刀盘驱动装置和掘进设备
技术领域
本发明涉及掘进驱动技术领域，尤其涉及一种刀盘驱动装置、一种掘进设备。
背景技术
目前，主流的掘进设备例如TBM(Tunnel Boring Machine,岩石隧道掘进设备)的刀盘驱动系统广泛采用变频电机驱动方式，主要优点是变频电机效率高且易于实现无级调速，能够适应掘进设备掘进过程中的不同地质条件。然而，变频电机驱动仍然有其局限性：1)变频电机随着频率的下降，启动扭矩相应减小，并且启动时大扭矩持续时间一般不能超过1分钟，两次启动间隔一般在10分钟以上；2)电机脱困启动瞬间，变频电机与刀盘系统采用的是完全刚性连接，会给刀盘系统带来很大的冲击。由于刀盘被困后的瞬时启动扭矩非常大，往往数倍于正常掘进时的工作扭矩，现有刀盘系统不得不以额外增加装机功率的代价来提高脱困扭矩，由此带来掘进设备装机功率利用率不高的弊病。另一方面，电机启动瞬间大扭矩输出，并且由于是刚性连接会给系统造成较大冲击，难以协调掘进设备刀盘脱困过程中的瞬时大扭矩输出与冲击度小之间的矛盾。另外一种存在的驱动形式为双速电机+液压辅助驱动。正常掘进时，双速电机对应两种工况：一种是遇到软岩时的低速大扭矩模式，另一种是遇到硬岩时的高速小扭矩模式。当遇到岩石收缩变形等突发原因造成卡机事故时，双速电机停止工作，多台辅助液压马达同时大扭矩输出驱动刀盘实现TBM脱困。此种方案有如下缺点：1)采用双速电机驱动由于只有两个转速，不能无级变速，因此对于不同地层的适应能力有限。2)液压马达只能在脱困时使用，对于TBM正常掘进工况来说是一种动力源的闲置浪费。3)脱困时，双速电机不能和液压马达共同驱动负载，对于TBM脱困来说也是一种动力源的闲置浪费。
发明内容
本发明实施例提供一种刀盘驱动装置和一种掘进设备，可很好地实现刀盘脱困同时又不造成动力闲置浪费。
一方面，本发明实施例提供的一种刀盘驱动装置，包括：刀盘连接件，设置有齿圈；驱动机构，包括：多速电机；蓄能部件，连接所述多速电机；调速离合器，连接所述蓄能部件；减速器，连接所述调速离合器；驱动齿轮，连接所述减速器且与所述刀盘连接件的所述齿圈啮合。
在本发明的一个实施例中，所述多速电机为双速电机或三速电机。
在本发明的一个实施例中，所述蓄能部件为惯性飞轮。
在本发明的一个实施例中，所述调速离合器为液粘调速离合器。
在本发明的一个实施例中，所述刀盘连接件的所述齿圈为内齿圈或外齿圈。
在本发明的一个实施例中，所述驱动机构的数量为多个，所述多个驱动机构的所述驱动齿轮分别与所述刀盘连接件的所述齿圈啮合。
在本发明的一个实施例中，所述多个驱动机构均匀分布在所述刀盘连接件的所述齿圈上。
在本发明的一个实施例中，所述多个驱动机构的数量为偶数。
另一方面，本发明提供的一种掘进设备，包括：刀盘，包括刀盘框架和设置在所述刀盘框架上的掘进刀具；如前述的刀盘驱动装置，所述刀盘驱动装置的刀盘连接件连接在所述刀盘框架上；驱动支架，连接并支撑所述刀盘驱动装置；以及护筒，连接所述驱动支架且覆盖所述刀盘驱动装置和所述驱动支架。
再一方面，本发明实施例提供的一种刀盘驱动装置，包括：刀盘连接件，设置有内齿圈；多个驱动机构，均匀分布在所述内齿圈的内圆周上且每个所述驱动机构包括：双速电机；惯性飞轮，连接所述双速电机；液粘调速离合器，连接所述惯性飞轮；减速器，连接所述液粘调速离合器；驱动齿轮，连接所述减速器且与所述刀盘连接件的内齿圈啮合。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明实施例通过采用特定的刀盘驱动装置的结构布置可很好地实现刀盘被困以及正常工作时动力功率闲置浪费的问题，使得掘进设备可按照正常掘进情况进行装机功率设计；当刀盘被卡或被困需要提升脱困扭矩时，通过离合器例如液体粘性离合器的分离功能将刀盘的负载与多速电机完全脱开，然后轻载启动多速电机至额定转速并带动蓄能部件如惯性飞轮高速旋转储存动能，最后通过动态调节液体粘性离合器油膜厚度，精确控制粘性扭矩的大小、惯性飞轮及多速电机能量的释放过程，实现掘进设备的刀盘脱困时所需的额外功率及大扭矩输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的掘进设备的立体结构示意图。
图2为图1中的掘进设备(去掉护筒)的另一视角的立体结构示意图。
