CN103016020A - 一种tbm刀盘电机液压马达复合驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置，包括大齿圈和变频电机驱动机构，变频电机驱动机构包括第一小齿轮、第一减速器和变频电机，第一小齿轮与大齿圈啮合，第一减速器的输出轴与第一小齿轮固定连接，第一减速器输入轴与变频电机输出轴连接；此外还包括液压马达驱动机构，液压马达驱动机构包括第二小齿轮、第二减速器、粘性离合器和液压马达，第二小齿轮与大齿圈啮合，第二减速器输出轴与第二小齿轮固定连接，第二减速器输入轴与粘性离合器输出轴连接，粘性离合器的输入轴与液压马达的输出轴连接。本发明显著增强了TBM的脱困能力和TBM刀盘驱动系统的地质适应性，使刀盘的驱动特性与岩石地质特性相匹配，提高了装机功率的利用率。

Description

一种TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置

技术领域

    本发明涉及一种电液复合驱动技术，尤其涉及一种全断面岩石隧道掘进机刀盘系统的驱动装置。

背景技术

全断面岩石隧道掘进机（以下简称“TBM”）实际掘进工况下的转速转矩特性如下：TBM在掘进过程中若遇到软土地质，则在较小的推进力下，刀盘每转一圈的轴向推进量较大，此时TBM的实际负载扭矩较大，可以采用低速大扭矩掘进方式，而当遇到硬岩地质时，即使推进力很大，刀盘每转一圈的轴向贯入量仍较小，实际负载扭矩较小，此时，可以提高刀盘的转速，实现高速小扭矩驱动。

刀盘驱动系统是TBM的核心部件，主要由多个驱动电机或液压马达、行星齿轮减速器、小齿轮及大齿圈、主轴承以及密封冷却系统组成。目前TBM的驱动方式主要有电机驱动和液压驱动，其中电机驱动包括双速电机驱动和变频电机驱动。TBM刀盘驱动功率非常大，液压马达的驱动效率低，若采用单一液压马达驱动，功率损失非常大，且发热严重，因此液压马达驱动只作为双速电机驱动的辅助驱动方式存在。

传统的TBM刀盘驱动系统主要有：双速电机主驱动+液压马达辅助驱动方式，变频电机驱动方式。

双速电机主驱动+液压马达辅助驱动方式存在的问题主要有：（1）不能连续调速，地质适应性差；（2）传动机构复杂，故障率高，影响掘进速度 ；（3）液压马达和电机不能同时驱动。

变频电机驱动方式是目前的主要驱动方式，尽管变频电机在低速时相对于普通的电机可以输出较大的扭矩，但是由于受到最大电磁转矩的限制，变频电机驱动方式的脱困扭矩有限。为了提高脱困能力，只能被动地增加电机的功率以提高脱困扭矩。这就迫使变频电机的装机功率大大提高。 而在高速掘进的工况电机的扭矩相对于脱困扭矩又非常小，因此造成了电机的装机功率的浪费。

发明内容

本发明的目的在于为全断面岩石隧道掘进机（TBM）提供一种脱困扭矩大、地质适应性好、装机功率利用率高的刀盘驱动装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置，包括大齿圈和变频电机驱动机构，所述变频电机驱动机构包括第一小齿轮、第一减速器和变频电机，第一小齿轮与大齿圈啮合，第一减速器的输出轴与第一小齿轮固定连接，第一减速器的输入轴与变频电机的输出轴连接，其特征是： 还包括液压马达驱动机构，所述液压马达驱动机构包括第二小齿轮、第二减速器、粘性离合器和液压马达，所述第二小齿轮与大齿圈啮合，第二减速器的输出轴与第二小齿轮固定连接，第二减速器的输入轴与粘性离合器的输出轴连接，粘性离合器的输入轴与液压马达的输出轴连接。

进一步地，本发明所述变频电机驱动机构为两个以上，各变频电机驱动机构等间隔分布。

进一步地，本发明所述液压马达驱动机构为两个以上，各液压马达驱动机构等间隔分布。

进一步地，本发明所述变频电机驱动机构和液压马达驱动机构等间隔交替分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的TBM刀盘驱动主要采用变频电机驱动，缺点是脱困能力不足。当遇到不良地质刀盘被卡时，若无法实现脱困将大大降低隧道施工速度。而变频电机和液压马达的驱动特性、变速范围、动态响应速度之间都存在较大差异，如果直接将电机和液压马达直接耦合，则在启动和变速过程中会出现较大的机械冲击和扭矩不平衡等问题，影响刀盘的扭矩输出，严重情况下会造成传动机构或驱动元件的破坏。迄今为止，如何解决电机和液压马达在复合驱动中的机械冲击和扭矩动态平衡是一个行业性难题。本发明通过粘性离合器实现电机和液压马达的动力柔性耦合，实现了变频电机和液压马达的复合驱动。既充分发挥了变频电机调速范围广、效率高的特性，又充分利用液压马达低速大扭矩的驱动特性优势。本发明驱动装置的突出优点是显著增强了TBM的脱困能力。此外，本发明增强了TBM刀盘驱动系统的地质适应性，使刀盘的驱动特性与岩石地质特性相匹配，提高了装机功率的利用率。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图中：1、液压马达，2、粘性离合器，3、变频电机，4、第一减速器，5、第二减速器，6、第一小齿轮，7、大齿圈，8、第二小齿轮。

