CN114263712B - 一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，安装在掘进机主电机和主驱箱之间，高、低速模式下减速比分别为30和55，可通过液压离合器控制直接进行模式切换，具有切换方便的特点；在低速模式下，可将设备脱困转矩提升1.8倍。通过实际工程验证，硬岩掘进机上安装双速差动式行星齿轮箱可大大提高敞开式硬岩掘进机在软弱破碎围岩地质条件下的脱困能力。

Description

一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱

技术领域

本发明涉及的是一种行星齿轮箱结构，特别是一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱。

背景技术

隧道掘进机是一种利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的隧道施工机械，其中用于软土地层的称为盾构机，用于岩石地层的称为硬岩掘进机。硬岩掘进机能够完成掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等***集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中应用正在迅猛增长。由于硬岩地质条件复杂，硬岩掘进机经常遇到刀盘脱困转矩不足导致设备卡机的情况，传统的硬岩掘进机已无法满足当前的施工需求，特别是主驱动结构迫切需要进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有硬岩掘进机结构存在的上述缺陷，为提高刀盘驱动***脱困转矩，满足硬岩掘进机在破碎围岩条件下掘进的需要，提出一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱。

本发明的技术解决方案：一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，其结构包括第一离合器、第一内齿圈、一级行星架、一、二级共用太阳轮、第二离合器、第二内齿圈、二级行星部件、三级行星部件、壳体、连接法兰、四级行星部件、输出轴承座；其中所述壳体整体呈圆筒形，所述输出轴承座通过所述连接法兰安装于所述壳体的左侧，所述输出轴承座的右侧中心设有轴承，所述轴承的末端与所述一、二级共用太阳轮的一端连接，所述一、二级共用太阳轮的另一端通过固定座安装于所述壳体的右侧底面上；所述一级行星架和二级行星部件从右至左依次安装于所述一、二级共用太阳轮的外侧，所述三级行星部件和四级行星部件从右至左依次安装于所述输出轴承座的轴承上；所述第一内齿圈加装于所述一级行星架的外侧，其外部设有第一离合器；所述第二内齿圈加装于所述二级行星部件的外侧，其外部设有第二离合器。

进一步的，所述一、二级共用太阳轮的固定座外侧设有驻车制动器，所述驻车制动器通过管道连接设于所述壳体侧面的驻车制动器液压油接口，所述驻车制动器内部的摩擦片紧贴所述固定座外表面设置。

进一步的，所述壳体的内侧中部设有螺旋冷却水槽，水槽数为5条，每条水槽宽度为14mm；所述螺旋冷却水槽的进水口连接设于所述壳体侧面的冷却水进水口，所述螺旋冷却水槽的出水口连接设于所述壳体侧面的冷却水出水口。

进一步的，所述输出轴承座的轴承表面设有铬涂层硬化膜，所述轴承从右至左分为第一级和第二级，所述三级行星部件安装于所述第一级轴承的底部，所述四级行星部件安装于所述第二级轴承的底部。

进一步的，所述二级行星部件、三级行星部件和四级行星部件的整体结构包括太阳轮、齿圈、行星架、行星轮和滚子轴承；其中太阳轮设于轴承外表面，齿数为18，行星架设于太阳轮的外侧，4个齿数为20的行星轮设于太阳轮的外圈，并通过滚子轴承安装于行星架的表面，滚子轴承表面同样采用黑化处理；环形的齿圈设于4个行星轮的外侧，其内侧设有与行星轮相配合的内齿，齿数为60。

进一步的，所述第一离合器通过管道连接设于所述壳体侧面的第一离合器液压油口，所述第一离合器内部的摩擦片紧贴所述第一内齿圈外表面设置；所述第二离合器通过管道连接设于所述壳体侧面的第二离合器液压油口，所述第二离合器内部的摩擦片紧贴所述第二内齿圈外表面设置；所述第一离合器和第二离合器之间通过活塞缸连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）通过液压活塞缸操控换挡离合器摩擦片的开闭，实现行星差动机构的内齿轮自由度的限制与解除限制，从而实现30和55两种不同速比的输出；

