基于永磁同步電機(jī)的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究

龔文忠　年曉紅

摘 要：目前，采用的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的刀盤驅(qū)動(dòng)方式為變頻電機(jī)（或液壓馬達(dá)）加減速機(jī)加行星齒輪。與這種驅(qū)動(dòng)方式相比，用永磁同步電機(jī)代替變頻電機(jī)（或液壓馬達(dá)），可以簡(jiǎn)化減速機(jī)結(jié)構(gòu)，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率。對(duì)于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM），甚至可以取消減速機(jī)，采用永磁同步電機(jī)直驅(qū)。試驗(yàn)結(jié)果表明，永磁同步電機(jī)比同功率的變頻電機(jī)尺寸小，綜合效率高5%左右。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；全斷面；掘進(jìn)機(jī)；刀盤

中圖分類號(hào)：U455.3+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.014

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是一種專門用于隧道施工的工程機(jī)械，它集開(kāi)挖、襯砌、渣土運(yùn)輸、導(dǎo)向糾偏等功能于一體，開(kāi)挖隧道一次成形，所以，被廣泛用于地鐵、高速公路、鐵路、市政和引水工程等領(lǐng)域。根據(jù)地層的不同，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)分為軟土掘進(jìn)機(jī)和硬巖掘進(jìn)機(jī)2種。軟土掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)稱盾構(gòu)機(jī)（EPBS），主要包括土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、泥水平衡盾構(gòu)機(jī)、頂管等；硬巖掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)稱“TBM”（tunnel boring machine），可以分為敞開(kāi)式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM等。本文所述的刀盤驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)適用于上述所有機(jī)型，文中將全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)稱為“掘進(jìn)機(jī)”。

掘進(jìn)機(jī)依靠刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)開(kāi)挖土層、巖層，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)型式的不同和直徑的不同，刀盤的驅(qū)動(dòng)功率約占掘進(jìn)機(jī)裝機(jī)功率的1/2～2/3.因此，刀盤功率大，扭矩大。表1為中國(guó)鐵建重工集團(tuán)公司生產(chǎn)的某幾種掘進(jìn)機(jī)刀盤的驅(qū)動(dòng)功率和扭矩值。

目前，掘進(jìn)機(jī)的刀盤驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)有2種：①液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)通過(guò)行星齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)軸承；②變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，減速機(jī)通過(guò)行星齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)軸承。圖1中（a）（b）兩幅圖為不同角度掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意圖。

由此可知，不論是液壓馬達(dá)還是變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，都少不了減速機(jī)。在傳動(dòng)系統(tǒng)中，減速機(jī)是最薄弱的環(huán)節(jié)，減速機(jī)的性能直接決定了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。減速機(jī)的速比越大，級(jí)數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，效率越低，價(jià)格越貴。

圖1所示的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電機(jī)（或液壓馬達(dá)）數(shù)量多，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為：

由此可見(jiàn)，圖1所示的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)減速機(jī)的速比大。因此，減速機(jī)一般采用3級(jí)減速的結(jié)構(gòu)，減速機(jī)體積大、效率低、造價(jià)高。

1 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)刀盤

永磁同步電機(jī)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新興產(chǎn)物。特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著銣鐵硼永磁材料的出現(xiàn)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁電機(jī)在包括航天和軍事領(lǐng)域的各行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，大有取代異步電機(jī)的趨勢(shì)。永磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)的發(fā)展使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來(lái)越低，輸出扭矩越來(lái)越大，控制越來(lái)越簡(jiǎn)單，而且它的體積小、功率因數(shù)高、效率高。這些優(yōu)良的特性使其適用于全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤的工況。

永磁同步電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁繞組，將永磁體作為電機(jī)的勵(lì)磁源，其功率因數(shù)可以達(dá)到0.98，甚至是1.由于沒(méi)有勵(lì)磁電流，永磁同步電機(jī)的效率可以達(dá)到98%.如果用永磁同步電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)刀盤，每小時(shí)可以節(jié)省用電量5%～8%，具有相當(dāng)高的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，永磁同步電機(jī)的極數(shù)很大，所以，其轉(zhuǎn)速可以很低。用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的刀盤，可以降低減速機(jī)的速比，使減速機(jī)簡(jiǎn)化為2級(jí)，甚至是1級(jí)減速結(jié)構(gòu)，從而大大延長(zhǎng)減速機(jī)的使用壽命，縮小減速機(jī)的體積，提高傳動(dòng)效率。

1.1 與交流異步電機(jī)的性能比較

由于交流異步電動(dòng)機(jī)有定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，其極數(shù)不能做到很大，4極電機(jī)、6極電機(jī)使用得比較多，8極電機(jī)使用得比較少，10極以上的電機(jī)大部分需要定制和特殊設(shè)計(jì)。而永磁同步電機(jī)可以做到24極、36極。眾所周知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與極數(shù)的關(guān)系為：

