CN105042007A - 一种tbm主驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM主驱动系统，包括电机、减速器、第一联轴器、固定架、内齿圈、小齿轮；所述主驱动系统还包括均载机构；所述均载机构包括偏心连杆、随动连杆和平衡连杆；所述偏心连杆具有第一角边、拐角部和第二角边；第一角边的端部与小齿轮的齿轮轴的输出端可转动连接；拐角部与固定架铰接；第二角边的端部与随动连杆一端铰接，随动连杆的另一端与所述平衡连杆铰接；平衡连杆两端分别与两相邻的随动连杆铰接。主驱动系统还包括减振机构，减振机构包括第二联轴器、传力转子、摆动滑轨和配重。本发明可通过均载机构调节各小齿轮所受载荷自动平衡，通过减振机构减小小齿轮在不同频率外部激励下的扭转振动。

Description

一种TBM主驱动系统

技术领域

本发明属于隧道建设设备技术领域，具体为一种TBM主驱动系统。

背景技术

TBM(全断面岩石掘进机)是集机、电、液、激光于一体的隧道工程建设关键设备，广泛应用于城市地铁隧道、铁路隧道、水工隧道等工程作业当中。主驱动系统(刀盘驱动系统)是TBM的核心部件，它由多个电机同时驱动小齿轮带动内齿圈运动，构成冗余驱动，担负着驱动刀盘作业的重要功能。刀盘在作业过程中承受大扭矩、大推力和随机突变的冲击载荷，这些载荷通过传递构成主驱动系统齿轮振动的外部激励；同时齿轮啮合自身存在时变刚度、啮合误差、齿侧间隙等非线性因素，构成主驱动系统齿轮振动的内部激励；在作业过程中，由于这两部分激励的共同作用，造成主驱动系统中机械结构振动剧烈，各个小齿轮不均载，进而导致安全轴断裂、驱动部件损坏等故障。因此，设计一种带有均载机构和减振机构的TBM主驱动系统对提高冗余驱动系统均载系数、避免断轴停机十分必要。

目前国内对于提高TBM冗余驱动系统均载的研究主要集中在电机同步控制策略和齿轮结构参数改善等方面。具有代表性的是提出新的电机控制策略提高同步驱动顺应性指标；调整小齿轮布置方式及齿轮、齿圈支撑刚度控制失稳区间。但这些研究只是针对某一种工况在TBM原有机构上进行改进，对于复杂工况及不同型号TBM主驱动系统的均载具有局限性。所以，目前还没有一种从机构上实现均载、减振的TBM主驱动系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TBM主驱动系统，通过设置偏心连杆、随动连杆和平衡连杆组成的均载机构，改善主驱动系统的均载系数，自动调节使各小齿轮所受的载荷相等。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种TBM主驱动系统，其特征在于，包括电机、与所述电机连接的减速器、第一联轴器、固定架、与所述固定架同心设置的内齿圈、与所述内齿圈啮合的n个小齿轮；所述固定架位于所述内齿圈外部；所述减速器通过第一联轴器与所述小齿轮的齿轮轴的输入端连接；所述主驱动系统还包括均载机构，所述均载机构包括偏心连杆、随动连杆和平衡连杆；所述偏心连杆为角形架，所述偏心连杆具有第一角边、拐角部和第二角边；所述第一角边的端部与所述小齿轮的齿轮轴的输出端可转动连接；所述拐角部与所述固定架铰接；所述第二角边的端部与所述随动连杆一端铰接，所述随动连杆的另一端与所述平衡连杆铰接，所述平衡连杆两端分别与两相邻的随动连杆铰接。针对不同数量的小齿轮，调整偏心连杆、随动连杆和平衡连杆的长度，满足不同啮合误差引起的小齿轮摆动角范围，从而改善主驱动系统的均载系数。

进一步地，所述主驱动系统还包括减振机构，所述减振机构包括第二联轴器、传力转子、摆动滑轨和配重；所述传力转子输入端通过第二联轴器与所述小齿轮的齿轮轴的输出端连接；所述摆动滑轨与所述传力转子的输出端铰接；所述摆动滑轨与所在配重固定连接。通过调节减振机构的摆动半径，减小小齿轮在不同频率外部激励下的扭转震动。

