專利名稱：Tbm刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電液復(fù)合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，尤其涉及一種全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。
背景技術(shù)：
全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“TBM”)實(shí)際掘進(jìn)工況下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性如下:TBM在掘進(jìn)過(guò)程中若遇到軟土地質(zhì)，則在較小的推進(jìn)力下，刀盤每轉(zhuǎn)一圈的軸向推進(jìn)量較大，此時(shí)TBM的實(shí)際負(fù)載扭矩較大，可以采用低速大扭矩掘進(jìn)方式，而當(dāng)遇到硬巖地質(zhì)時(shí)，即使推進(jìn)力很大，刀盤每轉(zhuǎn)一圈的軸向貫入量仍較小，實(shí)際負(fù)載扭矩較小，此時(shí)，可以提高刀盤的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)高速小扭矩驅(qū)動(dòng)。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是TBM的核心部件，主要由多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或液壓馬達(dá)、行星齒輪減速器、小齒輪及大齒圈、主軸承以及密封冷卻系統(tǒng)組成。目前TBM的驅(qū)動(dòng)方式主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)包括雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)和變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。TBM刀盤驅(qū)動(dòng)功率非常大，液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)效率低，若采用單一液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，功率損失非常大，且發(fā)熱嚴(yán)重，因此液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)只作為雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔助驅(qū)動(dòng)方式存在。傳統(tǒng)的TBM刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有:雙速電機(jī)主驅(qū)動(dòng)+液壓馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)方式，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。雙速電機(jī)主驅(qū)動(dòng)+液壓馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)方式存在的問(wèn)題主要有:(I)不能連續(xù)調(diào)速，地質(zhì)適應(yīng)性差；(2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，影響掘進(jìn)速度；(3)液壓馬達(dá)和電機(jī)不能同時(shí)驅(qū)動(dòng)。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是目前的主要驅(qū)動(dòng)方式，盡管變頻電機(jī)在低速時(shí)相對(duì)于普通的電機(jī)可以輸出較大的扭矩，但是由于受到最大電磁轉(zhuǎn)矩的限制，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的脫困扭矩有限。為了提高脫困能力，只能被動(dòng)地增加電機(jī)的功率以提高脫困扭矩。這就迫使變頻電機(jī)的裝機(jī)功率大大提高。而在高速掘進(jìn)的工況電機(jī)的扭矩相對(duì)于脫困扭矩又非常小，因此造成了電機(jī)的裝機(jī)功率的浪費(fèi)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于為全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)提供一種脫困扭矩大、地質(zhì)適應(yīng)性好、裝機(jī)功率利用率高的刀盤驅(qū)動(dòng)裝置。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:本實(shí)用新型TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置，包括大齒圈和變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一小齒輪、第一減速器和變頻電機(jī)，第一小齒輪與大齒圈哨合，第一減速器的輸出軸與第一小齒輪固定連接，第一減速器的輸入軸與變頻電機(jī)的輸出軸連接，其特征是:還包括液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第二小齒輪、第二減速器、粘性離合器和液壓馬達(dá)，所述第二小齒輪與大齒圈嚙合，第二減速器的輸出軸與第二小齒輪固定連接，第二減速器的輸入軸與粘性離合器的輸出軸連接，粘性離合器的輸入軸與液壓馬達(dá)的輸出軸連接。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩個(gè)以上，各變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等間隔分布。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩個(gè)以上，各液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等間隔分布。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等間隔交替分布。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:現(xiàn)有的TBM刀盤驅(qū)動(dòng)主要采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),缺點(diǎn)是脫困能力不足。