楊金虎+++郇立民

摘 要：文章以美國(guó)Robbins公司生產(chǎn)的敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，主要闡述了敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的組成，并對(duì)其各組成部分做出了簡(jiǎn)單的分析，加深對(duì)各部分電氣控制原理的理解與消化，為自主研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：敞開(kāi)式；硬巖掘進(jìn)機(jī)；TBM；電氣系統(tǒng)

1 引言

硬巖掘進(jìn)機(jī)，在文章中簡(jiǎn)稱TBM（Tunnel Boring Machine），是集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體，專用于硬巖類地下隧道、穿山隧道等工程施工的大型工程裝備。目前常用的主要分三種：?jiǎn)巫o(hù)盾、雙護(hù)盾和敞開(kāi)式三種。敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)與其他兩種掘進(jìn)機(jī)相比，操作簡(jiǎn)單，成本較低，可用于圍巖較好的地質(zhì)環(huán)境。文章以美國(guó)ROBBINS生產(chǎn)的敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)分析TBM電氣系統(tǒng)的組成，進(jìn)一步掌握TBM電氣系統(tǒng)的工作性能，提高使用效率。

2 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖所示，TBM大致由以上幾部分組成。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單分析一下各部分的功能與使用情況。

2.1 高壓供電系統(tǒng)

高壓供電： 由于TBM整機(jī)負(fù)荷較大，采用20kV高壓供電。為保證設(shè)備連續(xù)掘進(jìn)，采用高壓電纜卷筒（可儲(chǔ)存400m電纜）實(shí)現(xiàn)高壓電的傳輸?？紤]到與施工方高壓供電對(duì)接，選用的是3×95mm2+3×50/3mm2的卷筒電纜。

變壓器：常用的變壓器有油浸式和干式變壓器 。本臺(tái)設(shè)備選用的是環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器。環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器有電氣性能好、耐雷電沖擊能力強(qiáng)、抗短路能力強(qiáng)、體積小重量輕等特點(diǎn)?？砂惭b溫度顯示控制器，對(duì)變壓器繞組的運(yùn)行溫度進(jìn)行顯示和控制，保證變壓器正常使用壽命。有三臺(tái)變壓器，兩臺(tái)2200kVA和一臺(tái)1500kVA。2200kVA變壓器分別連接兩組變頻柜，每臺(tái)變壓器輸出電壓690V。1500kVA變壓器連接主電源柜，為T(mén)BM其他系統(tǒng)供電，輸出電壓400V。

2.2 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

每臺(tái)變頻柜內(nèi)有兩個(gè)整流單元和五個(gè)逆變單元組成，采用滑差控制，一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電機(jī)。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于使用和維護(hù)。刀盤(pán)電機(jī)通過(guò)變頻器控制降低了啟動(dòng)電流，減少電流沖擊，同時(shí)還增強(qiáng)了可靠性，在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中減少中斷。與主從控制相比，減少了兩個(gè)編碼器，降低了成本，不過(guò)在同步性能上卻沒(méi)有主從控制好。變頻柜采用水冷散熱系統(tǒng)，散熱效果好?？梢詡鬏旊娏?、扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓、頻率、啟停信號(hào)等。

2.3 功率補(bǔ)償系統(tǒng)

采用補(bǔ)償電容器加電抗器，在低壓端集中補(bǔ)償，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的功率因數(shù)，通過(guò)控制接觸器切換電容組達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功率因數(shù)的目的，補(bǔ)償后的功率因數(shù)不低于0.9。與純電容補(bǔ)償回路相比，串聯(lián)電抗器后，電容器端電壓會(huì)升高，高于電網(wǎng)電壓，并增加無(wú)功功率補(bǔ)償容量，補(bǔ)償效果更好。

2.4 應(yīng)急供電系統(tǒng)

采用美國(guó)康明斯320kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)，通過(guò)應(yīng)急電源切換柜，實(shí)現(xiàn)正常供電與應(yīng)急供電的切換。應(yīng)急電源柜連接主控室、照明、供水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等，在正常情況下由主控室提供400供電，一旦主供電故障，應(yīng)急切換裝置可自動(dòng)切換至應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，繼續(xù)為T(mén)BM供電。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

采用的是PLC控制系統(tǒng)，目前PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域有著效果顯著的作用。使用的是美國(guó)GE系列PME7.0軟件，該軟件還可以包括界面設(shè)計(jì)，不用其他軟件就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面與PLC程序的對(duì)接。

