CN104847368A - 盾构机刀盘的驱动系统及含有此驱动系统的盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明的第一目的在于提供一种盾构机刀盘的驱动系统，包括大齿轮以及与其连接的1个驱动单元或至少2个并联且以刀盘的中心为圆心呈环形设置的驱动单元，所述大齿轮以及所述驱动单元均设置在刀盘上；每个所述驱动单元包括与所述大齿轮相啮合的小齿轮、其输出轴与所述小齿轮连接的减速器以及其输出轴通过离合装置与所述减速器的输入轴连接的动力驱动部件，本发明盾构机刀盘的驱动系统具有地质适应性强、装机功率利用率高、扭矩大以及方便安装的特点。本发明第二目的在于提供一种包含上述驱动系统的盾构机，使得盾构机满足现实需求，实用性强。

Description

盾构机刀盘的驱动系统及含有此驱动系统的盾构机

技术领域

本发明涉及盾构机装置领域，特别地，涉及一种盾构机刀盘的驱动系统及含此驱动系统的盾构机。

背景技术

盾构机是盾构施工中的重要施工机械，由于盾构施工具有安全、可靠、环境影响小、劳动强度低、土方量少、效率高等优点，在城市轨道、水利、市政工程、矿山、公路、铁路隧道等领域得到广泛应用。因盾构机经常在复杂、恶劣的工作环境下施工，所以其传动系统要能够经受重载荷和大冲击，并且要求具备大功率、低速大扭矩输出等功能。

由于刀盘驱动系统是盾构机的关键组成部分，其对整台设备性能具有重要影响。盾构机为了适应不同工作环境需要具备多种输出状态、低速、大扭矩等特点。刀盘驱动马达正常工作下的输出功率不足额定功率的一半，而为了克服刀盘工作中遇到土石阻力矩突然增大甚至塌陷等造成的脱困情况下马达驱动功率需要达到额定功率，并采用多个马达输入组合和大传动比的减速器共同驱动刀盘。

盾构机实际掘进的转速转矩特性为：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也较大，此时掘进装备的实际负载扭矩较大，可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，此时可提高刀盘的转速，实现高速小扭矩驱动。

刀盘的驱动系统是盾构机的核心部件，主要由驱动动力源(电机或液压马达)、行星齿轮减速器、小齿轮及大齿轮、主轴承以及密封冷却系统组成。目前盾构机的驱动方式主要有电机驱动和液压马达驱动，其中电机驱动包括双速电机驱动和变频电机驱动。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。

通常，盾构机中刀盘的驱动系统主要有双速电机主驱动+液压马达辅助驱动方式和变频电机驱动方式，前者存在以下缺陷：不能连续调速、地质适应性差、传动机构复杂、故障率高，影响掘进速度、液压马达和电机不能同时驱动等问题；后者是现有技术中的主要驱动方式，虽然变频电机在低速时能输出较大的扭矩，但受到最大电磁转矩的限制，其脱困扭矩有限。实际上，只能增加电机功率来提高脱困扭矩，必然导致变频电机装机功率显著增加。然而在高速掘进工况下电机扭矩相对脱困扭矩非常小，从而导致电机装机功率浪费。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种地质适应性强、装机功率利用率高、扭矩大以及方便安装的盾构机刀盘的驱动系统，具体技术方案如下：

一种盾构机刀盘的驱动系统，包括大齿轮以及与其连接的1个驱动单元或至少2个并联且以刀盘的中心为圆心呈环形设置的驱动单元，所述大齿轮以及所述驱动单元均设置在刀盘上；

每个所述驱动单元包括与所述大齿轮相啮合的小齿轮、其输出轴与所述小齿轮连接的减速器以及其输出轴通过离合装置与所述减速器的输入轴连接的动力驱动部件。

以上技术方案中优选的，并联的所述驱动单元以刀盘的中心为圆心环形均匀布置。

以上技术方案中优选的，所述驱动单元的数量为偶数个。

以上技术方案中优选的，所述驱动单元的数量为6个。

以上技术方案中优选的，每个所述动力驱动部件包括1个驱动源或者至少2个对称设置的驱动源。

以上技术方案中优选的，所述驱动源为满足安装空间要求和满足驱动功率要求的电机和/或液压马达。

以上技术方案中优选的，所述电机和/或液压马达的驱动功率为250kW-6000kW。

以上技术方案中优选的，所述电机和/或液压马达的驱动功率为2000kW-4000kW。

以上技术方案中优选的，所述离合装置为实现在不同驱动源同步驱动情况下进行传动分合功能的离合部件。

应该本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明的盾构机刀盘的驱动系统包括均设置在刀盘上的大齿轮和1个或者至少2个驱动单元，驱动单元包括小齿轮、减速器、离合装置以及动力驱动部件，整体结构精简；可以采用多个驱动单元的组合，多个驱动单元可以同时使用或者部分使用，具有安装方便、提高驱动效率、降低能耗以及在部分驱动单元存在故障的情况下保证驱动系统能够正常运行的优点；通过动力驱动部件和离合装置的组合实现瞬时脱困方式、低速大扭矩工作方式以及高速小扭矩驱动等多种工作方式，优化了驱动系统的性能，特别是增强了刀盘的脱困能力和驱动效率，使其能够应对各种不同的复杂地质工况，提高了装机功率的利用率，实用性强。

