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2024年3月12日发(作者：汇编指令输入)
土压平衡盾构机刀盘转速自动控制技术
摘要：本文介绍了我公司生产的土压平衡型盾构机刀盘的特点，
从机械结构，电气控制等方面对刀盘驱动系统进行分析，并比较了
刀盘转速自动控制与人工控制的优劣性最后设计了刀盘转速自动
控制程序，为盾构机变频驱动技术的研究提供参考。
关键词：变频驱动,plc,转速自动控制
abstract：the paper introduces the production of my company
earth pressure balance shield machine the characteristics of
cutter the mechanical structure, electrical
control aspects of cutterhead driving system is analyzed,and
compare the cutter head rotation speed automatic and manual
the final design the program of cutter head speed automatic
epb machine variable frequency drive technology
research to provide the reference..
key words:variable frequency driving, plc, automatic speed
control
中图分类号：f407.6 文献标识码：a 文章编号：
0引言 随着我国地铁项目的日益发展，土压平衡型盾构机越来越
多的被应用在城市地铁隧道的建设中，相比于传统的施工方法，盾
构施工法具有不影响交通,安全性高，施工效率高，在软硬地层亦
有较强的适应性,地表沉降易于控制,施工噪音小等优点，无疑是目
前地铁隧道施工的首选方法，而盾构机掘进过程中刀盘转速的控制
又是整个盾构施工中的重中之重，其控制质量的优劣直接影响整个
盾构机控制系统的可靠性和稳定性，盾构机的刀盘具有直径大，重
量大，扭矩大的特点，而且其转速要根据地层条件，埋深，地面沉
降值和掘进参数的变化而变化，现如今随着变频技术被广泛的应用
到盾构机主驱动系统之中，以及控制技术的快速发展，刀盘转速自
动控制技术的实现已经成为可能。与人工控制刀盘转速相比，自动
控制刀盘转速具有相对较高的可靠性和稳定性，减少设备故障率，
提高现场工作效率等优点。
1.刀盘主驱动系统的机械结构
刀盘主驱动系统主要由变频电机，安全轴，减速机，主轴承以及
三道唇型密封组成，以北方重工¢6.28土压平衡型盾构机为例，盾
构机采用变频电动机驱动刀盘方式，由六台变频电机组成,其中每
台电机功率135千瓦，并配有冷却水循环系统为变频电机与减速机
正常运行提供保障，三道唇型密封由外至内分别打入hbw，ep2，以
及vg-680三种不同润滑介质，为主轴承提供了安全有效的保障。（如
图1）
图1 刀盘驱动内部结构
2.刀盘转速的控制结构
由于土压平衡盾构机掘进过程中刀盘承受的扭矩较大，因此刀盘
驱动系统多为多个大功率电机驱动同一个负载，这样对电机的同步
性要求很高，即电机转速相同的情况下承受相同的负载，避免电机
与电机之间电流差异过大，造成部分变频电机过载运行，北方重工
土压平衡型盾构机刀盘系统采用主从同步控制方式（如图2），即一
个带有编码器的主电机将信号反馈至西门子控制模块cu320中，在
由控制模块根据反馈信息对变频电机转速进行控制，刀盘主驱动系
统采用西门子s7系列plc作为控制器，与盾构机主机施耐德unity
plc控制采用西门子profibus现场总线进行数据交换（如刀盘的启
动，停止，转速，扭矩以及报警等）。
图2 主从控制
3.刀盘转速自动控制技术的设计与实现
3.1刀盘转速自动控制技术的提出
传统土压平衡型盾构机刀盘转速采用人工控制方式，即在操作室
内利用电位计按钮对转速进行控制，在通过变送器将模拟信号转化
为plc能够识别的4-20ma的电流信号，在掘进过程中由于地层复
杂多变，且很难评估准确，所以操作手在设备掘进过程中需要经常
根据地质情况改变刀盘转速，同时还要考虑土仓压力，掘进速度，
刀盘扭矩等诸多因素，不但影响了掘进效率而且很可能由于人为疏
忽造成地面塌方，影响工程进度，因此刀盘转速自动控制技术的提
出能够有效的提高施工效率，减少施工带来的塌方风险。
3.2刀盘转速自动控制系统的设计
根据土压平衡型盾构机的施工特点以及刀盘驱动系统的控制要
求以及大扭矩，重载启动等特点，选用6台135kw变频电机作为刀
盘驱动装置，总功率690kw，总扭矩可达7000km.m，主驱动输出扭
矩与转速曲线如图3所示。
图3刀盘转速与扭矩关系
刀盘转速自动控制仍然采用主从式控制方式，主编码器安装于1
号变频电机末端，辅助编码器安装于6号变频电机末端，主编码器
出现故障后，系统可以切换到辅助编码器模式进行工作，确保系统
能够安全可靠的运行，反馈信号通过分频器分别传输至6个
sinamics smc30 modul模块中，数据经过内部运算后传输至
sinamics cu320 controler驱动单元中在由cu320模块送入西门子
变频器中完成对刀盘转速的自动控制，另外由于隧道内温度较高，
且刀盘需要长时间运行，所以变频电机与变频器均需要拥有独立的
水冷装置对其进行冷却，刀盘系统采用西门子s7-300plc与主plc
通过profibus现场总线进行连接，转速自动控制系统具体程序如
下：
刀盘系统运行的永久安全条件
设备没有出于紧急停止状态。
刀盘hbw内外密封油脂各参数正常。
刀盘ep2油脂内外密封各参数正常。
运行vg-680齿轮油油泵电机，且齿轮油压力值在正常范围内。
刀盘变频电机以及变频器冷却水水泵正常运行，且水压正常。
变频器无报错。
6个变频电机中需要至少运行3个变频电机，否则刀盘不能够正
常启动。
刀盘控制模式被打到总控室控制模式。
每台变频电机扭矩大于1000kn.m或者总扭矩大于5500kn.m时盾
构机刀盘停止工作。
当变频器内温度达到80度或者电机减速机温度达到90度时，盾
构机刀盘不能正常工作。
当profibus通讯出现问题时，总控室内会出现通讯故障报警，
这时刀盘不能正常启动。
结束语
刀盘转速自动控制技术是盾构机刀盘变频控制中重要的技术之
一，本文以北方重工集团有限公司盾构机分公司土压平衡型盾构机
刀盘驱动为基础，简要介绍了刀盘转速自动控制系统的设计理念和
特点，通过对刀盘转速的自动控制达到提高设备安全性与可靠性的
目的，调试过程中刀盘转速顺利跟踪程序给定值，总体性能稳定，
实现设计中的各个转速要求，希望刀盘转速自动控制技术的设计能
够给同行带来一些帮助，从而推动我国盾构技术的进步与发展。
参考文献
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