PLC可以控制順序啟動(dòng)各個(gè)電機(jī)（使瞬時(shí)峰值電流最小），自動(dòng)開(kāi)啟油過(guò)濾裝置和刀盤(pán)軸承潤(rùn)滑裝置。PLC系統(tǒng)預(yù)留有供其它設(shè)備用的可擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口，所有與掘進(jìn)有關(guān)的數(shù)據(jù)和參數(shù)，如：刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度、推力、拉力、油缸行程、支撐力、各種溫度、壓力、流量、瓦斯?jié)舛燃熬蜻M(jìn)方向姿態(tài)等數(shù)據(jù)，均通過(guò)傳感器傳輸?shù)絇LC上，并通過(guò)上位機(jī)送到控制臺(tái)和顯示器，這些數(shù)據(jù)可以被記錄和打印。

系統(tǒng)所配備的工業(yè)級(jí)平板電腦，觸摸屏設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單。配置有先進(jìn)的工業(yè)用軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，且軟件程序能夠進(jìn)行中文和英文顯示界面的切換。存儲(chǔ)硬盤(pán)容量為1T ，能夠滿足除用軟件外連續(xù)3個(gè)月的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。

2.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器（溫度、壓力、液位、流量等）采集信號(hào)，通過(guò)I/0模塊和Profibus通訊電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上傳至PLC程序，經(jīng)處理后，顯示到顯示屏上，為操作人員提供有用的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先進(jìn)可靠，宜于操作、檢查和故障排除，具有遠(yuǎn)程同步傳輸功能，能夠?qū)蜻M(jìn)參數(shù)、設(shè)備性能參數(shù)、各系統(tǒng)工作時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)記錄、分析統(tǒng)計(jì)，以圖表或數(shù)字等形式顯示和輸出。還可以顯示輔助設(shè)備的工作參數(shù)、工作時(shí)間等信息，具有故障顯示、診斷功能和報(bào)警功能。

當(dāng)誤操作及故障發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備停機(jī)。警示燈提醒操作手，操作手可以在故障顯示區(qū)查看故障類型并及時(shí)排除。最大程度上幫助施工人員了解TBM的工作狀態(tài)。

2.7 激光導(dǎo)向系統(tǒng)

TBM導(dǎo)向系統(tǒng)能夠向操作手顯示掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)和盾體的姿態(tài)和掘進(jìn)方向，。如圖所示，導(dǎo)向系統(tǒng)由不同的硬件系統(tǒng)組成，與TBM 的 PLC交換信息和測(cè)量數(shù)據(jù)。

測(cè)量系統(tǒng)基于三組主要數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：（1）全站儀測(cè)定刀盤(pán)上兩塊棱鏡的最終位置；（2）兩軸傾斜儀測(cè)定出掘進(jìn)機(jī)水平偏離度和高程偏離度；（3）撐緊油缸和扭矩油缸的伸出量。

激光全站儀由系統(tǒng)程序控制，自動(dòng)跟隨兩塊主棱鏡的移動(dòng)。在用戶程序的時(shí)間間隔內(nèi)，檢查遠(yuǎn)程棱鏡以核實(shí)或變換激光全站儀的方向，包括激光全站儀固定點(diǎn)的穩(wěn)定性檢查。無(wú)論何時(shí)采集到一套測(cè)量數(shù)據(jù)（測(cè)量掘進(jìn)機(jī)里面的兩塊棱鏡和傾斜儀的讀數(shù)），掘進(jìn)機(jī)新的位置姿態(tài)和方向就被計(jì)算并顯示出來(lái)。所有信息都以圖形和數(shù)字方式顯示在屏幕上。通過(guò)使用雙軸傾斜儀，一次絕對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)測(cè)量就完成了。當(dāng)導(dǎo)向系統(tǒng)連接失敗時(shí)，TBM聯(lián)鎖報(bào)警或停機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Robbins敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的分析，已經(jīng)了解其電氣系統(tǒng)組成與原理。已經(jīng)有兩臺(tái)TBM分別在在遼寧鐵嶺開(kāi)原與遼寧撫順清源投入施工，客戶一致反映其性能優(yōu)，故障少，掘進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)。這不僅提高了國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)的施工技術(shù)水平，也為將來(lái)自主研發(fā)敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2]王瑾，高偉賢，劉書(shū)兵，等.盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品.164-166.

[3]孫孟莉.連續(xù)掘進(jìn)敞開(kāi)式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)[D].

[4]羅賓斯技術(shù)文件 Service Manual TBM MB283-389[M].

