一种TBM液粘驱动单元测试动态性能装置及其测试方法

摘要

本发明公开了一种TBM液粘驱动单元测试动态性能装置及其测试方法。包括T型工作台以及安装在T型工作台上的包含有液压马达和变频电机的电机马达同轴连接机构，电机马达同轴连接机构连接有动态性能测试油路，动态性能测试油路中通过三位四通换向阀对液压马达的转动方向进行控制，通过两位三通换向阀对液压马达的工作模式进行切换，使得液压马达既能够作为驱动源又能够工作在泵工况。本发明能够满足测试需要，可实现超额定功率输出，满足短时大负载力矩的测试要求，降低了液压马达及相应泵站的功率等级，避免了装机功率的浪费，提高了测试装置液压马达的工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种TBM(硬岩掘进机)部件测试装置和方法，尤其涉及了一种TBM液粘驱动单元测试动态性能装置及其测试方法。

背景技术

TBM刀盘驱动系统是硬岩掘进装备的关键子系统，其驱动单元的驱动特性对硬岩掘进机的掘进有着至关重要的影响。TBM驱动单元分为两种，一种为液压驱动单元，是将液压马达作为驱动源，其特点是负载顺应性好，功率密度高，低速特性好；另外一种为电气驱动单元，是将变频电机作为驱动源，其特点是效率高，控制特性好。为了将液压和电气驱动各自的特点最大化，在TBM驱动单元当中引入液粘调速离合器以调节两种驱动方式输出功率的大小以适应不同的掘进工况，达到负载顺应性设计的目标，改善TBM刀盘驱动系统的驱动品质。

发明内容

为了测试两种TBM液粘驱动单元的驱动特性，同时兼顾集成化设计、轻量化设计的要求，本发明的目的在于提供了一种TBM液粘驱动单元测试动态性能装置及其测试方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种TBM液粘驱动单元测试动态性能装置：

装置包括T型工作台以及安装在T型工作台上的电机马达同轴连接机构，电机马达同轴连接机构包括变频电机、第一联轴器、液粘调速离合器、第二联轴器、转速力矩传感器、扭矩限制器、第一轴承、机械飞轮、第二轴承、机械刹车器和液压马达，变频电机输出轴通过花键轴与第一联轴器的输入端连接，第一联轴器输出端通过平键轴与液粘调速离合器的输入轴连接，液粘调速离合器的输出轴通过平键轴与第二联轴器的一端连接，第二联轴器另一端通过平键轴与转速扭矩传感器的输入轴相连，转速扭矩传感器的输出轴通过平键轴与扭矩限制器的输入端相连，扭矩限制器的输出端经第一轴承后通过花键轴与机械飞轮的输入端相连，机械飞轮的输出端经第二轴承后通过花键轴与机械刹车器的一端花键孔相连，液压马达的花键轴直接连接至机械刹车器另一端的花键孔内；上述所有元件均通过支架及梯形螺栓连接在T型工作台上。

所述的电机马达同轴连接机构连接有动态性能测试油路，动态性能测试油路包括电机、液压泵、吸油过滤器、单向阀、高压过滤器、流量阀、第一比例溢流阀、两位三通换向阀、第二比例溢流阀、油箱和三位四通换向阀；油箱经吸油过滤器连接到液压泵的进油口，液压泵由电机驱动工作，液压泵的出油口经单向阀分别连接到高压过滤器的进油口和第一比例溢流阀的一端口，第一比例溢流阀另一端口连接到油箱，高压过滤器的出油口经流量阀与三位四通换向阀的P口相连，三维四通换向阀的A口和B口分别和液压马达的两个端口相连，三位四通换向阀的T口与两位三通换向阀的A口相连，两位换向阀的B口连接油箱，两位换向阀的C口经第二比例溢流阀连接油箱。

连接于转速力矩传感器与第一轴承之间的所述扭矩限制器设置有系统最大扭矩阈值，在超过系统最大扭矩阈值后控制扭矩限制器使得转速力矩传感器与第一轴承之间脱开，以避免实验过程当中飞轮能量控制不当产生的扭矩过大的危险情况。

连接于第二轴承与液压马达之间的所述机械刹车器在设置有系统最大转速阈值，在超过系统最大扭矩阈值后或者需要减速急停时控制机械刹车器使得第二轴承与液压马达之间停止同步转动，实施机械刹车，避免由于飞轮超速运转产生的危险情况。