图2为变频电机和液压马达驱动机构的位置分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置由大齿圈7、变频电机驱动机构和液压马达驱动机构组成。

变频电机驱动机构包括变频电机3、第一减速器4和第一小齿轮6，其中，变频电机3的输出轴与第一减速器4的输入轴连接，第一减速器4的输出轴与第一小齿轮6固定连接，第一小齿轮6与大齿圈7啮合。

液压马达驱动机构包括液压马达1、粘性离合器2、第二减速器5、第二小齿轮8，其中，液压马达1的输出轴与粘性离合器2的输入轴连接，粘性离合器2的输出轴与第二减速器5的输入轴连接，第二减速器5的输出轴与第二小齿轮8固定连接，第二小齿轮8与大齿圈7啮合。

变频电机驱动机构可以是一个或两个以上。液压马达驱动机构也可以是一个或两个以上。

如图2所示，当变频电机驱动机构为两个以上时，各变频电机驱动机构错开布置。相邻变频电机驱动机构之间的间距没有特别要求，但如果各变频电机驱动机构之间采用等间隔布置，则有利于电机输出的动力在大齿圈上的对称分布，有利于大齿圈的受力平衡，提高齿圈的寿命和驱动特性。

同样，当液压马达驱动机构为两个以上时，各液压马达驱动机构亦错开布置。相邻液压马达驱动机构之间的间距没有特别要求，但如果各液压马达驱动机构也是采用等间隔布置，其优点和上述变频电机驱动机构等间隔布置一致。

若变频电机驱动机构和液压马达驱动机构的数量一致，则最好是等间距交替分布，在两个变频电机驱动机构之间有一个液压马达驱动机构，而在两个液压马达驱动机构有一个变频电机驱动机构，即按照变频电机驱动机构、液压马达驱动机构、变频电机驱动机构、液压马达驱动机构······是顺序依次布置（参见图2）。由于变频电机和液压马达复合驱动时输出的扭矩不一致，采用等间距交替分布有利于大齿圈的载荷均匀对称分布。若变频电机驱动结构和液压马达驱动机构的数量不一致，先保证各变频电机驱动电机之间、各液压马达驱动机构之间的等间隔分布，然后尽量使变频电机驱动机构和液压马达驱动机构之间的交叉对称分布，由此尽量使大齿圈的载荷获得均匀对称分布的效果。

本发明TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置有瞬时超大扭矩脱困模式、低速大扭矩工作模式和高速小扭矩驱动3种工作模式。

瞬时超大扭矩脱困模式：当遇到不良地质TBM刀盘被卡时，需要足够大的扭矩才能实现刀盘的快速脱困，否则只能依靠人工的方法，这样既费时又危险。为了实现超大扭矩脱困，首先控制粘性调速离合器2分离，将液压马达1的排量调节至最大，然后同时协调控制粘性离合器2和变频电机3可以实现各变频电机和液压马达同时输出最大扭矩，实现超大扭矩脱困。

低速大扭矩掘进模式：当TBM的掘进地质较软时，刀盘的实际负载扭矩较大，由于变频电机3在低速时扭矩有限，为了实现低速大扭矩掘进，需要变频电机3和液压马达1的复合驱动。变频电机可以通过变频器参数的改变调节转速转矩，液压马达可以通过改变排量、流量以及压力来改变转速和转矩，但是两则的响应速度不一致，可能导致在调速过程中电机和液压马达驱动机构之间的扭矩不平衡。粘性离合器在速度调节过程可以平衡电机液压马达的负载。

高速小扭矩掘进模式：当TBM进入稳定硬岩地质时，此时TBM的实际掘进扭矩较小，刀盘的转速可以增大以提高掘进速度。此时，液压马达1可以不工作，粘性离合器2分离。此时进入单一变频电机驱动模式。

以上三种工作模式优化了刀盘系统的驱动特性特别是增强了刀盘的脱困能力，使TBM的刀盘驱动系统能够应对各种不同的复杂地质工况。

Claims (4)

1. 一种TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置，包括大齿圈（7）和变频电机驱动机构，所述变频电机驱动机构包括第一小齿轮（6）、第一减速器（4）和变频电机（3），第一小齿轮（6）与大齿圈（7）啮合，第一减速器（4）的输出轴与第一小齿轮（6）固定连接，第一减速器（4）的输入轴与变频电机（3）的输出轴连接，其特征是： 还包括液压马达驱动机构，所述液压马达驱动机构包括第二小齿轮（8）、第二减速器（5）、粘性离合器（2）和液压马达（1），所述第二小齿轮（8）与大齿圈（7）啮合，第二减速器（5）的输出轴与第二小齿轮（8）固定连接，第二减速器（5）的输入轴与粘性离合器（2）的输出轴连接，粘性离合器（2）的输入轴与液压马达（1）的输出轴连接。

2. 根据权利要求1所述的TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置，其特征是：所述变频电机驱动机构为两个以上，各变频电机驱动机构等间隔分布。

3. 根据权利要求1或2所述的TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置，其特征是：所述液压马达驱动机构为两个以上，各液压马达驱动机构等间隔分布。

4. 根据权利要求1所述的TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置，其特征是：所述变频电机驱动机构和液压马达驱动机构等间隔交替分布。

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