李萍

中船重工（青島）軌道交通裝備有限公司 山東青島 266000

1 TBM刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 TBM刀盤(pán)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性及控制研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，伴隨著我國(guó)電子技術(shù)方面逐步發(fā)展，發(fā)現(xiàn)使用混頻器變換可以水實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量變換理論的大功率交流電機(jī)的控制狀況，用來(lái)滿足當(dāng)前企業(yè)中的需求。當(dāng)前我國(guó)對(duì)于單電機(jī)控制的研究主要集中在使用先進(jìn)技術(shù)的控制基礎(chǔ)，之后再加以無(wú)線編碼器來(lái)進(jìn)行控制與精準(zhǔn)?，F(xiàn)在，對(duì)多電機(jī)的使用一般都體現(xiàn)在連軋機(jī)、造紙機(jī)等機(jī)器中。以實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下多電機(jī)之間的協(xié)調(diào)與控制，許多國(guó)外相關(guān)人員已經(jīng)預(yù)先做了相關(guān)研究與實(shí)驗(yàn)。例如：所有電機(jī)并聯(lián)同相同的速度信號(hào)，所有從機(jī)并聯(lián)同主機(jī)轉(zhuǎn)矩的主從控制，tmschtmsc仍然與轉(zhuǎn)矩環(huán)并聯(lián)，以消除獨(dú)立驅(qū)動(dòng)鏈之間的相對(duì)誤差，并提出了環(huán)路耦合控制方法。以上研究是針對(duì)多軸系統(tǒng)，通過(guò)平行齒輪的剛性聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)tbm多傳動(dòng)鏈傳動(dòng)同一刀軸[1]。

1.2 TBM混合脫困研究現(xiàn)狀

當(dāng)?shù)侗P(pán)載荷增大，轉(zhuǎn)速降低時(shí)，變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩恒定。同時(shí)，電機(jī)體積較大，安裝次數(shù)較少，不能像泵電機(jī)系統(tǒng)那樣提供低速大扭矩的恒功率輸出，不能滿足在軟巖條件下快速開(kāi)挖和解困的要求。為了解決這一問(wèn)題，人們普遍認(rèn)為應(yīng)采用高轉(zhuǎn)矩密度的液壓馬達(dá)來(lái)輔助變頻馬達(dá)進(jìn)行低速運(yùn)行。

2 基于t-bm負(fù)載和傳動(dòng)控制特性的傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化

在對(duì)經(jīng)典csm模型進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)此建立了驅(qū)動(dòng)形式以及刀具布局的設(shè)計(jì)規(guī)則。并在后期結(jié)合了TBM的負(fù)載傳遞形式與其他相關(guān)特性，以適應(yīng)全自動(dòng)驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)的準(zhǔn)確性。

2.1 基于tbm負(fù)荷模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及隧道狀態(tài)監(jiān)測(cè)

首先要根據(jù)負(fù)載特性對(duì)t-bm傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。除此之外，當(dāng)圍巖出現(xiàn)破損時(shí)，涌出的混合涌水會(huì)對(duì)切割機(jī)表面產(chǎn)生一定的作用壓，進(jìn)而致使TBM切割機(jī)使用的過(guò)程中出現(xiàn)故障。一旦遭遇圍巖收縮，將會(huì)導(dǎo)致盾結(jié)構(gòu)與圍巖收縮承受相同的壓力。進(jìn)而導(dǎo)致TBM的盾構(gòu)軸發(fā)生卡死狀態(tài)[2]。

2.2 基于改進(jìn)的成套機(jī)械負(fù)荷模型的掘進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

