顶管机驱动系统的油脂润滑密封系统及注入监控方法与流程

本发明属于顶管机技术领域，具体涉及一种顶管机驱动系统的油脂润滑密封系统及注入监控方法。

背景技术：

顶管机是一种隧道掘进的专用工程机械，根据形状可分为圆形顶管机与异形顶管机。近年来，随着我国城镇化的发展与城市地下空间开发的不断拓展，顶管机在我国发展迅猛。顶管机具有施工工艺简单、环境影响小、掘进速度快等特点，广泛应用于市政工程、综合管廊、下穿隧道、地铁出入口等领域。

顶管机在隧道掘进过程中，刀盘开挖系统与螺旋输送机分别实现土体开挖与排渣功能，是顶管机的关键组成部分。其中刀盘开挖系统所需的扭矩由刀盘驱动提供，刀盘驱动由驱动箱体、传动齿轮、传动主轴、主轴承、减速器、油脂润滑密封系统等组成，是顶管机的核心部件，其中油脂润滑密封系统主要用于将刀盘驱动箱内部结构与外部多渣、多水的复杂环境隔绝，为刀盘驱动内部的主轴承、传动齿轮等部件提供良好的运行环境，是刀盘开挖系统正常工作的重要保证。螺旋输送机所需的扭矩由螺旋输送机驱动提供，螺旋输送机驱动包括了驱动环、转盘轴承、小齿轮、深沟球轴承、油脂润滑密封系统等，是顶管机的核心部件，其中油脂润滑密封系统主要用于将螺旋输送机驱动箱内部结构与外部多渣、多水的复杂环境隔绝，为驱动箱内的轴承和齿轮等部件提供良好的运行环境，是螺旋输送机正常工作的重要保证。

目前在隧道掘进机领域，刀盘驱动与螺旋输送机驱动油脂润滑密封系统采用的是“油脂挤出式”的结构形式，在唇形密封之间形成的油脂密封腔内注入ep2油脂的同时在迷宫密封处注入hbw油脂，ep2油脂与hbw油脂均需要通过密封结构不断挤出到土仓内，靠油脂的流动阻挡泥水进入驱动箱内。主要存在以下缺点：1)设备工作时需要连续不断的注入油脂，油脂消耗种类多、消耗量大，油脂注入设备要求复杂，总体成本很高；2)油脂大量注入到渣土中，会造成较大的环境污染。

因此，发明一种安全可靠、简单实用、经济环保的顶管机刀盘驱动及螺旋输送机驱动油脂润滑密封系统具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种结构设计合理、安全可靠、简单实用，且经济环保的顶管机驱动系统的油脂润滑密封系统及注入监控方法。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种顶管机驱动系统的油脂润滑密封系统，包括结构密封、油脂密封和检测控制系统，所述结构密封包括多道榫槽和设置在榫槽内的密封件，该结构密封使得驱动箱的内部结构与外部环境相隔离；所述油脂密封包括多道呈环形的油脂密封腔、油脂注入通道和油脂泵，所述油脂密封腔设置在相邻的两道榫槽之间，各油脂密封腔通过油脂注入通道与油脂泵连接；所述检测控制系统对油脂密封腔的油脂压力进行监控和调节，并对油脂密封的完好性进行检测。

在各所述油脂密封腔的周向布设有压力检测口和多个油脂注入口，在与所述油脂注入口和所述压力检测口对应的结构件上分别开设有油脂注入通道和油脂压力检测通道，所述油脂压力检测通道通过三通阀外接有手动球阀和压力传感器，所述压力传感器将检测信号传递给检测控制系统，进行监控和检测。

在靠近所述驱动箱内侧设置有环形检测腔，所述环形检测腔的周向设置有两密封完好检测口，与两所述密封完好检测口对应的结构件上均开设有密封完好检测通道，在两所述密封完好检测通道之间设置有透明检测管，所述透明检测管上端通过三通阀连接有呼吸器和其中一条密封完好检测通道，所述透明检测管下端通过三通阀连接有手动球阀和另一条密封完好检测通道。

