盾構(gòu)機(jī)刀盤的控制特點(diǎn)

朱 巖 ， 李 馳

北方重工集團(tuán)有限公司盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧沈陽 110141

盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓、測量、控制等多種學(xué)科技術(shù)于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備[1]。它具有開挖速度快、質(zhì)量高、人員勞動(dòng)強(qiáng)度小、安全性高、對(duì)地表沉降和環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于世界各地的城市地鐵、穿山隧道、污水管線等眾多領(lǐng)域。

1 盾構(gòu)機(jī)的工作原理

盾構(gòu)施工法是在地面下暗挖隧洞的一種施工方法，它使用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，在防止軟基開挖面崩塌或保持開挖面穩(wěn)定的同時(shí)，在機(jī)內(nèi)安全地進(jìn)行隧洞的開挖和襯砌作業(yè)[2]。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)隧道法施工最常用的一種盾構(gòu)機(jī)。其細(xì)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。盾殼支撐著圍巖并保護(hù)著刀盤等掘削系統(tǒng)；在刀盤扭矩力和推進(jìn)油缸頂力的作用下，盾構(gòu)在土層中利用布置在刀盤上的切割刀，對(duì)土體進(jìn)行切削。切削下的土體經(jīng)刀盤進(jìn)土槽并進(jìn)入土艙，通過配備的加泥系統(tǒng)對(duì)充滿土艙的切削土進(jìn)行改良，使其具有良好的流塑性；通過可控制轉(zhuǎn)速的螺旋出土器，控制土艙的出土量，使土艙內(nèi)的改良土保持一定的壓力，使之與開挖面的土壓保持動(dòng)態(tài)平衡，達(dá)到控制地表沉降的目的。

刀盤是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其功能就是破碎巖石、切削土體，并對(duì)切削下的土體有臨時(shí)支護(hù)的作用，同時(shí)還有攪拌切削土體，使其具有一定的流塑性。

2 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有功率大、功率變化范圍寬的特點(diǎn)。負(fù)載是隨斷面的土質(zhì)狀況變化的，切削硬巖和切削軟土所需的切削力矩及轉(zhuǎn)速的變化很大，在切削硬巖時(shí)需要高速小扭矩，切削軟巖時(shí)需要低速大扭矩，因此刀盤的速度是可以變化的，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，刀盤速度的變化范圍為0轉(zhuǎn)/分～3.5轉(zhuǎn)/分。在低速時(shí)，刀盤的扭矩可以恒定不變，是恒扭矩控制，在高速時(shí)，刀盤的功能恒定不變，是恒功率控制，刀盤速度與轉(zhuǎn)矩的控制曲線如下圖所示。紅色曲線部分表示盾構(gòu)機(jī)在脫困模式下的刀盤轉(zhuǎn)速與刀盤轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，這種控制只有當(dāng)?shù)侗P被巖石或泥土卡主，不能旋轉(zhuǎn)時(shí)才使用，使刀盤擺脫現(xiàn)在的狀況，因此稱之為脫困模式。而且脫困模式下，刀盤的運(yùn)行時(shí)間不能太長，一般設(shè)定為工作30s，超過30s后自動(dòng)停止，在停止后60s之內(nèi)不能啟動(dòng)。

刀盤速度與轉(zhuǎn)矩曲線

刀盤扭矩與轉(zhuǎn)速

2.1 刀盤實(shí)際扭矩的計(jì)算

刀盤的實(shí)際扭矩的計(jì)算如下：

其中： N表示所有刀盤電機(jī)的扭矩；

N1表示主驅(qū)動(dòng)減速比；

N2表示電機(jī)齒數(shù)；

N3表示減速機(jī)齒數(shù)；

η表示電機(jī)的機(jī)械效率。

2.2 刀盤速度的計(jì)算

其中： V表示刀盤主電機(jī)（帶速度編碼器）的速度；

N1表示主驅(qū)動(dòng)減速比；

N2表示電機(jī)齒數(shù)；

N3表示減速機(jī)齒數(shù)。

3 結(jié)論

本文對(duì)盾構(gòu)機(jī)的工作原理進(jìn)行了介紹，知道盾構(gòu)機(jī)的刀盤在整個(gè)系統(tǒng)中具有重要地位，因此對(duì)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了分析，在不同的地質(zhì)情況下，盾構(gòu)機(jī)的控制系統(tǒng)具有不同的特點(diǎn)，有恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制，在必要的情況下，可以有短時(shí)的高轉(zhuǎn)矩控制，在設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)的刀盤控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該考慮這些，同時(shí)給出了計(jì)算刀盤扭矩和速度的計(jì)算公式，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以很好的了解盾構(gòu)機(jī)刀盤系統(tǒng)的工作狀況。

[1]唐健.盾構(gòu)可編程控制器（PLC）系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(6).

[2]裴洪軍.城市隧道盾構(gòu)法施工開挖面穩(wěn)定性研究[D].海河大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005，1.