转速扭矩传感器实现对液压马达输出转矩的精确测量，变频电机输出转矩由与之配套的电机变频器测量。

为了减少机械飞轮本身质量对传动轴产生的弯矩大小，在机械飞轮两侧加装第一轴承和第二轴承予以支撑机械飞轮可拆卸，可更换不同转动惯量的飞轮来进行不同要求的测试。

本发明系统采用驱动/加载端切换的方式，在同一实验平台上可完成两种驱动单元的测试要求。选用机械蓄能器(机械飞轮)能量释放的方式来获得短时大扭矩，使得电机和液压马达功率等级降低，提高能量使用效率的同时，也能使液压马达的功率等级更接近于实际TBM液压驱动单元的液压马达的功率等级，方便两个测试装置的集成设计。考虑到原理测试过程当中的不安全因素，加装限矩器和机械刹车。

二、一种TBM硬岩掘进机液粘动力单元动态性能的测试方法：

采用权利要求2所述装置，通过三位四通换向阀对液压马达的转动方向进行控制，通过两位三通换向阀对液压马达的工作模式进行切换，使得液压马达既能够作为驱动源又能够工作在泵工况。

所述测试方法具有两种测试模式：

第一种测试模式，测试电气驱动单元驱动特性：以变频电机作为驱动侧，液压马达作为负载侧，变频电机与液粘调速离合器共同构成TBM液粘动力单元，机械飞轮连接在模拟负载侧；

第二种测试模式，测试液压驱动单元驱动特性：以变频电机作为负载侧，液压马达作为驱动侧，液压马达和液粘调速离合器共同构成TBM液粘动力单元，机械飞轮连接在驱动侧。

所述的第一比例溢流阀和流量阀组成流量压力复合控制系统对工作在驱动侧的液压马达进行控制。

所述的第一种测试模式再分为电气-液粘驱动单元测试模式和极限电气-液粘驱动单元测试模式的两种子模式。

所述的电气-液粘驱动单元测试模式具体是：从变频电机传递到液压马达的负载力矩不超过液压马达的额定力矩，通过机械飞轮模拟转动惯量，流量阀的节流口全部打开，第一比例溢流阀的压力调定为1bar，两位三通阀的A口和C口相通，三位四通换向阀的P口和B口相通，A口和T口相通，液压泵在电机的驱动下运行，液压马达反向旋转，调节第二比例溢流阀开度大小得到液压马达的输出力矩作为负载力矩大小，作为动态性能之一。

所述的极限电气-液粘驱动单元测试模式具体是：从变频电机传递到液压马达的负载力矩在要求极限负载力矩的时间内超过液压马达的额定力矩，根据负载力矩的峰值大小计算转动惯量并设置为机械飞轮的转动惯量，流量阀的节流口全部打开，两位三通阀的A口和C口相通，三位四通换向阀的P口和B口相通，A口和T口相通，液压泵在电机的驱动下运行，液压马达反向旋转，机械飞轮在变频电机的驱动下充能，充能完成后调节第二比例溢流阀重新设置负载力矩峰值的大小但保持机械飞轮的转动惯量不变，调节第二比例溢流阀开度大小得到液压马达11超过其自身额定力矩的输出力矩，作为最大负载力矩，作为动态性能之一。

所述的第二种测试模式具体是：通过机械飞轮模拟转动惯量，三位四通换向阀的P口和A口相通，B口和T口相通，液压泵在电机的带动下以驱动泵的形式运转，调定第一比例溢流阀的压力和液压泵的额定压力相同，两位三通换向阀的A口和B口连通；在变频电机中设定电机转速为0，通过调节变频电机极限力矩得到可变负载大小，作为动态性能之一。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过加装了机械飞轮，使得液压系统功率等级下降，与实际TBM液压驱动单元的液压马达功率等级一致。

本发明利用液压系统的两位三通阀和变频电机变频器进行测试模式的切

换，实现了集成化设计的目标，将原有的两个测试装置合二为一，降低了测试装置的制造成本。

本发明安全性得到极大提高，原理测试过程当中更加安全。

附图说明

图1是本发明的机械原理图。

图中：1、变频电机，2、第一联轴器，3、液粘调速离合器，4、第二联轴器，5、转速力矩传感器，6、扭矩限制器，7、第一轴承，8、机械飞轮，9、第二轴承，10、机械刹车器，11、液压马达，12、T型工作台。