(2)本发明中采用2个或2个所述驱动单元以刀盘的中心为圆心呈环形均匀布置，所述驱动单元的数量最好为偶数个，使得动力驱动刀盘时刀盘受力均匀，稳定性好，提高其工作效率；所述驱动单元的数量为6个，能满足现实中几乎所有工况的需求，实用性强。

(3)本发明中每个所述动力驱动部件包括1个驱动源或者至少2个驱动源，驱动源的数量和种类可以根据实际需求进行选择，输出不同的扭矩，满足不同的需求，且有利于大齿轮的受力平衡，提高齿圈的驱动特性和使用寿命；所述驱动源为满足安装空间要求和满足驱动功率要求的电机和/或液压马达，实现驱动源的空间多角度安装，减少装配空间，提高空间使用率；所述电机和/或液压马达的驱动功率为250kW-6000kW，最好是2000kW-4000kW，容易获得，且满足现实中刀盘的驱动需求，实用性强。

(4)本发明中所述离合装置为实现在不同驱动源同步驱动情况下进行传动分合功能的离合部件，部件容易选择且能实现通过离合部件驱动单元的同步或非同步驱动方式，从而适应了不同地质情况下对驱动的要求。

本发明的第二目的在于提供一种包含上述驱动系统的盾构机，使得盾构机地质适应性强、装机功率利用率高、扭矩大以及方便安装。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的具有多个驱动单元的盾构机刀盘的驱动系统与刀盘的连接关系图；

图2是图1中盾构机刀盘的驱动系统驱动刀盘的传动示意图；

图3是本发明优选实施例1的具有多个驱动单元的盾构机刀盘的驱动系统在刀盘上的分布结构示意图；

1-大齿轮，2-小齿轮，3-减速器，4-离合装置，5-动力驱动部件，6-驱动单元，7-刀盘。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种盾构机刀盘的驱动系统，详见图1，具体包括设置在刀盘7上的大齿轮1以及与所述大齿轮1连接的驱动单元6。

所述驱动单元6的数量为n个，n的取值可以为1个，也可以为2，还可以为2个以上的其他数量，具体数量可以根据实际需求进行选择。当n的取值大于等于2时，所述驱动单元6并联(两两之间相互并联)且以刀盘的中心为圆心呈环形均匀布置(详见图3)，利于驱动源输出的动力在大齿轮上的对称分布，有利于大齿轮的受力平衡，提高齿圈的驱动特性和使用寿命；多个驱动单元的组合，可以同时使用或者部分使用，具有安装方便、提高驱动效率、降低能耗以及在部分驱动单元存在故障的情况下保证驱动系统能够正常运行的优点。

每个所述驱动单元6包括与所述大齿轮1相啮合的小齿轮2、其输出轴与所述小齿轮2连接的减速器3以及其输出轴通过离合装置4与所述减速器3的输入轴连接的动力驱动部件5。驱动单元6的整体结构精简。所述离合装置4最好采用实现在同类型的不同驱动源或不同类型的不同驱动源同步驱动情况下进行传动分合功能的离合部件，部件容易选择且能通过离合部件实现驱动单元的同步或非同步驱动方式，从而适应了不同地质情况下对驱动的要求。每个所述动力驱动部件5包括1个驱动源或者至少2个对称设置的驱动源，所述驱动源选用电机和/或液压马达(最好是选用满足安装空间要求和满足驱动功率要求的电机和/或液压马达)，具体为：详见图3，如动力驱动部件5的数量为1个时，驱动单元6为单马达组合驱动单元，简称为PGCM1；动力驱动部件5的数量为2个时，驱动单元6为双马达组合驱动单元，简称为PGCM2；以此类推，动力驱动部件5的数量为i个时，驱动单元6为i双马达组合驱动单元，简称为PGCMi；……一直到动力驱动部件5的数量为n个时，驱动单元6为n马达组合驱动单元，简称为PGCMn；因此，根据马达的数量的不同，驱动单元6标记为PGCM1，PGCM2，…PGCMi，…PGCMn。上述驱动源为电机和/或液压马达，采用Mi表示，i的取值为1、2、3、、、n。驱动源的数量和种类可以根据实际需求进行选择，输出不同的扭矩，满足不同的需求。所述电机和/或液压马达的驱动功率为250kW-6000kW，最好是2000kW-4000kW，容易获得，且满足现实中刀盘的驱动需求，实用性强。