所述油脂注入通道与油脂桶之间设置有压力保护回路，压力保护回路上设置有溢流阀，所述油脂泵的上设置有低液位报警器，且在油脂泵的出油口处设置有单向阀和压力表。

所述顶管机驱动系统包括刀盘驱动和螺旋输送机驱动，在刀盘驱动和螺旋输送机驱动上均设置有结构密封和油脂密封。

所述刀盘驱动的刀盘筒体与刀盘驱动箱之间设置有密封座，所述密封座与驱动主轴之间设置有耐磨套管，所述耐磨套管与驱动主轴之间通过o型圈密封；所述密封座与耐磨套管之间设置有位于两外侧的多道格莱圈密封和位于中部的多道唇形密封，所述油脂密封腔设置在相邻两唇形密封之间，且多道油脂密封腔串联设置；所述密封座与刀盘筒体之间设置有迷宫密封，所述o型圈密封、格莱圈密封、唇形密封构成刀盘驱动的结构密封。

所述螺旋输送机驱动的前部驱动箱体和后部驱动箱体之间设置有驱动环，在前部驱动箱体和后驱动箱体外侧分别连接有前部筒体法兰和后部筒体法兰，在前部驱动箱体的内侧贴合设置有转盘轴承；所述前部驱动箱体、转盘轴承和后部驱动箱体与对应的驱动环之间均设置有多道唇形密封，所述油脂密封腔设置在相邻两唇形密封之间；前部驱动箱体与前部筒体法兰之间、后部驱动箱体与后部筒体法兰之间、转盘轴承与前部驱动箱体之间均设置有o型圈密封，所述转盘轴承与驱动环之间、后部驱动箱体与驱动环之间均设置有格莱圈密封，驱动环两端分别与前部筒体法兰和后部筒体法兰之间设置有迷宫密封，所述o型圈密封、格莱圈密封、唇形密封构成螺旋输送机驱动的结构密封。

各通道穿过不同结构件时，两结构件的接触面上设置有o型圈密封。

一种利用上述的顶管机驱动系统的油脂润滑密封系统进行的注入监控方法，其特征在于：所述顶管机驱动系统包括刀盘驱动和螺旋输送机驱动，所述的油脂注入监控方法包括油脂注入工序和密封监控工序；油脂注入工序：通过油脂泵的低液位报警器确定油脂泵正常工作，在油脂注入通道与油脂桶之间设置压力保护回路和溢流阀，设定溢流阀的溢流压力值p1，根据油脂密封腔的上连接的压力传感器反馈回的压力检测值，通过手动模式或自动模式控制油脂泵启动，向各刀盘驱动和螺旋输送机驱动的油脂密封腔中注入油脂，直至油脂密封腔内的压力检测值均达到工作压力值p2时，关闭油脂泵，完成油脂注入，其中p1＞p2；密封监控工序，通过检测控制系统对各油脂密封腔连接的压力传感器的检测值实施监控，实现油脂密封的监控，当油脂密封腔内的压力检测值小于工作压力警戒值p3时，检测控制系统自动控制油脂泵进行油脂注入，直至各油脂密封腔内的压力检测值达到工作压力值；通过设置的环形检测腔和透明检测管，观测透明检测管内是否存在油脂，检测是否有密封油脂或驱动箱齿轮油渗入，实现对结构密封是否失效的监控。

所述油脂密封腔的工作压力值p2为3bar，所述溢流阀的溢流压力值p1为5bar。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

