液驅(qū)土壓平衡盾構(gòu)刀盤電氣原理分析

朱紅光+李朗煥+李吉

摘要：隨著全國一線城市地鐵的普及，用于地鐵施工的盾構(gòu)機(jī)也逐漸走向成熟。盾構(gòu)操作手除了需要對(duì)地層進(jìn)行了解，還需要對(duì)盾構(gòu)的性能有深入的認(rèn)知，掌握盾構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理。文章主要介紹了盾構(gòu)機(jī)盤系統(tǒng)的啟動(dòng)條件及連鎖限制條件。

關(guān)鍵詞：液驅(qū)盾構(gòu)機(jī)；刀盤系統(tǒng)；啟動(dòng)原理；電氣原理；地鐵施工 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG71 文章編號(hào)：1009-2374（2017）07-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.041

文章以液驅(qū)土壓平衡盾構(gòu)為模板，討論刀盤啟動(dòng)過程中的各種電機(jī)啟動(dòng)條件及連鎖限制條件。文章中涉及的編號(hào)都是以集中式盾構(gòu)的電路圖紙為準(zhǔn)，按照電路圖紙的編號(hào)規(guī)則，每個(gè)元器件都有各自的編號(hào)。結(jié)合電路圖紙，可以針對(duì)每個(gè)數(shù)字編號(hào)查詢到相對(duì)應(yīng)的元器件。

1 電機(jī)啟動(dòng)條件

刀盤的啟動(dòng)需要滿足以下電機(jī)啟動(dòng)條件：內(nèi)循環(huán)水電機(jī)開啟、空壓機(jī)啟動(dòng)、先導(dǎo)泵電機(jī)啟動(dòng)、補(bǔ)油泵電機(jī)啟動(dòng)、齒輪油泵電機(jī)啟動(dòng)、黃油多點(diǎn)泵電機(jī)啟動(dòng)、1～3號(hào)刀盤電機(jī)啟動(dòng)。內(nèi)循環(huán)水電機(jī)啟動(dòng)的主要作用是冷卻刀盤馬達(dá)減速箱的齒輪油及空壓機(jī)?？諌簷C(jī)啟動(dòng)的主要作用是給黃油氣動(dòng)泵及HBW氣動(dòng)泵提供氣源。先導(dǎo)泵電機(jī)提供刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)的控制油，控制刀盤的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。補(bǔ)油泵電機(jī)主要給刀盤液壓驅(qū)動(dòng)閉式系統(tǒng)提供液壓油。齒輪油泵電機(jī)負(fù)責(zé)刀盤主驅(qū)動(dòng)齒輪油的內(nèi)部循環(huán)冷卻潤(rùn)滑。黃油多點(diǎn)泵電機(jī)負(fù)責(zé)泵送黃油給刀盤主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)提供潤(rùn)滑冷卻密封作用。1～3號(hào)刀盤電機(jī)為刀盤的主電機(jī)，負(fù)責(zé)提供刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)的液壓動(dòng)力源。

2 連鎖限制條件

2.1 本地與遠(yuǎn)程的模式選擇

刀盤的控制系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程控制與現(xiàn)場(chǎng)控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)安裝于主控室內(nèi)部操作臺(tái)上，用于盾構(gòu)正常掘進(jìn)的刀盤控制，為刀盤主要的控制方式；現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)安裝于人閘倉內(nèi)部，主要用于開倉換刀時(shí)的控制。