2）行星齿轮箱内置轴向螺旋冷却水槽，通过对水道数、水道宽度、冷却水速、冷却水温等一系列影响因素的试验和调整，确定螺旋水槽数量控制在5条，冷却水温在35℃以下，水道宽度控制在14mm左右，冷却水速控制在30L/min左右，保证齿轮箱在30速比工况下的散热需求；

3）采用非均布行星轮结构，在同样的空间内能布置比均布结构更多的齿数行星轮，从而提高齿轮传动的承载力，增大齿轮模数，减小齿轮箱外形尺寸；齿轮齿数的选择不受限制，在任意的齿轮情况下都能满足装配要求；同时行星轮以组为单位均布，行星轮系的作用合力为零，质量偏心距为零，可以部分抵消行星轮对行星架的作用力。

4）行星轮轴承采用齿轮轴承复合技术，即行星轮内孔渗碳淬火后超精磨削当作轴承外圈使用，轴承本身不设置外圈，表面进行黑化处理，经过黑化处理的轴承表面形成一层光亮硬化膜，不仅具有耐磨的优点，可以防止轴承在轻载情况下产生滑动磨损，还具有耐腐蚀的特点，在潮湿的环境下确保其不会产生锈蚀，有效延长轴承的使用寿命；

5）行星齿轮箱内置多摩擦片式驻车制动器，保证停机状态下掘进机刀盘不会因外力作用旋转引发安全事故。

附图说明

附图1是本发明液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱的结构剖视图。

附图2是行星齿轮箱换挡部件的内部结构示意图。

附图3是壳体内部螺旋冷却水槽的结构示意图。

附图4是行星部件的结构示意图。

附图5是行星轮角度分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”等表次序的词语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1~图2所示的液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，其结构包括第一离合器2、第一内齿圈3、一级行星架4、一、二级共用太阳轮5、第二离合器6、第二内齿圈7、二级行星部件9、三级行星部件10、壳体11、连接法兰12、四级行星部件13、输出轴承座14；其中壳体11整体呈圆筒形，输出轴承座14通过连接法兰12安装于壳体11的左侧，输出轴承座14的右侧中心设有轴承，轴承的末端与一、二级共用太阳轮5的一端连接，一、二级共用太阳轮5的另一端通过固定座安装于壳体11的右侧底面上；一级行星架4和二级行星部件9从右至左依次安装于一、二级共用太阳轮5的外侧，三级行星部件10和四级行星部件13从右至左依次安装于输出轴承座14的轴承上；第一内齿圈3加装于一级行星架4的外侧，其外部设有第一离合器2；第二内齿圈7加装于二级行星部件9的外侧，其外部设有第二离合器6。

所述一、二级共用太阳轮5的固定座外侧设有驻车制动器1，驻车制动器1通过管道连接设于壳体11侧面的驻车制动器液压油接口B1，驻车制动器1内部的摩擦片紧贴固定座外表面设置。

如图3所示，所述壳体11的内侧中部设有螺旋冷却水槽8，水槽数为5条；螺旋冷却水槽8的进水口连接设于壳体11侧面的冷却水进水口B2，螺旋冷却水槽8的出水口连接设于壳体11侧面的冷却水出水口B3。

所述输出轴承座14的轴承采用特殊的黑化涂层，轴承从右至左分为第一级和第二级，三级行星部件10安装于第一级轴承的底部，四级行星部件13安装于第二级轴承的底部。各级行星部件的行星轮内孔渗碳淬火后超精磨削，作为轴承外圈使用，轴承本身不设置外圈，其表面进行黑化处理，经过黑化处理的轴承表面形成一层光亮硬化膜。该涂层主要为柱状结构的铬涂层，厚度约1~3微米，硬度约1000HV。该硬化膜不仅具有耐磨的优点，可以防止轴承在轻载情况下产生滑动磨损，还具有耐腐蚀的特点，在潮湿的环境下确保其不会产生锈蚀，有效延长轴承的使用寿命。

所述第一离合器2通过管道连接设于壳体11侧面的第一离合器液压油口B4，第一离合器2内部的摩擦片紧贴第一内齿圈3外表面设置；第二离合器6通过管道连接设于壳体11侧面的第二离合器液压油口B5，第二离合器6内部的摩擦片紧贴第二内齿圈7外表面设置；第一离合器2和第二离合器6之间通过活塞缸连接。

