硬巖隧道掘進機位姿調控及刀盤驅動技術研究

李萍

中船重工（青島）軌道交通裝備有限公司 山東青島 266000

1 TBM刀盤驅動系統研究現狀

1.1 TBM刀盤多電機驅動系統特性及控制研究現狀

現如今，伴隨著我國電子技術方面逐步發展，發現使用混頻器變換可以水實現對矢量變換理論的大功率交流電機的控制狀況，用來滿足當前企業中的需求。當前我國對于單電機控制的研究主要集中在使用先進技術的控制基礎，之后再加以無線編碼器來進行控制與精準。現在，對多電機的使用一般都體現在連軋機、造紙機等機器中。以實現不同狀態下多電機之間的協調與控制，許多國外相關人員已經預先做了相關研究與實驗。例如：所有電機并聯同相同的速度信號，所有從機并聯同主機轉矩的主從控制，tmschtmsc仍然與轉矩環并聯，以消除獨立驅動鏈之間的相對誤差，并提出了環路耦合控制方法。以上研究是針對多軸系統，通過平行齒輪的剛性聯軸器驅動tbm多傳動鏈傳動同一刀軸[1]。

1.2 TBM混合脫困研究現狀

當刀盤載荷增大，轉速降低時，變頻電機的轉矩恒定。同時，電機體積較大，安裝次數較少，不能像泵電機系統那樣提供低速大扭矩的恒功率輸出，不能滿足在軟巖條件下快速開挖和解困的要求。為了解決這一問題，人們普遍認為應采用高轉矩密度的液壓馬達來輔助變頻馬達進行低速運行。

2 基于t-bm負載和傳動控制特性的傳動系統優化

在對經典csm模型進行改進的基礎上，針對此建立了驅動形式以及刀具布局的設計規則。并在后期結合了TBM的負載傳遞形式與其他相關特性，以適應全自動驅動自適應的準確性。

2.1 基于tbm負荷模型的系統設計及隧道狀態監測

首先要根據負載特性對t-bm傳動系統進行優化。除此之外，當圍巖出現破損時，涌出的混合涌水會對切割機表面產生一定的作用壓，進而致使TBM切割機使用的過程中出現故障。一旦遭遇圍巖收縮，將會導致盾結構與圍巖收縮承受相同的壓力。進而導致TBM的盾構軸發生卡死狀態[2]。

2.2 基于改進的成套機械負荷模型的掘進狀態監測指標

根據調查，該電機的先進控制方法和系統應用仍處于單電機試驗階段，大功率電機需要由工業成熟混頻器控制。通過加載不同的配方，逆變器可以在速度或轉矩參考模式下工作，從而可以快速建立速度并聯或轉矩主從系統。電氣控制柜中安裝了四個變頻器。變頻器之間通過高速光纖進行通信。電機轉速由編碼器測量并傳回相應的混頻器。電機的轉矩信號是由電機的工作電流計算出來的，因此電機可以直接安裝在減速器的端蓋上，減速器與電機之間不需要傳感器。相比之下，液壓馬達的轉速和扭矩由專用傳感器測量，因此設計了空心套筒結構分別連接減速器蓋和馬達殼體，電機輸出軸通過套筒中的聯軸器與扭矩速度傳感器連接，減速器端面結構設計與傳感器殼體匹配，使傳感器軸與減速器軸套直接匹配，盡可能減少傳動環節。減速器安裝在頭架上，齒圈密封在頭架內，保證主軸承和齒輪嚙合面的防塵潤滑。

3 結語

本章根據傳動系統的優化程度與t-bm載荷及傳動控制特性的關系，建立了由巖石破碎、自重摩擦、圍巖收縮、坍塌等多種因素組成的t-bm總體載荷模型，根據載荷特性和機理拓撲分析及卸荷傳遞特性，建立了系統設計和驅動狀態監測的參考標準，確定了全自由度精確姿態控制和欠驅動柔度的選擇準則，為試驗臺傳動系統的構建提供了依據。具體結論如下：

3.1 對于特別堅硬的圍巖

建議采用多刀間距滾刀，以減少滾刀的受力和破壞。刀尖的厚度應根據滾刀的異常損傷形式安排，否則應使用耐磨性高、使用壽命長的大尺寸刀具。當軟巖占多數時，應采用大間距、少刀具的結構，以降低扭矩載荷和功耗。

3.2 在常規穩定圍巖條件下

滾刀總推力和扭矩負荷分別與刀盤直徑和刀盤直徑的平方成正比，而圍巖收縮和坍塌引起的附加推力和扭矩負荷分別與刀盤直徑的平方和立方成正比，因此，中小型t-bm具有較小的功率余量，由于推力不足或推力不足，夾緊機的風險較大。建議采用x型支撐結構和電機-電機混合式刀盤驅動系統[3]。

3.3 傳統的經驗預測指標

如fpi和se，容易受到滲透率的影響。在荷載模型的基礎上改進的單位貫入指標fpiw和sew能更準確地描述當前的隧道地質特征。提出的tp指標可以作為保持一定直徑tbm滾刀在穩定圍巖條件下正常掘進的固有參數，并可以作為判斷滾刀是否被磨碎或圍巖收縮等不良工況的指標[4]。

3.4 通過對推進力矩缸系統進行解耦控制

實現全自由度精確姿態控制。目前t-b-m結構的精確定位和姿態控制與系統的符合性之間存在矛盾。垂直平面上的扭矩缸抵抗偏心載荷能力較弱，偏心載荷較大時仍應采用傳統的欠驅動結構，犧牲位置和姿態精度，避免氣缸過載和部件損壞。

設計的試驗臺能夠模擬和控制tbm主機在復雜載荷環境下的動態特性，驗證了新的驅動系統和控制方法[5]。