地铁施工盾构变频机车设备现状的调研

与分析

Summary:轨道交通行业是典型的资金、技术和人才密集型产业，具有一定的周

期性。由于我国经济发展水平不断提高，居民生活水平和消费能力逐年提高，

国家对轨道交通行业政策支持力度不断加大；同时，随着城镇化进程的加快以

及经济结构的转型升级和产业结构调整，城市公共交通需求快速增长，我国轨

道交通投资建设将继续稳步上升。随着城市化进程的加快和国家对基础设施建

设方面投入力度加大等因素影响下，未来我国城市轨道交通市场规模将持续增

长。地铁施工的主要机械设备是盾构机，盾构施工的后配套设备包括变频机

车、渣车、管片车和砂浆车，经过近几年的发展，后配套设备也得到了快速发

展，一方面向着大吨位机车的发展，一方面向着机械和控制系统的更优方面发

展，经过现场不同厂家设备的调研，仔细研究了现有设备的情况，分析设备后

续发展的方向。

关键字：变频机车；电机；变频器；

1 调研目的

为了了解目前施工现场使用的后配套设备情况，分析产品性能，了解市场主流

生产盾构变频机车厂家设备的配置及使用情况，及时对变频机车进行优化做指

导。我们对中国水利水电四局和中国水利水电八局、中铁十一局集团第五工程

有限公司三个项目不同厂家后配套水平运输设备配置及使用情况进行了调研，

主要调研方式包括：1、现场与项目设备管理人员和操作人员沟通交流；2、现

场实地全过程跟踪察后配套水平运输设备使用情况；3、查阅对应设备配置等资

料。

2 盾构施工变频牵引机车概述

2.1 交流变频牵引机车

交流变频牵引机车是直流电通过变频器转换成频率可以调整的交流电，然后通

过调整电压和频率驱动机车的电机，机车的电机通过万向联轴节进而驱动齿轮

减速传动箱，经过二级齿轮减速传动到车轮上，车轮通过与轨道的相对运动驱

动车辆前进和后退运行。

交流机车，主要结构分为变频驱动系统、走行装置、驾驶室、车架、电池箱、

电池箱系统等部分组成。

交流变频机车图

图示标识部分：1、变频驱动系统2、驾驶室3、车架 4、走行装置 5、电池箱

2.2 直流牵引机车

直流电力机车一般采用串励牵引电动机。这种电动机不仅调速方便，而且其机

械特性软，使机车具有接近恒功率的理想牵引特性。此外，当机车轮对直径有

差异时,各电动机之间负载分配比较均匀;当电网电压波动时,电动机中电流的冲

击也较小。具有4~8 台电动机的直流电力机车在起动过程中,为减少起动电阻中

的能耗,电动机为串-并联换接。

直流机车，主要结构分为主要结构分为直流驱动系统、走行装置、驾驶室、车

架、电池箱、电池箱系统等部分组成。

。

直流牵引机车

图示标识部分：1、直流驱动系统2、驾驶室3、车架 4、走行装置 5、电池箱

3 变频机车的优点：

1）、采用三相交流异步电动机，没有换向器，电机维护简单，不容易

烧坏。

2）、使用DTC 控制技术，因此电机车起动力矩大和时间短。

3）、机车在无架空线或者在无电区运行时，电机通过动能转换成电能，

使变频器在一定的时间内仍能正常工作，并具有有电制动和无电制动功能。

4）、电机车起动运行平稳，让人易产生舒适感；起动电流从零开始，

然后按所建立的数学模型逐步上升，减轻了对电网的冲击和对供电容量的

要求。

5）、机车在运行中减速或刹车时，让电动机处于发电状态，相比之下，

变频机车节电效果能高达30~40%左右。

4 变频电机车本身的特点：

1)、变频电机车的空气制动系统采用的是前后双作用气缸，分别分为驻车缸和

制动缸两部分，机车在使用中需要制动时，踩下制动脚踏板，气路的空气通过

