楊生華，芮豐，蔣衛(wèi)良

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

隨著礦山、交通、水利和能源的發(fā)展，全斷面隧道掘進機包括盾構(gòu)和TBM都得到了長足發(fā)展。目前中國在礦山、交通、水利和能源方面都有世界上最大規(guī)模的隧道掘進，例如煤礦年產(chǎn)40億t/a規(guī)模占世界產(chǎn)量的近一半，每年掘進巷道達12 000 km，全巖巷超過1 000 km。全斷面巖石掘進機(TBM)隨著盾構(gòu)的發(fā)展而發(fā)展，同時互相促進。TBM最大直徑已達14.4 m，盾構(gòu)直徑17.6 m已經(jīng)應(yīng)用，可以制造的最大直徑為19.25 m。TBM最小直徑為0.6 m，微型盾構(gòu)直徑僅為200 mm。

隧道掘進機刀盤最大功率超過了10 000 kW，14 000 kW已經(jīng)應(yīng)用，大型TBM刀盤驅(qū)動功率一般都有幾千kW。刀盤驅(qū)動方法主要分為電動機驅(qū)動和液壓馬達驅(qū)動，隨著電力電子的發(fā)展和變頻器的應(yīng)用，交流變頻電氣傳動趨于主流，尤其大功率TBM都采用變頻驅(qū)動，但液壓驅(qū)動仍然不可或缺。在需要功率密度高的地方尤其是小直徑和微型TBM以及需要脫困扭矩大的地方，液壓驅(qū)動尤其重要。為了提高刀盤驅(qū)動性能，刀盤驅(qū)動方法從電動機和液壓組合驅(qū)動，向混合和復(fù)合驅(qū)動方向發(fā)展。而電動機驅(qū)動本身向高性能永磁電動機方向發(fā)展，液壓驅(qū)動向高效變速電動機驅(qū)動和低速馬達驅(qū)動方向發(fā)展。

1 全斷面巖石掘進的驅(qū)動方法

刀盤驅(qū)動方法主要有電動機驅(qū)動和液壓驅(qū)動，為了加大啟動和低速時轉(zhuǎn)矩，防止機器在遇到不穩(wěn)定巖層是被卡，使用了組合、混合和復(fù)合驅(qū)動方法。

1.1 電動機驅(qū)動

刀盤的電動機驅(qū)動主要有定速電動機、雙速電動機和變速電動機驅(qū)動。在變頻器出現(xiàn)之前TBM都使用定速電動機和雙速電動機驅(qū)動，定速電動機有EJ50和EJ30煤礦使用的TBM，雙速電動機驅(qū)動代表是維爾特 TB880E。由于交流傳動的發(fā)展，使用變頻器的變速電動機驅(qū)動，具有啟動電流小、效率高、冷卻性能好、節(jié)能降耗等優(yōu)點，可實現(xiàn)無極變速，適應(yīng)不同的地質(zhì)工況，啟動力矩和脫困扭矩大，多電動機同步控制性能好，系統(tǒng)可靠性高。因此變速電動機驅(qū)動取代了定速電動機和雙速電動機驅(qū)動，尤其在大功率大直徑TBM，圖1是變頻變速電動機驅(qū)動刀盤示意圖。由于出現(xiàn)了大功率低速永磁電動機，變速電動機除了異步電動機外又有了永磁直驅(qū)電動機，永磁直驅(qū)電動機可以簡化減速器結(jié)構(gòu)，甚至可以取消減速器，采用永磁直驅(qū)電動機直接驅(qū)動，進一步減少了安裝空間，提高驅(qū)動系統(tǒng)的工作效率和可靠性。但由于價格貴，產(chǎn)品不成熟，尚處于推廣階段，目前僅在功率較小的大直徑盾構(gòu)上應(yīng)用。

圖1 變頻變速電動機驅(qū)動刀盤示意圖

2014年北方重工集團有限公司為淮南礦業(yè)巷道工程開發(fā)設(shè)計了世界首臺立井煤礦巖巷全斷面掘進機——QJYC045M。采用全變頻驅(qū)動，表1為QJYC045M主要技術(shù)參數(shù)。刀盤驅(qū)動功率為4臺360 kW變頻電動機驅(qū)動，總功率是1 440 kW，總裝機功率為2 000 kW。2015年1月，全斷面硬巖盾構(gòu)機(TBM)在張集礦井下試驗成功，實現(xiàn)硬巖巷道單月掘進560 m，創(chuàng)造了當時全國煤礦硬巖巷道掘進最高紀錄。

