺電動機啟動時間間隔5 s，待全部電動機啟動后通過離合器驅動刀盤，如果刀盤是6臺電動機，刀盤逸轉時間有30 s。刀盤各電動機同步是通過負荷平衡又稱滑差自適應，啟動性能差，啟動轉矩小。為此,使用液壓和電動機組合驅動，當TBM脫困時改用液壓馬達驅動，電動機離合器分離，早期我國引進德國威爾特的TB880E產品就是這種驅動方式，如圖3所示。

圖2 KSZ-2600礦用全斷面硬巖快速掘進機

圖3 TB880E液壓馬達和雙速電動機組合驅動

由于變頻傳動的發展，現在TBM都采用變頻電動機驅動刀盤，刀盤轉速可變，當遇到硬巖時使用高速驅動刀盤，當遇到軟巖時使用低速驅動刀盤，這樣使TBM地質適應性提高了。但單獨變頻驅動低速扭矩等于額定扭矩，啟動扭矩僅僅為額定扭矩1.5倍，而且時間比較短，當脫困時很有可能扭矩不足而無法脫困。因此使用變頻電動機和液壓馬達混合驅動刀盤，當TBM需要脫困時，馬達和變頻電動機同時啟動，這樣可以把啟動扭矩提高到原來額定扭矩的2倍以上，同時低速運行時扭矩大于額定扭矩，運行穩定性提高，脫困能力大大增強，變頻電動機和液壓馬達混合驅動刀盤示意圖，如圖4所示。

浙江大學研究并發展了復合驅動，解決TBM的脫困扭矩問題。一開始是在變頻驅動的基礎上增加一兩臺定速電動機加黏性離合器驅動，定速電動機只有在脫困時啟動，通過大減速比減速器增加刀盤脫困扭矩，啟動和低速扭矩增大,后來又發展了變頻驅動直接加黏性離合器，不另外增加定速電動機+減速器驅動的方案，節省了空間，提高了性能和靈活性。變頻驅動直接加黏性離合器驅動刀盤方案，刀盤啟動扭矩可提高到額定扭矩的2倍，持續時間達到79 s，而變頻直接驅動扭矩僅為1.5倍，持續時間為60 s。由于液體黏性離合器(HVC)參與了脫困，液體黏性離合器需要油壓控制系統和油溫冷卻系統，因此增加了復雜性，同時液體黏性離合器產品性能和可靠性也影響了驅動系統性能，目前這種驅動方法還沒有應用到具體產品上。圖5變頻電動機和黏性離合器復合驅動刀盤示意圖。

圖4 變頻電動機和液壓馬達混合驅動刀盤

圖5 變頻電動機和黏性離合器復合驅動刀盤

2.4 各種驅動方式性能比較

刀盤的驅動方法主要有定速驅動和變速驅動。定速驅動主要有單速電動機和雙速電動機，雙速電動機盡管有2種速度，但不能調速運行；變速驅動主要有變頻電動機驅動和液壓馬達驅動，這2種方法能無級調速，自適應截割，可根據巖石狀況自動改變速度，帶載啟動，脫困能力好，自動化掘進，因此變速驅動是目前刀盤驅動采用的主要方法。液壓驅動系統效率低，國產化程度低，系統可靠性難以提高，所以變頻驅動方法已經成為我國TBM發展的主流，但液壓驅動方法功率密度高，在小型和微型TBM中仍然必不可少，表3為4種刀盤驅動方式優缺點比較。

表3 刀盤驅動方式優缺點比較

3 TBM驅動技術研究和發展趨勢

TBM刀盤驅動需要功率密度高，效率高，可靠性高，啟動和低速性能好，可變速自適應掘進，壽命長，能夠實現自動化和智能化,因此變頻變速驅動是發展趨勢，變頻驅動可控制性能好，能夠高效自適應自動化掘進。而液壓驅動功率密度高，仍然不可取代，需要發展和提高。

