CN108708918A - 盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置 - Google Patents

盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，包括主动部分和从动部分、设置在主动部分和从动部分之间的两个保护器单元、扭矩传递机构、轴承、连接件，保护器单元包括法兰、球窝、钢球、导向护套、挡圈钢球、螺纹外套、柱销、柱销螺帽、分离螺帽、护罩、碟簧、外挡圈、内挡圈、底座和O形圈，当扭矩过载保护装置传递的扭矩值在预设范围内时，通过碟簧将钢球卡在球窝里，当扭矩超过预设值时钢球迅速脱出，能够保护扭矩传递过程中重要的零部件，脱扣后钢球不会反复卡进球窝中，通过调整碟簧的工作压力能够调整钢球脱出时扭矩的预设值，从而实现能够调整脱扣扭矩的目的，使得过载保护装置适用范围很大。

Description

盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置
技术领域
本发明涉及一种过载保护装置，尤其涉及一种盾构机主驱动结构扭矩过载保护装置。
背景技术
扭矩过载保护结构用于进行扭矩限制或保护要求比较严苛的传动机构中，其设置在动力源和扭矩传递机构（减速机或齿轮等变速机构）之间，现有的盾构机主驱动结构扭矩限制或过载保护手段多种多样，根据其动力源驱动方式的不同，电机驱动的可以通过限制电流来进行控制，液压驱动的可以通过控制流体压力来进行控制，但上述两种控制形式不够直观，结果偏差较大，且瞬间峰值可能超出设定值，并且由于是采用了间接控制进行扭矩限制或过载保护的方式，因此容易出现人为影响或其它因素造成的失效。
此外，还有摩擦式、牙嵌式、剪切式、分离式机械过载保护装置，这些结构都有其明显的缺点：如剪切式，只能设定一个临界值，且不可调整，过载后即失效，失效后只能更换部件，成本较高；牙嵌式和摩擦式的控制精度不高，扭矩控制的值很不稳定，容易磨损失效；分离式机械过载保护装置扭矩限制形式导致在扭矩的临界值附近时会反复频繁分离、结合，极易造成扭矩限制机构的磨损、冲击大、控制精度不高。
发明内容
为了解决现有技术中盾构机主驱动结构扭矩过载保护装置精度低、调节范
围小、过载后恢复工作困难的缺点，本发明提供了一种盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，包括主动部分和从动部分、设置在主动部分和从动部分之间的两个保护器单元、扭矩传递机构、轴承、连接件，其中主动部分包括膨胀套和电机盘，动力源的输入轴与电机盘通过膨胀套紧固连接，使得主动部分与动力源同步旋转；从动部分为动力输出部件，包括互相连接的动力输出轴和花键套，在不发生脱扣的情况下随主动部分同步旋转，花键套通过连接件与扭矩传递机构连接，保护器单元设置在主动部分和从动部分之间，与电机盘和扭矩传递机构连接，用于传递扭矩和控制脱扣，保护器单元包括法兰、球窝、钢球、导向护套、挡圈钢球、螺纹外套、柱销、柱销螺帽、分离螺帽、护罩、碟簧、外挡圈、内挡圈、底座和O形圈，球窝设置在电机盘上，钢球的上方设有O形圈；碟簧套装在柱销上，一端抵顶外挡圈，螺纹外套与底座之间通过小螺距螺纹连接，底座上设有调节螺钉，通过旋动螺纹外套调整脱扣扭矩预设值；导向护套与柱销和底座接触，能够为柱销的移动进行导向；柱销螺帽套接在柱销的顶端，分离螺帽设置在柱销螺帽的外侧，分离螺帽的顶端与柱销螺帽之间存在一定的间隙，护罩设置在分离螺帽外侧，法兰上设有调节装置能够调节球窝的高度，在扭矩过载保护装置传递的扭矩未超过预设值时，碟簧所受挤压力作用在外挡圈上，外挡圈挤压挡圈钢球，挡圈钢球挤压柱销，柱销的一端抵顶钢球将钢球顶在球窝内；当扭矩过载保护器传递的扭矩超过预设值时，保护器单元的钢球从球窝中脱出，主动部分与从动部分分离，通过轴承实现相对旋转；护罩拆下后，旋动分离螺帽，分离螺帽会逐渐顶起柱销螺帽，带动柱销上移，实现手动脱扣。
优选地，挡圈钢球、外挡圈、内挡圈、柱销构成扭矩反应放大器，外挡圈、内挡圈上均有斜面，外挡圈为楔形，柱销上设置有锥面，挡圈钢球分别与斜面和锥面接触；
优选地，外挡圈、内挡圈、挡圈钢球设置有一组、两组或三组；
优选地，碟簧设置在螺纹外套和柱销之间的间隙中；
优选地，螺纹外套的外周表面设有刻度值，通过调整刻度值调整脱扣扭矩预设值；
优选地，螺纹外套的外周表面设有20个刻度值；