表1 QJYC045M TBM主要參數(shù)

1.2 液壓驅(qū)動

TMB液壓驅(qū)動分為刀盤驅(qū)動和推進，TBM推進都采用液壓油缸驅(qū)動，刀盤的液壓驅(qū)動就是用液壓馬達驅(qū)動。由于空間限制，液壓馬達一般都使用高速馬達，馬達驅(qū)動方法有：定速泵驅(qū)動定速馬達，變速泵驅(qū)動定速馬達，變速泵驅(qū)動變速馬達。定速泵驅(qū)動定速馬達效率低已經(jīng)被淘汰，一般都采用變速泵驅(qū)動變速馬達，常用軸向柱塞液壓泵和馬達，調(diào)速范圍廣，而且能適應(yīng)復(fù)雜工況。 由于液壓驅(qū)動多了一個能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，故效率沒有電動機直接驅(qū)動效率高，一般效率要低20%～50%，實際系統(tǒng)效率僅為40%～60%。但液壓驅(qū)動功率密度高，低速性能好，具有良好的抗沖擊能力和過載保護性能， 維修保養(yǎng)相對簡單，可靠性高。隨著對液壓驅(qū)動系統(tǒng)的研究，新的液壓系統(tǒng)效率提高了10%～30%，如果采用低速大扭矩馬達，系統(tǒng)效率和可靠性可進一步提高。TBM的液壓馬達驅(qū)動方法不可或缺，在小直徑或小功率TBM中有應(yīng)用要求，大直徑和大功率TBM混合驅(qū)動方面也很重要，在功率較小的土壓和泥水平衡盾構(gòu)中亦有應(yīng)用。

遼寧通用重機公司研制的國內(nèi)首臺KSZ-2600礦用全斷面硬巖快速掘進機(掘錨神盾1號)于2016年5月開始在北京部隊某部進行軍用設(shè)施巖石巷道工程掘進施工中，地面試驗取得圓滿成功。2017年又開發(fā)了KSZ-2800型礦用全斷面硬巖快速掘進機“神盾重慶1號”，在重慶能源集團旗下松藻煤電公司地面山體掘進，2018年初完成在高瓦斯工況條件下的煤礦巖石巷道工業(yè)性能試驗，目前正在掘進。KSZ-2600的刀盤是由4臺液壓馬達驅(qū)動，刀盤總功率為210 kW，總裝機功率380 kW，表2為KSZ-2600 TBM的技術(shù)參數(shù)，圖2為神盾1號KSZ-2600礦用全斷面硬巖快速掘進機TBM產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)示意圖。

表2 KSZ-2600 TBM技術(shù)參數(shù)

1.3 組合、混合和復(fù)合驅(qū)動

定速電動機或雙速電動機驅(qū)動刀盤時電動機不能同時啟動，需要逐個分時啟動，各臺電動機啟動時間間隔5 s，待全部電動機啟動后通過離合器驅(qū)動刀盤，如果刀盤是6臺電動機，刀盤逸轉(zhuǎn)時間有30 s。刀盤各電動機同步是通過負荷平衡又稱滑差自適應(yīng)，啟動性能差，啟動轉(zhuǎn)矩小。為此,使用液壓和電動機組合驅(qū)動，當TBM脫困時改用液壓馬達驅(qū)動，電動機離合器分離，早期我國引進德國威爾特的TB880E產(chǎn)品就是這種驅(qū)動方式，如圖3所示。

圖2 KSZ-2600礦用全斷面硬巖快速掘進機

圖3 TB880E液壓馬達和雙速電動機組合驅(qū)動

由于變頻傳動的發(fā)展，現(xiàn)在TBM都采用變頻電動機驅(qū)動刀盤，刀盤轉(zhuǎn)速可變，當遇到硬巖時使用高速驅(qū)動刀盤，當遇到軟巖時使用低速驅(qū)動刀盤，這樣使TBM地質(zhì)適應(yīng)性提高了。但單獨變頻驅(qū)動低速扭矩等于額定扭矩，啟動扭矩僅僅為額定扭矩1.5倍，而且時間比較短，當脫困時很有可能扭矩不足而無法脫困。因此使用變頻電動機和液壓馬達混合驅(qū)動刀盤，當TBM需要脫困時，馬達和變頻電動機同時啟動，這樣可以把啟動扭矩提高到原來額定扭矩的2倍以上，同時低速運行時扭矩大于額定扭矩，運行穩(wěn)定性提高，脫困能力大大增強，變頻電動機和液壓馬達混合驅(qū)動刀盤示意圖，如圖4所示。