作者簡(jiǎn)介：楊金虎（1986-），男，設(shè)計(jì)員，助理工程師。endprint

摘 要：文章以美國(guó)Robbins公司生產(chǎn)的敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，主要闡述了敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的組成，并對(duì)其各組成部分做出了簡(jiǎn)單的分析，加深對(duì)各部分電氣控制原理的理解與消化，為自主研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：敞開(kāi)式；硬巖掘進(jìn)機(jī)；TBM；電氣系統(tǒng)

1 引言

硬巖掘進(jìn)機(jī)，在文章中簡(jiǎn)稱TBM（Tunnel Boring Machine），是集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體，專用于硬巖類地下隧道、穿山隧道等工程施工的大型工程裝備。目前常用的主要分三種：?jiǎn)巫o(hù)盾、雙護(hù)盾和敞開(kāi)式三種。敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)與其他兩種掘進(jìn)機(jī)相比，操作簡(jiǎn)單，成本較低，可用于圍巖較好的地質(zhì)環(huán)境。文章以美國(guó)ROBBINS生產(chǎn)的敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)分析TBM電氣系統(tǒng)的組成，進(jìn)一步掌握TBM電氣系統(tǒng)的工作性能，提高使用效率。

2 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖所示，TBM大致由以上幾部分組成。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單分析一下各部分的功能與使用情況。

2.1 高壓供電系統(tǒng)

高壓供電： 由于TBM整機(jī)負(fù)荷較大，采用20kV高壓供電。為保證設(shè)備連續(xù)掘進(jìn)，采用高壓電纜卷筒（可儲(chǔ)存400m電纜）實(shí)現(xiàn)高壓電的傳輸?？紤]到與施工方高壓供電對(duì)接，選用的是3×95mm2+3×50/3mm2的卷筒電纜。

變壓器：常用的變壓器有油浸式和干式變壓器 。本臺(tái)設(shè)備選用的是環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器。環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器有電氣性能好、耐雷電沖擊能力強(qiáng)、抗短路能力強(qiáng)、體積小重量輕等特點(diǎn)?？砂惭b溫度顯示控制器，對(duì)變壓器繞組的運(yùn)行溫度進(jìn)行顯示和控制，保證變壓器正常使用壽命。有三臺(tái)變壓器，兩臺(tái)2200kVA和一臺(tái)1500kVA。2200kVA變壓器分別連接兩組變頻柜，每臺(tái)變壓器輸出電壓690V。1500kVA變壓器連接主電源柜，為T(mén)BM其他系統(tǒng)供電，輸出電壓400V。

2.2 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

每臺(tái)變頻柜內(nèi)有兩個(gè)整流單元和五個(gè)逆變單元組成，采用滑差控制，一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電機(jī)。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于使用和維護(hù)。刀盤(pán)電機(jī)通過(guò)變頻器控制降低了啟動(dòng)電流，減少電流沖擊，同時(shí)還增強(qiáng)了可靠性，在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中減少中斷。與主從控制相比，減少了兩個(gè)編碼器，降低了成本，不過(guò)在同步性能上卻沒(méi)有主從控制好。變頻柜采用水冷散熱系統(tǒng)，散熱效果好。可以傳輸電流、扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓、頻率、啟停信號(hào)等。

2.3 功率補(bǔ)償系統(tǒng)

采用補(bǔ)償電容器加電抗器，在低壓端集中補(bǔ)償，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的功率因數(shù)，通過(guò)控制接觸器切換電容組達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功率因數(shù)的目的，補(bǔ)償后的功率因數(shù)不低于0.9。與純電容補(bǔ)償回路相比，串聯(lián)電抗器后，電容器端電壓會(huì)升高，高于電網(wǎng)電壓，并增加無(wú)功功率補(bǔ)償容量，補(bǔ)償效果更好。

2.4 應(yīng)急供電系統(tǒng)

采用美國(guó)康明斯320kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)，通過(guò)應(yīng)急電源切換柜，實(shí)現(xiàn)正常供電與應(yīng)急供電的切換。應(yīng)急電源柜連接主控室、照明、供水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等，在正常情況下由主控室提供400供電，一旦主供電故障，應(yīng)急切換裝置可自動(dòng)切換至應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，繼續(xù)為T(mén)BM供電。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

采用的是PLC控制系統(tǒng)，目前PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域有著效果顯著的作用。使用的是美國(guó)GE系列PME7.0軟件，該軟件還可以包括界面設(shè)計(jì)，不用其他軟件就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面與PLC程序的對(duì)接。

