第2期（总期81期）
2017年3月
No.2(SerialNo.81)
FluidPowerTransmissionandControl
Mar.,2017
TBM刀盘电动-液压同步驱动系统研究
侯昆洲
（中国铁建重工集团有限公司研究院湖南长沙410100）
摘
要：基于TBM刀盘驱动系统的工作原理，分析了不同刀盘驱动方式的优缺点，提出了采用电动-液压同步驱动方
式，实现大扭矩的刀盘驱动。工程应用表明，这种方法实现了TBM刀盘电动和液压的同步驱动，为TBM刀盘驱动系统的改进提供参考。
关键词：TBM；刀盘驱动系统；电动-液压同步驱动中图分类号：TH137
文献标志码：A
TBM是一种超大型机电液一体化机械，专用于硬岩隧道开挖。它包括刀盘系统、推进系统、皮带出渣系统等系统，开挖隧道具有快速、安全、优质、高效等特点，大大优于钻爆法施工[1]。
刀盘系统实现切削围岩、稳定围岩、清理渣石、转运渣石等隧道开挖的基本功能。是其极其关键的系统，关系到TBM的可靠性，随着长距离、大埋深、不良地质隧道的出现，对刀盘驱动系统提出了更高的要求，尤其是在刀盘卡住的情况下，要求刀盘系统能够提供尽可能大的扭矩，实现隧道的开挖，以减少隧道施工风险。
本文针对刀盘驱动系统的控制要求，对现有驱动系统进行深入分析的基础上，提出采用电动和液压混合同步驱动方式，满足对刀盘驱动系统的要求。
1刀盘驱动系统分析
目前，TBM刀盘驱动系统的驱动机构已经确定，
多个驱动器驱动减速机，减速机驱动小齿轮，小齿轮带动大齿圈转动，大齿圈与刀盘之间采用螺栓连接，组成了整个刀盘驱动系统
[2、3、4]
。由于该驱动系统是一
个机械同步机构，这就要求所有的驱动器必须同步驱动，尽量减少驱动输出的差异，否则将对驱动系统造成严重损坏。
现在掘进机刀盘一般采用液压驱动系统和电动驱动系统，液压系统具有功率密度大，负载适应能力强，技术成熟等优点得到广泛采用，电液比例控制技术的运用，使液压系统得到简化，具有压力、流量无级调节功能[5]。但是液压系统的非线性、油液的可压缩
收稿日期：2017-02-15
作者简介：侯昆洲（1985-），电气工程师，硕士，主要负责TBM电液控制系统的研究工作。
文章编号：1672-04-（2017）02-0005-003
性、施工地层的不确定性等特殊因素[6]，对液压系统的精确控制是比较困难的。由于该系统属于大功率液压系统、效率不高、油液易污染等固有特性，使得液压驱动系统运用有所减少。
电动驱动系统具有效率高、简单、节能、易于实现复杂的控制等优点得到广泛使用，采用变频驱动技术，运用变频器直接驱动变频电机，由于变频器的性能近年来有很大提高，调节控制方便，响应快，现在TBM的刀盘驱动方式一般都采用此驱动方式。但是，TBM本身空间的导致不能安装足够的驱动器。
常规的电动驱动模式功率密度不高、空间位置有限、扭矩储备量不大，不能提供足够大的扭矩[7]；液压驱动模式由于驱动效率不高、发热量大、维护困难等很少应用，但是其功率密度大、负载适应能力强。
因此，在空间有限的条件下，采用电动-液压同步驱动系统，能够提供足够的扭矩，满足脱困的要求。电动-液压同步驱动充分利用了电动和液压的优点，解决了低速大扭矩的问题，但是要把两个不同特性的驱动方式一起控制，实现同步还是比较困难的。
2电动-液压同步控制方案
TBM刀盘电动-液压同步驱动系统，包括控制器、
电动驱动系统、液压驱动系统，如图1所示。
该系统能够保证TBM刀盘系统在不同的工况下，实现刀盘速度连续可调，电动-液压同步驱动，提供给刀盘足够的扭矩。
控制系统的核心部件为高性能PLC，PLC实现信号采集、控制、诊断等功能。控制器进行连续电动驱动和液压驱动，测量电动和液压的驱动特性，生成输入输出特性关系。图2为该系统的组成方框图。
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图1TBM刀盘电动-液压同步驱动系统示意图
刀盘电动-液压同步驱动的液压系统为闭式系统，如图3所示。电液比例液压泵1提供油源，驱动双向液压马达4和5，液压马达驱动减速机，实现刀盘旋转；液压泵3是控制油源，比例溢流阀9和10控制液压泵1，改变液压泵的排量和压力油方向；液压泵2是闭式系统补油源，油液经过2个单向阀14向闭式回路补油，经过节流阀15对液压泵1进行冲洗。
