Tbm滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及地层掘进工具技术领域，尤其涉及一种TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统，包括刀架、刀体、刀架金属密封环、刀架波形弹簧、刀架橡胶密封圈、刀体金属密封环、刀体波形弹簧、刀体橡胶密封圈；所述刀架橡胶密封圈安装在所述刀架安装槽中，所述刀体橡胶密封圈安装在所述刀体安装槽中；所述刀架波形弹簧安装在所述刀架波形弹簧安装槽中，所述刀体波形弹簧安装在所述刀体波形弹簧安装槽中；所述刀架金属密封环和刀架波形弹簧置于所述刀架密封槽中，所述刀体金属密封环和刀体波形弹簧置于所述刀体密封槽中。密封系统整体抗高温能力强，寿命长安全性高，而且金属密封环、波形弹簧可重复使用经济效益可观。
【专利说明】
TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及地层掘进工具技术领域，尤其涉及一种TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统。【背景技术】
[0002]TBM滚刀是盾构破岩掘进的关键部件，广泛应用于地铁建设、隧道工程以及修建引水涵洞等。
[0003]TBM滚刀破岩机理:刀盘在盾构机强大的推力作用下，滚刀压入岩层，滚刀绕刀盘中心轴公转，同时滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩层上连续滚压，刀盘施加给刀圈推刀和滚动力(转矩)，推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体，通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩石上形成同心圆，当推力超过岩石的强度时，滚刀下的岩石直接挤压破碎，滚刀贯入岩石，掌子面被滚刀挤压碎裂而形成隧道同心圆沟槽，随着沟槽深度增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落，形成石渣，石渣掉落洞底滚入传输机，传输机把石渣运送出工作面。
[0004]我们从TBM滚刀破岩机理来分析:盾构机输出的几十吨乃至几百吨的压力最终要由滚刀滚动轴承来承受，为了保持轴承的正常工作，不但需要抗高极压、高运劲粘度、高滴点的润滑油脂来充分润滑滚动轴承，更需要高安全性、高寿命、耐高温的轴承密封系统来防止轴承润滑油脂的泄漏以及异入的入侵。
[0005]对TBM滚刀失效的分析表明，轴承损坏是TBM滚刀失效的主要形式，而轴承提前失效的绝大多数原因是因为轴承密封系统失效，主要表现在橡胶供能密封圈破损、熔化、磨损等形式。TBM滚刀内部的金属浮动密封，由于其结构特点是成对使用，对金属环提供接触比压的橡胶供能圈，同时用于密封金属密封环与刀架、刀体之间的间隙，如果其出现熔化、磨损、破损等情况就会失去作用，因此橡胶供能密封圈在密封系统中起至关重要的作用。决定了轴承密封系统具有不可重复拆装使用的特性，据统计在岩层掘进施工中，刀具密封费用已占刀具总费用的10%以上。
[0006]如图6和图7所示，现有TBM滚刀使用的金属端面密封系统，金属环与刀架、刀体之间的间隙较大，泥浆携带岩肩泥砂挤入，推动橡胶供能圈挤入金属密封环底部，增加密封环表面的接触比压，金属环摩擦力增加导致温度上升熔化橡胶供能密封圈密封失效。另一种情况是岩肩泥砂推动橡胶供能圈挤入金属密封环底部，这样金属密封环就像是一个刹车， 刀具的驱功扭矩增大从而造成滚刀不转，引起刀盘偏磨。
[0007]又因为现有TBM滚刀使用的金属端面密封系统，金属环与刀架、刀体之间的间隙较大，泥浆携带岩肩泥砂挤入，过一段时间后变干燥就象水泥一样将一个金属环与另外一个密封环凝固到一起，当滚刀再转动时，凝固在一起的金属环会瞬间一起转动拉扯橡胶供能密封圈，从而损坏橡胶供能密封圈，造成密封系统失效。