在主控室操作臺(tái)上，刀盤控制面板上有一個(gè)插鑰匙的選擇開關(guān)，將其開關(guān)選擇至遠(yuǎn)程。在電路圖紙上，根據(jù)第13章第29頁，-29S2吸合，9-7A5.2：6接收電信號(hào)，PLC感應(yīng)到主控室已經(jīng)選擇遠(yuǎn)程模式。人倉刀盤控制盒上也有一樣的選擇按鈕，將其選擇本地，則在第34頁，34S5斷開，PLC未接收信號(hào)，判斷為遠(yuǎn)程控制模式。只有將兩種選擇開關(guān)都選擇遠(yuǎn)程，則第29頁，9-9A4：3發(fā)出信號(hào)，-29H3二極管亮燈，本地模式激活。若兩種選擇模式選擇不一樣，則-29H3二極管閃燈，刀盤各種控制按鈕失靈，無法控制。若都選擇本地控制，則人倉刀盤控制盒激活，在其他條件滿足的情況下，刀盤可以現(xiàn)場(chǎng)控制。

2.2 高低速選擇

刀盤有兩個(gè)速度檔位，低速度檔及高速檔，低速檔的最高刀盤轉(zhuǎn)速可達(dá)1.6r/min，高速檔的最高速度可達(dá)2.3r/min。刀盤速度選擇的電路位置在第13章第31頁，-31S2為速度檔位選擇按鈕，若選擇低速檔，則9-7A5.2：4接收到信號(hào)；若選擇高速檔，則9-7A5.2：8接收到信號(hào)。

PLC接收到高速檔信號(hào)之后，在第46頁電路圖紙中，9-15A2：4發(fā)出電信號(hào)，-46K2吸合，電磁閥線圈-46Y3吸合，刀盤主驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的斜盤在先導(dǎo)油的作用下形成一定角度，刀盤最終在高壓油的作用下形成最高可達(dá)2.3r/min的轉(zhuǎn)速。若PLC接收到低速檔信號(hào)，則-46K2與-46Y3失電，未吸合，馬達(dá)上的斜盤本身有一定的角度，刀盤最終在高壓油的作用下形成最高可達(dá)1.6r/min的轉(zhuǎn)速。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，大部分時(shí)間都是在低速檔進(jìn)行推進(jìn)，速度控制在1.0～1.5r/min。

2.3 方向選擇

刀盤分為正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，以盾構(gòu)掘進(jìn)方向?yàn)檎较?，刀盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正轉(zhuǎn)，刀盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為反轉(zhuǎn)。刀盤正反轉(zhuǎn)的選擇主要根據(jù)盾體翻轉(zhuǎn)角來決定，若翻轉(zhuǎn)角為正值，則代表盾體順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了一定角度，刀盤需要正轉(zhuǎn)；若翻轉(zhuǎn)角為負(fù)值，則代表盾體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了一定角度，刀盤需要反轉(zhuǎn)。在第13章第32頁，-32S2為方向選擇旋鈕，若選擇左轉(zhuǎn)，則9-7A6：1接收到電信號(hào)，若選擇右轉(zhuǎn)，則9-7A6：5接收到電信號(hào)。以刀盤左轉(zhuǎn)為例，9-7A6：1接收到電信號(hào)。第54頁，9-15A2.1：5發(fā)出信號(hào)，-54K1吸合，-54Y3吸合，1號(hào)刀盤泵內(nèi)部的斜盤形成左旋的角度。第55頁為2號(hào)刀盤左右旋控制電路。第56頁為3號(hào)刀盤左右旋控制電路。

2.4 急停正常

第22章第2頁，為刀盤驅(qū)動(dòng)急停頁面，22-2N2為刀盤的急停繼電器。刀盤急停系統(tǒng)有三個(gè)急停開關(guān)，分別為刀盤現(xiàn)場(chǎng)控制盒上的急停開關(guān)-2S1、刀盤現(xiàn)場(chǎng)控制盒上的運(yùn)行-維護(hù)開關(guān)-2Q1、人倉外的刀盤急停開關(guān)-2S3。在正常情況下，這三個(gè)開關(guān)的接線端子閉合，保證22-2N2急停繼電器的A1有電；若出意外狀況，可以按壓這幾個(gè)急停開關(guān)，使急停繼電器發(fā)出急停信號(hào)，刀盤系統(tǒng)緊急停止。