PLC可以控制順序啟動(dòng)各個(gè)電機(jī)（使瞬時(shí)峰值電流最?。?，自動(dòng)開(kāi)啟油過(guò)濾裝置和刀盤(pán)軸承潤(rùn)滑裝置。PLC系統(tǒng)預(yù)留有供其它設(shè)備用的可擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口，所有與掘進(jìn)有關(guān)的數(shù)據(jù)和參數(shù)，如：刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度、推力、拉力、油缸行程、支撐力、各種溫度、壓力、流量、瓦斯?jié)舛燃熬蜻M(jìn)方向姿態(tài)等數(shù)據(jù)，均通過(guò)傳感器傳輸?shù)絇LC上，并通過(guò)上位機(jī)送到控制臺(tái)和顯示器，這些數(shù)據(jù)可以被記錄和打印。

系統(tǒng)所配備的工業(yè)級(jí)平板電腦，觸摸屏設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單。配置有先進(jìn)的工業(yè)用軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，且軟件程序能夠進(jìn)行中文和英文顯示界面的切換。存儲(chǔ)硬盤(pán)容量為1T ，能夠滿足除用軟件外連續(xù)3個(gè)月的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。

2.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器（溫度、壓力、液位、流量等）采集信號(hào)，通過(guò)I/0模塊和Profibus通訊電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上傳至PLC程序，經(jīng)處理后，顯示到顯示屏上，為操作人員提供有用的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先進(jìn)可靠，宜于操作、檢查和故障排除，具有遠(yuǎn)程同步傳輸功能，能夠?qū)蜻M(jìn)參數(shù)、設(shè)備性能參數(shù)、各系統(tǒng)工作時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)記錄、分析統(tǒng)計(jì)，以圖表或數(shù)字等形式顯示和輸出。還可以顯示輔助設(shè)備的工作參數(shù)、工作時(shí)間等信息，具有故障顯示、診斷功能和報(bào)警功能。

當(dāng)誤操作及故障發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備停機(jī)。警示燈提醒操作手，操作手可以在故障顯示區(qū)查看故障類型并及時(shí)排除。最大程度上幫助施工人員了解TBM的工作狀態(tài)。

2.7 激光導(dǎo)向系統(tǒng)

TBM導(dǎo)向系統(tǒng)能夠向操作手顯示掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)和盾體的姿態(tài)和掘進(jìn)方向，。如圖所示，導(dǎo)向系統(tǒng)由不同的硬件系統(tǒng)組成，與TBM 的 PLC交換信息和測(cè)量數(shù)據(jù)。

測(cè)量系統(tǒng)基于三組主要數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：（1）全站儀測(cè)定刀盤(pán)上兩塊棱鏡的最終位置；（2）兩軸傾斜儀測(cè)定出掘進(jìn)機(jī)水平偏離度和高程偏離度；（3）撐緊油缸和扭矩油缸的伸出量。

激光全站儀由系統(tǒng)程序控制，自動(dòng)跟隨兩塊主棱鏡的移動(dòng)。在用戶程序的時(shí)間間隔內(nèi)，檢查遠(yuǎn)程棱鏡以核實(shí)或變換激光全站儀的方向，包括激光全站儀固定點(diǎn)的穩(wěn)定性檢查。無(wú)論何時(shí)采集到一套測(cè)量數(shù)據(jù)（測(cè)量掘進(jìn)機(jī)里面的兩塊棱鏡和傾斜儀的讀數(shù)），掘進(jìn)機(jī)新的位置姿態(tài)和方向就被計(jì)算并顯示出來(lái)。所有信息都以圖形和數(shù)字方式顯示在屏幕上。通過(guò)使用雙軸傾斜儀，一次絕對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)測(cè)量就完成了。當(dāng)導(dǎo)向系統(tǒng)連接失敗時(shí)，TBM聯(lián)鎖報(bào)警或停機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Robbins敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的分析，已經(jīng)了解其電氣系統(tǒng)組成與原理。已經(jīng)有兩臺(tái)TBM分別在在遼寧鐵嶺開(kāi)原與遼寧撫順清源投入施工，客戶一致反映其性能優(yōu)，故障少，掘進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)。這不僅提高了國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)的施工技術(shù)水平，也為將來(lái)自主研發(fā)敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[2]王瑾，高偉賢，劉書(shū)兵，等.盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品.164-166.

[3]孫孟莉.連續(xù)掘進(jìn)敞開(kāi)式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)[D].

[4]羅賓斯技術(shù)文件 Service Manual TBM MB283-389[M].