如图4所示，为行星部件（二级行星部件9、三级行星部件10和四级行星部件13）的整体结构示意图，其结构包括太阳轮X1、齿圈X2、行星架X3、行星轮X4和滚子轴承X5；其中太阳轮X1设于轴承外表面，齿数为18，行星架X3设于太阳轮X1的外侧，4个齿数为20的行星轮X4设于太阳轮X1的外圈，并通过滚子轴承X5安装于行星架X3的表面，滚子轴承X5表面同样采用黑化处理；环形的齿圈X2设于4个行星轮X4的外侧，其内侧设有与行星轮X4相配合的内齿，齿数为60。

在同样的空间内，非均布行星轮结构能布置比均布结构更多的齿数行星轮，从而提高齿轮传动的承载力；齿轮齿数的选择不受限制，在任意的齿轮情况下都能满足装配要求。同时行星轮以组为单位均布，行星轮系的作用合力为零，质量偏心距为零，可以部分抵消行星轮对行星架的作用力。本发明采用太阳轮齿数为18，行星轮齿数为20，齿圈内齿数为60，行星轮个数为4的非均布行星轮结构，考虑不平衡力影响因素，取接近均布结构时的正整数，具体行星轮角度分布如图5所示。

行星齿轮箱内置轴向螺旋冷却水槽目的是加强其散热能力，使齿轮箱内部温度低于85℃。但影响轴向螺旋水槽的散热能力的因素众多，为了评估水槽的散热能力，下面结合螺旋水槽的结构、冷却水的速度和温度对轴向螺旋水槽的散热能力进行数值模拟计算。

（一）不同水槽数轴向螺旋型水槽分析

水槽数决定换热面积大小，建立不同水槽数的轴向螺旋型水槽冷却***的模型，将水槽数量分别设置为0条、4条、5条和6条进行对比，水道宽度14mm，进水口的流量按27L/min，温度为303K，分别对以上四种模型进行数值模拟计算。由于计算结果数据较大，只考虑部分切面的温度场，为了能够观察流场细节，截取螺旋水槽切面的计算结果，截取齿轮箱轴向螺旋水槽处温度场分布情况，四种模型热平衡后齿轮箱最高温度如下表1所示：

表1 四种模型热平衡后齿轮箱最高温度

由于受水槽总体长度的影响，水槽数和水道宽度只能取在一定范围内，由以上仿真结果可知，四种结构的模型达到热平衡时温度分布基本一致，由于换热面积的不同，无水槽模型的温度最高，且最高温度随水槽数增多而降低，随着冷却水在模型中流动温度不断升高，换热效率降低，导致水槽从5条增加到6条时温度降低不明显，且水槽条数越多加工难度也会随之增加，综上所述本发明水槽数选择5条。

（二）不同冷却水温轴向螺旋型水槽分析对比

以5条水槽,14mm水道宽模型为例，分别设置不同的冷却水温进行数值模拟，冷却水温分别设置为25℃、30℃和35℃，进水口的流量27L/min。截取不同冷却水速轴向螺旋水槽处温度场分布情况，三种模型热平衡后齿轮箱最高温度如下表2所示：

表2不同冷却水温热平衡后齿轮箱最高温度

由以上仿真结果可知，热平衡后螺旋水槽模型最高温度随着冷却水温的升高而升高而且变化比较明显，但未超过最高限温。这是由于换热面积一定，对流换热系数对整体热平衡影响不大，而冷却水温对热平衡的影响较大，所以选择35℃以下冷却水温即能够满足齿轮箱温度分布。

（三）不同水道宽度和冷却水速分析对比

由于流体与水道及流体本身的内部摩擦，冷却水速影响对流换热系数及沿程损失，同时水道宽度会影响冷却水流的速度，从而会影响螺旋水槽的散热能力。以5条水槽为例，冷却水温设置为30℃，不同的水道宽度和冷却水速进行数值模拟结果如下表3所示：

