CN103573960B - 采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，包括输入轴、液力变矩器、第一行星排、离合器、第二行星排和第三行星排，所述液力变矩器包括涡轮和泵轮，其中涡轮与输入轴连接，泵轮与第一行星排太阳轮连接，第一行星排行星架与所述离合器的主动盘连接，该离合器的从动盘与输入轴连接，第一行星排齿圈与第二行星排太阳轮固定连接，第二行星排行星架与第三行星排太阳轮固定连接，第三行星排行星轮连接输出轴。本发明在充分考虑传动系统效率的前提下，与现有采煤掘进机截割部的动力传动系统相比，具有可自适应无级调速、回流功率强力破岩、离合器安全保护以及液力回流调速装置缓冲减振的优点。

Description

采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置
技术领域
本发明属于采煤掘进机的动力传动技术领域，具体的说，涉及一种采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置。
背景技术
目前，传统的采煤掘进机截割部的动力传动系统部分普遍采用的结构型式是截割电机+二级行星减速装置+悬臂及截割头，具有结构简单、传动效率高、结构尺寸短等特点，但缺点是只能减速调速，且变速时只能通过人为更换齿轮实现有级调速，其调速范围较小，而且更换齿轮麻烦；在调速方式上，采用截割电机调速来实现截割头切割速度的变化，对于煤层破岩则利用截割电机的瞬时功率来大幅度提高输出扭矩来实现，但截割电机处于瞬时功率状态时，其运行效率低、发热量大，瞬时功率状态难以持久。
现有技术的缺点是：现有的煤掘进机截割部的动力传动系统只能减速，并通过人为更换齿轮的方式实现有限的有级调速，操作不方便，调速范围较小；而且对于煤层破岩是利用截割电机的瞬时功率来大幅度提高输出扭矩而实现，但截割电机处于瞬时功率状态时，其运行效率低、发热量大，瞬时功率状态难以持久。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可无级调速、柔性传动、传动效率较高的采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，包括输入轴、液力变矩器、第一行星排、离合器、第二行星排和第三行星排，所述液力变矩器包括涡轮和泵轮，其中涡轮与输入轴连接，泵轮与第一行星排太阳轮连接，第一行星排行星架与所述离合器的主动盘连接，该离合器的从动盘与输入轴连接，第一行星排齿圈与第二行星排太阳轮固定连接，第二行星排行星架与第三行星排太阳轮固定连接，第三行星排行星轮连接输出轴。
采用上述结构，第二行星排和第三行星排串联构成二级行星减速装置，两级行星排均分别以第二行星排太阳轮和第三行星排太阳轮作为动力输入端，第二行星排行星架和第三行星排作为动力输出端，第二行星排齿圈和第三行星排齿圈处于锁止状态；
在运用时输入轴连接截割电机，输出轴连接悬臂和截割头，截割电机通过输入轴分别与液力变矩器涡轮以及离合器的从动盘相连，从而将截割电机的动力经输入轴、离合器传递至第一行星排行星架；利用行星排功率分流的作用，经第一行星排行星架传递的动力大部分经由第一行星排齿圈、与第一行星排齿圈固接的第二行星排太阳轮、第二行星排行星架、第三行星排太阳轮、第三行星排行星架、输出轴传递至采煤掘进机截割部悬臂以及截割头；其余的动力经空套在输入轴上的第一行星排太阳轮传递至液力变矩器的泵轮，并通过液力变矩器的工作液经变矩后传递至涡轮，因涡轮与输入轴固连，从而构成功率回流组成回流调速路径。
该装置利用第二行星排和第三行星排固有的功率分流和速度合成的特性，将液力变矩器反置于回流路径中以降低功率损失，并通过液力变矩器的连续调速功能实现整个传动系统的自动无级调速，从而提高截割电机的运行工作效率，且利用传动系统功率回流的特性实现掘进机强力破岩的效果，同时，通过变矩器液力柔性传动的特点，减弱截割煤岩对截割电机的冲击振动，并由液力回流调速装置中设置的离合器，实现整个动力传动系统的安全保护。
所述第一行星排包括第一行星排太阳轮、第一行星排行星轮、第一行星排行星架和第一行星排齿圈，所述第一行星排太阳轮空套在输入轴上，该第一行星排太阳轮与第一行星排行星轮啮合，该第一行星排行星轮与第一行星排齿圈啮合，所述第一行星排行星架端部与第一行星排行星轮连接，所述离合器的从动盘与输入轴的动力输出端连接。
