煤層盾構機驅動電機設計

李寶鋒

摘 要：本文介紹了TBM盾構機電機研發過程，重點介紹了電機極數的選擇、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化設計，為后續盾構機電機設計提供參考依據。

關鍵詞：盾構機；電機；極數；扭矩限位器；自鎖

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

0 引言

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

盾構機電機作為盾構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，為盾構機電機的國產化奠定基礎，該電機是專為掘進巖石的TBM盾構機系統量身定制。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、日常維護方便等優勢。

1 電機參數及要求

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，散熱情況相對風冷結構較差。因而該電機較風冷電機應選用較低磁負荷，不超過1.5T。

2.2 電機極數確定

該電機應用于地下掘進，由于地下地質結構復雜，無法預知，隨時可能發生電機過載或堵轉情況。為了保護電機和盾構系統電機要求設置過載保護裝置。保護裝置通常由穿過空心轉軸的扭矩軸來充當。這必將使得電機轉軸徑向尺寸

加大，即沖片內孔加大。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 電機機械結構確定

3.1 機座

該電機采用水冷機座，機座內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部熱量。

由于電機腔體內充滿冷卻水，當盾構機長時間停止運行時冷卻水就會銹蝕電機腔體，特別是當盾構機在高寒地區作業時電機腔體內的冷卻水會結冰膨脹，破壞電機腔體。為此必須在電機腔體上設置排水孔。當電機工作時將排水孔堵住，停轉時將水排出。

3.2 扭矩軸

傳統工礦電機保護裝置采用扭矩軸離合器裝置如圖1，該結構是由三部分組成，轉軸、扭矩軸以及空心軸和轉軸連接（內花鍵）部件組成。當電機過載時盾構機刀盤就會減速或停止不轉，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，當此扭矩增大到一定程度時扭矩軸就會在設計的危險截面（斷裂槽）處斷裂。斷裂后電機轉子就會和刀盤脫離，電機空轉。從而實現電機的保護作用。

但是該保護裝置有其固有的缺點。當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。扭矩限位器分為內圈和外圈，內圈與外圈通過扭矩銷連接，當電機運行時電機轉子以花鍵嚙合的型式帶動扭矩限位器外圈轉動，外圈通過扭矩銷連接帶動內圈轉動，內圈通過花鍵嚙合的型式帶動扭矩軸轉動從而傳遞扭矩。當電機過載時扭矩銷在承受的壓力超過設定值后就會斷裂，這時扭矩限位器外圈和內圈就會分離而打滑以實現電機保護。此結構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。當拆裝或檢查電纜時就要拆掉接線盒蓋板上的螺栓。盾構機一般是在地下作業，周圍環境昏暗復雜，當拆裝接線盒蓋板時螺栓經常掉落或者被遺漏。

如果螺栓掉落到盾構系統中將會對盾構系統造成不可預知的損害。為此該電機設計了接線盒螺栓自鎖裝置，如圖3。當拆卸螺栓時，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生，杜絕了安全隱患。

4 結束語

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.電機設計[M].機械工業出版社，2000.7.

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

[3] 成大先.機械設計手冊[M].化學工業出版社，2002.1.