脚踏板送到制动继动阀，继动阀打开出气口，出气送到制动气缸的制动缸内，

制动缸作用推动闸瓦与轮子摩擦，实现车辆的制动过程。机车停机后需要驻车

时，原本气路的空气通过手刹阀送到驻车继动阀，驻车继动阀打开出气口，出

气送到驻车气缸的驻车缸内，驻车缸压缩驻车弹簧回位，闸瓦与轮子脱离，拉

下制动手刹阀，空气回路关闭，驻车继动阀排出驻车缸内的气体，驻车缸弹簧

伸出，闸瓦与轮子密贴，实现车辆的驻车过程。

2)、机车的前后两端都有快速接头，由车内的驾驶操作台控制，机车与后面编

组渣车连接以后，就可以连接气路刹车接口，后面编组渣车才能在机车的控制

下正常运行，否则后面的车的驻车缸始终是刹车状态，车辆不能正常运行。

5 交流变频电机车与直流变频电机车相比有如下优点：

1）、整车免维修性能好：

①、机车的驱动系统变频器使用的是功率管，开关次数不限，可以无限使用；

②、异步交流电机没有易损部件，转子在磁场中运转，不会有磨损；

③、变频器在短时间停车时使用的是直流制动功能，简单来说就是在电机的绕

组中通直流电，进而停止电机运行，承担了大部分的制动，气制动只是使用率

较小，闸瓦磨损小使用时间久；

④、启动设置有加速时间，频率提升是平缓升起的，启动时没有冲击电流，保

护电机和车辆。

2）、牵引力矩大，由于变频器控制的平稳性，使机车许用粘着系数达0.28

以上(直流车0.2)。交流车和直流车在同样吨位的情况下可以牵引大1/3 的荷

载，而且使用中轮子不会出现打滑的情况，保证了整车使用的稳定性。

3）、有反馈制动的能力，制动能力好，在整车制动过程中，电机从原本的磁场

超前转子的电位相差一定角度转变为转子超前磁场电位一定的角度，电机驱动

的状态转变为切割磁感应线的发电状态，通过电机和传动的减速机对车辆进行

制动，即反馈制动过程。反馈制动的使用的特性与牵引使用的特性是一样的，

所以，反馈制动具有与牵引系统有一样的稳定性和平稳性。使用简单，制动的

过程快于直流电机车，而且没有元件和部件的磨擦磨损，因此，交流车的反馈

制动能力和使用的性能上大大优于直流电机车。

4）、电源节能率高，交流机车在使用时，通过变频器改变交流电的频率，实现

车辆的启动过程，启动的过程不会损耗电池的电量，而直流电机车在启动的时

候，通过外接电阻来限制起动电流电流的大小，一部分电池电量就消耗在电阻

里了，形成了热量，制动时，交流电机车把机车刹车时的惯性力转换成电能反

过来对电池充电，而直流电机车则把列车的惯性力消耗在闸瓦及电阻上，行成

了热量消耗在了空气中，因此，交流电机车的电源的节能效率远远高于直流电

机车。

6 变频电机车不同点分析

调研的水平运输设备和制造厂家共4 家（下面用厂家1、2、3、4 表示），主要

有厂家1 的65 吨机车、厂家2 的65 吨机车、厂家3 的45 吨机车、厂家4 的

55 吨机车。

调研厂家配置不同点分析：

厂家1 的65 吨机车驱动系统使用的是4*120KW 驱动力适用于大坡度重

载运行，可扩展能力强，缺点是成本较高，厂家2 的65 吨机车驱动系统使用的

是4*90KW，适用于坡度较平缓施工区间，不同制造厂家变频机车对比不同点如

下：

1）、厂家1 的65 吨机车和厂家2 的65 吨机车驱动系统变频器采用一拖一闭环

有速度传感器矢量控制，控制精度高，低速力矩提升效果好，厂家4 的55 吨机

车和厂家3 的45 吨机车采用的是一个变频器拖动2 台电机的方案，优点是控制

方式灵活，故障率低，力矩提升效果好。

2）、厂家1 的65 吨机车操作台采用整体结构，满铺到驾驶室前侧，整体效果