3.1 變頻驅動

全斷面巖石掘進機(TBM)刀盤使用變頻驅動已經廣泛應用，目前變頻驅動一般都是采用異步電動機。由于交流變頻傳動技術和永磁電動機的發展，永磁直驅電動機在效率和體積以及可靠性上都得到提高，而且永磁直驅電動機啟動轉矩大，因此永磁直驅電動機在TBM上一定會越來越多地應用。但永磁電動機成本高，磁鋼存在高溫退磁問題和制造磁鋼的稀土材料有限，產品還不完全成熟。因此磁阻電動機得到發展，磁阻電動機成本低于永磁電動機，效率介于永磁電動機和異步電動機之間，接近永磁電動機，性能高于異步電動機，而且系統可靠性很高，所以TBM驅動也可以使用磁阻電動機。

3.1.1 異步電動機

目前TBM使用中壓異步電動機，一般啟動轉矩是額定轉矩的1.5 倍，如果把啟動轉矩設計成更大，那么電動機效率降低，可靠性就降低。如果采用高壓電動機，啟動轉矩更小，一般是額定轉矩的0.7或0.8倍。因此異步電動機用在TBM上一定存在性能不足和可靠性不高的問題，通過混合和復合驅動，能夠提高刀盤的啟動和低速性能，但增加了復雜性，也降低了可靠性和可用性。使用高壓高效異步電動機+黏性離合器復合驅動刀盤值得研究，使用一臺高壓變頻器，簡化系統，提高效率，降低成本。額定運行時電動機直接驅動刀盤，低速和啟動運行時使用變頻+黏性傳動。

3.1.2 永磁電動機

我國稀土資源豐富，具備高效能磁鋼生產的條件。隨著電力電子的發展，變頻器性能越來越好，效率越來越高，體積越來越小，成本越來越低。永磁電動機在我國得到了很大發展，可以制造4 000 kW的高壓永磁同步電動機。永磁直驅電動機產品化已經到2 000 kW，而TBM刀盤驅動電動機功率僅僅有幾百kW。 因此TBM上使用的永磁直驅電動機產品制造是沒有問題的，主要是優化設計和專業化問題，TBM刀盤驅動系統需要體積小、效率高、成本低和可靠性高。使用永磁直驅電動機簡化TBM刀盤驅動系統，減少減速器的級數或取消減速器，減少電動機體積和重量。永磁電動機效率高，啟動轉矩大于額定轉矩2倍以上，低速性能好。可以取代異步電動機混合或復合驅動，不再需要另外加驅動單元，直接驅動刀盤，減少了傳動級數，提高系統效率和可靠性。

3.1.3 磁阻電動機

磁阻電動機轉子沒有繞組、定子堅固耐用，特別適合沖擊負載和高速應用。電動機結構簡單堅固，控制器電路結構簡單，無直通短路危險，IGBT不易燒毀。磁阻電動機啟動轉矩大，啟動電流很小且響應快。磁阻電動機效率高，工作可靠性高。磁阻電動機成本比永磁電動機低， 甚至能夠和異步電動機變頻驅動相當。盡管磁阻電動機轉矩脈動高，噪聲高，但在TBM上應用影響很小，同時隨著磁阻電動機的發展性能越來越高。因此磁阻電動機和永磁電動機一樣，可以取代異步電動機混合或復合驅動刀盤。 但磁阻電動機和永磁電動機一樣，在TBM上應用存在產品化和專業化問題。目前我國磁阻電動機得到很大發展，具有上千kW功率的電動機產品制造能力，只要針對TBM專業化，將能夠取代永磁電動機或異步電動機驅動。

3.2 液壓驅動

液壓驅動功率密度高，低速性能好，能夠變速運行。2005年西班牙馬德里公路隧道使用的Φ15.2 m德國海瑞克土壓平衡盾構，采用了50臺液壓馬達、24臺泵和12臺電動機組成刀盤驅動液壓系統，驅動功率達在14 000 kW。由于交流變頻傳動的的發展，現在大直徑TBM都采用變頻電動機驅動，小直徑的小型TBM采用液壓驅動，有它的特點和優勢。液壓驅動體積小，啟動轉矩大，低速性能好，不需要組合或復合驅動。由于液壓驅動效率低，因此提高液壓驅動系統的效率一直是重要課題，節能也一直是液壓動力傳動的主要研究方向之一。

