煤層盾構(gòu)機驅(qū)動電機設(shè)計

李寶鋒

摘 要：本文介紹了TBM盾構(gòu)機電機研發(fā)過程，重點介紹了電機極數(shù)的選擇、機座冷卻方式的確定、電機保護裝置及接線盒自鎖裝置的優(yōu)化設(shè)計，為后續(xù)盾構(gòu)機電機設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；電機；極數(shù)；扭矩限位器；自鎖

中圖分類號： TH11 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）14-186-2

0 引言

盾構(gòu)機是一種通過刀盤旋轉(zhuǎn)切割地下巖土層，自動鋪設(shè)管片最終一次成形隧道的系統(tǒng)裝置。其廣泛應(yīng)用于地鐵隧道及其它工程隧道掘進中。盾構(gòu)機刀盤主要由液壓泵或變頻電機提供驅(qū)動力。目前變頻電機驅(qū)動相對于液壓驅(qū)動憑借其成本低，安裝及調(diào)速方便，高效率，大扭矩，綠色環(huán)保等優(yōu)勢已然成為為盾構(gòu)機提供驅(qū)動力的主力軍。

盾構(gòu)機電機作為盾構(gòu)機的核心部件起先都是由德國、瑞士等國家原裝提供。該電機的研制將打破這一壟斷，為盾構(gòu)機電機的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)，該電機是專為掘進巖石的TBM盾構(gòu)機系統(tǒng)量身定制。相對于其它同類電機其具有扭矩大、過載能力強、恒功范圍寬、日常維護方便等優(yōu)勢。

1 電機參數(shù)及要求

額定功率：315kW

額定電壓：690V

恒功范圍：892r/min-2230 r/min

最大牽引力：6000N·m

使用工況：地下巖石掘進（TBM）

脫困扭矩：1.5倍起動扭矩

2 電氣性能確定

2.1 磁負荷確定

該電機要求長時間運行在多粉塵、泥漿的惡劣環(huán)境下，因而電機防護等級要求IP55。電機散熱主要靠機殼冷卻，散熱情況相對風(fēng)冷結(jié)構(gòu)較差。因而該電機較風(fēng)冷電機應(yīng)選用較低磁負荷，不超過1.5T。

2.2 電機極數(shù)確定

該電機應(yīng)用于地下掘進，由于地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法預(yù)知，隨時可能發(fā)生電機過載或堵轉(zhuǎn)情況。為了保護電機和盾構(gòu)系統(tǒng)電機要求設(shè)置過載保護裝置。保護裝置通常由穿過空心轉(zhuǎn)軸的扭矩軸來充當(dāng)。這必將使得電機轉(zhuǎn)軸徑向尺寸

加大，即沖片內(nèi)孔加大。在沖片外圓不變的情況下電機軛

部變窄。相對4極電機6極電機軛部較窄，為此電機采用6極。

3 電機機械結(jié)構(gòu)確定

3.1 機座

該電機采用水冷機座，機座內(nèi)筒與外筒之間由筋板形成“S”型水道，冷卻水由入口流入在一定壓力下由出口流出帶走電機內(nèi)部熱量。

由于電機腔體內(nèi)充滿冷卻水，當(dāng)盾構(gòu)機長時間停止運行時冷卻水就會銹蝕電機腔體，特別是當(dāng)盾構(gòu)機在高寒地區(qū)作業(yè)時電機腔體內(nèi)的冷卻水會結(jié)冰膨脹，破壞電機腔體。為此必須在電機腔體上設(shè)置排水孔。當(dāng)電機工作時將排水孔堵住，停轉(zhuǎn)時將水排出。

3.2 扭矩軸

傳統(tǒng)工礦電機保護裝置采用扭矩軸離合器裝置如圖1，該結(jié)構(gòu)是由三部分組成，轉(zhuǎn)軸、扭矩軸以及空心軸和轉(zhuǎn)軸連接（內(nèi)花鍵）部件組成。當(dāng)電機過載時盾構(gòu)機刀盤就會減速或停止不轉(zhuǎn)，這時電機在電磁場作用下仍然輸出扭矩。這樣扭矩軸兩端就會形成一對反向的扭矩，當(dāng)此扭矩增大到一定程度時扭矩軸就會在設(shè)計的危險截面（斷裂槽）處斷裂。斷裂后電機轉(zhuǎn)子就會和刀盤脫離，電機空轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)電機的保護作用。

但是該保護裝置有其固有的缺點。當(dāng)扭矩軸斷裂后需要重新更換扭矩軸。此扭矩軸材料為高強度合金鋼40CrNiMoA，材料及加工成本較高。另外由于電機以端面定位固定，離合器安裝時要從另外一端伸入，如果電機軸向長度過長扭矩軸與盾構(gòu)機減速齒輪對中較為困難。為此該電機采用一種全新保護裝置，即用SAFESET扭矩限位器（型號ST-KB 100/125/140）保護電機，如圖2。扭矩限位器分為內(nèi)圈和外圈，內(nèi)圈與外圈通過扭矩銷連接，當(dāng)電機運行時電機轉(zhuǎn)子以花鍵嚙合的型式帶動扭矩限位器外圈轉(zhuǎn)動，外圈通過扭矩銷連接帶動內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，內(nèi)圈通過花鍵嚙合的型式帶動扭矩軸轉(zhuǎn)動從而傳遞扭矩。當(dāng)電機過載時扭矩銷在承受的壓力超過設(shè)定值后就會斷裂，這時扭矩限位器外圈和內(nèi)圈就會分離而打滑以實現(xiàn)電機保護。此結(jié)構(gòu)較離合器裝置更先進、更方便、過載時不需要更換扭矩軸，只需要更換扭矩銷，維護成本大大降低。

3.3 接線盒確定

傳統(tǒng)工礦電機接線盒通常是由若干個螺栓將接線盒蓋板固定在接線盒上。當(dāng)拆裝或檢查電纜時就要拆掉接線盒蓋板上的螺栓。盾構(gòu)機一般是在地下作業(yè)，周圍環(huán)境昏暗復(fù)雜，當(dāng)拆裝接線盒蓋板時螺栓經(jīng)常掉落或者被遺漏。

如果螺栓掉落到盾構(gòu)系統(tǒng)中將會對盾構(gòu)系統(tǒng)造成不可預(yù)知的損害。為此該電機設(shè)計了接線盒螺栓自鎖裝置，如圖3。當(dāng)拆卸螺栓時，螺栓脫離接線盒時仍與接線盒蓋板連接，解決了螺栓掉落事件的發(fā)生，杜絕了安全隱患。

4 結(jié)束語

該電機的研制滿足了IP55等級電機溫升低，降溫效果好的要求。并優(yōu)化了電機保護裝置，解決了電機螺栓掉落的問題，保證了電機的可靠運行。

參 考 文 獻

[1] 陳世坤.電機設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社，2000.7.

[2] 黃國治，季杏法，彭友元.中小型電機設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社，1994.7.

[3] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002.1.