液力变矩器、离合器和第一行星排齿轮构成液力回流调速装置，其中，经离合器与截割电机通过输入轴相连的第一行星排行星架作为动力输入端，第一行星排齿圈则为动力输出端，而第一行星排太阳轮则与液力变矩器的泵轮连接，并通过液力变矩器的工作液经变矩后将太阳轮分流出来的动力传递至涡轮，最终涡轮将分流动力传递至第一行星排行星架，从而构成液力回流调速系统。
作为低效率传动部件，液力回流调速装置中的液力变矩器并未处于截割电机动力驱动传递路经上，而是采用变矩器反装，即与输入轴相连的是液力变矩器的涡轮，且位于功率回流调速路径上。利用第一行星排功率分流的特点，经输入轴和离合器所输入的截割电机功率，大部分功率通过行星排行星架经由第一行星排齿圈输出给第二行星排太阳轮；仅有少部分输入功率进入回流路径，其中，回流功率为输入功率的1/(1+a)大小(在变矩器速比为1时)，其中a为行星排结构参数，等于行星排齿圈齿数与太阳轮齿数之比。虽然液力变矩器本身传动效率ηy不变，但对整个液力回流调速装置来说，在忽略齿轮传动效率损失情况下，其传动效率为(ηy+a)/(1+a)。这与将液力变矩器直接串联接入采煤掘进机截割部动力传动系统相比，传动效率可以获得显著的提高。
所述输入轴或离合器的从动盘上设置有第一转速传感器，所述离合器的主动盘或第一行星排行星架上设置有第二转速传感器，该第一转速传感器和第二转速传感器均与该传动装置的控制器连接。
通过第一转速传感器和第二转速传感器分别获取输入轴与第一行星排行星架上的转速，并传入传动装置的控制器，控制器计算出其转速差，在转速差超过预设范围值时，控制离合器的离合，实现过载保护，该控制器可以为ECU(电子控制单元)，第一转速传感器和第二转速传感器为霍尔传感器。
所述液力变矩器包括涡轮、泵轮、第一导轮、第二导轮、第一导轮单向离合器、第二导轮单向离合器和油泵，该液力变矩器靠近输入轴的动力输入端，所述涡轮与输入轴的中部连接，所述泵轮与油泵相连通，所述第一导轮单向离合器与第一导轮连接，所述第二导轮单向离合器与第二导轮连接。
所述第二行星排包括第二行星排太阳轮、第二行星排行星轮、第二行星排行星架和第二行星排齿圈，所述第二行星排太阳轮与第二行星排行星轮啮合，该第二行星排太阳轮中心与所述第一行星排齿圈中心通过第一中轴固定连接，所述第二行星排行星轮与第二行星排齿圈啮合，所述第二行星排行星架与第二行星排行星轮连接。
所述第三行星排包括第三行星排太阳轮、第二行星排行星轮、第三行星排行星架和第三行星排齿圈，所述第三行星排太阳轮与第三行星排行星轮啮合，该第三行星排太阳轮中心与第二行星排行星架中心通过第二中轴固定连接，所述第三行星排行星轮与第三行星排齿圈啮合，所述第三行星排行星架与第三行星排行星轮连接。
所述输入轴的动力输入端连接有截割电机，所述输出轴的输出端连接有悬臂和截割头。
所述液力变矩器与第一行星排之间设置有调速齿轮组，该调速齿轮组包括相啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮空套在输入轴上，该第一齿轮与第一行星排太阳轮固定连接，所述第二齿轮套接在第二齿轮轴上，该第二齿轮轴与所述泵轮连接。
速比特性
设定行星排结构参数为a；调速齿轮组的速比为ik；液力变矩器速比为iy(注：iy是输出转速比输入转速)；未加入调速齿轮组时，传动系统速比：
i s y s = ai y ( 1 + a ) i y - 1
破岩状态下液力变矩器速比iy0：
i y 0 = 1 ( 1 + a )
由于液力变矩器速比iy0明显偏小，液力变矩器传动效率过低，液力变矩器本身损耗功率过大，会导致液力变矩器功率损失超过截割电机输入功率而致使破岩力矩不足。
基于前述问题，由于液力变矩器速比小的时间效率较低，故在液力变矩器后加入调整齿轮组，则传动系统速比为：
i s y s = ai y ( 1 + a ) i y - i k
破岩状态下液力变矩器速比iy为：
通过设计合适的调速齿轮组变速比，就可以提高液力变矩器实际工作速比，从而使其尽可能在高效率区工作。
结构上的改变导致其性能出现显著的变化，因液力回流调速装置的加入，使本发明所提出的采煤掘进机截割部的回流式机电液复合动力传动装置具有了特殊的性能变化：