由此可見(jiàn)，在掘進(jìn)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，將一個(gè)6極的交流異步電動(dòng)機(jī)改為24極的永磁同步電機(jī)，減速機(jī)的速比可以降到原來(lái)的1/4，可以只采用二級(jí)或一級(jí)減速。當(dāng)減速機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速降低時(shí)，減速機(jī)的結(jié)構(gòu)可以變得簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，噪聲小，進(jìn)而大大降低故障率。

1.2 與液壓馬達(dá)的性能比較

液壓系統(tǒng)傳動(dòng)平穩(wěn)，容易獲得較大的力和扭矩，因此，其在隧道掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用長(zhǎng)盛不衰。迄今為止，采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有了100多年的歷史。

因此，要想提高馬達(dá)的扭矩，可采取以下2種方式：①馬達(dá)排量不變，提高整個(gè)液壓系統(tǒng)的壓力；②系統(tǒng)壓力不變，提高馬達(dá)排量。在工業(yè)用的液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)壓力太高會(huì)導(dǎo)致油管、閥、泵、馬達(dá)的工藝變復(fù)雜，結(jié)構(gòu)龐大，選型困難。所以，通過(guò)提高液壓系統(tǒng)的壓力來(lái)提高馬達(dá)扭矩的方式不易實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速降低后，采用成反比例地提高馬達(dá)排量的方式，即在液壓系統(tǒng)內(nèi)的其他條件不變時(shí)，提高馬達(dá)的扭矩，保證驅(qū)動(dòng)功率不變。

近年來(lái)，液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)突飛猛進(jìn)，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速可以低到0.5 rpm，同功率的低速大扭矩馬達(dá)的體積不會(huì)比高速馬達(dá)的體積大很多，不會(huì)增加安裝空間，而且價(jià)格變化幅度不大。因此，用低速大扭矩的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)刀盤，可以降低減速機(jī)速比或者取消減速機(jī)。

但是，液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件比較多，由于傳動(dòng)效率低，傳動(dòng)距離不能太遠(yuǎn)。液壓系統(tǒng)的損耗都轉(zhuǎn)化成了熱量，在隧道施工中，隧道里的環(huán)境溫度特別高，惡化了施工環(huán)境。特別是在大功率的掘進(jìn)機(jī)上，液壓驅(qū)動(dòng)正逐步被電機(jī)驅(qū)動(dòng)取代。

因此，只有用永磁同步電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的刀盤，才能簡(jiǎn)化減速機(jī)結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的工作效率。

2 永磁同步電機(jī)直驅(qū)

由于TBM與盾構(gòu)機(jī)的挖掘地質(zhì)不一樣，所以，TBM的刀盤轉(zhuǎn)速比盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)速要高，其額定轉(zhuǎn)速一般在4～7 rpm。如果將永磁同步電機(jī)用在TBM上驅(qū)動(dòng)刀盤，可以去掉減速機(jī)，采用永磁同步電機(jī)直驅(qū)。

由公式（3）可知，掘進(jìn)機(jī)的刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用2p=24極的永磁同步電機(jī)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以低到250 rpm。如果繼續(xù)提高永磁同步電機(jī)的極數(shù)，例如2p=36極，電源額定頻率依然為50 Hz，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為167 rpm；如果2p=48極，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為125 rpm。此時(shí)，i1=1，調(diào)整齒輪的傳動(dòng)比為i2=15，將其代入公式（1）、公式（2）中，刀盤的額定轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)不同的地質(zhì)，TBM選用不同轉(zhuǎn)速和扭矩的刀盤。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以靈活選擇電機(jī)的頻率和行星齒輪的傳動(dòng)比，以保證刀盤的額定轉(zhuǎn)速滿足TBM的需求。

去掉減速機(jī)的永磁同步電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)，能夠減少減速機(jī)的冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)，節(jié)省空間，減少運(yùn)維過(guò)程中的維護(hù)工作量，提高掘進(jìn)機(jī)的可靠性和掘進(jìn)效率。

3 永磁同步電機(jī)測(cè)試結(jié)果

為了比較永磁同步電機(jī)與交流變頻電機(jī)的性能，以132 kW、910 rpm的電機(jī)為例分析相關(guān)內(nèi)容。表2為這兩款電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比情況。

永磁同步電機(jī)的外形圖和運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

從圖3中可以看出，相同功率、相同轉(zhuǎn)速的永磁同步電機(jī)比異步電機(jī)的功率因數(shù)高，效率高，但是，體積卻比異步電機(jī)小。這種結(jié)構(gòu)和特性滿足了全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)空間小、功率密度高的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)高、效率高、體積小，既節(jié)省能源，又節(jié)省空間。采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的刀盤驅(qū)動(dòng)，省電，維護(hù)方便。而永磁同步電機(jī)直驅(qū)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減少了安裝空間。由于沒(méi)有減速機(jī)，刀盤的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行將更加可靠。

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作者簡(jiǎn)介：龔文忠（1970—），男，高級(jí)工程師，主要從事變頻器驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作。年曉紅（1965—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樽兞骷夹g(shù)與傳動(dòng)控制，復(fù)雜多體系統(tǒng)的控制與優(yōu)化等。

〔編輯：白潔〕