液压驱动系统包括比例放大器、液压泵、液压马达、压力传感器和速度传感器，接受控制器的速度指令，通过压力传感器反馈液压马达的驱动压力，计算液压马达的驱动扭矩，刀盘速度传感器反馈刀盘速度
图2TBM刀盘电动-液压同步驱动系统组成方框图
信号，待刀盘速度稳定后，控制器通过液压驱动学习功能，生成驱动速度下的时间和速度之间的关系。
1）液压马达输入功率：
P1=pVn
（1）
式中，p为液压马达的驱动压力，（Pa）；
V为液压马达的理论排量，（m3/r）；n为液压马达的转速，（r/s）。
2）液压马达输出功率：
P2=2πTn
（2）
式中，T为液压马达的输出扭矩，（N⋅m）；
n为液压马达的转速，（r/s）。
3）能量守恒原理：
P2=ηmηvP1
（3）
式中，
ηm为液压马达机械效率；ηv为液压马达容积效率。
1-比例变量泵；2、3-定量泵；4、5-液压马达；6-压力传感器；液压马达的驱动扭矩，由式（1）~式（3）可得：
7-梭阀；8-减压阀；9、10-比例溢流阀；11、12-溢流阀；
T=ηmηvpV13-比例泵变量机构；14-单向阀；15-节流阀
2π（4）
图3TBM刀盘液压驱动原理图
由式（4）可知，液压马达输出扭矩T与液压马达
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驱动压力p的关系。
由控制器根据采集到的数据自动选择合适的掘进参电动驱动系统包括变频器、电动机和速度传感数进行掘进，在减小围岩扰动、刀具磨损的前提下，达器，接受控制器的速度指令，变频器反馈电动机的驱到掘进速度的最大化。在掘进时，掘进机能够根据参动扭矩，实现刀盘的电动驱动，刀盘速度传感器反馈数的变化做出不同等级的反应，能够及时报警、分析刀盘速度信号，待刀盘速度稳定后，控制器通过电动故障，增加人机安全、提高效率。
驱动学习功能，生成驱动速度下的时间和速度之间的本文所提出的方案在某隧道工程中得到了成功关系。
应用，刀盘电动-液压同步驱动运行正常，扭矩差值控制在合理的范围之内，解决了TBM的刀盘不能提供低速大扭矩，不能对刀盘进行电动-液压同步驱动，并对异常情况进行自动处理的问题，实现了TBM的刀盘电动-液压同步驱动，满足了隧道施工的需要。
3结语
本文在分析TBM刀盘驱动系统的基础上，根据
电动和液压驱动系统的工作特性进行了分析，提出了采用电动-液压混合同步驱动系统的驱动方式，并对驱动的具体方案进行了阐述。实际应用表明，该方案的同步误差控制在了合理的范围之内。
参考文献
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图4TBM刀盘电动-液压同步驱动控制流程图
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机电流等相关参数，进行分析并建立完整的数据库，
版社，2005.
ResearchontheElectro-hydraulicSynchronousDrivingSystemofTBM
Cutter
HouKunzhou
Abstract:BasedontheworkingprincipleofTBMcutterdrivingsystem,thispaperanalyzestheadvantagesanddis-advantagesofdifferentcutterdrivingmodes,andputsforwardtheelectro-hydraulichybridsynchronousdrivingmodetorealizehigh-torquecutterdriving.Theengineeringapplicationshowsthatthismethodrealizestheelec-tro-hydraulicsynchronousdrivingofTBMcutterhead,andprovidesareferencefortheimprovementofTBMcutterdrivingsystem.
Keywords:TBM;cutterheaddrivingsystem;electro-hydraulicsynchronousdriving