浙江大學(xué)研究并發(fā)展了復(fù)合驅(qū)動，解決TBM的脫困扭矩問題。一開始是在變頻驅(qū)動的基礎(chǔ)上增加一兩臺定速電動機加黏性離合器驅(qū)動，定速電動機只有在脫困時啟動，通過大減速比減速器增加刀盤脫困扭矩，啟動和低速扭矩增大,后來又發(fā)展了變頻驅(qū)動直接加黏性離合器，不另外增加定速電動機+減速器驅(qū)動的方案，節(jié)省了空間，提高了性能和靈活性。變頻驅(qū)動直接加黏性離合器驅(qū)動刀盤方案，刀盤啟動扭矩可提高到額定扭矩的2倍，持續(xù)時間達到79 s，而變頻直接驅(qū)動扭矩僅為1.5倍，持續(xù)時間為60 s。由于液體黏性離合器(HVC)參與了脫困，液體黏性離合器需要油壓控制系統(tǒng)和油溫冷卻系統(tǒng)，因此增加了復(fù)雜性，同時液體黏性離合器產(chǎn)品性能和可靠性也影響了驅(qū)動系統(tǒng)性能，目前這種驅(qū)動方法還沒有應(yīng)用到具體產(chǎn)品上。圖5變頻電動機和黏性離合器復(fù)合驅(qū)動刀盤示意圖。

圖4 變頻電動機和液壓馬達混合驅(qū)動刀盤

圖5 變頻電動機和黏性離合器復(fù)合驅(qū)動刀盤

2.4 各種驅(qū)動方式性能比較

刀盤的驅(qū)動方法主要有定速驅(qū)動和變速驅(qū)動。定速驅(qū)動主要有單速電動機和雙速電動機，雙速電動機盡管有2種速度，但不能調(diào)速運行；變速驅(qū)動主要有變頻電動機驅(qū)動和液壓馬達驅(qū)動，這2種方法能無級調(diào)速，自適應(yīng)截割，可根據(jù)巖石狀況自動改變速度，帶載啟動，脫困能力好，自動化掘進，因此變速驅(qū)動是目前刀盤驅(qū)動采用的主要方法。液壓驅(qū)動系統(tǒng)效率低，國產(chǎn)化程度低，系統(tǒng)可靠性難以提高，所以變頻驅(qū)動方法已經(jīng)成為我國TBM發(fā)展的主流，但液壓驅(qū)動方法功率密度高，在小型和微型TBM中仍然必不可少，表3為4種刀盤驅(qū)動方式優(yōu)缺點比較。

表3 刀盤驅(qū)動方式優(yōu)缺點比較

3 TBM驅(qū)動技術(shù)研究和發(fā)展趨勢

TBM刀盤驅(qū)動需要功率密度高，效率高，可靠性高，啟動和低速性能好，可變速自適應(yīng)掘進，壽命長，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和智能化,因此變頻變速驅(qū)動是發(fā)展趨勢，變頻驅(qū)動可控制性能好，能夠高效自適應(yīng)自動化掘進。而液壓驅(qū)動功率密度高，仍然不可取代，需要發(fā)展和提高。

3.1 變頻驅(qū)動

全斷面巖石掘進機(TBM)刀盤使用變頻驅(qū)動已經(jīng)廣泛應(yīng)用，目前變頻驅(qū)動一般都是采用異步電動機。由于交流變頻傳動技術(shù)和永磁電動機的發(fā)展，永磁直驅(qū)電動機在效率和體積以及可靠性上都得到提高，而且永磁直驅(qū)電動機啟動轉(zhuǎn)矩大，因此永磁直驅(qū)電動機在TBM上一定會越來越多地應(yīng)用。但永磁電動機成本高，磁鋼存在高溫退磁問題和制造磁鋼的稀土材料有限，產(chǎn)品還不完全成熟。因此磁阻電動機得到發(fā)展，磁阻電動機成本低于永磁電動機，效率介于永磁電動機和異步電動機之間，接近永磁電動機，性能高于異步電動機，而且系統(tǒng)可靠性很高，所以TBM驅(qū)動也可以使用磁阻電動機。