本发明的盾构机刀盘的驱动系统能实现瞬时脱困方式、低速大扭矩工作方式以及高速小扭矩驱动等多种工作方式，具体如下：a、瞬时脱困方式，具体是：遇到不良地质造成刀盘被卡就需要足够大的扭矩实现刀盘快速脱困，而采用人工方式既费时又危险，为了实现大扭矩脱困，首先控制离合装置4分离，将若干个动力驱动部件5调节至满负荷运转，然后同时协调离合装置4和其他动力驱动部件实现各驱动单元6同时输出最大扭矩，从而实现大扭矩脱困；b、低速大扭矩掘进方式，具体是：掘进的地质较软造成刀盘的实际负载扭矩较大，而单个动力驱动部件5在低速时扭矩有限，为了实现低速大扭矩掘进，需要若干个动力驱动部件5组合一起驱动，若采用不同类型动力驱动部件5的组合驱动，由于两者的响应速度不一致，可能导致调速过程中各类型动力驱动部件5之间的扭矩不平衡，为此，需要采用适应的离合装置4用于调节不同类型动力驱动部件5之间的负载平衡；c、高速小扭矩掘进方式，具体是：掘进稳定硬岩地质造成掘进机实际扭矩较小，刀盘转速增大以提高掘进速度，在这种提供小扭矩情况下，部分动力可以不工作，离合装置4分离。

本发明的盾构机刀盘的驱动系统的动力传动原理如图2所示，具体为：多个驱动单元6将力传输至大齿轮1，大齿轮1接着将力传动给刀盘7。本发明的具有多个驱动单元的盾构机刀盘的驱动系统的分布结构示意图详见图3(根据本发明的设计思路，多个驱动单元6还可以根据实际需求采用非对称设计，即2个或2个以上所述驱动单元6不以刀盘的中心为圆心呈环形均匀布置)。

本发明的盾构机刀盘的驱动系统具有以下特点：

(1)整体结构精简，且驱动单元模块化，以减少装配空间，提高空间使用率且便于安装。

(2)能实现瞬时脱困方式、低速大扭矩工作方式以及高速小扭矩驱动等多种工作方式，优化了驱动系统的性能，特别是增强了刀盘的脱困能力和驱动效率，使其能够应对各种不同的复杂地质工况，提高了装机功率的利用率，实用性强。

(3)采用多个动力驱动部件的组合，单个动力驱动部件出现故障时其他动力驱动部件可继续投入使用，保证了掘进机的正常运转。

(4)采用多个驱动单元的组合，在达到盾构机刀盘正常运转所需的功率时候，可关停部分驱动单元的运转，以便提高驱动效率，降低能耗。

实施例2：

一种盾构机，包含刀盘以及与所述刀盘连接的如实施例1所述的盾构机刀盘的驱动系统，本盾构机采用此种驱动系统，使得盾构机地质适应性强、装机功率利用率高、扭矩大以及方便安装，实用性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：包括大齿轮(1)以及与其连接的1个驱动单元(6)或至少2个并联且以刀盘的中心为圆心呈环形设置的驱动单元(6)，所述大齿轮(1)以及所述驱动单元(6)均设置在刀盘上；

每个所述驱动单元(6)包括与所述大齿轮(1)相啮合的小齿轮(2)、其输出轴与所述小齿轮(2)连接的减速器(3)以及其输出轴通过离合装置(4)与所述减速器(3)的输入轴连接的动力驱动部件(5)。

2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：并联的驱动单元(6)以刀盘的中心为圆心呈环形均匀布置。

3.根据权利要求2所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：所述驱动单元(6)的数量为偶数个。

4.根据权利要求3所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：所述驱动单元(6)的数量为6个。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：每个所述动力驱动部件(5)包括1个驱动源或者至少2个对称设置的驱动源。

6.根据权利要求5所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：所述驱动源为满足安装空间要求和满足驱动功率要求的电机和/或液压马达。

7.根据权利要求6所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：所述电机和/或液压马达的驱动功率为250kW-6000kW。

8.根据权利要求7所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：所述电机和/或液压马达的驱动功率为2000kW-4000kW。

9.根据权利要求5所述的盾构机刀盘的驱动系统，其特征在于：所述离合装置(4)为实现在不同驱动源同步驱动情况下进行传动分合功能的离合部件。

10.一种盾构机，其特征在于：包括刀盘以及与所述刀盘连接的如权利要求1-9任意一项所述的驱动系统。