图3为图1中的刀盘驱动装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明一实施例提供了一种掘进设备10例如为岩石、煤炭等的发掘设备，比如岩石隧道掘进机、全断面掘进机、盾构机等。典型地，掘进设备10可例如包括刀盘11、驱动支架12、刀盘驱动装置13以及护筒14，甚至其它辅助部件。
如图1和图2所示，刀盘11例如包括刀盘框架111、掘进刀具112。具体地，刀盘框架111例如为一圆形框架，其第一侧上设有掘进刀具112，用于连接并支撑掘进刀具112。掘进刀具112安装在刀盘框架111上，例如为可拆卸地安装在刀盘框架111的第一侧。掘进刀具112可例如为滚刀、刮刀或其它刀具，用于挖掘泥土和切割岩石等。
刀盘驱动装置13为刀盘11的动力来源和驱动设备。具体地，如图3所示，刀盘驱动装置13例如包括刀盘连接件131和连接刀盘连接件131的驱动机构132。刀盘连接件131上设置有齿圈1311和用于连接刀盘11的刀盘连接部(图中未示出)。刀盘连接部例如位于刀盘连接件131上的齿圈1311侧面。刀盘连接件131的齿圈1311可例如为内齿圈或外齿圈。刀盘连接部可例如为连接孔，或者螺纹孔等连接结构。刀盘驱动装置13例如可通过螺纹连接方式将刀盘连接件131连接到刀盘框架111上。驱动机构132的数量可以为多个，多个驱动机构132分布在刀盘连接件131的齿圈1311的圆周上。进一步地，多个驱动机构132均匀分布在刀盘连接件131的齿圈1311的圆周上。此处可以理解的是，当刀盘连接件131的齿圈1311为内齿圈时，多个驱动机构132可以分布在刀盘连接件131的齿圈1311的圆周的内侧且与内齿圈啮合；当刀盘连接件131为外齿圈时，多个驱动机构132可以分布在刀盘连接件131的齿圈1311的圆周的外侧且与外齿圈啮合。另外，多个驱动机构132的数量为偶数，例如2、4、6、8等，这样一来，刀盘连接件131的整个圆周上承受的载荷比较均匀，有利于减少因载荷分布不均产生的磨损、传动失效等问题。
承上述，如图3所示，每个驱动机构132例如包括：多速电机1321、蓄能部件1322、调速离合器1323、减速器1324和驱动齿轮1325。多速电机1321例如为可以多种转速旋转的电机，比如双速电机、三速电机等。蓄能部件1322连接多速电机1321比如连接多速电机1321的输出轴。蓄能部件1322例如是具有较大转动惯量的盘形零件，或其它可用于存蓄能量的部分，比如为惯性飞轮。调速离合器1323连接蓄能部件1322。具体地，调速离合器1323的输入轴连接蓄能部件1322。调速离合器1323可例如为无级调速离合器，比如液粘调速离合器，或其它具有无级调速功能的离合器。此处的液粘调速离合器也可采用现有技术中的液粘调速离合器，本发明不以此为限。减速器1324连接调速离合器1323，比如减速器1324的输入轴连接调速离合器1323的输出轴。典型地，减速器1324可例如为包括封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动等的减速传动装置。减速器1324还可例如为行星齿轮减速器。驱动齿轮1325连接减速器1324的输出轴，且与刀盘连接件131啮合。刀盘驱动装置13通过驱动齿轮1325与刀盘连接件131的啮合向刀盘11提供掘进动力。
护筒14连接驱动支架12且覆盖刀盘驱动装置13和驱动支架12，以对驱动支架进行支撑，且对驱动支架12和刀盘驱动装置13进行防护，以避免尘土进入刀盘驱动装置13从而发生故障，延长产品使用寿命和提升产品质量。
本发明实施例提供的掘进设备10的工作过程例如包括：
1)当掘进设备10正常掘进时，多速电机1321参与动力输出，没有动力源的闲置浪费，并且直接由调速离合器1323例如液体粘性调速离合器配合多速电机1321的变级调速来实现掘进设备10的刀盘11无级变速，以适应不同的地层条件，省去了现有技术中昂贵的变频电机、变频器、变频控制柜等机构，使得整个动力传递路线更加简单便捷、经济实用；
2)当刀盘11被卡需要脱困时，控制调速离合器1323例如液粘调速离合器主被动摩擦片分离，从而使得多速电机1321完全脱离刀盘11的负载。此时启动多速电机1321，使其稳定运行至额定最高转速，带动蓄能部件1322例如惯性飞轮高速旋转储存动能，然后通过精确、合理控制调速离合器1323例如液粘调速离合器的油膜厚度，使得蓄能部件1322配合多速电机1321同时出力。当多速电机1321转速下降至额定最低转速时，通过变级调速将多速电机1321调至低速大扭矩挡位，利用液粘调速离合器1323的“天然差速器”功能可以避免各个多速电机1321之间的“被加速”、“被减速”现象，实现了各个多速电机1321同时输出最大扭矩(扭矩总和等于各多速电机输出扭矩的线性叠加)，并且由于液粘调速离合器1323具有油膜的缓冲作用，相当于将原有的电机与刀盘连接件之间的刚性连接转换成柔性连接，可在有效控制系统冲击度的前提下瞬时输出大扭矩实现掘进设备10脱困。