[0008]众所周知，现今TBM滚刀的密封系统基本上都利用氢化丁腈橡胶(HNBR)的弹性为密封工作面提供能量，氢化丁腈橡胶(HNBR)在耐化学性、压缩永永久变形弹性，以及撕裂强度方面具有优异的性能，然而在120°C之上的连续循环温度下的地层掘进场合中，由于工况的特殊性密封系统得不到即时的冷却，用于为密封系统供能的氢化丁腈橡胶(HNBR)材料元件就会加快老化而失效(必竞氢化丁腈橡胶(HNBR)硫化成形温度才170°C)，密封系统橡胶元件一旦失效整过密封系统在恶劣工况下将会立即崩溃，导致轴承很快失效滚刀报度。我们在解剖分析失效滚刀时，就发现很多橡胶密封圈出现高温溶化状态，而导致密封失效的情况，如果在滚刀工作时不能及时发现就会酿成责任事故。[〇〇〇9]密封面的接触比压是金属端面密封和橡胶密封的关键参数。如果比压太小就封不住，比压过大则工作面磨损快，寿命短，磨擦温度高。新装好的密封系统工作面都有一定的接触比压，它至少必须大于密封压差，否则必漏无疑，而且随着密封系统的工作进程，密封系统的氢化丁腈橡胶(HNBR)原件会老化和磨损。因此新装钻头接触比压会大一些，大多少才能保证封住不漏，这要看密封面的宽度，两边的材料性质、表面形状和粗糙度，TBM滚刀工况介质的质地、压力、温度等等条件，轴承密封系统内侧的介质是高粘度轴承润滑脂，外侧则是含岩肩的泥浆。不同型号的滚刀要面对不同的工况，如何精确的为不同型号的滚刀的密封系统提供密封面恒定持久的接触比压，则是密封系统的关键所在。是从事本行业工程设计人员必须要做的课题。【实用新型内容】
[0010]本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统，克服现有的橡胶供能式金属端面密封系统的不足。
[0011]本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案:[〇〇12] 一种TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统，其特征在于:包括刀架、刀体、 刀架金属密封环、刀架波形弹簧、刀架橡胶密封圈、刀体金属密封环、刀体波形弹簧、刀体橡胶密封圈；所述刀架和刀体上对称分布设有刀架安装槽和刀体安装槽，所述刀架橡胶密封圈安装在所述刀架安装槽中，所述刀体橡胶密封圈安装在所述刀体安装槽中；所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的环周分别设有刀架波形弹簧安装槽和刀体波形弹簧安装槽， 所述刀架波形弹簧安装在所述刀架波形弹簧安装槽中，所述刀体波形弹簧安装在所述刀体波形弹簧安装槽中；所述刀架安装槽和刀体安装槽的下部分别设有刀架密封槽和刀体密封槽，所述刀架金属密封环和刀架波形弹簧置于所述刀架密封槽中，所述刀体金属密封环和刀体波形弹簧置于所述刀体密封槽中；所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的端面相对旋转形成摩擦副。
[0013]优选地，所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的端面精衍成镜面，平面度小于 0.005mm〇
[0014]本实用新型的有益效果是:与现有技术相比，本实用新型波形弹簧供能式金属端面密封系统，波形弹簧可精确控制金属密封环端面接触比压，并且持久恒定;硬度合金或高强度合金不锈工具钢金属环强度高、抗磨性、耐腐蚀性强能;橡胶密封圈用硅橡胶或氟橡胶精制而成，硬度高、耐高温性强、不易老化。因此密封系统整体抗高温能力强，寿命长安全性高，而且金属密封环、波形弹簧可重复使用经济效益可观。【附图说明】[0〇15]图1是本实用新型的结构不意图；
[0016]图2是本实用新型中刀架金属密封环的结构示意图；[〇〇17]图3是图2中I处的放大图；
[0018]图4是本实用新型中刀体金属密封环的结构示意图；
[0019]图5是图4中I处的放大图；[0〇2〇]图6是现有技术的结构示意图；
[0021]图7是现有技术的工作状态图；[〇〇22]图8是本实用新型的工作状态图。【具体实施方式】
[0023]下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的【具体实施方式】。如图1至图5和图8所示，一种TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统，包括刀架1、刀体2、刀架金属密封环3、刀架波形弹簧4、刀架橡胶密封圈5、刀体金属密封环6、刀体波形弹簧7、刀体橡胶密封圈8;所述刀架和刀体上对称分布设有刀架安装槽9和刀体安装槽10,所述刀架橡胶密封圈安装在所述刀架安装槽中，所述刀体橡胶密封圈安装在所述刀体安装槽中；所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的环周分别设有刀架波形弹簧安装槽11和刀体波形弹簧安装槽12,所述刀架波形弹簧安装在所述刀架波形弹簧安装槽中，所述刀体波形弹簧安装在所述刀体波形弹簧安装槽中；所述刀架安装槽和刀体安装槽的下部分别设有刀架密封槽13 和刀体密封槽14,所述刀架金属密封环和刀架波形弹簧置于所述刀架密封槽中，所述刀体金属密封环和刀体波形弹簧置于所述刀体密封槽中；所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的端面相对旋转形成摩擦副。工作原理为:波形弹簧供能式金属端面密封，两只金属环端面相对旋转形成磨擦幅;金属环工作端面贴合在一起相向绕轴心旋转，阻止轴承内润滑油脂泄漏以及阻止轴承外异物侵入轴承。为了保证两只金属环始终贴合在一起，因此需要刀架波形弹簧与刀体波形弹簧对其提供贴合动能(接触比压)。刀架金属密封环和刀体金属密封环与刀架、刀体之间的间隙用硅橡胶或氟橡胶来密封。