优选地，扭矩预设值的范围分别为0-2000 N·m、0-4000 N·m、0-6000 N·m；
优选地，护罩的下端与螺纹外套接触；
优选地，过载保护装置的外形尺寸为φ340mm×190 mm；
此外，本发明还提供了一种利用盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置进行扭矩过载保护及调整脱扣扭矩的方法，包括以下步骤：
1）当扭矩过载保护装置传递的扭矩值未超过预设值时，通过碟簧压住钢球，将钢球卡在球窝里；
2）钢球卡在球窝里时所受的力有三个，一个是碟簧的弹力，方向为沿着柱销的轴向方向向下，第二个是主动部分与从动部分之间传递的扭力，方向为水平方向，第三个是球窝对钢球的支反力；
3）随着扭力的增大，支反力的方向变化α角度时，钢球受力达到临界平衡，扭力继续增大时钢球脱出；
4）钢球开始脱出时，α角很快变大，钢球快速脱离球窝；
5）通过调整碟簧的工作压力调整钢球脱出时扭矩的预设值；
6）排除过载问题后手动推动柱销螺帽进行复位。
本发明的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，当扭矩过载保护装置传递的扭矩值在预设范围内时，通过碟簧压住钢球，将钢球卡在球窝里，钢球所受的力有三个，一个是碟簧的弹力，方向为沿着柱销的轴向方向向下，第二个是主动部分与从动部分之间传递的扭力，方向为水平方向，第三个是球窝对钢球的支反力，钢球与球窝的接触面为球面与锥面的圆形环线，钢球停留在球窝中时，钢球所受合力为零，即三力平衡。支反力的方向随着扭力的变化而变化，始终保证与弹力、扭力的合力大小相等，方向相反。随着扭力的增大，支反力的方向变化α角度时，钢球受力达到一个临界平衡；只要扭力再增大一点，钢球就会脱出；钢球开始脱出时，α角就会很快变大，也就是说钢球会变得更容易脱出，即一旦钢球开始脱出就会快速脱离球窝，因而当传递的力矩超过预设值时钢球迅速脱出，从而能够保护扭矩传递过程中重要的零部件。
在传递的扭矩超过预设值时，保护器单元中随着钢球脱出，钢球在导向护套的作用下只能向上移动，推动柱销上移，柱销上移后挡圈钢球向上移动同时沿着内挡圈的斜面向外移动，随着柱销的上移，碟簧的弹力逐渐由内挡圈来承担，则对柱销的作用逐渐减小；当挡圈钢球移动至柱销锥面的边缘时，碟簧对柱销的作用锐减，当柱销与钢球的接触面变为柱销的外圆柱面时，碟簧对柱销的轴向向下的力消失，钢球脱出的过程中碟簧的压缩量变化不大，钢球脱离过程中剪力急剧减小，使得整个机构在扭矩过载时反应迅速灵敏；钢球脱扣后柱销无轴向力，而钢球会被O型圈挡住，不会掉落下来，这样一旦脱扣，从动部分与主动部分完全分离，钢球不会反复卡进球窝中，极大的提高了使用寿命；待排除过载问题后手动推动柱销螺帽即可快速复位，恢复正常工作，操作极为简便。
本发明通过调整碟簧的工作压力能够调整钢球脱出时扭矩的预设值，从而实现能够调整脱扣扭矩的目的；脱扣后扭矩传递断开，过载保护装置的一部分随动力源空转，另一部分则随着动力输出部件不动；在脱扣状态时钢球不会卡在球窝里，能够防止磨损；本发明的过载保护装置通过设计的小螺距螺纹调整结构，可以精确的调整脱扣扭矩，使得过载保护装置脱扣扭矩具有很大的调整范围，因而适用范围很大。
附图说明
图1为本发明的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置示意图；
图2为本发明的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置保护器单元示意图；
图3为本发明的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置钢球受力示意图；
图4为本发明的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置挡圈钢球的受力示意图；
图5为钢球脱出过程中碟簧的压缩量变化示意图；
图6为钢球的位移和所受剪切力Fn的示意图。
图中所示： 1、保护器单元，2、扭矩传递机构，3、轴承，4、膨胀套，5、电机盘，6、动力源的输入轴，7、动力输出轴，8、花键套，9、法兰，10、球窝，11、钢球，12、导向护套，13、挡圈钢球，14、螺纹外套，15、柱销，16、柱销螺帽，17、分离螺帽，18、护罩，19、碟簧，20、外挡圈，21、内挡圈，22、底座，23、O形圈，24、调节装置。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
