论国产盾构机液压与电气控制系统研究

摘要：盾构机是高度自动化的隧道掘进专用机械工具，广泛被应用在各种城市隧道工程建设中。本文结合我国自行设计制造的盾构机，针对液压系统及电气控制系统进行了简单的分析和研究。

关键字：盾构机 液压 电气 控制系统

中图分类号：F407.6 文献标识码：A 文章编号：

盾构机是一种开挖地下工程施工的专用工程机械，主要由推动系统、盾体刀盘驱动系统等构成。当下我国盾构机是集电、液、控制、信息技术于一体的智能化大型工程机械设备，具有输送渣土、测量导向、开挖切削土体等功能。文章结合国产盾构机的发展现状、问题，以及小直径盾构机，对国产盾构液压和电气控制系统进行了简单的阐述。

一、国产盾构机的现状与应用

（一）我国盾构机现状

从20世纪90年代开始，我国盾构机技术开始有了明显的发展，重点开展了土压平衡盾构，引进了先进的泥水加压盾构技术。由于没有相关的实用盾构技术能力，盾构研发技术落后，所以，我国盾构技术还处于发展的阶段。

（二）国内盾构机的应用

根据盾构机使用地域不同，目前我国的盾构机主要应用于：引水和排水管道，污水管路，或者根据土质不同、结构形式不同的其他利用。盾构机主要由液压、电气、机械三个板块组成，分为台车部分和盾体部分。

二、盾构机液压、电气控制系统

盾构机是集开挖、支护、衬砌、出碴于一体的隧道施工专业设备。盾构机在隧道的掘进过程中，主要由以下三个运动完成：一是刀盘旋转切削土体，二是盾体的整体推进，三是管片的拼装，此三大运动主要由液压系统及电气控制系统共同完成。盾构机液压、电气系统具备刀盘旋转、盾体推进、管片拼装、铰接伸缩、碴土排出等需要实现相对运动的功能系统。

（一）液压系统

在盾构技术上，液压技术在盾构机上得到了充分的应用，通过精确控制液压缸来保证盾构机按设计路线稳定、准确掘进，故盾构机液压系统在盾构机工作中起到主要作用。

盾构液压系统主要由盾体推进、管片拼装、铰接伸缩等功能系统组成。盾构机推进系统中，单个液压缸推进力F与油缸数量n和盾构机外径D有关，一般情况如下[4]：

以4.35m盾构机为例，通过盾体内布置情况及盾构总推力验算，最终取

n=16，F=1200kN

即推进系统由16个液压油缸组成，每个推进油缸推力1200KN，总推力19200KN。推进油缸采用分区控制，即将所有推进油缸按圆周分成四个区：上区、下区、左区、右区。

管片拼装系统需实现拼装机的旋转、管片的举升、管片的前后移动等功能。管片拼装系统主要由两套液压系统组成，拼装机的旋转是通过液压泵及旋转液压马达来实现的，而拼装机对管片的抓举、提升、前后移动等各项功能则由拼装机上单独的液压泵站系统来实现。拼装机的旋转、举升应设计安全阀、卸荷阀，形成液压自锁功能，同时保证各动作的平稳性，即合理设计平衡阀。

（二）电气控制系统

电气系统在整个盾构机各系统中扮演着至关重要的角色，它是其他系统功能得以顺利实现的前提，其主要由电源系统和控制系统组成。Φ4350盾构机的设计电源系统为10KV电压电源，10KV的电压经过盾构机的两台容量为1200KVA的干式变压器，降压到400V电压后分别输送至盾构机的刀盘动力盘和盾构动力盘。

如图1，泥水平衡盾构机电气控制系统主要包括盾构、环流、注浆三大部分。其中盾构部分最为复杂，其控制各液压泵及电磁阀的动作；环流部分主要是环流输送泵及环流阀组的启动、开闭控制；注浆部分则完成同步注浆和管片注浆各动作的控制。各部分之间存在一定关联，实现关键动作联锁，例如环流部分通信故障时，盾构部分也将无法启动。