图2是本发明的液压原理图。

图中：13、电机，14、液压泵，15、吸油过滤器，16、单向阀/17、高压过滤器，18、流量阀，29、第一比例溢流阀，20、两位三通换向阀，21、第二比例溢流阀，22、油箱，23、三位四通换向阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明

如图1所示，本发明包括T型工作台12以及安装在T型工作台12上的电机马达同轴连接机构，电机马达同轴连接机构包括变频电机1、第一联轴器2、液粘调速离合器3、第二联轴器4、转速力矩传感器5、扭矩限制器6、第一轴承7、机械飞轮8、第二轴承9、机械刹车器10和液压马达11，变频电机1输出轴通过花键轴与第一联轴器2的输入端连接，第一联轴器2输出端通过平键轴与液粘调速离合器3的输入轴连接，液粘调速离合器3的输出轴通过平键轴与第二联轴器4的一端连接，第二联轴器4另一端通过平键轴与转速扭矩传感器5的输入轴相连，转速扭矩传感器5的输出轴通过平键轴与扭矩限制器6的输入端相连，扭矩限制器6的输出端经第一轴承7后通过花键轴与机械飞轮8的输入端相连，机械飞轮8的输出端经第二轴承9后通过花键轴与机械刹车器10的一端花键孔相连，液压马达11的花键轴直接连接至机械刹车器10另一端的花键孔内；上述所有元件均通过支架及梯形螺栓连接在T型工作台12上。

如图2所示，电机马达同轴连接机构连接有动态性能测试油路，动态性能测试油路包括电机13、液压泵14、吸油过滤器15、单向阀16、高压过滤器17、流量阀18、第一比例溢流阀19、两位三通换向阀20、第二比例溢流阀21、油箱22和三位四通换向阀23；油箱22经吸油过滤器15连接到液压泵14的进油口，液压泵14由电机13驱动工作，液压泵14的出油口经单向阀16分别连接到高压过滤器17的进油口和第一比例溢流阀19的一端口，第一比例溢流阀19另一端口连接到油箱22，高压过滤器17的出油口经流量阀18与三位四通换向阀23的P口相连，三维四通换向阀23的A口和B口分别和液压马达11的两个端口相连，三位四通换向阀23的T口与两位三通换向阀20的A口相连，两位换向阀20的B口连接油箱22，两位换向阀20的C口经第二比例溢流阀21连接油箱22。

扭矩限制器6设置有系统最大扭矩阈值，在超过系统最大扭矩阈值后控制扭矩限制器6使得转速力矩传感器5与第一轴承7之间脱开。

机械刹车器10在设置有系统最大转速阈值，在超过系统最大扭矩阈值后或者需要减速急停时控制机械刹车器10使得第二轴承9与液压马达11之间停止同步转动。

具体实施中，本发明的机械飞轮8采用的申请日为201710330253.9，申请号为2017.5.11，发明名称为一种低摩擦多变量可调负载飞轮装置的申请案中涉及到的技术方案。具体是包括主轴、下箱体、上箱体、阻尼力模拟扇叶、第一端盖、第二端盖、定位套筒、第一飞轮端盖和第二飞轮端盖；上箱体和下箱体上下相连接形成完整箱体，完整箱体内灌有油液，完整箱体的水平两端开设轴承孔，并且两端分别通过第一端盖和第二端盖将上箱体和下箱体进行连接固定，主轴水平穿设地安装在完整箱体中且两端伸出轴承孔；主轴为阶梯轴结构，主轴大端到小端依次套装有阻尼力模拟扇叶、定位套筒、第一飞轮端盖、六个飞轮和第二飞轮端盖；阻尼力模拟扇叶通过平键与主轴相连，第一飞轮端盖和第二飞轮端盖均通过平键与主轴相连，六个飞轮作为可调负载转动惯量的主要部分，六个飞轮同轴套装在主轴后两端通过第一飞轮端盖和第二飞轮端盖轴向固定，第一飞轮端盖和第二飞轮端盖上均设有第一、第二飞轮同轴组件，每个飞轮下方设有刹车机构。本发明的六个机械飞轮浸没于油液当中相比传统飞轮置于空气中实现了低摩擦，并且通过箱体内的油液、阻尼力模拟扇叶、第一、第二飞轮同轴组件和刹车机构实现多变量可调负载。