1、利用第一行星排速度合成和液力变矩器本体无级调速的功能，在截割电机转速不变的情况下，可通过液力变矩器本体自动无级调速改变第一行星排太阳轮的转速，来平衡因截割头阻力矩改变而导致第一行星排齿圈输出转速的变化。也就是说，液力回流调速装置具有无级变速的特点，并能够自动适应采煤掘进机截割头阻力矩的变化。本发明所提出的采煤掘进机截割部的机电液复合动力传动装置已不再只是一种减速系统，而是一种具备自适应外界载荷变化的无级变速系统。
2、采煤掘进机在工作过程中，当截割头遇到硬岩时，现有采煤掘进机常常会通过截割电机瞬时功率增大截割头输出扭矩和调整截割伸缩悬臂来实现破岩。而截割电机处于瞬时功率状态时，其功率输出效率较正常运行状态时明显偏低(卡机堵转时电机输出效率为零)，电机发热量急剧增加，从而对截割电机的使用寿命带来影响。增加液力回流调速装置后，截割头因遇到硬岩卡机时，截割头和第一行星排齿圈输出转速为零，因截割电机输入轴、离合器、第一行星排太阳轮、液力变矩器所构成的功率回流路径的存在，截割电机可以仍处于正常运行区域，并持续向功率回流路径内注入功率，导致第一行星排齿圈7处输出扭矩急剧增加，并经二级行星减速装置放大而达到强力破岩的功效。
3、液力回流调速装置中离合器的使用，可以在采煤掘进机遇到硬岩卡机且循环功率超过设定值时处于滑摩状态，并通过在离合器主从动盘、从动盘轴上装置的转速传感器，当其滑转率超过所设定的阚值后，通过截割电机控制器中断电机功率的输出，从而保护整个动力传动系统的安全。
4、液力回流调速装置中液力变矩器作为液力柔性传动元件，虽然因处于回流调速路径而消弱了其减振效果，但与截割电机+二级行星减速装置的现有采煤掘进机截割动力传动刚性系统相比，在一定程度上仍可起到减振的作用。
本发明的有益效果是：采煤掘进机截割部的回流式机电液复合动力传动装置在充分考虑传动系统效率的前提下，与现有采煤掘进机截割部的动力传动系统相比，具有着可自适应无级调速、回流功率强力破岩、离合器安全保护以及液力回流调速装置缓冲减振的优点。
附图说明
图1为本发明的传动装置工作原理图；
图2为液力变矩器速比特性图。
图中：1—第三行星排行星架；2—第三行星排齿圈；3—第三行星排行星轮；4—第二行星排行星架；5—第二行星排齿圈；6—第二行星排行星轮；7—第一行星排齿圈；8—第一行星排行星架；9—第一行星排行星轮；10—涡轮；11—第一导轮；12—第二导轮；13—泵轮；14—油泵；15—输入轴；16—第二导轮单向离合器；17—第一导轮单向离合器；18—第一行星排太阳轮；19—离合器；20—第二行星排太阳轮；21—第三行星排太阳轮；22—输出轴；23—第一齿轮；24—第二齿轮轴；25—第二齿轮。
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，一种采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，包括输入轴15、液力变矩器、第一行星排、离合器19、第二行星排、第三行星排和调速齿轮组，其中：第一行星排由第一行星排太阳轮18、第一行星排行星轮9、第一行星排行星架8和第一行星排齿圈7组成；第二行星排由第二行星排太阳轮20、第二行星排行星轮6、第二行星排行星架4和第二行星排齿圈5组成；第三行星排由第三行星排太阳轮21、第三行星排行星轮3、第三行星排行星架1和第三行星排齿圈2组成；液力变矩器包括涡轮10、泵轮13、第一导轮11、第二导轮12、第一导轮单向离合器17、第二导轮单向离合器16和油泵14，泵轮13与油泵14相连通，第一导轮单向离合器17与第一导轮11连接，第二导轮单向离合器16与第二导轮12连接。
所述输入轴15的动力输入端连接有截割电机，其中涡轮10与输入轴15的中部连接，该液力变矩器靠近输入轴15的动力输入端，第一行星排行星架8与离合器19的主动盘连接，所述第一行星排太阳轮18空套在输入轴15上，离合器19的从动盘与输入轴15的动力输出端连接，第一行星排齿圈7中心与第二行星排太阳轮20中心通过第一中轴固定连接，第二行星排行星架4中心与第三行星排太阳轮21中心通过第二中轴固定连接，第三行星排行星轮3连接输出轴22，输出轴22的输出端连接有悬臂和截割头，调速齿轮组设置在液力变矩器与第一行星排之间，该调速齿轮组包括相啮合的第一齿轮23和第二齿轮25，第一齿轮23空套在输入轴15上，该第一齿轮23的中心与第一行星排太阳轮18的中心固定连接，第二齿轮25套接在第二齿轮轴24上，该第二齿轮轴24与所述泵轮13连接。