进一步地，所述传力转子的直径d₂等于小齿轮的直径d₁。

进一步地，所述偏心连杆的第一角边通过轴承与所述第二联轴器的外壳体连接。

进一步地，所述第一联轴器为柔性联轴器。柔性联轴器使各小齿轮可在均载机构的作用下浮动，最终使各小齿轮所受载荷相等。

进一步地，所述第二联轴器为刚性联轴器。

进一步地，所述摆动滑轨两侧面布置有多个相对设置的调节所述配重摆动半径的定位孔。根据通过调整配重与摆动滑轨的不同定位孔安装，实现对配重绕传力转子输出端的转动半径的调节。

进一步地，所述小齿轮的数量为偶数，且沿所述内齿圈周向均布。

更进一步地，所述小齿轮为4个。

本发明显而易见地具有以下有益效果：

1、均载机构可自动调整使各小齿轮所受的载荷相等，延长齿轮、齿轮轴等部件的使用寿命。

2、配重绕传力转子输出端的转动半径可调，减小小齿轮在不同频率外部激励下的扭转振动。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本发明实施例均载机构主视图；

图3为本发明实施例减振机构示意图；

图4为本发明实施例均载机构中浮动角与啮合误差的几何映射关系图；

图5为本发明实施例传力转子主视图；

图6为本发明实施例减振机构原理图。

图中：1、电机；2、第一联轴器；3、减速器；4、固定架；5、内齿圈；6、小齿轮；7、偏心连杆；70、第一角边；71、拐角部；72、第二角边；8、随动连杆；9、平衡连杆；10、第二联轴器；11、传力转子；12、摆动滑轨；120、定位孔；13、配重。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

如图1～图3所示的TBM主驱动系统，包括电机1、与电机1连接的减速器3、第一联轴器2、固定架4、与固定架4同心设置的内齿圈5、与内齿圈5啮合的4个小齿轮6；固定架4位于内齿圈5外部；减速器3通过第一联轴器2与小齿轮6的齿轮轴的输入端连接；4个小齿轮6沿内齿圈5周向均布；其中主驱动系统还包括均载机构，均载机构包括偏心连杆7、随动连杆8和平衡连杆9；偏心连杆7为角形架，偏心连杆7具有第一角边70、拐角部71和第二角边72；第一角边70的端部与小齿轮6的齿轮轴的输出端可转动连接；拐角部71与固定架4铰接；第二角边72的端部与随动连杆8一端铰接，随动连杆8的另一端与平衡连杆9铰接，平衡连杆9两端分别与两相邻的随动连杆8铰接。第一联轴器2为柔性联轴器，柔性联轴器使各小齿轮6可在均载机构的作用下浮动，最终使各小齿轮6所受载荷相等。小齿轮6可为偶数个，针对不同数量的小齿轮6，调整偏心连杆7、随动连杆8和平衡连杆9的长度，满足不同啮合误差引起的小齿轮6摆动角范围，从而改善主驱动系统的均载系数。

TBM主驱动系统还包括减振机构，减振机构包括第二联轴器10、传力转子11、摆动滑轨12和配重13；传力转子11输入端通过第二联轴器10与小齿轮6的齿轮轴的输出端连接，第二联轴器10为刚性联轴器；图5示出了传力转子11的直径，传力转子11的直径d₂等于小齿轮6的直径d₁，摆动滑轨12与传力转子11的输出端铰接；摆动滑轨12与配重13固定连接；摆动滑轨12两侧面布置有多个相对设置的调节所述配重13摆动半径的定位孔120。根据通过调整配重13与摆动滑轨12的不同定位孔120安装，实现对配重13绕传力转子11输出端的转动半径的调节，减小小齿轮6在不同频率外部激励下的扭转振动。

偏心连杆7的第一角边70通过轴承与所述第二联轴器10的外壳体连接。

如图4所示，在浮动角与啮合误差的几何映射关系中，直线N₁N₂为小齿轮6和内齿圈5的啮合线，设小齿轮6的直径(即分度圆直径)为d₁，偏心连杆7浮动角齿轮齿圈啮合误差Δ，则偏心连杆7的偏心距e可根据浮动角与啮合误差Δ的几何映射关系进行设计计算：

式(1)中，Δ＝PP',e＝QO₁。

减振机构中，由于各小齿轮6的外部输入激励频率不同，配重13绕传力转子11输出端的转动半径需做相应调整，摆动滑轨12的侧面设有定位孔120，通过调整配重13与摆动滑轨12不同定位孔120的安装可以实现对配重13绕传力转子11输出端的转动半径的调节。

如图6所示，小齿轮6的分度圆直径为d₁，小齿轮6角位移为θ，角速度Ω，外部输入激励频率ω，转子的直径与小齿轮6的分度圆直径相同，配重13绕传力转子11上输出端(即O’点)的转动半径r，相对于小齿轮6的角位移φ，则根据摆动减震器原理可对转动半径r进行设计计算：