较好，手柄使用司控器，档位可以做到15 个档，机车速度范围广，其他厂家使

用的是主令控制器，前进5 个档后退5 个档，调速范围比较小，但是操作简单

可靠，故障率低，适用于现场师傅操作。

3）、厂家2 的65 吨机车车体板材厚度稍微小一些，车体采用的是80mm 厚度钢

板，转向架采用的是100mm 厚度的钢板，利用电池底部的增加配重块的方式补

充配重不足，其他厂家车体使用的是100mm 厚度钢板，电池底部未增加配重

箱，在用料方面质量未进行一定程度上的减小，车体强度高，使用周期久。

4）、厂家1 的65 吨机车电机使用变频调速牵引电机，电机后面都带编码器，

厂家2 使用的电机厂家是大连日牵电机，厂家1 使用电机没有铭牌，未查到电

机厂家信息，厂家4 使用的是河南豫通变频调速牵引电机，厂家3 的45 吨机车

使用的是湘牵品牌的变频牵引电机，变频牵引电机相对于普通异步电机的优势

比较多，主要体现在下面几个方面，1）工作可靠，结构简单。2） 控制

模式成熟，使用变频控制，启动采用恒转矩控制，充分利用电动机的最大转

矩，使车辆平稳启动，采用恒功率控制，充分利用整车性能。3）制造成本低。

5）、机车在上坡过程中刹车臂会随车车辆的倾斜一同倾斜，机车轮对容易与刹

车臂摩擦，厂家2 的机车上采用顶杆结构，相对比其他采用的螺丝顶闸瓦的机

构要更加稳定。

6）、变频机车制动电阻主要是为了消耗过高的反馈电压，使用频率低于5%，

常规使用的是线圈制动电阻，体积小，抗高温性能好，个别使用的制动电阻体

积较大，占用空间大，不适用，成本较高。

7）、厂家3 和厂家4 机车的车体内配置了专用的变频控制柜，起到安全防护的

作用，厂家1 和厂家2 的机车控制系统未制作控制柜，驾驶室内变频器随意的

固定，非常不美观，而且有触电安全隐患。

8）、车体内气路布置位置差异大，阀组位置随意，制动原理基本相同，效果差

距不大，未形成统一标准，不同厂家配件不能互换，现场维修会有一定的影

响。

9）、一部分厂家制作的减速箱顶部未使用弹簧减震，不利于行车过程的震动的

缓冲，上部减震弹簧的作用是提供了车辆在轨道上运行时的震动的缓冲。

7 总结

综合现场使用情况，变频机车在实际应用中的优势明显，简单地说变

频电机车是在常规电机车的结构上增加了一个变频器。电机是电机车的心

脏，其转速直接影响到电机车的使用效率，变频器就是用来控制和调整电

机转速的控制系统，使之始终处于最佳的转速状态，从而提高能效比（比

常规的电机车节能20%～30%）。变频电机车具有以下特点：① 启动电流小，

转速逐渐加快；② 没有忽快葱慢的毛病，因为变频电机车是随着改变降低

频率逐渐降低转速，逐步达到低频运转，使电机车保持稳定；③ 噪声比常

规电机车低，因为变频电机车采用的是双转子电机，大大降低了回旋不平

衡度，使电机的振动非常小，约为常规电机车的1/2。变频机车后续的发展

方向已经比较明确，一方面向着大吨位机车的发展，一方面向着机械和控制系

统的更优方面发展，经过现场不同厂家设备的调研和不同点对比分析结果，本

文可以作参考指导各个制作厂家不断优化产品设计和结构，不断提升现场应用

效果。

Reference

[1]田四明，王伟，巩江峰.中国铁路隧道发展于展望.隧道建设（中英文）.

[2]王志坚.郑万铁路隧道智能化建造技术创新实践.中国铁路.2020.

[3]王建国.高效快速掘进后配套设备的应用.煤矿机械.

[4]杜亚娥.盾构后配套选用原则的考虑.建设机械技术与管理.

-全文完-