當(dāng)遇到不良地質(zhì)刀盤被卡時(shí)，若無(wú)法實(shí)現(xiàn)脫困將大大降低隧道施工速度。而變頻電機(jī)和液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)特性、變速范圍、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度之間都存在較大差異，如果直接將電機(jī)和液壓馬達(dá)直接耦合，則在啟動(dòng)和變速過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大的機(jī)械沖擊和扭矩不平衡等問(wèn)題，影響刀盤的扭矩輸出，嚴(yán)重情況下會(huì)造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或驅(qū)動(dòng)元件的破壞。迄今為止，如何解決電機(jī)和液壓馬達(dá)在復(fù)合驅(qū)動(dòng)中的機(jī)械沖擊和扭矩動(dòng)態(tài)平衡是一個(gè)行業(yè)性難題。本實(shí)用新型通過(guò)粘性離合器實(shí)現(xiàn)電機(jī)和液壓馬達(dá)的動(dòng)力柔性耦合，實(shí)現(xiàn)了變頻電機(jī)和液壓馬達(dá)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)。既充分發(fā)揮了變頻電機(jī)調(diào)速范圍廣、效率高的特性，又充分利用液壓馬達(dá)低速大扭矩的驅(qū)動(dòng)特性優(yōu)勢(shì)。本實(shí)用新型驅(qū)動(dòng)裝置的突出優(yōu)點(diǎn)是顯著增強(qiáng)了 TBM的脫困能力。此外，本實(shí)用新型增強(qiáng)了 TBM刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的地質(zhì)適應(yīng)性，使刀盤的驅(qū)動(dòng)特性與巖石地質(zhì)特性相匹配，提高了裝機(jī)功率的利用率。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；圖中:1、液壓馬達(dá),2、粘性離合器,3、變頻電機(jī),4、第一減速器,5、第二減速器,6、第一小齒輪，7、大齒圈，8、第二小齒輪。圖2為變頻電機(jī)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置分布示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置由大齒圈7、變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括變頻電機(jī)3、第一減速器4和第一小齒輪6，其中，變頻電機(jī)3的輸出軸與第一減速器4的輸入軸連接，第一減速器4的輸出軸與第一小齒輪6固定連接，第一小齒輪6與大齒圈7嚙合。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括液壓馬達(dá)1、粘性離合器2、第二減速器5、第二小齒輪8，其中，液壓馬達(dá)I的輸出軸與粘性離合器2的輸入軸連接，粘性離合器2的輸出軸與第二減速器5的輸入軸連接，第二減速器5的輸出軸與第二小齒輪8固定連接，第二小齒輪8與大齒圈7嚙合。變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以是一個(gè)或兩個(gè)以上。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也可以是一個(gè)或兩個(gè)以上。[0023]如圖2所示，當(dāng)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩個(gè)以上時(shí)，各變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)錯(cuò)開布置。相鄰變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的間距沒(méi)有特別要求，但如果各變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間采用等間隔布置，則有利于電機(jī)輸出的動(dòng)力在大齒圈上的對(duì)稱分布，有利于大齒圈的受力平衡，提高齒圈的壽命和驅(qū)動(dòng)特性。同樣，當(dāng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩個(gè)以上時(shí)，各液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)亦錯(cuò)開布置。相鄰液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的間距沒(méi)有特別要求，但如果各液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也是采用等間隔布置，其優(yōu)點(diǎn)和上述變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等間隔布置一致。若變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量一致，則最好是等間距交替分布，在兩個(gè)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間有一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，而在兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有一個(gè)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即按照變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)
構(gòu)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)......是順序依次布置(參見圖2)。由于變頻電機(jī)和液壓馬達(dá)復(fù)