图1 盾构机控制系统组成

盾构机的控制中心是一个集操作、控制和监控为一体的操作室，整个系统是基于PLC的控制平台，控制中心通过同轴电缆有效保持与台车上盾构盘以及机头可编程控制器的连接，从而控制刀盘的旋转、盾体的推进、铰接的伸缩，以及监视盾构的姿态、水箱的水位、主驱动的状况等隧道内盾构机的运行状态。控制中心应提高各项控制的效率：刀盘的正转以及反转，闸门关闭开启、千斤顶运行伸缩等；同时，根据自身的仪表数据，闭环数据控制输入，以及显示故障信息等，让操作更加简单、便捷。

三、国产盾构机存在的问题

随着科学技术的进步，盾构机的自动控制技术，虽然取得了明显的进步，但是由于盾构机是材料、信息、机械、电气、控制等多种学科的集中体现，因此为了更好的实现盾构技术的信息化与自动化，必须加大技术革新。

（一）建立以密封舱压力动态平衡为目标的控制系统

在盾构机运行中，地面沉降的最主要原因是密封舱压力失衡，控制技术不完善造成的，因此，为了更好的建立密封舱压力动态系统，首先必须运用先进的控制措施，从而自动密封舱压力，控制密封舱的地面沉降。

（二）控制好运动轨道的动态规划

当下，国内盾构机位姿控制理论以及方法采用的是模仿人的决策工程和逻辑推理，控制程序化，运用模糊的控制策略和控制经验进行人工操作，在复杂的地质情况，因为没有经验和准确的记录，很难做到实用。因此，建立完善的盾构机位姿控制模型，也是实现盾构机位姿和控制智能、高效的重要基础。

（三）优化集成控制系统

为了更好实现盾构机的刀盘系统、环流系统和推进系统等信息的通信与控制，进一步推进盾构机的控制能力和系统运作效率，应该加大科研设计力度，在节能环保的基础上充分利用掘进的性能，让盾构机发展成为信息融合和协调控制于一体的控制系统。

四、控制技术在国产盾构机上的应用

（一）我国大部分泥水盾构机控制系统主要采用了三菱A系列PLC可编程控制器，布置于控制室、台车上盾构盘以及各控制站点，在控制室上的站点通过信号线连接盾构机台车及机内各站点，PLC模块与各电磁阀及控制元件之间存在一定距离，采用CC-LINK电缆连接，减少线路连接的繁琐程度，同时会提高故障的排除效率。掘进过程中所有的指令均由控制中心发出，盾构机的运行状态及时反馈至控制中心，以便操作人做出判断，合理运行盾构机。

（二）管片拼装时，转动角度必须大于三百六十度，但在中位时，顺时针、逆时针可旋转220°，解决全圆周旋转拼装问题。电气控制液压阀实现拼装机的平稳旋转，通过节流阀的开启及关闭实现旋转的快速与慢速的切换。

（三）在泥水平衡盾构中，土仓压力与送浆泵流量成正比，与排泥泵流量成反比。掘进过程中，通过模拟信号分别控制送浆泵和排浆泵的转速，提高或降低送泥或排泥流量来实现土仓压力的控制。环流系统示意图如图3所示：

图2 泥水平衡盾构机环流系统图

结束语：

随着科学技术和科研成果的快速发展，施工自动化已经成为了时展的趋势。做好控制系统的智能化和集成化不仅是确保盾构机更加安全、可靠、高效的运作的支撑，更是促进我国盾构机发展的有力保障。在吸收国外优良技术的同时，结合实际应用和设计制造的要求，从而不断改进，我们相信电气控制系统将会更加完善，国产盾构机的前景将越来越好。

参考文献：

[1] 沈浩.国产盾构机液压与电器控制系统简介[J].流体传动与控制,2006,(2):28-31.

[2] 李义华,陈志锋,欧继红等.AVN2440DS泥水平衡式盾构机的控制系统[J].隧道建设,2004,24(6):24-26.

[3] 刘宣宇,邵诚.盾构机自动控制技术现状与展望[J].机械工程学报,2010,46(20):152-160.DOI:10.3901/JME.2010.20.152.

[4] 唐经世，高国安，何大比等.盾构机机械的研究[J].筑路机械与施工机械化,1990,02(09)：11-21.