3.1.1 異步電動機

目前TBM使用中壓異步電動機，一般啟動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的1.5 倍，如果把啟動轉(zhuǎn)矩設(shè)計成更大，那么電動機效率降低，可靠性就降低。如果采用高壓電動機，啟動轉(zhuǎn)矩更小，一般是額定轉(zhuǎn)矩的0.7或0.8倍。因此異步電動機用在TBM上一定存在性能不足和可靠性不高的問題，通過混合和復(fù)合驅(qū)動，能夠提高刀盤的啟動和低速性能，但增加了復(fù)雜性，也降低了可靠性和可用性。使用高壓高效異步電動機+黏性離合器復(fù)合驅(qū)動刀盤值得研究，使用一臺高壓變頻器，簡化系統(tǒng)，提高效率，降低成本。額定運行時電動機直接驅(qū)動刀盤，低速和啟動運行時使用變頻+黏性傳動。

3.1.2 永磁電動機

我國稀土資源豐富，具備高效能磁鋼生產(chǎn)的條件。隨著電力電子的發(fā)展，變頻器性能越來越好，效率越來越高，體積越來越小，成本越來越低。永磁電動機在我國得到了很大發(fā)展，可以制造4 000 kW的高壓永磁同步電動機。永磁直驅(qū)電動機產(chǎn)品化已經(jīng)到2 000 kW，而TBM刀盤驅(qū)動電動機功率僅僅有幾百kW。 因此TBM上使用的永磁直驅(qū)電動機產(chǎn)品制造是沒有問題的，主要是優(yōu)化設(shè)計和專業(yè)化問題，TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)需要體積小、效率高、成本低和可靠性高。使用永磁直驅(qū)電動機簡化TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)，減少減速器的級數(shù)或取消減速器，減少電動機體積和重量。永磁電動機效率高，啟動轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩2倍以上，低速性能好?？梢匀〈惒诫妱訖C混合或復(fù)合驅(qū)動，不再需要另外加驅(qū)動單元，直接驅(qū)動刀盤，減少了傳動級數(shù)，提高系統(tǒng)效率和可靠性。

3.1.3 磁阻電動機

磁阻電動機轉(zhuǎn)子沒有繞組、定子堅固耐用，特別適合沖擊負載和高速應(yīng)用。電動機結(jié)構(gòu)簡單堅固，控制器電路結(jié)構(gòu)簡單，無直通短路危險，IGBT不易燒毀。磁阻電動機啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流很小且響應(yīng)快。磁阻電動機效率高，工作可靠性高。磁阻電動機成本比永磁電動機低， 甚至能夠和異步電動機變頻驅(qū)動相當。盡管磁阻電動機轉(zhuǎn)矩脈動高，噪聲高，但在TBM上應(yīng)用影響很小，同時隨著磁阻電動機的發(fā)展性能越來越高。因此磁阻電動機和永磁電動機一樣，可以取代異步電動機混合或復(fù)合驅(qū)動刀盤。 但磁阻電動機和永磁電動機一樣，在TBM上應(yīng)用存在產(chǎn)品化和專業(yè)化問題。目前我國磁阻電動機得到很大發(fā)展，具有上千kW功率的電動機產(chǎn)品制造能力，只要針對TBM專業(yè)化，將能夠取代永磁電動機或異步電動機驅(qū)動。

3.2 液壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動功率密度高，低速性能好，能夠變速運行。2005年西班牙馬德里公路隧道使用的Φ15.2 m德國海瑞克土壓平衡盾構(gòu)，采用了50臺液壓馬達、24臺泵和12臺電動機組成刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)，驅(qū)動功率達在14 000 kW。由于交流變頻傳動的的發(fā)展，現(xiàn)在大直徑TBM都采用變頻電動機驅(qū)動，小直徑的小型TBM采用液壓驅(qū)動，有它的特點和優(yōu)勢。液壓驅(qū)動體積小，啟動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，不需要組合或復(fù)合驅(qū)動。由于液壓驅(qū)動效率低，因此提高液壓驅(qū)動系統(tǒng)的效率一直是重要課題，節(jié)能也一直是液壓動力傳動的主要研究方向之一。

