CN103334766B - 一种tbm刀盘电机惯性飞轮复合驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TBM刀盘电机惯性飞轮复合驱动装置。它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、变频电机和液压马达，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；并且，本发明还包括惯性飞轮驱动机构，惯性飞轮驱动机构包括第二小齿轮、第二减速器、粘性离合器和惯性飞轮，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惯性飞轮的输出轴连接，惯性飞轮的输入轴与液压马达的输出轴连接。本发明的优点是所需功率低，瞬时脱困扭矩大。
Description
技术领域
本发明涉及一种瞬时大扭矩的获得以及控制技术，尤其涉及全断面岩石隧道掘进机刀盘的脱困技术。
背景技术
刀盘驱动系统是TBM(即全断面岩石隧道掘进机)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。在刚启动的时候，变频电机的驱动特性很差，因此目前脱困仍然是TBM行业一个需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于为全断面岩石隧道掘进机(TBM)提供一种可以实现刀盘瞬时大扭矩脱困的复合驱动装置。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明TBM刀盘电机惯性飞轮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；并且，本发明还包括惯性飞轮驱动机构，所述惯性飞轮驱动机构包括第二小齿轮、第二减速器、粘性离合器、惯性飞轮和液压马达，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惯性飞轮的输出轴连接，惯性飞轮的输入轴与液压马达的输出轴连接；变频电机驱动机构和惯性飞轮驱动机构交替分布。
进一步地，本发明所述惯性飞轮驱动机构的数量为偶数个。
进一步地，本发明所述惯性飞轮驱动机构沿大齿圈的周向等间隔分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有技术中，TBM刀盘驱动主要采用变频电机驱动，缺点是脱困能力不足，因此，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。而本发明采用变频电机驱动装置和惯性飞轮驱动机构联合驱动脱困的方式，综合了变频电机的高效、机构简单以及惯性飞轮驱动机构的瞬时脱困扭矩大、装机功率低等优势，是一种全新的高效能TBM刀盘脱困装置。其中，惯性飞轮驱动机构在行业内是首创，该机构的机理是利用惯性飞轮储能并在瞬时释放的特性来为TBM脱困提供瞬时大扭矩。高速旋转的惯性飞轮可以储能，但是若采用一般的离合器来传递飞轮的能量，则离合器闭合时会产生非常大的瞬时冲击，从而破坏动力传动机构。本发明中，粘性离合器的作用是控制惯性飞轮的能量的释放过程，由于粘性离合器的传递扭矩大小可以通过控制离合器的油膜厚度来控制，因此可以实现扭矩的动态控制，这样既可以获得足够大的瞬时脱困扭矩，又可以避免飞轮给机械系统带来很大的冲击。此外，惯性飞轮驱动机构还可以降低整个脱困装置的功率，惯性飞轮的加速可以通过延长加速时间来实现，这样液压马达的功率可以很小，大大降低了液压装机功率。总之，本发明是一种节能又高效的TBM刀盘脱困驱动技术。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图中：1、液压马达，2、惯性飞轮，3、粘性离合器，4、第二减速器，5、第二小齿轮，6、变频电机，7、第一减速器，8、第一小齿轮，9大齿圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明TBM刀盘电机液压马达复合驱动装置包括大齿圈9、变频电机驱动机构和惯性飞轮驱动机构。
其中，变频电机驱动机构包括变频电机6、第一减速器7和第一小齿轮8。变频电机6的输出轴与第一减速器7的输入轴连接，第一减速器7的输出轴与第一小齿轮8固定连接，第一小齿轮8与大齿圈9啮合。