在急停發(fā)生作用時(shí)，其13號(hào)與14號(hào)點(diǎn)位斷開，在第3頁可以發(fā)現(xiàn)，-3K2、-3K3繼電器失電斷開，根據(jù)這兩個(gè)繼電器的接線方式，可以看出這兩個(gè)繼電器控制刀盤軟啟動(dòng)器的控制電，軟啟動(dòng)器失電之后，刀盤電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)刀盤系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

在第3頁，除了-2N2這個(gè)刀盤急停繼電器可以讓刀盤系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)之外，-6N3急停繼電器也可以讓刀盤停止。在第6頁，-6N3為螺機(jī)系統(tǒng)的急停繼電器，即螺機(jī)急停作用之后，不止螺機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，刀盤系統(tǒng)也會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

在第13章第34頁中，22-2Q1、22-2S1除了可以控制22-2N2之外，還直接往9-12A3：1發(fā)出信號(hào)，讓PLC判斷刀盤處于急停狀態(tài)，通過這兩種雙重保險(xiǎn)，保證刀盤急停信息能及時(shí)送達(dá)至PLC，讓刀盤系統(tǒng)能夠及時(shí)停止。若解決了刀盤急停繼電器的故障之后，工控機(jī)還發(fā)出刀盤急停的報(bào)警信息，則可能是這里的線路出現(xiàn)問題。

2.5 速度旋鈕歸零

刀盤在轉(zhuǎn)動(dòng)之前，速度旋鈕歸零的作用是防止速度在沒歸零的情況下，刀盤啟動(dòng)之后，對(duì)泵及馬達(dá)形成太大的沖擊，造成機(jī)械部件的損壞。在第13章第37頁，主控室的旋鈕（電位器）-37R3是通過電阻分壓的原理來達(dá)到調(diào)整輸入電壓的目的。其能提供0～10V的直流電壓給9-1A3的28號(hào)點(diǎn)位，若PLC接收到0V的電壓，則代表速度旋鈕已經(jīng)歸零，PLC才可以允許刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.6 溫度未超限

在第13章第44頁，-44B2為刀盤漏油溫度傳感器，可以檢測(cè)刀盤馬達(dá)泄漏油的溫度，其發(fā)出的4～20mA信號(hào)被9-1A3的40號(hào)點(diǎn)位接收，PLC接收到信號(hào)號(hào)之后，根據(jù)PLC內(nèi)部的計(jì)算規(guī)則，換算出實(shí)際的刀盤漏油溫度，并在工控機(jī)上顯示出來。在工控機(jī)的參數(shù)設(shè)置界面，可以設(shè)置刀盤漏油溫度的警告值及高限值。若溫度達(dá)到警告值之后，PLC會(huì)發(fā)出報(bào)警信息；達(dá)到高限值，PLC除了發(fā)出報(bào)警信息之外，還會(huì)停止刀盤系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.7 壓力未超限

在第13章第43頁，-43B2為刀盤高壓出口壓力傳感器，可以檢測(cè)刀盤實(shí)時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)油壓，其發(fā)出的4～20mA信號(hào)被9-1A3的35號(hào)點(diǎn)位接收，PLC接收到信號(hào)之后，根據(jù)PLC內(nèi)部的計(jì)算規(guī)則，換算出實(shí)際的刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，并在工控機(jī)上顯示出來。在工控機(jī)的參數(shù)設(shè)置界面，可以設(shè)置刀盤壓力高限。若刀盤的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)壓力超出這個(gè)壓力限值時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出報(bào)警信息并停止刀盤系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.8 刀盤磨損檢測(cè)未報(bào)警

在盾體內(nèi)側(cè)，有一路60bar左右的高壓油通過中心回轉(zhuǎn)體及刀盤內(nèi)部的固有管路到達(dá)刀盤前面的磨損檢測(cè)刀具或者某一些刀具刀體上。在正常情況下，刀具未磨損，到刀具上的油路則無法泄漏，油壓不會(huì)變低。若刀盤刀具磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致油路與刀盤前方的土體連通，油壓變低。在第13章第57頁，-57B1為壓力繼電器，在油路油壓變低的情況下，內(nèi)部線路連通，發(fā)出24V的電信號(hào)至9-13A6：2。PLC感應(yīng)到電信號(hào)之后，判斷刀盤刀具發(fā)生磨損，停止刀盤系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.9 盾體傾角、翻轉(zhuǎn)角不超限

