液驱土压平衡盾构刀盘电气原理分析

朱红光+李朗焕+李吉

摘要：随着全国一线城市地铁的普及，用于地铁施工的盾构机也逐渐走向成熟。盾构操作手除了需要对地层进行了解，还需要对盾构的性能有深入的认知，掌握盾构的运转原理。文章主要介绍了盾构机盘系统的启动条件及连锁限制条件。

关键词：液驱盾构机；刀盘系统；启动原理；电气原理；地铁施工 文献标识码：A

中图分类号：TG71 文章编号：1009-2374（2017）07-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.041

文章以液驱土压平衡盾构为模板，讨论刀盘启动过程中的各种电机启动条件及连锁限制条件。文章中涉及的编号都是以集中式盾构的电路图纸为准，按照电路图纸的编号规则，每个元器件都有各自的编号。结合电路图纸，可以针对每个数字编号查询到相对应的元器件。

1 电机启动条件

刀盘的启动需要满足以下电机启动条件：内循环水电机开启、空压机启动、先导泵电机启动、补油泵电机启动、齿轮油泵电机启动、黄油多点泵电机启动、1～3号刀盘电机启动。内循环水电机启动的主要作用是冷却刀盘马达减速箱的齿轮油及空压机。空压机启动的主要作用是给黄油气动泵及HBW气动泵提供气源。先导泵电机提供刀盘运转的控制油，控制刀盘的转向及转速。补油泵电机主要给刀盘液压驱动闭式系统提供液压油。齿轮油泵电机负责刀盘主驱动齿轮油的内部循环冷却润滑。黄油多点泵电机负责泵送黄油给刀盘主驱动密封系统提供润滑冷却密封作用。1～3号刀盘电机为刀盘的主电机，负责提供刀盘运转的液压动力源。

2 连锁限制条件

2.1 本地与远程的模式选择

刀盘的控制系统分为远程控制与现场控制。远程控制系统安装于主控室内部操作台上，用于盾构正常掘进的刀盘控制，为刀盘主要的控制方式；现场控制系统安装于人闸仓内部，主要用于开仓换刀时的控制。

在主控室操作台上，刀盘控制面板上有一个插钥匙的选择开关，将其开关选择至远程。在电路图纸上，根据第13章第29页，-29S2吸合，9-7A5.2：6接收电信号，PLC感应到主控室已经选择远程模式。人仓刀盘控制盒上也有一样的选择按钮，将其选择本地，则在第34页，34S5断开，PLC未接收信号，判断为远程控制模式。只有将两种选择开关都选择远程，则第29页，9-9A4：3发出信号，-29H3二极管亮灯，本地模式激活。若两种选择模式选择不一样，则-29H3二极管闪灯，刀盘各种控制按钮失灵，无法控制。若都选择本地控制，则人仓刀盘控制盒激活，在其他条件满足的情况下，刀盘可以现场控制。

2.2 高低速选择

刀盘有两个速度档位，低速度档及高速档，低速档的最高刀盘转速可达1.6r/min，高速档的最高速度可达2.3r/min。刀盘速度选择的电路位置在第13章第31页，-31S2为速度档位选择按钮，若选择低速档，则9-7A5.2：4接收到信号；若选择高速档，则9-7A5.2：8接收到信号。

PLC接收到高速档信号之后，在第46頁电路图纸中，9-15A2：4发出电信号，-46K2吸合，电磁阀线圈-46Y3吸合，刀盘主驱动马达上的斜盘在先导油的作用下形成一定角度，刀盘最终在高压油的作用下形成最高可达2.3r/min的转速。若PLC接收到低速档信号，则-46K2与-46Y3失电，未吸合，马达上的斜盘本身有一定的角度，刀盘最终在高压油的作用下形成最高可达1.6r/min的转速。在盾构掘进过程中，大部分时间都是在低速档进行推进，速度控制在1.0～1.5r/min。

2.3 方向选择

刀盘分为正转与反转，以盾构掘进方向为正方向，刀盘顺时针转动为正转，刀盘逆时针转动为反转。刀盘正反转的选择主要根据盾体翻转角来决定，若翻转角为正值，则代表盾体顺时针转动了一定角度，刀盘需要正转；若翻转角为负值，则代表盾体逆时针转动了一定角度，刀盘需要反转。在第13章第32页，-32S2为方向选择旋钮，若选择左转，则9-7A6：1接收到电信号，若选择右转，则9-7A6：5接收到电信号。以刀盘左转为例，9-7A6：1接收到电信号。第54页，9-15A2.1：5发出信号，-54K1吸合，-54Y3吸合，1号刀盘泵内部的斜盘形成左旋的角度。第55页为2号刀盘左右旋控制电路。第56页为3号刀盘左右旋控制电路。

2.4 急停正常

第22章第2页，为刀盘驱动急停页面，22-2N2为刀盘的急停继电器。刀盘急停系统有三个急停开关，分别为刀盘现场控制盒上的急停开关-2S1、刀盘现场控制盒上的运行-维护开关-2Q1、人仓外的刀盘急停开关-2S3。在正常情况下，这三个开关的接线端子闭合，保证22-2N2急停继电器的A1有电；若出意外状况，可以按压这几个急停开关，使急停继电器发出急停信号，刀盘系统紧急停止。

在急停发生作用时，其13号与14号点位断开，在第3页可以发现，-3K2、-3K3继电器失电断开，根据这两个继电器的接线方式，可以看出这两个继电器控制刀盘软启动器的控制电，软启动器失电之后，刀盘电机停止运转，整个刀盘系统停止运转。