表 3 不同水道宽度和冷却水速

由以上仿真结果可知，在不同冷却水速下，水道宽度为14mm时最高温度最低，散热效果较好，不同水道宽度的模型最高温度随冷却水流速的增加而降低，当冷却水速增加到40L/min时，由于沿程阻力的增大，温度下降趋势有所变缓。

综上所述，在分析了水道数、冷却水温、水道宽度、冷却水速对轴向水槽散热能力的影响后，得出以下结论：

（1）相比于无螺旋水槽的模型，有螺旋水槽的模型换热面积增加，最高温度下降明显，但模型受空间、加工难度和换热效率的限制，螺旋水槽数量应控制在5条；

（2）冷却水温对模型散热能力的影响比较明显，呈近似线性关系，由分析可知35℃以下冷却水温能满足齿轮箱散热要求；

（3）因冷却水道宽度和冷却水速相互制约，随着冷却水速的增加换热效率有所下降，根据模拟结果水道宽度应控制在14mm左右，冷却水速控制在30L/min左右。

该行星齿轮箱安装在硬岩掘进机主电机和主驱箱之间，高、低速模式下减速比分别为30和55，可通过液压***控制第一、第二离合器直接进行模式切换，切换过程方便；在低速模式下，可将设备脱困转矩提升1.8倍。通过实际工程验证，硬岩掘进机上安装双速差动式行星齿轮箱可大大提高敞开式硬岩掘进机在软弱破碎围岩地质条件下的脱困能力。

实际工作时，将硬岩掘进机的液压控制***分别连接驻车制动器液压油接口B1、第一离合器液压油口B4和第二离合器液压油口B5，行星齿轮箱启动前首先从冷却水进水口B2通入冷却水，冷却水通过螺旋冷却水槽8循环至冷却水出水口B3流出，开启循环冷却；然后通过驻车制动器1的液压油接口B1注入液压油，控制驻车制动器1活塞缸向右移动，驻车制动器1摩擦片松开，驻车制动解除；此时通过液压***控制第一离合器2及第二离合器6的开合，减速机有以下两种挡位：

挡位一：通过控制液压***使第一离合器液压油口B4通入液压油，第二离合器液压油口B5排出压力油，控制第一离合器2和第二离合器6活塞缸向左移动。此时第一离合器2摩擦片松开，第二离合器6摩擦片抱紧。导致第一内齿圈3松开，一级行星架4固定，第二内齿圈7固定。减速机工作时第一内齿圈3空转，一级行星部件不参与行星齿轮箱运动的过程，二级行星部件9为一、二级共用太阳轮5输入、齿圈固定、行星架输出的普通行星齿轮传动部件。

挡位二：通过控制液压***使第二离合器液压油口B5通入液压油，第一离合器液压油口B4排出压力油，控制第二离合器6和第一离合器2活塞缸向右移动。此时第一离合器2摩擦片抱紧，第二离合器6摩擦片松开。导致第一内齿圈3固定，一级行星架4松开，第二内齿圈7松开。减速机工作时一级行星架4为一级行星部件输出件，一级行星架4带动第二内齿圈7旋转，二级行星部件9为一、二级共用太阳轮5与齿圈同时为输入件的差动部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，其结构包括第一离合器（2）、第一内齿圈（3）、一级行星架（4）、一、二级共用太阳轮（5）、第二离合器（6）、第二内齿圈（7）、二级行星部件（9）、三级行星部件（10）、壳体（11）、连接法兰（12）、四级行星部件（13）、输出轴承座（14）；其中壳体（11）整体呈圆筒形，输出轴承座（14）通过连接法兰（12）安装于壳体（11）的左侧，输出轴承座（14）的右侧中心设有轴承，轴承的末端与一、二级共用太阳轮（5）的一端连接，一、二级共用太阳轮（5）的另一端通过固定座安装于壳体（11）的右侧底面上；一级行星架（4）和二级行星部件（9）从右至左依次安装于一、二级共用太阳轮（5）的外侧，三级行星部件（10）和四级行星部件（13）从右至左依次安装于输出轴承座（14）的轴承上；其特征在于：第一内齿圈（3）加装于一级行星架（4）的外侧，其外部设有第一离合器（2）；第二内齿圈（7）加装于二级行星部件（9）的外侧，其外部设有第二离合器（6）；