盾體的傾角是盾體前后中心點(diǎn)連成的直線與地平線形成的角度，盾體上傾角為正值，下傾角為負(fù)值。盾體翻轉(zhuǎn)角是盾體順時(shí)針或者逆時(shí)針滾動(dòng)的角度，順時(shí)針滾動(dòng)角為正值，逆時(shí)針滾動(dòng)角為負(fù)值。在盾體的左前方有一個(gè)傳感器，負(fù)責(zé)盾體傾角及翻轉(zhuǎn)角的測(cè)量。

在第9章第35頁中，傳感器9-35B1通過本身的傾翻作用，形成4～20mA的傾角電信號(hào)輸送到9-2A4的13號(hào)點(diǎn)位；形成4～20mA的翻轉(zhuǎn)電信號(hào)輸送到9-2A4的18號(hào)點(diǎn)位。PLC根據(jù)接收的電流信號(hào)換算成傾角、翻轉(zhuǎn)角數(shù)值并顯示出來。

當(dāng)傾角、翻轉(zhuǎn)角超限之后，刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)，需要通過其他的辦法使這些數(shù)值變正常后，才可以進(jìn)行刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.10 刀盤貫入度不超限

刀盤貫入度不是一個(gè)測(cè)量值，是一個(gè)計(jì)算值，其單位為mm/r，代表刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)候，往前掘進(jìn)的距離。計(jì)算方法為：推進(jìn)速度除以刀盤轉(zhuǎn)速。例如一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度為40mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1r/min，通過計(jì)算，貫入度為40mm/r，代表刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的過程中，盾體往前掘進(jìn)了40mm，刀盤切入土體的厚度也是40mm。

貫入度越大，刀盤每一圈的切削厚度越大，對(duì)刀盤扭矩要求越高，刀具磨損越??；貫入度越小，對(duì)刀盤扭矩要求越小，刀具磨損越大。在工控機(jī)的參數(shù)設(shè)置界面有貫入度高限設(shè)置，當(dāng)?shù)侗P貫入度超限之后，刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.11 刀盤制動(dòng)器松開

PLC接收到啟動(dòng)信號(hào)之后，在第13章第47頁，9-15A2：8發(fā)出電信號(hào)，-47K2吸合，-47Y3吸合，刀盤制動(dòng)器松開。刀盤制動(dòng)器完全松開之后，在第48頁有制動(dòng)器的行程傳感器-48B1發(fā)出信號(hào)，9-13A2：2接收到信號(hào)，PLC判斷制動(dòng)器的行程已經(jīng)到位；壓力傳感器-48B4發(fā)出信號(hào)，9-13A2：6接收到信號(hào)，PLC判斷制動(dòng)器的壓力已經(jīng)到位。PLC的兩個(gè)點(diǎn)位都接收到信號(hào)之后，PLC判斷刀盤制動(dòng)器已經(jīng)完全松開。

3 結(jié)語

當(dāng)以上條件滿足時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的刀盤就可以正式啟動(dòng)。盾構(gòu)操作手對(duì)于刀盤的啟動(dòng)，不僅需要準(zhǔn)確認(rèn)知刀盤的啟動(dòng)條件，還應(yīng)該通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)電路圖紙的分析，深入了解這些啟動(dòng)條件的限制原因及限制方法，保證盾構(gòu)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：朱紅光（1980-），男，湖南益陽人，供職于中鐵五局集團(tuán)電務(wù)城通工程有限責(zé)任公司，研究方向：盾構(gòu)施工。

（責(zé)任編輯：蔣建華）