浅谈敞开式硬岩掘进机电气系统

摘 要：文章以美国Robbins公司生产的敞开式硬岩掘进机为研究对象，主要阐述了敞开式硬岩掘进机电气系统的组成，并对其各组成部分做出了简单的分析，加深对各部分电气控制原理的理解与消化，为自主研发设计提供参考。

关键词：敞开式；硬岩掘进机；TBM；电气系统

1 引言

硬岩掘进机，在文章中简称TBM（Tunnel Boring Machine），是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体，专用于硬岩类地下隧道、穿山隧道等工程施工的大型工程装备。目前常用的主要分三种：单护盾、双护盾和敞开式三种。敞开式硬岩掘进机与其他两种掘进机相比，操作简单，成本较低，可用于围岩较好的地质环境。文章以美国ROBBINS生产的敞开式硬岩掘进机为研究对象，通过分析TBM电气系统的组成，进一步掌握TBM电气系统的工作性能，提高使用效率。

2 电气系统组成

电气系统结构简图

如图所示，TBM大致由以上几部分组成。下面我们来简单分析一下各部分的功能与使用情况。

2.1 高压供电系统

高压供电： 由于TBM整机负荷较大，采用20kV高压供电。为保证设备连续掘进，采用高压电缆卷筒（可储存400m电缆）实现高压电的传输。考虑到与施工方高压供电对接，选用的是3×95mm2+3×50/3mm2的卷筒电缆。

变压器：常用的变压器有油浸式和干式变压器 。本台设备选用的是环氧树脂干式变压器。环氧树脂干式变压器有电气性能好、耐雷电冲击能力强、抗短路能力强、体积小重量轻等特点。可安装温度显示控制器，对变压器绕组的运行温度进行显示和控制，保证变压器正常使用寿命。有三台变压器，两台2200kVA和一台1500kVA。2200kVA变压器分别连接两组变频柜，每台变压器输出电压690V。1500kVA变压器连接主电源柜，为TBM其他系统供电，输出电压400V。

2.2 刀盘驱动系统

每台变频柜内有两个整流单元和五个逆变单元组成，采用滑差控制，一台变频器控制一台电机。这种控制方式结构简单，操作方便，便于使用和维护。刀盘电机通过变频器控制降低了启动电流，减少电流冲击，同时还增强了可靠性，在电机运行的过程中减少中断。与主从控制相比，减少了两个编码器，降低了成本，不过在同步性能上却没有主从控制好。变频柜采用水冷散热系统，散热效果好。可以传输电流、扭矩、转速、电压、频率、启停信号等。

2.3 功率补偿系统

采用补偿电容器加电抗器，在低压端集中补偿，实时监测设备的功率因数，通过控制接触器切换电容组达到动态补偿功率因数的目的，补偿后的功率因数不低于0.9。与纯电容补偿回路相比，串联电抗器后，电容器端电压会升高，高于电网电压，并增加无功功率补偿容量，补偿效果更好。

2.4 应急供电系统

采用美国康明斯320kW应急发电机，通过应急电源切换柜，实现正常供电与应急供电的切换。应急电源柜连接主控室、照明、供水系统和通风系统等，在正常情况下由主控室提供400供电，一旦主供电故障，应急切换装置可自动切换至应急发电机供电，继续为TBM供电。

2.5 PLC控制系统

采用的是PLC控制系统，目前PLC控制系统在工业领域有着效果显著的作用。使用的是美国GE系列PME7.0软件，该软件还可以包括界面设计，不用其他软件就可以实现上位机界面与PLC程序的对接。

PLC可以控制顺序启动各个电机（使瞬时峰值电流最小），自动开启油过滤装置和刀盘轴承装置。PLC系统预留有供其它设备用的可扩展数据接口，所有与掘进有关的数据和参数，如：刀盘转速、扭矩、推进速度、推力、拉力、油缸行程、支撑力、各种温度、压力、流量、瓦斯浓度及掘进方向姿态等数据，均通过传感器传输到PLC上，并通过上位机送到控制台和显示器，这些数据可以被记录和打印。

系统所配备的工业级平板电脑，触摸屏设计，操作简单。配置有先进的工业用软件和数据处理软件，且软件程序能够进行中文和英文显示界面的切换。存储硬盘容量为1T ，能够满足除用软件外连续3个月的数据存储容量。

2.6 数据采集系统

数据采集系统由传感器（温度、压力、液位、流量等）采集信号，通过I/0模块和Profibus通讯电缆进行数据传输，上传至PLC程序，经处理后，显示到显示屏上，为操作人员提供有用的数据信息。数据采集系统先进可靠，宜于操作、检查和故障排除，具有远程同步传输功能，能够对掘进参数、设备性能参数、各系统工作时间进行自动记录、分析统计，以图表或数字等形式显示和输出。还可以显示辅助设备的工作参数、工作时间等信息，具有故障显示、诊断功能和报警功能。

当误操作及故障发生时，出现报警，严重时设备停机。警示灯提醒操作手，操作手可以在故障显示区查看故障类型并及时排除。最大程度上帮助施工人员了解TBM的工作状态。

2.7 激光导向系统

TBM导向系统能够向操作手显示掘进机刀盘和盾体的姿态和掘进方向，。如图所示，导向系统由不同的硬件系统组成，与TBM 的 PLC交换信息和测量数据。

测量系统基于三组主要数据进行计算：（1）全站仪测定刀盘上两块棱镜的最终位置；（2）两轴倾斜仪测定出掘进机水平偏离度和高程偏离度；（3）撑紧油缸和扭矩油缸的伸出量。

激光全站仪由系统程序控制，自动跟随两块主棱镜的移动。在用户程序的时间间隔内，检查远程棱镜以核实或变换激光全站仪的方向，包括激光全站仪固定点的稳定性检查。无论何时采集到一套测量数据（测量掘进机里面的两块棱镜和倾斜仪的读数），掘进机新的位置姿态和方向就被计算并显示出来。所有信息都以图形和数字方式显示在屏幕上。通过使用双轴倾斜仪，一次绝对独立的数据测量就完成了。当导向系统连接失败时，TBM联锁报警或停机。

3 结束语

通过对Robbins敞开式硬岩掘进机电气系统的分析，已经了解其电气系统组成与原理。已经有两台TBM分别在在辽宁铁岭开原与辽宁抚顺清源投入施工，客户一致反映其性能优，故障少，掘进速度快等优点。这不仅提高了国内隧道建设的施工技术水平，也为将来自主研发敞开式硬岩掘进机提供了宝贵的经验。

参考文献

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[2]王瑾，高伟贤，刘书兵，等.盾构机刀盘驱动控制系统的设计与应用[J].中国新技术新产品.164-166.

[3]孙孟莉.连续掘进敞开式全断面岩石掘进机控制系统[D].

[4]罗宾斯技术文件 Service Manual TBM MB283-389[M].

作者简介：杨金虎（1986-），男，设计员，助理工程师。