所述离合器19的从动盘上设置有第一转速传感器，所述离合器19的主动盘上设置有第二转速传感器，该第一转速传感器和第二转速传感器均与该传动装置的控制器连接，该第一转速传感器和第二转速传感器均为霍尔传感器。
截割电机通过输入轴15分别与液力变矩器涡轮10以及离合器19的从动盘相连，从而将截割电机的动力经输入轴15、离合器19传递至第一行星排行星架8；利用行星排功率分流的作用，经第一行星排行星架8传递的动力大部分经由第一行星排齿圈7、第二行星排太阳轮20、第二行星排行星架4、第三行星排太阳轮21、第三行星排行星架1和输出轴22传递至采煤掘进机截割部悬臂以及截割头；其余的动力经空套在输入轴15上的第一行星排太阳轮18和调速齿轮组传递至液力变矩器的泵轮13，并通过液力变矩器的工作液经变矩后传递至涡轮10，因涡轮10与输入轴15固连，从而构成功率回流组成回流调速路径。
该装置利用第二行星排和第三行星排固有的功率分流和速度合成的特性，将液力变矩器反置于回流路径中以降低功率损失，并通过液力变矩器的连续调速功能实现整个传动系统的自动无级调速，从而提高截割电机的运行工作效率，且利用传动系统功率回流的特性实现掘进机强力破岩的效果，同时，通过变矩器液力柔性传动的特点，减弱截割煤岩对截割电机的冲击振动，并由液力回流调速装置中设置的离合器，实现整个动力传动系统的安全保护，还可以通过调速齿轮组选择合适的变速比，以提高液力变矩器传动比，从而使液力变矩器尽可能多的工作在高效率区。
结合图1，对本发明的具体工作流程作详细地说明：
a、起动工况：
与现有采煤掘进机起动时截割头需非接触工作面不同，本发明机电液复合动力传动装置利用回流功率的存在，可保证截割头与工作面接触起动采煤掘进机。
采煤掘进机截割电机输出动力经输入轴15由离合器19与第一行星排行星架传递，再经第一行星排太阳轮18、第一齿轮23、第二齿轮25、第二齿轮轴24、液力变矩器的泵轮13、第二导轮12、第一导轮11、涡轮10与截割电机输出的动力汇流，共同注入输入轴15，构成功率回流调速路径。随着截割电机注入回流调速路径动力的增加，导致第一行星排齿圈7的承受扭矩不断增加。当第一行星排齿圈7承受扭矩经二级行星减速装置(由第二行星排和第三行星排构成)放大而超过截割头承受的煤岩反作用力矩后，截割头开始旋转切割煤岩，采煤掘进机截割部起动开始工作。
b、掘进工况：
与现有采煤掘进机通过调节截割电机转速实现掘进速度变化的存在差异，本发明机电液复合动力传动装置掘进速度是由主动调节截割电机转速和根据切割扭矩变化自适应改变液力回流调速装置速比的两部分构成。
采煤掘进机截割电机输出动力经输入轴15由离合器19与第一行星排行星架8传递，利用行星排功率分流的特性，将大部分第一行星排行星架8传递的动力通过第一行星排齿圈7传递给第二行星排太阳轮20、第二行星排行星架4、第三行星排太阳轮21、第三行星排行星架1，最终通过采煤掘进机截割部悬臂传递至截割头进行掘进作业；其余第一行星排行星架8传递的动力经空套在截割电机输入轴15的第一行星排太阳轮18、与第一行星排太阳轮18连接的第一齿轮23、第二齿轮25以及第二齿轮轴24传递至液力变矩器的泵轮13，并通过液力变矩器的工作液经变矩后传递至涡轮10，并与截割电机输入轴15形成功率汇流。
c、破岩工况：
与现有采煤掘进机通过截割电机进入堵转状态提升电机输出扭矩实现破岩不同，本发明机电液复合动力传动装置则是通过处于正常运行区域的截割电机持续向功率回流路径内注入功率，从而提高第一行星排齿圈7的扭矩实现破岩。
当截割头遇硬岩卡机时，采煤掘进机由掘进工况自适应进入破岩工况。此时，破岩工况的功率传递路径与起动工况的功率传递路径相同，只是动力的积累更多，第一行星排齿圈7承受扭矩更大。当第一行星排齿圈7承受扭矩经二级行星减速装置放大而超过截割头承受的硬岩反作用力矩后，则完成破岩需求，采煤掘进机自动恢复正常掘进作业；当硬岩反作用力矩过大，回流调速路径中传递的力矩超过离合器19的限制值时，截割电机紧急关闭，从而保护整个采煤掘进机截割动力传动系统不被损坏。