作者簡(jiǎn)介：楊金虎（1986-），男，設(shè)計(jì)員，助理工程師。endprint

摘 要：文章以美國(guó)Robbins公司生產(chǎn)的敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，主要闡述了敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的組成，并對(duì)其各組成部分做出了簡(jiǎn)單的分析，加深對(duì)各部分電氣控制原理的理解與消化，為自主研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：敞開(kāi)式；硬巖掘進(jìn)機(jī)；TBM；電氣系統(tǒng)

1 引言

硬巖掘進(jìn)機(jī)，在文章中簡(jiǎn)稱TBM（Tunnel Boring Machine），是集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體，專用于硬巖類地下隧道、穿山隧道等工程施工的大型工程裝備。目前常用的主要分三種：?jiǎn)巫o(hù)盾、雙護(hù)盾和敞開(kāi)式三種。敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)與其他兩種掘進(jìn)機(jī)相比，操作簡(jiǎn)單，成本較低，可用于圍巖較好的地質(zhì)環(huán)境。文章以美國(guó)ROBBINS生產(chǎn)的敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)分析TBM電氣系統(tǒng)的組成，進(jìn)一步掌握TBM電氣系統(tǒng)的工作性能，提高使用效率。

2 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

如圖所示，TBM大致由以上幾部分組成。下面我們來(lái)簡(jiǎn)單分析一下各部分的功能與使用情況。

2.1 高壓供電系統(tǒng)

高壓供電： 由于TBM整機(jī)負(fù)荷較大，采用20kV高壓供電。為保證設(shè)備連續(xù)掘進(jìn)，采用高壓電纜卷筒（可儲(chǔ)存400m電纜）實(shí)現(xiàn)高壓電的傳輸?？紤]到與施工方高壓供電對(duì)接，選用的是3×95mm2+3×50/3mm2的卷筒電纜。

變壓器：常用的變壓器有油浸式和干式變壓器 。本臺(tái)設(shè)備選用的是環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器。環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器有電氣性能好、耐雷電沖擊能力強(qiáng)、抗短路能力強(qiáng)、體積小重量輕等特點(diǎn)?？砂惭b溫度顯示控制器，對(duì)變壓器繞組的運(yùn)行溫度進(jìn)行顯示和控制，保證變壓器正常使用壽命。有三臺(tái)變壓器，兩臺(tái)2200kVA和一臺(tái)1500kVA。2200kVA變壓器分別連接兩組變頻柜，每臺(tái)變壓器輸出電壓690V。1500kVA變壓器連接主電源柜，為T(mén)BM其他系統(tǒng)供電，輸出電壓400V。

2.2 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

每臺(tái)變頻柜內(nèi)有兩個(gè)整流單元和五個(gè)逆變單元組成，采用滑差控制，一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電機(jī)。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，便于使用和維護(hù)。刀盤(pán)電機(jī)通過(guò)變頻器控制降低了啟動(dòng)電流，減少電流沖擊，同時(shí)還增強(qiáng)了可靠性，在電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中減少中斷。與主從控制相比，減少了兩個(gè)編碼器，降低了成本，不過(guò)在同步性能上卻沒(méi)有主從控制好。變頻柜采用水冷散熱系統(tǒng)，散熱效果好。可以傳輸電流、扭矩、轉(zhuǎn)速、電壓、頻率、啟停信號(hào)等。

2.3 功率補(bǔ)償系統(tǒng)

采用補(bǔ)償電容器加電抗器，在低壓端集中補(bǔ)償，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的功率因數(shù)，通過(guò)控制接觸器切換電容組達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功率因數(shù)的目的，補(bǔ)償后的功率因數(shù)不低于0.9。與純電容補(bǔ)償回路相比，串聯(lián)電抗器后，電容器端電壓會(huì)升高，高于電網(wǎng)電壓，并增加無(wú)功功率補(bǔ)償容量，補(bǔ)償效果更好。

2.4 應(yīng)急供電系統(tǒng)

采用美國(guó)康明斯320kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)，通過(guò)應(yīng)急電源切換柜，實(shí)現(xiàn)正常供電與應(yīng)急供電的切換。應(yīng)急電源柜連接主控室、照明、供水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)等，在正常情況下由主控室提供400供電，一旦主供電故障，應(yīng)急切換裝置可自動(dòng)切換至應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，繼續(xù)為T(mén)BM供電。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

