煤层盾构机驱动电机设计

李宝锋

摘 要：本文介绍了TBM盾构机电机研发过程，重点介绍了电机极数的选择、机座冷却方式的确定、电机保护装置及接线盒自锁装置的优化设计，为后续盾构机电机设计提供参考依据。

关键词：盾构机；电机；极数；扭矩限位器；自锁

中图分类号： TH11 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）14-186-2

0 引言

盾构机是一种通过刀盘旋转切割地下岩土层，自动铺设管片最终一次成形隧道的系统装置。其广泛应用于地铁隧道及其它工程隧道掘进中。盾构机刀盘主要由液压泵或变频电机提供驱动力。目前变频电机驱动相对于液压驱动凭借其成本低，安装及调速方便，高效率，大扭矩，绿色环保等优势已然成为为盾构机提供驱动力的主力军。

盾构机电机作为盾构机的核心部件起先都是由德国、瑞士等国家原装提供。该电机的研制将打破这一垄断，为盾构机电机的国产化奠定基础，该电机是专为掘进岩石的TBM盾构机系统量身定制。相对于其它同类电机其具有扭矩大、过载能力强、恒功范围宽、日常维护方便等优势。

1 电机参数及要求

额定功率：315kW

额定电压：690V

恒功范围：892r/min-2230 r/min

最大牵引力：6000N·m

使用工况：地下岩石掘进（TBM）

脱困扭矩：1.5倍起动扭矩

2 电气性能确定

2.1 磁负荷确定

该电机要求长时间运行在多粉尘、泥浆的恶劣环境下，因而电机防护等级要求IP55。电机散热主要靠机壳冷却，散热情况相对风冷结构较差。因而该电机较风冷电机应选用较低磁负荷，不超过1.5T。

2.2 电机极数确定

该电机应用于地下掘进，由于地下地质结构复杂，无法预知，随时可能发生电机过载或堵转情况。为了保护电机和盾构系统电机要求设置过载保护装置。保护装置通常由穿过空心转轴的扭矩轴来充当。这必将使得电机转轴径向尺寸

加大，即冲片内孔加大。在冲片外圆不变的情况下电机轭

部变窄。相对4极电机6极电机轭部较窄，为此电机采用6极。

3 电机机械结构确定

3.1 机座

该电机采用水冷机座，机座内筒与外筒之间由筋板形成“S”型水道，冷却水由入口流入在一定压力下由出口流出带走电机内部热量。

由于电机腔体内充满冷却水，当盾构机长时间停止运行时冷却水就会锈蚀电机腔体，特别是当盾构机在高寒地区作业时电机腔体内的冷却水会结冰膨胀，破坏电机腔体。为此必须在电机腔体上设置排水孔。当电机工作时将排水孔堵住，停转时将水排出。

3.2 扭矩轴

传统工矿电机保护装置采用扭矩轴离合器装置如图1，该结构是由三部分组成，转轴、扭矩轴以及空心轴和转轴连接（内花键）部件组成。当电机过载时盾构机刀盘就会减速或停止不转，这时电机在电磁场作用下仍然输出扭矩。这样扭矩轴两端就会形成一对反向的扭矩，当此扭矩增大到一定程度时扭矩轴就会在设计的危险截面（断裂槽）处断裂。断裂后电机转子就会和刀盘脱离，电机空转。从而实现电机的保护作用。

但是该保护装置有其固有的缺点。当扭矩轴断裂后需要重新更换扭矩轴。此扭矩轴材料为高强度合金钢40CrNiMoA，材料及加工成本较高。另外由于电机以端面定位固定，离合器安装时要从另外一端伸入，如果电机轴向长度过长扭矩轴与盾构机减速齿轮对中较为困难。为此该电机采用一种全新保护装置，即用SAFESET扭矩限位器（型号ST-KB 100/125/140）保护电机，如图2。扭矩限位器分为内圈和外圈，内圈与外圈通过扭矩销连接，当电机运行时电机转子以花键啮合的型式带动扭矩限位器外圈转动，外圈通过扭矩销连接带动内圈转动，内圈通过花键啮合的型式带动扭矩轴转动从而传递扭矩。当电机过载时扭矩销在承受的压力超过设定值后就会断裂，这时扭矩限位器外圈和内圈就会分离而打滑以实现电机保护。此结构较离合器装置更先进、更方便、过载时不需要更换扭矩轴，只需要更换扭矩销，维护成本大大降低。

3.3 接线盒确定

传统工矿电机接线盒通常是由若干个螺栓将接线盒盖板固定在接线盒上。当拆装或检查电缆时就要拆掉接线盒盖板上的螺栓。盾构机一般是在地下作业，周围环境昏暗复杂，当拆装接线盒盖板时螺栓经常掉落或者被遗漏。

如果螺栓掉落到盾构系统中将会对盾构系统造成不可预知的损害。为此该电机设计了接线盒螺栓自锁装置，如图3。当拆卸螺栓时，螺栓脱离接线盒时仍与接线盒盖板连接，解决了螺栓掉落事件的发生，杜绝了安全隐患。

4 结束语

该电机的研制满足了IP55等级电机温升低，降温效果好的要求。并优化了电机保护装置，解决了电机螺栓掉落的问题，保证了电机的可靠运行。

参 考 文 献

[1] 陈世坤.电机设计[M].机械工业出版社，2000.7.

[2] 黄国治，季杏法，彭友元.中小型电机设计手册[M].机械工业出版社，1994.7.

[3] 成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2002.1.