如圖6所示，液壓驅動刀盤技術從開始“閥控制”、 “負載敏感閥控制”、“負載敏感泵控制”，到“泵容積控制”和“泵回轉速控制”，總共為第5階段，刀盤所需驅動功率降低50%，效率提高了100%。但液壓驅動效率肯定不如電動機直接驅動，液壓驅動系統效率仍然在65%左右，比電動機驅動效率低20%～30%。目前TBM刀盤使用的液壓馬達驅動，一般都使用高速軸向柱塞馬達，減速器的減速比大，驅動系統效率更低。由于低速馬達和液壓直驅技術的發展，TBM刀盤采用低速大扭矩液壓馬達直接驅動很值得研究。因此TBM使用液壓直驅技術，系統效率高，可靠性高。TBM刀盤液壓驅動目前主要有2種配置形式：一是高速液壓馬達加齒輪減速裝；二是選用中低速馬達，減少齒輪傳動級數，甚至取消減速器。此外，有關研究人員還在探索使用凸輪環液壓馬送驅動、液壓缸驅動等新型驅動方式。赫格隆液壓馬達和液壓直驅技術在帶式輸送機上成功應用，產品和技術世界領先，在TBM上的應用需要研究。

1-有效利用動力；2-節流閥損失；3-其它配管等損失；4-電動機、泵等機械效率損失。

3.3 新的礦用的TBM刀盤驅動方案

根據TBM驅動技術的發展，設計了煤礦使用的Φ5 m和Φ3 m TBM。Φ5 m TBM(EJ50)使用變頻永磁電動機直驅技術，考慮驅動單元的體積和效率以及成本，使用一級行星齒輪傳動的永磁直驅電動機，電動機和減速器一體化。使用Φ3 m TBM(EJ30)使用液壓馬達直驅技術，同樣考慮驅動單元的體積和效率以及成本，使用一級行星齒輪減速器和馬達組合。表4是驅動系統設計壽命30 000 h的驅動參數。因此永磁驅動系統優化和可靠性研究，液壓驅動系統效率和可靠性研究，變頻混合驅動系統和可靠性研究，煤礦使用Φ1～3 m微小型、Φ3～5 m小型、Φ5～8 m中型和Φ8～12 m大型TBM系列化研究工作，硬巖TBM高性能驅動研究和微型TBM驅動研究需要開展。

表4 礦用Φ5 m和Φ3 m TBM是驅動參數

3.4 發展趨勢和研究方向

根據可靠性和效率，有4種驅動方案：

1) 異步電動機+黏性離合器復合驅動方案。

2) 永磁電動機直驅方案。

3) 磁阻電動機驅動方案。

4) 低速馬達驅動方案。其中永磁電動機和低速馬達驅動方案是TBM應用發展趨勢，其它兩種是研究方向，異步電動機復合驅動方案能夠通過黏性離合器和變頻器在定速和變速驅動之間切換，成本最低，而隨著電子技術的發展,磁阻電動機驅動方案將會取代異步電動機。4種驅動方案都能夠變速驅動，啟動性能好，啟動轉矩大，控制性能好，自動化程度高。除了異步電動機啟動轉矩接近額定轉矩的2倍外，其他方式都大于2倍，均能適應TBM高性能和自動化智能化發展要求，而且可靠性高，維護保養容易，表5比較了各種新的變速驅動方法。

表5 各種新的變速驅動方法比較

4 結論

全斷面巖石掘進機(TBM)刀盤驅動實現了機、電、液技術集成和一體化，齒輪傳動、變頻傳動和液壓傳動是核心技術，永磁電動機和低速馬達直驅技術是發展方向，而且磁阻電動機驅動能夠取代異步電動機和永磁電動機。行星齒輪減速器，中壓變頻器和高速軸向柱塞泵和馬達是主要傳動產品技術，徑向馬達是新的應用方向。刀盤驅動技術要求可靠、節能和功率密度高的驅動方法，啟動轉矩大，低速性能好，自動化控制能力強，為長壽命、高可靠性、高性能、高適應性TBM和自動化、智能化、無人化掘進發展打下基礎。