根據(jù)調(diào)查，該電機(jī)的先進(jìn)控制方法和系統(tǒng)應(yīng)用仍處于單電機(jī)試驗(yàn)階段，大功率電機(jī)需要由工業(yè)成熟混頻器控制。通過(guò)加載不同的配方，逆變器可以在速度或轉(zhuǎn)矩參考模式下工作，從而可以快速建立速度并聯(lián)或轉(zhuǎn)矩主從系統(tǒng)。電氣控制柜中安裝了四個(gè)變頻器。變頻器之間通過(guò)高速光纖進(jìn)行通信。電機(jī)轉(zhuǎn)速由編碼器測(cè)量并傳回相應(yīng)的混頻器。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)是由電機(jī)的工作電流計(jì)算出來(lái)的，因此電機(jī)可以直接安裝在減速器的端蓋上，減速器與電機(jī)之間不需要傳感器。相比之下，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和扭矩由專(zhuān)用傳感器測(cè)量，因此設(shè)計(jì)了空心套筒結(jié)構(gòu)分別連接減速器蓋和馬達(dá)殼體，電機(jī)輸出軸通過(guò)套筒中的聯(lián)軸器與扭矩速度傳感器連接，減速器端面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳感器殼體匹配，使傳感器軸與減速器軸套直接匹配，盡可能減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)。減速器安裝在頭架上，齒圈密封在頭架內(nèi)，保證主軸承和齒輪嚙合面的防塵潤(rùn)滑。

3 結(jié)語(yǔ)

本章根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化程度與t-bm載荷及傳動(dòng)控制特性的關(guān)系，建立了由巖石破碎、自重摩擦、圍巖收縮、坍塌等多種因素組成的t-bm總體載荷模型，根據(jù)載荷特性和機(jī)理拓?fù)浞治黾靶逗蓚鬟f特性，建立了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的參考標(biāo)準(zhǔn)，確定了全自由度精確姿態(tài)控制和欠驅(qū)動(dòng)柔度的選擇準(zhǔn)則，為試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了依據(jù)。具體結(jié)論如下：

3.1 對(duì)于特別堅(jiān)硬的圍巖

建議采用多刀間距滾刀，以減少滾刀的受力和破壞。刀尖的厚度應(yīng)根據(jù)滾刀的異常損傷形式安排，否則應(yīng)使用耐磨性高、使用壽命長(zhǎng)的大尺寸刀具。當(dāng)軟巖占多數(shù)時(shí)，應(yīng)采用大間距、少刀具的結(jié)構(gòu)，以降低扭矩載荷和功耗。

3.2 在常規(guī)穩(wěn)定圍巖條件下

滾刀總推力和扭矩負(fù)荷分別與刀盤(pán)直徑和刀盤(pán)直徑的平方成正比，而圍巖收縮和坍塌引起的附加推力和扭矩負(fù)荷分別與刀盤(pán)直徑的平方和立方成正比，因此，中小型t-bm具有較小的功率余量，由于推力不足或推力不足，夾緊機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)較大。建議采用x型支撐結(jié)構(gòu)和電機(jī)-電機(jī)混合式刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]。

3.3 傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)指標(biāo)

如fpi和se，容易受到滲透率的影響。在荷載模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)的單位貫入指標(biāo)fpiw和sew能更準(zhǔn)確地描述當(dāng)前的隧道地質(zhì)特征。提出的tp指標(biāo)可以作為保持一定直徑tbm滾刀在穩(wěn)定圍巖條件下正常掘進(jìn)的固有參數(shù)，并可以作為判斷滾刀是否被磨碎或圍巖收縮等不良工況的指標(biāo)[4]。

3.4 通過(guò)對(duì)推進(jìn)力矩缸系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制

實(shí)現(xiàn)全自由度精確姿態(tài)控制。目前t-b-m結(jié)構(gòu)的精確定位和姿態(tài)控制與系統(tǒng)的符合性之間存在矛盾。垂直平面上的扭矩缸抵抗偏心載荷能力較弱，偏心載荷較大時(shí)仍應(yīng)采用傳統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，犧牲位置和姿態(tài)精度，避免氣缸過(guò)載和部件損壞。

設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬和控制tbm主機(jī)在復(fù)雜載荷環(huán)境下的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了新的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制方法[5]。