在第3页，除了-2N2这个刀盘急停继电器可以让刀盘系统停止运转之外，-6N3急停继电器也可以让刀盘停止。在第6页，-6N3为螺机系统的急停继电器，即螺机急停作用之后，不止螺机停止运转，刀盘系统也会停止运转。

在第13章第34页中，22-2Q1、22-2S1除了可以控制22-2N2之外，还直接往9-12A3：1发出信号，让PLC判断刀盘处于急停状态，通过这两种双重保险，保证刀盘急停信息能及时送达至PLC，让刀盘系统能够及时停止。若解决了刀盘急停继电器的故障之后，工控机还发出刀盘急停的报警信息，则可能是这里的线路出现问题。

2.5 速度旋钮归零

刀盘在转动之前，速度旋钮归零的作用是防止速度在没归零的情况下，刀盘启动之后，对泵及马达形成太大的冲击，造成机械部件的损坏。在第13章第37页，主控室的旋钮（电位器）-37R3是通过电阻分压的原理来达到调整输入电压的目的。其能提供0～10V的直流电压给9-1A3的28号点位，若PLC接收到0V的电压，则代表速度旋钮已经归零，PLC才可以允许刀盘转动。

2.6 温度未超限

在第13章第44页，-44B2为刀盘漏油温度传感器，可以检测刀盘马达泄漏油的温度，其发出的4～20mA信号被9-1A3的40号点位接收，PLC接收到信号号之后，根据PLC内部的计算规则，换算出实际的刀盘漏油温度，并在工控机上显示出来。在工控机的参数设置界面，可以设置刀盘漏油温度的警告值及高限值。若温度达到警告值之后，PLC会发出报警信息；达到高限值，PLC除了发出报警信息之外，还会停止刀盘系统的运转。

2.7 压力未超限

在第13章第43页，-43B2为刀盘高压出口压力传感器，可以检测刀盘实时的运转油压，其发出的4～20mA信号被9-1A3的35号点位接收，PLC接收到信号之后，根据PLC内部的计算规则，换算出实际的刀盘运转压力，并在工控机上显示出来。在工控机的参数设置界面，可以设置刀盘压力高限。若刀盘的实时运转压力超出这个压力限值时，PLC会发出报警信息并停止刀盘系统的运转。

2.8 刀盘磨损检测未报警

在盾体内侧，有一路60bar左右的高压油通过中心回转体及刀盘内部的固有管路到达刀盘前面的磨损检测刀具或者某一些刀具刀体上。在正常情况下，刀具未磨损，到刀具上的油路则无法泄漏，油压不会变低。若刀盘刀具磨损严重，导致油路与刀盘前方的土体连通，油压变低。在第13章第57页，-57B1为压力继电器，在油路油壓变低的情况下，内部线路连通，发出24V的电信号至9-13A6：2。PLC感应到电信号之后，判断刀盘刀具发生磨损，停止刀盘系统的运转。

2.9 盾体倾角、翻转角不超限

盾体的倾角是盾体前后中心点连成的直线与地平线形成的角度，盾体上倾角为正值，下倾角为负值。盾体翻转角是盾体顺时针或者逆时针滚动的角度，顺时针滚动角为正值，逆时针滚动角为负值。在盾体的左前方有一个传感器，负责盾体倾角及翻转角的测量。

在第9章第35页中，传感器9-35B1通过本身的倾翻作用，形成4～20mA的倾角电信号输送到9-2A4的13号点位；形成4～20mA的翻转电信号输送到9-2A4的18号点位。PLC根据接收的电流信号换算成倾角、翻转角数值并显示出来。

当倾角、翻转角超限之后，刀盘无法转动，需要通过其他的办法使这些数值变正常后，才可以进行刀盘的转动。

2.10 刀盘贯入度不超限

刀盘贯入度不是一个测量值，是一个计算值，其单位为mm/r，代表刀盘转动一圈的时候，往前掘进的距离。计算方法为：推进速度除以刀盘转速。例如一台盾构机的推进速度为40mm/min，刀盘转速为1r/min，通过计算，贯入度为40mm/r，代表刀盘转动一圈的过程中，盾体往前掘进了40mm，刀盘切入土体的厚度也是40mm。

贯入度越大，刀盘每一圈的切削厚度越大，对刀盘扭矩要求越高，刀具磨损越小；贯入度越小，对刀盘扭矩要求越小，刀具磨损越大。在工控机的参数设置界面有贯入度高限设置，当刀盘贯入度超限之后，刀盘无法转动。

2.11 刀盘制动器松开

PLC接收到启动信号之后，在第13章第47页，9-15A2：8发出电信号，-47K2吸合，-47Y3吸合，刀盘制动器松开。刀盘制动器完全松开之后，在第48页有制动器的行程传感器-48B1发出信号，9-13A2：2接收到信号，PLC判断制动器的行程已经到位；压力传感器-48B4发出信号，9-13A2：6接收到信号，PLC判断制动器的压力已经到位。PLC的两个点位都接收到信号之后，PLC判断刀盘制动器已经完全松开。

3 结语

当以上条件满足时，盾构机的刀盘就可以正式启动。盾构操作手对于刀盘的启动，不仅需要准确认知刀盘的启动条件，还应该通过对盾构机电路图纸的分析，深入了解这些启动条件的限制原因及限制方法，保证盾构机的正常运转。

参考文献

[1] 郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].南京：东南大学出版社，2003.

[2] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工程出版社，2004.

作者简介：朱红光（1980-），男，湖南益阳人，供职于中铁五局集团电务城通工程有限责任公司，研究方向：盾构施工。

（责任编辑：蒋建华）