[0024]所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的端面精衍成镜面，平面度小于0.005mm。 金属密封环由硬质合金或高强度合金不锈工具钢精制而成，强度高、抗腐蚀、耐磨性能强， 密封效果好寿命长，可重复使用。[〇〇25]安装方法为:[〇〇26]步骤一、清洗刀架和刀体和所有密封系统原件并用洁净气体吹干，分别存放在专用的洁净容器或工作台上；
[0027]步骤二、把刀架橡胶密封圈和刀体橡胶密封圈的表面均匀涂抹上机械油按要求装配在刀架安装槽和刀体安装槽中；
[0028]步骤三、分别将刀架波形弹簧和刀体波形弹簧分别安装在刀架金属密封环和刀体金属密封环中，再用人力将刀架金属密封环和刀体金属密封环平稳压入到刀架密封槽和刀体密封槽中，刀架金属密封环和刀体金属密封环处在工位上后在刀架金属密封环和刀体金属密封环工作端面上滴三滴洁净的机械油，滴油位置均匀；
[0029]步骤四、把已分别安装好的刀体刀架依次安装到滚刀刀轴上；
[0030]步骤五、最后安装滚刀锁紧盖，测试滚刀启动扭矩，扭矩符合要求即完成密封系统的装配。
[0031]所述刀架波形弹簧和刀体波形弹簧分别由高强度合金不绣钢扁线材一圈圈连续卷饶、堆叠而成。
[0032]刀架波形弹簧和刀体波形弹簧由高强度合金不绣钢扁线材一圈圈连续卷饶、堆叠而成，在325°C工况下也能正常工作，外形尺寸精确，位移大刚性曲线平滑，能持续、稳定、精确的为金属密封环提供接触比压。可重复使用。
[0033]刀架橡胶密封圈和刀体橡胶密封圈用硅橡胶或氟橡胶精制而成，硬度高、耐高温性强、不易老化、在240 °C以上工况温度中也能长时间工作。
[0034]刀架金属密封环和刀体金属密封环与刀体、刀架之间的间隙很小，工作时岩肩泥沙基本上伤害不到橡胶密封圈，同时轴承内外压差变化对其影响也不大。
[0035]硬质合金材料金属环强度高，波簧位移大，具有一定柔性，因而滚刀启动扭矩小， 不易发生刀盘偏磨现象。
[0036]对顶波簧安装在轴承内，外部介质对其无影响，密封系统安全长效。
[0037]本实用新型波形弹簧供能式金属端面密封系统，波形弹簧可精确控制金属密封环端面接触比压，并且持久恒定;硬度合金或高强度合金不锈工具钢金属环强度高、抗磨性、 耐腐蚀性强能;橡胶密封圈用硅橡胶或氟橡胶精制而成，硬度高、耐高温性强、不易老化。因此密封系统整体抗高温能力强，寿命长安全性高，而且金属密封环、波形弹簧可重复使用经济效益可观。
[0038]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统，其特征在于:包括刀架、刀体、刀 架金属密封环、刀架波形弹簧、刀架橡胶密封圈、刀体金属密封环、刀体波形弹簧、刀体橡胶 密封圈；所述刀架和刀体上对称分布设有刀架安装槽和刀体安装槽，所述刀架橡胶密封圈 安装在所述刀架安装槽中，所述刀体橡胶密封圈安装在所述刀体安装槽中；所述刀架金属 密封环和刀体金属密封环的环周分别设有刀架波形弹簧安装槽和刀体波形弹簧安装槽，所 述刀架波形弹簧安装在所述刀架波形弹簧安装槽中，所述刀体波形弹簧安装在所述刀体波 形弹簧安装槽中；所述刀架安装槽和刀体安装槽的下部分别设有刀架密封槽和刀体密封 槽，所述刀架金属密封环和刀架波形弹簧置于所述刀架密封槽中，所述刀体金属密封环和 刀体波形弹簧置于所述刀体密封槽中；所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的端面相对 旋转形成摩擦副。2.根据权利要求1所述的TBM滚刀用波形弹簧供能式金属端面密封系统，其特征在于: 所述刀架金属密封环和刀体金属密封环的端面精衍成镜面，平面度小于〇.〇〇5mm。
【文档编号】F16J15/24GK205605216SQ201620391317
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】陈斌, 周洪林, 罗绪良, 黑国兴
【申请人】天津立林钻头有限公司