采用的是PLC控制系統(tǒng)，目前PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域有著效果顯著的作用。使用的是美國(guó)GE系列PME7.0軟件，該軟件還可以包括界面設(shè)計(jì)，不用其他軟件就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面與PLC程序的對(duì)接。

PLC可以控制順序啟動(dòng)各個(gè)電機(jī)（使瞬時(shí)峰值電流最?。?，自動(dòng)開(kāi)啟油過(guò)濾裝置和刀盤(pán)軸承潤(rùn)滑裝置。PLC系統(tǒng)預(yù)留有供其它設(shè)備用的可擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口，所有與掘進(jìn)有關(guān)的數(shù)據(jù)和參數(shù)，如：刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)速度、推力、拉力、油缸行程、支撐力、各種溫度、壓力、流量、瓦斯?jié)舛燃熬蜻M(jìn)方向姿態(tài)等數(shù)據(jù)，均通過(guò)傳感器傳輸?shù)絇LC上，并通過(guò)上位機(jī)送到控制臺(tái)和顯示器，這些數(shù)據(jù)可以被記錄和打印。

系統(tǒng)所配備的工業(yè)級(jí)平板電腦，觸摸屏設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單。配置有先進(jìn)的工業(yè)用軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，且軟件程序能夠進(jìn)行中文和英文顯示界面的切換。存儲(chǔ)硬盤(pán)容量為1T ，能夠滿足除用軟件外連續(xù)3個(gè)月的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量。

2.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器（溫度、壓力、液位、流量等）采集信號(hào)，通過(guò)I/0模塊和Profibus通訊電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上傳至PLC程序，經(jīng)處理后，顯示到顯示屏上，為操作人員提供有用的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先進(jìn)可靠，宜于操作、檢查和故障排除，具有遠(yuǎn)程同步傳輸功能，能夠?qū)蜻M(jìn)參數(shù)、設(shè)備性能參數(shù)、各系統(tǒng)工作時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)記錄、分析統(tǒng)計(jì)，以圖表或數(shù)字等形式顯示和輸出。還可以顯示輔助設(shè)備的工作參數(shù)、工作時(shí)間等信息，具有故障顯示、診斷功能和報(bào)警功能。

當(dāng)誤操作及故障發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備停機(jī)。警示燈提醒操作手，操作手可以在故障顯示區(qū)查看故障類型并及時(shí)排除。最大程度上幫助施工人員了解TBM的工作狀態(tài)。

2.7 激光導(dǎo)向系統(tǒng)

TBM導(dǎo)向系統(tǒng)能夠向操作手顯示掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)和盾體的姿態(tài)和掘進(jìn)方向，。如圖所示，導(dǎo)向系統(tǒng)由不同的硬件系統(tǒng)組成，與TBM 的 PLC交換信息和測(cè)量數(shù)據(jù)。

測(cè)量系統(tǒng)基于三組主要數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：（1）全站儀測(cè)定刀盤(pán)上兩塊棱鏡的最終位置；（2）兩軸傾斜儀測(cè)定出掘進(jìn)機(jī)水平偏離度和高程偏離度；（3）撐緊油缸和扭矩油缸的伸出量。

激光全站儀由系統(tǒng)程序控制，自動(dòng)跟隨兩塊主棱鏡的移動(dòng)。在用戶程序的時(shí)間間隔內(nèi)，檢查遠(yuǎn)程棱鏡以核實(shí)或變換激光全站儀的方向，包括激光全站儀固定點(diǎn)的穩(wěn)定性檢查。無(wú)論何時(shí)采集到一套測(cè)量數(shù)據(jù)（測(cè)量掘進(jìn)機(jī)里面的兩塊棱鏡和傾斜儀的讀數(shù)），掘進(jìn)機(jī)新的位置姿態(tài)和方向就被計(jì)算并顯示出來(lái)。所有信息都以圖形和數(shù)字方式顯示在屏幕上。通過(guò)使用雙軸傾斜儀，一次絕對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)測(cè)量就完成了。當(dāng)導(dǎo)向系統(tǒng)連接失敗時(shí)，TBM聯(lián)鎖報(bào)警或停機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Robbins敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)的分析，已經(jīng)了解其電氣系統(tǒng)組成與原理。已經(jīng)有兩臺(tái)TBM分別在在遼寧鐵嶺開(kāi)原與遼寧撫順清源投入施工，客戶一致反映其性能優(yōu)，故障少，掘進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)。這不僅提高了國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)的施工技術(shù)水平，也為將來(lái)自主研發(fā)敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：楊金虎（1986-），男，設(shè)計(jì)員，助理工程師。endprint