因此，本发明实施例采用多速电机1321例如双速电机、三速电机甚至更多级速度电机，则可以通过多速电机1321本身的变级调速将调速范围大大缩小，然后利用调速离合器1323例如液体粘性调速离合器在小的变速范围内无级调速来适应不同类型的刀盘11的负载，从而大大减小其功率损失。此外，由于液体粘性离合器虽然具有无级变速的功能，但是当滑差较大时，滑差发热导致的功率损失也比较大。当刀盘负载的变速范围很大时，完全采用液体粘性调速离合器来调速会带来大的滑差功率损失。而本发明实施例采用多速电机(双速、三速甚至更多级速度)则可以通过多速电机本身的变级调速将调速范围大大缩小，然后利用液体粘性调速离合器在小的变速范围内无级调速来适应不同类型的刀盘负载，从而大大减小其滑差功率损失。正常掘进时，所有的多速电机参与动力输出，没有动力源的闲置浪费，并且直接由液体粘性调速离合器配合多速电机的变级调速来实现TBM刀盘的无级变速以适应不同的地层条件，省去了昂贵的变频电机、变频器、变频控制柜等机构。这使得整个动力传递路线更加简单便捷、经济实用。另外，当刀盘被卡需要脱困时，首先控制液粘调速离合器的主、被动摩擦片分离，从而使得多速电机完全脱离刀盘负载。此时启动多速电机，使其稳定运行至额定最高转速，带动惯性惯性飞轮等蓄能装置高速旋转储存动能，然后通过精确合理控制液粘调速离合器的油膜厚度，使得惯性惯性飞轮配合多速电机同时出力，当多速电机转速下降至额定最低转速时通过变级调速将多速电机调至低速大扭矩挡位，利用液粘调速离合器的“天然差速器”功能可以避免各个多速电机之间的“被加速”、“被减速”现象，实现了各个多速电机同时输出最大扭矩，并且由于液粘调速离合器具有油膜的缓冲作用，相当于将原有的电机与刀盘连接件的刚性连接变为柔性连接，可在有效控制系统冲击度的前提下瞬时输出大扭矩实现TBM脱困。再者，本发明实施例采用的这种方案，可按照正常掘进情况进行装机功率设计。当刀盘被卡需要提升脱困扭矩时，通过液体粘性离合器的分离功能将刀盘负载与多速电机完全脱开，然后轻载启动多速电机至额定转速并带动惯性惯性飞轮高速旋转储存动能；最后通过动态调节液体粘性离合器油膜厚度，精确控制粘性扭矩的大小、惯性飞轮及电机能量的释放过程，实现TBM刀盘脱困时所需的额外功率及大扭矩输出。正常掘进工况下，则利用液粘调速离合器的无级变速功能配合多速电机变速来适应不同地质参数类型的岩石。
综上所述，本发明实施例提供的刀盘驱动装置和驱动方案可很好地实现刀盘被困的问题，使得掘进设备可按照正常掘进情况进行装机功率设计；当刀盘被卡或被困需要提升脱困扭矩时，通过调速离合器例如液体粘性离合器的分离功能将刀盘的负载与多速电机完全脱开，然后轻载启动多速电机至额定转速并带动蓄能部件例如惯性飞轮高速旋转储存动能，最后通过动态调节液体粘性离合器油膜厚度，精确控制粘性扭矩的大小、惯性飞轮及电机能量的释放过程，实现掘进设备的刀盘脱困时所需的额外功率及大扭矩输出。正常掘进工况下，则利用液粘调速离合器的无级变速功能配合多速电机变速来适应不同地质参数类型的岩石。也即，本发明实施例提供的刀盘驱动装置和驱动方案，一方面引入调速离合器例如液体粘性离合器这种柔性传动环节，通过液粘调速离合器的油膜剪切力、粘性耦合作用来传递动力，避免启动瞬间刚性连接带来的系统冲击，另一方面利用蓄能部件如惯性飞轮的惯性和机械储能方式来提供额外能量实现脱困，不额外增加掘进设备装机功率。进一步地，为了兼顾效率高、经济性好的原则，采用“多速电机+调速离合器”替换昂贵的变频电机及变频控制柜，充分挖掘发挥出液粘调速离合器的无级变速功能，节约了成本。
此外，可以理解的是，前述各个实施例仅为本发明的示例性说明，在技术特征不冲突、结构不矛盾、不违背本发明的发明目的前提下，各个实施例的技术方案可以任意组合、搭配使用。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多路单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多路网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
