硬岩隧道掘进机位姿调控及刀盘驱动技术研究

李萍

中船重工（青岛）轨道交通装备有限公司 山东青岛 266000

1 TBM刀盘驱动系统研究现状

1.1 TBM刀盘多电机驱动系统特性及控制研究现状

现如今，伴随着我国电子技术方面逐步发展，发现使用混频器变换可以水实现对矢量变换理论的大功率交流电机的控制状况，用来满足当前企业中的需求。当前我国对于单电机控制的研究主要集中在使用先进技术的控制基础，之后再加以无线编码器来进行控制与精准。现在，对多电机的使用一般都体现在连轧机、造纸机等机器中。以实现不同状态下多电机之间的协调与控制，许多国外相关人员已经预先做了相关研究与实验。例如：所有电机并联同相同的速度信号，所有从机并联同主机转矩的主从控制，tmschtmsc仍然与转矩环并联，以消除独立驱动链之间的相对误差，并提出了环路耦合控制方法。以上研究是针对多轴系统，通过平行齿轮的刚性联轴器驱动tbm多传动链传动同一刀轴[1]。

1.2 TBM混合脱困研究现状

当刀盘载荷增大，转速降低时，变频电机的转矩恒定。同时，电机体积较大，安装次数较少，不能像泵电机系统那样提供低速大扭矩的恒功率输出，不能满足在软岩条件下快速开挖和解困的要求。为了解决这一问题，人们普遍认为应采用高转矩密度的液压马达来辅助变频马达进行低速运行。

2 基于t-bm负载和传动控制特性的传动系统优化

在对经典csm模型进行改进的基础上，针对此建立了驱动形式以及刀具布局的设计规则。并在后期结合了TBM的负载传递形式与其他相关特性，以适应全自动驱动自适应的准确性。

2.1 基于tbm负荷模型的系统设计及隧道状态监测

首先要根据负载特性对t-bm传动系统进行优化。除此之外，当围岩出现破损时，涌出的混合涌水会对切割机表面产生一定的作用压，进而致使TBM切割机使用的过程中出现故障。一旦遭遇围岩收缩，将会导致盾结构与围岩收缩承受相同的压力。进而导致TBM的盾构轴发生卡死状态[2]。

2.2 基于改进的成套机械负荷模型的掘进状态监测指标

根据调查，该电机的先进控制方法和系统应用仍处于单电机试验阶段，大功率电机需要由工业成熟混频器控制。通过加载不同的配方，逆变器可以在速度或转矩参考模式下工作，从而可以快速建立速度并联或转矩主从系统。电气控制柜中安装了四个变频器。变频器之间通过高速光纤进行通信。电机转速由编码器测量并传回相应的混频器。电机的转矩信号是由电机的工作电流计算出来的，因此电机可以直接安装在减速器的端盖上，减速器与电机之间不需要传感器。相比之下，液压马达的转速和扭矩由专用传感器测量，因此设计了空心套筒结构分别连接减速器盖和马达壳体，电机输出轴通过套筒中的联轴器与扭矩速度传感器连接，减速器端面结构设计与传感器壳体匹配，使传感器轴与减速器轴套直接匹配，尽可能减少传动环节。减速器安装在头架上，齿圈密封在头架内，保证主轴承和齿轮啮合面的防尘润滑。

3 结语

本章根据传动系统的优化程度与t-bm载荷及传动控制特性的关系，建立了由岩石破碎、自重摩擦、围岩收缩、坍塌等多种因素组成的t-bm总体载荷模型，根据载荷特性和机理拓扑分析及卸荷传递特性，建立了系统设计和驱动状态监测的参考标准，确定了全自由度精确姿态控制和欠驱动柔度的选择准则，为试验台传动系统的构建提供了依据。具体结论如下：

3.1 对于特别坚硬的围岩

建议采用多刀间距滚刀，以减少滚刀的受力和破坏。刀尖的厚度应根据滚刀的异常损伤形式安排，否则应使用耐磨性高、使用寿命长的大尺寸刀具。当软岩占多数时，应采用大间距、少刀具的结构，以降低扭矩载荷和功耗。

3.2 在常规稳定围岩条件下

滚刀总推力和扭矩负荷分别与刀盘直径和刀盘直径的平方成正比，而围岩收缩和坍塌引起的附加推力和扭矩负荷分别与刀盘直径的平方和立方成正比，因此，中小型t-bm具有较小的功率余量，由于推力不足或推力不足，夹紧机的风险较大。建议采用x型支撑结构和电机-电机混合式刀盘驱动系统[3]。

3.3 传统的经验预测指标

如fpi和se，容易受到渗透率的影响。在荷载模型的基础上改进的单位贯入指标fpiw和sew能更准确地描述当前的隧道地质特征。提出的tp指标可以作为保持一定直径tbm滚刀在稳定围岩条件下正常掘进的固有参数，并可以作为判断滚刀是否被磨碎或围岩收缩等不良工况的指标[4]。

3.4 通过对推进力矩缸系统进行解耦控制

实现全自由度精确姿态控制。目前t-b-m结构的精确定位和姿态控制与系统的符合性之间存在矛盾。垂直平面上的扭矩缸抵抗偏心载荷能力较弱，偏心载荷较大时仍应采用传统的欠驱动结构，牺牲位置和姿态精度，避免气缸过载和部件损坏。

设计的试验台能够模拟和控制tbm主机在复杂载荷环境下的动态特性，验证了新的驱动系统和控制方法[5]。