合驅(qū)動(dòng)時(shí)輸出的扭矩不一致，采用等間距交替分布有利于大齒圈的載荷均勻?qū)ΨQ分布。若變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的數(shù)量不一致，先保證各變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間、各液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的等間隔分布，然后盡量使變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的交叉對(duì)稱分布，由此盡量使大齒圈的載荷獲得均勻?qū)ΨQ分布的效果。本實(shí)用新型TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置有瞬時(shí)超大扭矩脫困模式、低速大扭矩工作模式和高速小扭矩驅(qū)動(dòng)3種工作模式。瞬時(shí)超大扭矩脫困模式:當(dāng)遇到不良地質(zhì)TBM刀盤被卡時(shí)，需要足夠大的扭矩才能實(shí)現(xiàn)刀盤的快速脫困，否則只能依靠人工的方法，這樣既費(fèi)時(shí)又危險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)超大扭矩脫困，首先控制粘性調(diào)速離合器2分離，將液壓馬達(dá)I的排量調(diào)節(jié)至最大，然后同時(shí)協(xié)調(diào)控制粘性離合器2和變頻電機(jī)3可以實(shí)現(xiàn)各變頻電機(jī)和液壓馬達(dá)同時(shí)輸出最大扭矩，實(shí)現(xiàn)超大扭矩脫困。低速大扭矩掘進(jìn)模式:當(dāng)TBM的掘進(jìn)地質(zhì)較軟時(shí)，刀盤的實(shí)際負(fù)載扭矩較大，由于變頻電機(jī)3在低速時(shí)扭矩有限，為了實(shí)現(xiàn)低速大扭矩掘進(jìn)，需要變頻電機(jī)3和液壓馬達(dá)I的復(fù)合驅(qū)動(dòng)。變頻電機(jī)可以通過(guò)變頻器參數(shù)的改變調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，液壓馬達(dá)可以通過(guò)改變排量、流量以及壓力來(lái)改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，但是兩則的響應(yīng)速度不一致，可能導(dǎo)致在調(diào)速過(guò)程中電機(jī)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的扭矩不平衡。粘性離合器在速度調(diào)節(jié)過(guò)程可以平衡電機(jī)液壓馬達(dá)的負(fù)載。高速小扭矩掘進(jìn)模式:當(dāng)TBM進(jìn)入穩(wěn)定硬巖地質(zhì)時(shí)，此時(shí)TBM的實(shí)際掘進(jìn)扭矩較小，刀盤的轉(zhuǎn)速可以增大以提高掘進(jìn)速度。此時(shí)，液壓馬達(dá)I可以不工作，粘性離合器2分離。此時(shí)進(jìn)入單一變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。以上三種工作模式優(yōu)化了刀盤系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)特性特別是增強(qiáng)了刀盤的脫困能力，使TBM的刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)各種不同的復(fù)雜地質(zhì)工況。
權(quán)利要求1.一種TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置，包括大齒圈(7)和變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一小齒輪(6)、第一減速器(4)和變頻電機(jī)(3),第一小齒輪(6)與大齒圈(7)哨合,第一減速器(4)的輸出軸與第一小齒輪(6)固定連接,第一減速器(4)的輸入軸與變頻電機(jī)(3)的輸出軸連接，其特征是:還包括液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第二小齒輪(8)、第二減速器(5)、粘性離合器(2)和液壓馬達(dá)(1)，所述第二小齒輪(8)與大齒圈(7)嚙合，第二減速器(5)的輸出軸與第二小齒輪(8)固定連接，第二減速器(5)的輸入軸與粘性離合器(2)的輸出軸連接,粘性離合器(2)的輸入軸與液壓馬達(dá)(I)的輸出軸連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是:所述變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩個(gè)以上，各變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等間隔分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是:所述液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為兩個(gè)以上，各液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等間隔分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置，其特征是:所述變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等間隔交替分布。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種TBM刀盤電機(jī)液壓馬達(dá)復(fù)合驅(qū)動(dòng)裝置，包括大齒圈和變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一小齒輪、第一減速器和變頻電機(jī)，第一小齒輪與大齒圈嚙合，第一減速器的輸出軸與第一小齒輪固定連接，第一減速器輸入軸與變頻電機(jī)輸出軸連接；此外還包括液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第二小齒輪、第二減速器、粘性離合器和液壓馬達(dá)，第二小齒輪與大齒圈嚙合，第二減速器輸出軸與第二小齒輪固定連接，第二減速器輸入軸與粘性離合器輸出軸連接，粘性離合器的輸入軸與液壓馬達(dá)的輸出軸連接。本實(shí)用新型顯著增強(qiáng)了TBM的脫困能力和TBM刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的地質(zhì)適應(yīng)性，使刀盤的驅(qū)動(dòng)特性與巖石地質(zhì)特性相匹配，提高了裝機(jī)功率的利用率。
文檔編號(hào)E21D9/11GK203008924SQ20122074706
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者謝海波, 洪嘯, 莊莉, 楊華勇 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)