如图2所示，由于液力变矩器速比小的时间效率较低，通过设计合适的调速齿轮组变速比，就可以提高液力变矩器实际工作速比，从而使其尽可能在高效率区工作，提高液力变矩器传动效率，提供足够的破岩力矩。

Claims (5)

1.一种采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，其特征在于：包括输入轴(15)、液力变矩器、第一行星排、离合器(19)、第二行星排和第三行星排，所述液力变矩器包括涡轮(10)和泵轮(13)，其中涡轮(10)与输入轴(15)连接，泵轮(13)与第一行星排太阳轮(18)连接，第一行星排行星架(8)与所述离合器(19)的主动盘连接，该离合器(19)的从动盘与输入轴(15)连接，第一行星排齿圈(7)与第二行星排太阳轮(20)固定连接，第二行星排行星架(4)与第三行星排太阳轮(21)固定连接，第三行星排行星轮(3)连接输出轴(22)；
所述第一行星排由第一行星排太阳轮(18)、第一行星排行星轮(9)、第一行星排行星架(8)和第一行星排齿圈(7)组成，所述第一行星排太阳轮(18)空套在输入轴(15)上，该第一行星排太阳轮(18)与第一行星排行星轮(9)啮合，该第一行星排行星轮(9)与第一行星排齿圈(7)啮合，所述第一行星排行星架(8)端部与第一行星排行星轮(9)连接，所述离合器(19)的从动盘与输入轴(15)的动力输出端连接；
所述第二行星排由第二行星排太阳轮(20)、第二行星排行星轮(6)、第二行星排行星架(4)和第二行星排齿圈(5)组成，所述第二行星排太阳轮(20)与第二行星排行星轮(6)啮合，该第二行星排太阳轮(20)中心与所述第一行星排齿圈(7)中心通过第一中轴固定连接，所述第二行星排行星轮(6)与第二行星排齿圈(5)啮合，所述第二行星排行星架(4)与第二行星排行星轮(6)连接；
所述第三行星排由第三行星排太阳轮(21)、第三行星排行星轮(3)、第三行星排行星架(1)和第三行星排齿圈(2)组成，所述第三行星排太阳轮(21)与第三行星排行星轮(3)啮合，该第三行星排太阳轮(21)中心与第二行星排行星架(4)中心通过第二中轴固定连接，所述第三行星排行星轮(3)与第三行星排齿圈(2)啮合，所述第三行星排行星架(1)与第三行星排行星轮(3)连接，所述第三行星排齿圈(2)和第二行星排齿圈(5)被固定。
2.根据权利要求1所述的采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，其特征在于：所述输入轴(15)或离合器(19)的从动盘上设置有第一转速传感器，所述离合器(19)的主动盘或第一行星排行星架(8)上设置有第二转速传感器，该第一转速传感器和第二转速传感器均与该传动装置的控制器连接。
3.根据权利要求2所述的采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，其特征在于：所述液力变矩器包括涡轮(10)、泵轮(13)、第一导轮(11)、第二导轮(12)、第一导轮单向离合器(17)、第二导轮单向离合器(16)和油泵(14)，该液力变矩器靠近输入轴(15)的动力输入端，所述涡轮(10)与输入轴(15)的中部连接，所述泵轮(13)与油泵(14)相连通，所述第一导轮单向离合器(17)与第一导轮(11)连接，所述第二导轮单向离合器(16)与第二导轮(12)连接。
4.根据权利要求3所述的采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，其特征在于：所述输入轴(15)的动力输入端连接有截割电机，所述输出轴(22)的输出端连接有悬臂和截割头。
5.根据权利要求1所述的采煤用掘进机截割部机电液复合动力传动装置，其特征在于：所述液力变矩器与第一行星排之间设置有调速齿轮组，该调速齿轮组包括相啮合的第一齿轮(23)和第二齿轮(25)，所述第一齿轮(23)空套在输入轴(15)上，该第一齿轮(23)与第一行星排太阳轮(18)固定连接，所述第二齿轮(25)套接在第二齿轮轴(24)上，该第二齿轮轴(24)与所述泵轮(13)连接。
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