如圖6所示，液壓驅(qū)動刀盤技術(shù)從開始“閥控制”、 “負載敏感閥控制”、“負載敏感泵控制”，到“泵容積控制”和“泵回轉(zhuǎn)速控制”，總共為第5階段，刀盤所需驅(qū)動功率降低50%，效率提高了100%。但液壓驅(qū)動效率肯定不如電動機直接驅(qū)動，液壓驅(qū)動系統(tǒng)效率仍然在65%左右，比電動機驅(qū)動效率低20%～30%。目前TBM刀盤使用的液壓馬達驅(qū)動，一般都使用高速軸向柱塞馬達，減速器的減速比大，驅(qū)動系統(tǒng)效率更低。由于低速馬達和液壓直驅(qū)技術(shù)的發(fā)展，TBM刀盤采用低速大扭矩液壓馬達直接驅(qū)動很值得研究。因此TBM使用液壓直驅(qū)技術(shù)，系統(tǒng)效率高，可靠性高。TBM刀盤液壓驅(qū)動目前主要有2種配置形式：一是高速液壓馬達加齒輪減速裝；二是選用中低速馬達，減少齒輪傳動級數(shù)，甚至取消減速器。此外，有關(guān)研究人員還在探索使用凸輪環(huán)液壓馬送驅(qū)動、液壓缸驅(qū)動等新型驅(qū)動方式。赫格隆液壓馬達和液壓直驅(qū)技術(shù)在帶式輸送機上成功應(yīng)用，產(chǎn)品和技術(shù)世界領(lǐng)先，在TBM上的應(yīng)用需要研究。

1-有效利用動力；2-節(jié)流閥損失；3-其它配管等損失；4-電動機、泵等機械效率損失。

3.3 新的礦用的TBM刀盤驅(qū)動方案

根據(jù)TBM驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計了煤礦使用的Φ5 m和Φ3 m TBM。Φ5 m TBM(EJ50)使用變頻永磁電動機直驅(qū)技術(shù)，考慮驅(qū)動單元的體積和效率以及成本，使用一級行星齒輪傳動的永磁直驅(qū)電動機，電動機和減速器一體化。使用Φ3 m TBM(EJ30)使用液壓馬達直驅(qū)技術(shù)，同樣考慮驅(qū)動單元的體積和效率以及成本，使用一級行星齒輪減速器和馬達組合。表4是驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計壽命30 000 h的驅(qū)動參數(shù)。因此永磁驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)化和可靠性研究，液壓驅(qū)動系統(tǒng)效率和可靠性研究，變頻混合驅(qū)動系統(tǒng)和可靠性研究，煤礦使用Φ1～3 m微小型、Φ3～5 m小型、Φ5～8 m中型和Φ8～12 m大型TBM系列化研究工作，硬巖TBM高性能驅(qū)動研究和微型TBM驅(qū)動研究需要開展。

表4 礦用Φ5 m和Φ3 m TBM是驅(qū)動參數(shù)

3.4 發(fā)展趨勢和研究方向

根據(jù)可靠性和效率，有4種驅(qū)動方案：

1) 異步電動機+黏性離合器復(fù)合驅(qū)動方案。

2) 永磁電動機直驅(qū)方案。

3) 磁阻電動機驅(qū)動方案。

4) 低速馬達驅(qū)動方案。其中永磁電動機和低速馬達驅(qū)動方案是TBM應(yīng)用發(fā)展趨勢，其它兩種是研究方向，異步電動機復(fù)合驅(qū)動方案能夠通過黏性離合器和變頻器在定速和變速驅(qū)動之間切換，成本最低，而隨著電子技術(shù)的發(fā)展,磁阻電動機驅(qū)動方案將會取代異步電動機。4種驅(qū)動方案都能夠變速驅(qū)動，啟動性能好，啟動轉(zhuǎn)矩大，控制性能好，自動化程度高。除了異步電動機啟動轉(zhuǎn)矩接近額定轉(zhuǎn)矩的2倍外，其他方式都大于2倍，均能適應(yīng)TBM高性能和自動化智能化發(fā)展要求，而且可靠性高，維護保養(yǎng)容易，表5比較了各種新的變速驅(qū)動方法。

表5 各種新的變速驅(qū)動方法比較

4 結(jié)論

全斷面巖石掘進機(TBM)刀盤驅(qū)動實現(xiàn)了機、電、液技術(shù)集成和一體化，齒輪傳動、變頻傳動和液壓傳動是核心技術(shù)，永磁電動機和低速馬達直驅(qū)技術(shù)是發(fā)展方向，而且磁阻電動機驅(qū)動能夠取代異步電動機和永磁電動機。行星齒輪減速器，中壓變頻器和高速軸向柱塞泵和馬達是主要傳動產(chǎn)品技術(shù)，徑向馬達是新的應(yīng)用方向。刀盤驅(qū)動技術(shù)要求可靠、節(jié)能和功率密度高的驅(qū)動方法，啟動轉(zhuǎn)矩大，低速性能好，自動化控制能力強，為長壽命、高可靠性、高性能、高適應(yīng)性TBM和自動化、智能化、無人化掘進發(fā)展打下基礎(chǔ)。