如图1-6所示，本发明提供了本发明提供了一种盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，包括主动部分和从动部分、设置在主动部分和从动部分之间的两个保护器单元1、扭矩传递机构2、轴承3、连接件，其中主动部分包括膨胀套4和电机盘5，动力源的输入轴6与电机盘5通过膨胀套4紧固连接，使得主动部分与动力源同步旋转；从动部分为动力输出部件，包括互相连接的动力输出轴7和花键套8，在不发生脱扣的情况下随主动部分同步旋转，花键套8通过连接件与扭矩传递机构2连接，保护器单元设置在主动部分和从动部分之间，与电机盘5和扭矩传递机构2连接，用于传递扭矩和控制脱扣，保护器单元包括法兰9、球窝10、钢球11、导向护套12、挡圈钢球13、螺纹外套14、柱销15、柱销螺帽16、分离螺帽17、护罩18、碟簧19、外挡圈20、内挡圈21、底座22和O形圈23，球窝10设置在电机盘5上，钢球11的上方设有O形圈23；碟簧19套装在柱销15上，一端抵顶外挡圈20，螺纹外套14与底座22之间通过小螺距螺纹连接，底座22上设有调节螺钉，通过旋动螺纹外套14调整脱扣扭矩预设值；导向护套12与柱销15和底座22接触，能够为柱销15的移动进行导向；柱销螺帽16套接在柱销15的顶端，分离螺帽17设置在柱销螺帽16的外侧，分离螺帽17的顶端与柱销螺帽16之间存在一定的间隙，护罩18设置在分离螺帽17外侧，法兰9上设有调节装置24能够调节球窝的高度，在扭矩过载保护装置传递的扭矩未超过预设值时，碟簧19所受挤压力作用在外挡圈20上，外挡圈20挤压挡圈钢球13，挡圈钢球13挤压柱销15，柱销15的一端抵顶钢球11将钢球11顶在球窝10内；当扭矩过载保护器传递的扭矩超过预设值时，保护器单元的钢球11从球窝10中脱出，主动部分与从动部分分离，通过轴承3实现相对旋转；护罩18拆下后，旋动分离螺帽17，分离螺帽17会逐渐顶起柱销螺帽16，带动柱销15上移，实现手动脱扣。
优选地，挡圈钢球13、外挡圈20、内挡圈21、柱销15构成扭矩反应放大器，外挡圈20、内挡圈21上均有斜面，外挡圈20为楔形，柱销15上设置有锥面，挡圈钢球13分别与斜面和锥面接触；
优选地，外挡圈20、内挡圈21、挡圈钢球13设置有一组、两组或三组；
优选地，碟簧19设置在螺纹外套14和柱销15之间的间隙中；
优选地，螺纹外套14的外周表面设有刻度值，通过调整刻度值调整脱扣扭矩预设值；
优选地，螺纹外套14的外周表面设有20个刻度值；
优选地，扭矩预设值的范围分别为0-2000 N·m、0-4000 N·m、0-6000 N·m；
优选地，护罩18的下端与螺纹外套14接触；
优选地，过载保护装置的外形尺寸为φ340mm×190 mm；
此外，本发明还提供了一种利用盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置进行扭矩过载保护及调整脱扣扭矩的方法，包括以下步骤：
1）当扭矩过载保护装置传递的扭矩值未超过预设值时，通过碟簧19压住钢球11，将钢球11卡在球窝10里；
2）钢球11卡在球窝10里时所受的力有三个，一个是碟簧19的弹力F弹，方向为沿着柱销15的轴向方向向下，第二个是主动部分与从动部分之间传递的扭力F扭，方向为水平方向，第三个是球窝10对钢球11的支反力F支；
3）随着扭力F扭的增大，支反力F支的方向变化α角度时，钢球11受力达到临界平衡，扭力F扭继续增大时钢球11脱出；
4）钢球11开始脱出时，α角很快变大，钢球11快速脱离球窝10；
5）通过调整碟簧19的工作压力调整钢球11脱出时扭矩的预设值；
6）排除过载问题后手动推动柱销螺帽16进行复位。
本发明的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，当扭矩过载保护装置传递的扭矩值在预设范围内时，通过碟簧压住钢球，将钢球卡在球窝里，当传递的力矩超过预设值时钢球迅速脱出，从而能够保护扭矩传递过程中重要的零部件；在扭矩过载时反应迅速灵敏，脱扣后钢球不会反复卡进球窝中，极大的提高了使用寿命；待排除过载问题后手动推动柱销螺帽即可快速复位，恢复正常工作，操作极为简便；并且通过调整碟簧的工作压力能够调整钢球脱出时扭矩的预设值，从而实现能够调整脱扣扭矩的目的；使得过载保护装置脱扣扭矩具有很大的调整范围，因而适用范围很大。