所述的主轴两端分别和完整箱体两端的轴承孔之间设有第一调心滚子轴承和第二调心滚子轴承，第一调心滚子轴承外通过第一端盖进行轴向固定，第二调心滚子轴承外通过第二端盖进行轴向固定。

所述的第一飞轮同轴组件包括第一连接销紧定端盖和多个第一飞轮连接销，飞轮上沿圆周间隔均布设有多个通孔，第一飞轮端盖设有外凸缘，第一飞轮端盖的外凸缘上沿圆周间隔均布穿设地安装有多个用于伸入到飞轮通孔中的第一飞轮连接销，第一飞轮端盖外通过螺纹套装有环形的第一连接销紧定端盖，第一连接销紧定端盖上沿圆周间隔均布穿设地安装有多个用于连接第一飞轮连接销的连接销紧定螺钉；飞轮的通孔、连接销紧定螺钉和第一飞轮连接销数量相同且均平行于主轴，每个连接销紧定螺钉的螺钉端螺纹连接到各自对应的第一飞轮连接销一端开设的螺纹孔中，第一飞轮连接销另一端穿设伸入到飞轮的通孔中。

所述的第二飞轮同轴组件包括第二连接销紧定端盖和多个第二飞轮连接销，飞轮上沿圆周间隔均布设有多个通孔，第二飞轮端盖设有外凸缘，第一飞轮端盖的外凸缘上沿圆周间隔均布穿设地安装有多个用于伸入到飞轮通孔中的第二飞轮连接销，第二飞轮端盖外通过螺纹套装有环形的第二连接销紧定端盖，第二连接销紧定端盖上沿圆周间隔均布穿设地安装有多个用于连接第二飞轮连接销的连接销紧定螺钉；飞轮的通孔、连接销紧定螺钉和第二飞轮连接销数量相同且均平行于主轴，每个连接销紧定螺钉的螺钉端螺纹连接到各自对应的第二飞轮连接销一端开设的螺纹孔中，第二飞轮连接销另一端穿设伸入到飞轮的通孔中。

所述的刹车机构包括滑块导轨、滑块导轨连接螺栓、支撑架、滑块和滑块位置调节螺钉，支撑架固定置于下箱体底部并位于飞轮下方，滑块导轨通过滑块导轨连接螺栓固定安装在支撑架顶面，两个滑块底部嵌装在滑块导轨内并沿滑块导轨移动；滑块为楔形，两个滑块相正对的侧面为楔形面，两个滑块相背对的侧面为竖直端面，滑块导轨的两端均设置有凸块，两个凸块均开设螺纹孔，螺纹孔内安装滑块位置调节螺钉，滑块位置调节螺钉的内端顶接到滑块外侧的竖直端面上；通过调节滑块位置调节螺钉旋进螺纹孔的深度使得两个滑块楔形面对飞轮周面进行挤压形成刹车控制。

所述的第一飞轮连接销和第二飞轮连接销各自的另一端均穿设伸入到若干个飞轮的通孔中，使得若干个飞轮同步运动，具体是各自使得六个飞轮中两端的若干个连续套装的飞轮同步运动，若干个飞轮的数量根据可调负载转动惯量而设定。

所述的下箱体底部的两端设有进油口和出油口，进油口经外部的油液循环与温度控制系统与出油口连接，通过油液循环与温度控制系统进行油液循环与温度控制。

所述的第一端盖和第二端盖分别与主轴之间均通过挡尘环和双层格莱圈密封连接，保证密封的可靠，第一端盖、第二端盖分别与上箱体、下箱体之间均使用双层斯特封密封连接。

所述的上箱体顶面设置有通气孔，通气孔处安装空气过滤器，空气过滤器通过螺纹孔连接在通气孔。

当需要测试电气驱动单元驱动特性时，根据需要的极限负载力矩的大小和需要保持的时间来计算机械飞轮的转动惯量，变频电机1在变频器的驱动下作为电动机通过液粘调速离合器3将扭矩传递至作为模拟负载的液压马达，液压马达工作在泵工况，第一比例溢流阀19调节至较低的系统压力，流量阀18完全打开，液压泵14起到补油的作用，两位三通换向阀20的电磁铁通电，将20A口与20C口接通，三位四通换向阀的右侧电磁铁通电，将23A和23T，23B和23P接通，液压马达反转，第二比例溢流阀21用以控制液压马达的工作压力，从而液压马达按照负载力矩的大小要求产生可变的负载扭矩。