惯性飞轮驱动机构主要包括惯性飞轮2、粘性离合器3、第二减速器4、第二小齿轮5和液压马达1。惯性飞轮的输出轴与粘性离合器3的输入轴连接，惯性飞轮2的输入轴与液压马达1的输出轴连接。粘性离合器3的输出轴与第二减速器4的输入轴连接，第二减速器4的输出轴与第二小齿轮5固定连接，第二小齿轮5与大齿圈9啮合。
当变频电机驱动机构为两个以上时，变频电机驱动机构之间错开布置。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，当惯性飞轮驱动机构为两个以上时，各惯性飞轮驱动机构亦错开布置。相邻惯性飞轮驱动机构之间的间距没有特别要求，但如果各惯性飞轮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。
此外，作为本发明的优选实施方式，变频电机驱动机构和惯性飞轮驱动机构等间距交替分布：在两个变频电机驱动机构之间有一个惯性飞轮驱动机构，而在两个惯性飞轮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、惯性飞轮驱动机构、变频电机驱动机构、惯性飞轮驱动机构······的顺序依次布置，由此可使大齿圈的载荷获得均匀对称分布的效果。
本发明TBM刀盘瞬时大扭矩脱困驱动装置的工作过程如下：
变频电机驱动机构的动力源是变频电机，变频电机的动力经过第一减速器传递至第一小齿轮，第一小齿轮的转速低于变频电机的转速、第一小齿轮的扭矩比变频电机输出的扭矩大，第一小齿轮再将扭矩传递给大齿圈，大齿圈的速度比第一小齿轮更低，大齿圈上的扭矩进一步放大。
惯性飞轮驱动机构的动力源是液压马达。惯性飞轮驱动机构的瞬时大扭矩脱困机理如下：粘性离合器首先分离，液压马达输出扭矩使惯性飞轮加速，当惯性飞轮的转速达到预先设定的最大转速后，控制粘性离合器的闭合度；此时，惯性飞轮开始瞬间减速，并将瞬时大扭矩通过粘性离合器传递给第二减速器的输入端。传递给第二减速器的瞬时大扭矩远远大于液压马达本身的扭矩，瞬时扭矩的大小由粘性离合器传递扭矩的能力决定。该瞬时大扭矩再通过第二减速器的转矩放大，传递给第二小齿轮，第二小齿轮继续将扭矩传递给大齿圈，此时扭矩进一步放大。当大齿圈上的扭矩大于负载的扭矩时，刀盘就可以实现脱困了。
本发明TBM刀盘瞬时大扭矩脱困驱动装置的工作模式有两种：
1正常工况：此时负载扭矩在变频电机驱动机构的额定扭矩范围内，采用单一的变频电机驱动，变频电机6的输出直接通过减速器、小齿轮然后传递至大齿圈，惯性飞轮驱动机构中的粘性离合器此时是分离的，单一变频电机驱动具有效率高，控制方便灵活等优点。
2脱困工况：当TBM遇到复杂地质刀盘被卡住时，此时，首先在粘性离合器脱开的情况下，启动液压马达，使惯性飞轮加速到一个设定的高速，然后控制粘性离合器闭合，由于粘性离合器存在滑擦，而只要存在滑擦，粘性离合器就能传递最大的动摩擦力给粘性离合器的输出端，粘性离合器的最大动摩擦力和离合器的压紧力，摩擦片前后的转速差，粘性油液的温度等因数有关，因此在离合器闭合的过程中，要动态控制离合器的闭合状态，从而实时控制粘性离合器的输出扭矩，此时同时启动变频电机，并且控制好多组驱动装置的扭矩动态分配，则可以实现瞬时大扭矩输出，实现刀盘的有效脱困。
Claims (3)
1.一种TBM刀盘电机惯性飞轮复合驱动装置，包括大齿圈（9）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（8）、第一减速器（7）和变频电机（6），第一小齿轮（8）与大齿圈（9）啮合，第一减速器（7）的输出轴与第一小齿轮（8）固定连接，第一减速器（7）的输入轴与变频电机（6）的输出轴连接，其特征是：还包括惯性飞轮驱动机构，所述惯性飞轮驱动机构包括第二小齿轮（5）、第二减速器（4）、粘性离合器（3）、惯性飞轮（2）和液压马达（1），所述第二小齿轮（5）与大齿圈（9）啮合，第二减速器（4）的输出轴与第二小齿轮（5）固定连接，第二减速器（4）的输入轴与粘性离合器（3）的输出轴连接，粘性离合器（3）的输入轴与惯性飞轮（2）的输出轴连接，惯性飞轮（2）的输入轴与液压马达（1）的输出轴连接；变频电机驱动机构和惯性飞轮驱动机构交替分布。
2.根据权利要求1所述的TBM刀盘电机惯性飞轮复合驱动装置，其特征是：所述惯性飞轮驱动机构的数量为偶数个。
3.根据权利要求1或2所述的TBM刀盘电机惯性飞轮复合驱动装置，其特征是：所述惯性飞轮驱动机构沿大齿圈的周向等间隔分布。
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