以上所述，仅为本发明的优选实施例，不能解释为以此限定本发明的范围，凡在本发明的权利要求书要求保护的范围内所做出的等同的变形和改变的实施方式均在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，包括主动部分和从动部分、设置在主动部分和从动部分之间的两个保护器单元、扭矩传递机构、轴承、连接件，其中主动部分包括膨胀套和电机盘，动力源的输入轴与电机盘通过膨胀套紧固连接，使得主动部分与动力源同步旋转；从动部分为动力输出部件，包括互相连接的动力输出轴和花键套，在不发生脱扣的情况下随主动部分同步旋转，花键套通过连接件与扭矩传递机构连接，保护器单元设置在主动部分和从动部分之间，与电机盘和扭矩传递机构连接，用于传递扭矩和控制脱扣，保护器单元包括法兰、球窝、钢球、导向护套、挡圈钢球、螺纹外套、柱销、柱销螺帽、分离螺帽、护罩、碟簧、外挡圈、内挡圈、底座和O形圈，球窝设置在电机盘上，钢球的上方设有O形圈；碟簧套装在柱销上，一端抵顶外挡圈，螺纹外套与底座之间通过小螺距螺纹连接，底座上设有调节螺钉，通过旋动螺纹外套调整脱扣扭矩预设值；导向护套与柱销和底座接触，能够为柱销的移动进行导向；柱销螺帽套接在柱销的顶端，分离螺帽设置在柱销螺帽的外侧，分离螺帽的顶端与柱销螺帽之间存在一定的间隙，护罩设置在分离螺帽外侧，法兰上设有调节装置能够调节球窝的高度，在扭矩过载保护装置传递的扭矩未超过预设值时，碟簧所受挤压力作用在外挡圈上，外挡圈挤压挡圈钢球，挡圈钢球挤压柱销，柱销的一端抵顶钢球将钢球顶在球窝内；当扭矩过载保护器传递的扭矩超过预设值时，保护器单元的钢球从球窝中脱出，主动部分与从动部分分离，通过轴承实现相对旋转；护罩拆下后，旋动分离螺帽，分离螺帽会逐渐顶起柱销螺帽，带动柱销上移，实现手动脱扣。
2.根据权利要求1所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：挡圈钢球、外挡圈、内挡圈、柱销构成扭矩反应放大器，外挡圈、内挡圈上均有斜面，外挡圈为楔形，柱销上设置有锥面，挡圈钢球分别与斜面和锥面接触。
3.根据权利要求1所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：外挡圈、内挡圈、挡圈钢球设置有一组、两组或三组。
4.根据权利要求1所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：碟簧设置在螺纹外套和柱销之间的间隙中。
5.根据权利要求1所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：螺纹外套的外周表面设有刻度值，通过调整刻度值调整脱扣扭矩预设值。
6.根据权利要求5所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：螺纹外套的外周表面设有20个刻度值。
7.根据权利要求5所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：扭矩预设值的范围分别为0-2000N·m、0-4000N·m、0-6000N·m。
8.根据权利要求1所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：护罩的下端与螺纹外套接触。
9.根据权利要求1所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置，其特征在于：过载保护装置的外形尺寸为φ340mm×190 mm。
10.一种利用权利要求1-9之一所述的盾构机主驱动结构机械式扭矩过载保护装置进行扭矩过载保护及调整脱扣扭矩的方法，包括以下步骤：
1）当扭矩过载保护装置传递的扭矩值未超过预设值时，通过碟簧压住钢球，将钢球卡在球窝里；
2）钢球卡在球窝里时所受的力有三个，一个是碟簧的弹力，方向为沿着柱销的轴向方向向下，第二个是主动部分与从动部分之间传递的扭力，方向为水平方向，第三个是球窝对钢球的支反力；
3）随着扭力的增大，支反力的方向变化α角度时，钢球受力达到临界平衡，扭力继续增大时钢球脱出；
4）钢球开始脱出时，α角很快变大，钢球快速脱离球窝；
5）通过调整碟簧的工作压力调整钢球脱出时扭矩的预设值；
6）排除过载问题后手动推动柱销螺帽进行复位。
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