配重13的惯性力对传力转子11上O’点的力矩为0，可得

$mr\[\frac{d_1}{2}\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}cos\mathrm{\φ}+\frac{d_1}{2}\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}sin\mathrm{\φ}+r(\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}+\stackrel{\·\·}{\mathrm{\φ}})\]=0---\left(2\right)$

设θ的运动规律为θ＝Ωt+θ₀sinwt，则代入(2)式可得

$\mathrm{\ω}=\mathrm{\Ω}\sqrt{\frac{d_1}{2r}}---\left(3\right)$

当配重13绕传力转子11上O’点的转动半径为r时，可以抵消外部激励频率ω的扭转振动。

本发明一种TBM主驱动系统具有两种工况：

1、均载工况，此时各个小齿轮6所受载荷相同，均载机构受力平衡，处于静止状态。

2、非均载工况，此时各个小齿轮6所受载荷不同，均载机构受力不平衡，各小齿轮6将通过均载机构进行浮动：偏心连杆7输入端受小齿轮6转矩作用，偏心连杆7输出端摆动，通过随动连杆8带动平衡连杆9做相应运动，作用到相邻小齿轮6上，最终完成小齿轮6的浮动；所以通过均载机构的作用，受载大的小齿轮6将向减小载荷的方向浮动，受载小的小齿轮6将向增大载荷的方向浮动，从而使各个小齿轮6所受载荷相同，重新处于受力平衡状态。

本发明的工作原理如下：

根据工况选择冗余驱动所需电机1数目，电机1为变频电机，设定变频电机的输出功率，电机1输出经减速器3后通过第一联轴器2驱动小齿轮6，小齿轮6带动内齿圈5转动，当小齿轮6处于均载工况时，均载机构受力平衡，处于静止状态；当小齿轮6处于非均载工况时，各小齿轮6将通过均载机构进行浮动，受载荷大的小齿轮6将向减小载荷的方向浮动，受载荷小的小齿轮6将向增大载荷的方向浮动，从而使各个小齿轮6所受载荷相同，均载机构重新处于受力平衡状态。

针对各小齿轮6外部激励频率不同，根据式(3)分别设计配重13绕传力转子11输出端的转动半径r，即可减小小齿轮6在相应频率激励下的扭转振动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种TBM主驱动系统，其特征在于，包括电机、与所述电机连接的减速器、第一联轴器、固定架、与所述固定架同心设置的内齿圈、与所述内齿圈啮合的n个小齿轮；所述固定架位于所述内齿圈外部；所述减速器通过第一联轴器与所述小齿轮的齿轮轴的输入端连接；所述主驱动系统还包括均载机构，所述均载机构包括偏心连杆、随动连杆和平衡连杆；所述偏心连杆为角形架，所述偏心连杆具有第一角边、拐角部和第二角边；所述第一角边的端部与所述小齿轮的齿轮轴的输出端可转动连接；所述拐角部与所述固定架铰接；所述第二角边的端部与所述随动连杆一端铰接，所述随动连杆的另一端与所述平衡连杆铰接；所述平衡连杆两端分别与两相邻的随动连杆铰接。

2.根据权利要求1所述的主驱动系统，其特征在于，所述主驱动系统还包括减振机构，所述减振机构包括第二联轴器、传力转子、摆动滑轨和配重；所述传力转子输入端通过第二联轴器与所述小齿轮的齿轮轴的输出端连接；所述摆动滑轨与所述传力转子的输出端铰接；所述摆动滑轨与所在配重固定连接。

3.根据权利要求2所述的主驱动系统，其特征在于，所述传力转子的直径d₂等于小齿轮的直径d₁。

4.根据权利要求2所述的主驱动系统，其特征在于，所述偏心连杆的第一角边通过轴承与所述第二联轴器的外壳体连接。

5.根据权利要求1所述的主驱动系统，其特征在于，所述第一联轴器为柔性联轴器。

6.根据权利要求2所述的主驱动系统，其特征在于，所述第二联轴器为刚性联轴器。

7.根据权利要求2所述的主驱动系统，其特征在于，所述摆动滑轨两侧面布置有多个相对设置的调节所述配重摆动半径的定位孔。

8.根据权利要求1～7任一项所述的主驱动系统，其特征在于，所述小齿轮的数量为偶数，且沿所述内齿圈周向均布。

9.根据权利要求8所述的主驱动系统，其特征在于，所述小齿轮为4个。