所述一、二级共用太阳轮（5）的固定座外侧设有驻车制动器（1），驻车制动器（1）通过管道连接设于壳体（11）侧面的驻车制动器液压油接口（B1），驻车制动器（1）内部的摩擦片紧贴固定座外表面设置；

所述第一离合器（2）通过管道连接设于壳体（11）侧面的第一离合器液压油口（B4），第一离合器（2）内部的摩擦片紧贴第一内齿圈（3）外表面设置；第二离合器（6）通过管道连接设于壳体（11）侧面的第二离合器液压油口（B5），第二离合器（6）内部的摩擦片紧贴第二内齿圈（7）外表面设置；第一离合器（2）和第二离合器（6）之间通过活塞缸连接。

2.根据权利要求1所述的一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，其特征在于：所述壳体（11）的内侧中部设有螺旋冷却水槽（8），水槽数为5条，每条水槽宽度为14mm；螺旋冷却水槽（8）的进水口连接设于壳体（11）侧面的冷却水进水口（B2），螺旋冷却水槽（8）的出水口连接设于壳体（11）侧面的冷却水出水口（B3）。

3.根据权利要求1所述的一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，其特征在于：所述输出轴承座（14）的轴承表面设有铬涂层硬化膜，轴承从右至左分为第一级和第二级，三级行星部件（10）安装于第一级轴承的底部，四级行星部件（13）安装于第二级轴承的底部。

4.根据权利要求1所述的一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，其特征在于：所述二级行星部件（9）、三级行星部件（10）和四级行星部件（13）的整体结构包括太阳轮（X1）、齿圈（X2）、行星架（X3）、行星轮（X4）和滚子轴承（X5）；其中太阳轮（X1）设于轴承外表面，齿数为18，行星架（X3）设于太阳轮（X1）的外侧，4个齿数为20的行星轮（X4）设于太阳轮（X1）的外圈，并通过滚子轴承（X5）安装于行星架（X3）的表面，滚子轴承（X5）表面同样采用黑化处理；环形的齿圈（X2）设于4个行星轮（X4）的外侧，其内侧设有与行星轮（X4）相配合的内齿，齿数为60。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种液压换挡双速硬岩掘进机主驱动行星齿轮箱，其特征在于：实际工作时，将硬岩掘进机的液压控制***分别连接驻车制动器液压油接口（B1）、第一离合器液压油口（B4）和第二离合器液压油口（B5），行星齿轮箱启动前首先从冷却水进水口（B2）通入冷却水，冷却水通过螺旋冷却水槽（8）循环至冷却水出水口（B3）流出，开启循环冷却；然后通过驻车制动器（1）的液压油接口（B1）注入液压油，控制驻车制动器（1）活塞缸向右移动，驻车制动器（1）摩擦片松开，驻车制动解除；此时通过液压***控制第一离合器（2）及第二离合器（6）的开合，减速机有以下两种挡位：

挡位一：通过控制液压***使第一离合器液压油口（B4）通入液压油，第二离合器液压油口（B5）排出压力油，控制第一离合器（2）和第二离合器（6）活塞缸向左移动；此时第一离合器（2）摩擦片松开，第二离合器（6）摩擦片抱紧，导致第一内齿圈（3）松开，一级行星架（4）固定，第二内齿圈（7）固定；减速机工作时第一内齿圈（3）空转，一级行星部件不参与行星齿轮箱运动的过程，二级行星部件（9）为一、二级共用太阳轮（5）输入、齿圈固定、行星架输出的普通行星齿轮传动部件；

挡位二：通过控制液压***使第二离合器液压油口（B5）通入液压油，第一离合器液压油口（B4）排出压力油，控制第二离合器（6）和第一离合器（2）活塞缸向右移动；此时第一离合器（2）摩擦片抱紧，第二离合器（6）摩擦片松开；导致第一内齿圈（3）固定，一级行星架（4）松开，第二内齿圈（7）松开；减速机工作时一级行星架（4）为一级行星部件输出件，一级行星架（4）带动第二内齿圈（7）旋转，二级行星部件（9）为一、二级共用太阳轮（5）与齿圈同时为输入件的差动部件。