当需要测试液压驱动单元驱动特性时，机械飞轮11的转动惯量以与液压驱动单元相连接的减速器的转动惯量近似相等为原则进行选择，变频电机1工作在发电机的状态下，在变频器参数设置中设定电机转速为0，可变负载的大小通过调节变频器的变频电机极限力矩得到。液压马达11工作在驱动状态，第一比例溢流阀19调定系统压力为液压系统许用上限压力，调节流量阀18控制液压马达的转速。三位四通换向阀的左侧电磁铁通电，将23A和23P，23B和23T接通，两位三通换向阀20电磁铁不通电，20A口与20B口相连，液压马达B口直接通至油箱22。

本发明的工作原理过程如下：

具体实施分为3个工作状态：电气-液粘驱动单元测试模式、液压-液粘驱动单元性能测试模式和极限电气-液粘驱动单元测试模式。

电气-液粘驱动单元测试模式工作原理：

为了测试变频电机1在依靠液粘调速离合器3进行传动的条件下的驱动特性，变频电机1依靠变频器按照电动机模式进行正常驱动，模拟负载力矩的大小不超过液压马达的额定力矩，机械飞轮11根据实际需要选择合适的转动惯量用以模拟减速器的转动惯量。流量阀18的节流口全部打开，第一比例溢流阀19的压力调定为1bar，液压泵14在电机13的驱动下按照补油泵的工况进行运行，两位三通阀20的电磁铁得电，阀芯左移，使得20A口和20C口连接，三位四通换向阀23右侧电磁铁通电，使图中的23P和23B、23A、23T油口相连，液压马达11反转，通过控制第二比例溢流阀21电磁铁电压的大小对液压马达11的输出力矩即模拟负载的力矩大小进行调节。液压马达模拟TBM在正常掘进工况下的负载特性，不考虑极端工况

极限电气-液粘驱动单元测试模式工作原理：

为了测试变频电机1在依靠液粘调速离合器3进行传动的条件下的驱动特性，变频电机1依靠变频器按照电动机模式进行正常驱动，要求短时间负载力矩大小大于液压马达11的额定力矩，根据负载力矩的峰值大小计算机械飞轮8的转动惯量并安装于试验台机械飞轮8的安装位置。三位四通换向阀23右侧电磁铁通电，使图中的23P和23B、23A和23T油口相连，两位三通换向阀20电磁铁通电，使得20A和20C连通，机械飞轮在变频电机1的驱动下进行充能，充能完成同样调节第二比例溢流阀21以调节负载力矩峰值的大小，此时第二比例溢流阀21作为可调节流口使用，负载峰值的大小受到第二比例溢流阀阀口开度控制。与电气-液粘驱动单元测试模式相比，增加机械飞轮11使得负载峰值可以达到更高的值，同时机械飞轮11的惯性可以保持转速在短时间内不发生变化，通过控制第二比例溢流阀的阀口开度，从而获得稳定的超过液压马达11额定力矩的大负载力矩并保持一定的时间。

液压-液粘驱动单元测试模式工作原理：

为了测试液压液压马达11在依靠液粘调速离合器3进行传动条件下的驱动特性，变频电机1工作在发电机状态，多余的能量通过电阻以热量的形式进行耗散。机械飞轮11根据实际需要选择合适的转动惯量用以模拟减速器的转动惯量。三位四通换向阀23左侧电磁铁通电，使图中的23P和23A、23B和23T油口相连，液压泵14在电机13的带动下以驱动泵的形式运转，调定第一比例溢流阀的压力为液压泵14的额定压力，两位三通换向阀电磁铁不通电，20A和20B口接通。

由此可见，本发明在保证装置安全性的前提下，通过加载侧和驱动侧的切换以及变频电机、液压马达与机械飞轮的协调控制，不但能够满足TBM电气-液粘驱动单元和TBM液压-液粘驱动单元性能的测试需要，而且通过控制机械飞轮能量的储能的多少，可以实现超额定功率输出，从而满足短时大负载力矩的测试要求，降低液压马达及相应泵站的功率等级，使其与TBM液压驱动单元的马达功率大小相接近，同时避免装机功率的浪费，提高测试装置液压马达的工作效率。