1)结构简单实用、安全可靠

a.刀盘驱动与螺旋输送机驱动油脂润滑密封系统的结构形式均为“组合式橡胶密封+迷宫密封”，组合式橡胶密封由多唇形密封、格莱圈、o型圈组成，这三种均为常见密封圈，装配工艺简单。

b.本申请的刀盘驱动与螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统均可实现大于100bar的被压，可有效阻止外部渣土、泥水渗入到驱动箱及内部润滑油脂与齿轮油的外泄。

c.在各油脂密封腔的周向布置有多个油脂注入点，可以使注入的润滑油脂与唇形密封充分接触，保证润滑效果。

d.在各油脂密封腔的周向布置有油脂压力检测点，能随时通过压力传感器的数值变化判断油脂注入是否正常。

e.刀盘驱动的油脂润滑密封系统中设置环形检测腔，并在环形检测腔周向布置的密封完好性检测点，可通过观测其连接的透明管内是否有注入到油脂密封腔内的油脂或驱动箱齿轮油渗入，从而检验唇形密封和格莱圈密封是否失效。

f.油脂泵出口通过溢流阀安装的压力保护回路，保证了油脂注入最大压力的恒定，避免油脂密封腔内的油脂压力过大而造成密封圈损坏，同时解决了溢流出的油脂不好处理的问题。

2)经济环保

本申请中的结构密封和油脂密封的配合结构设计，本身能很好的实现密封的功能，不需要靠油脂挤出到土仓的持续流动阻挡泥沙；只需要将少量油脂注入到油脂密封腔，对两端的多唇形密封唇口起到润滑作用。一方面，该发明的油脂消耗量远远小于挤出式油脂润滑密封系统的油脂消耗量，油脂注入设备更加简单，每公里掘进里程可节约成本数十万元；另一方面，土壤不会被油脂污染，环境效益明显。

3)油脂的注入有手动和自动两种控制模式。自动模式下通过压力传感器对油脂注入腔内油脂压力进行实时监测，根据压力对油脂泵进行自动控制，确保各个油脂密封腔都能得到足够的油脂，并保持一定的压力范围。

附图说明

图1为本发明油脂润滑密封系统的原理图。

图2为刀盘驱动的油脂润滑密封结构油脂注入点轴向截面示意图。

图3为刀盘驱动的油脂润滑密封结构油脂检测点轴向截面示意图。

图4为刀盘驱动的油脂润滑密封结构检测点外接透明管布置图。

图5为螺旋输送机驱动的油脂润滑密封结构图。

图中序号：1-油脂泵a；101-单向阀；102-溢流阀；103-压力表；104-出油口；2-刀盘驱动的油脂注入管路；3-螺旋输送机驱动的油脂注入管路；4-液位报警器；5-刀盘驱动的油脂润滑密封系统；501-油脂注入点；502-压力检测点；6-螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统；601-油脂注入点；602-压力检测点；7-油脂泵b；8-压力传感器；9-手动球阀；10-三通阀；11-刀盘筒体；12-驱动主轴；1201-o型圈密封；1202-迷宫密封；13-耐磨套筒；1301-o型圈密封；14-密封座；1401-格莱圈密封；1402-唇形密封；1403-油脂密封腔；1404-油脂检测腔；1405-o型圈；1406-格莱圈密封；15-油脂注入通道；16-圆柱滚子轴承；17-刀盘驱动箱体；18-密封完好检测通道；19-三通阀；20-手动球阀；21-透明检测管；22-呼吸器；23-驱动箱、24-完好性检测点；25-前部筒体法兰；2501-o型圈密封；2502-迷宫密封；26-前部驱动箱体；2601-唇形密封；2602-o型圈密封；2603-o型圈密封；27-油脂注入通道；28-油脂密封腔；29-转盘轴承；2901-唇形密封；2902-格莱圈密封；30-驱动环；31-后部驱动箱体；3101-油脂密封腔；32-后部筒体法兰；3201-o型圈密封；3202-迷宫密封；33-通道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

在本具体实施方式中，所记载的“o型圈密封”、“迷宫密封”、“油脂密封腔”、“手动球阀”、“三通阀”等名称相同，但标号不同，仅是用于区分设置在不同的结构件，便于阅读和区分。

本实施例中，针对六刀盘联合开挖、双螺旋输送机出渣的矩形顶管机形式，该机型包含6套相同的刀盘驱动和2套相同的螺旋输送机驱动。该机型的顶管机驱动系统的油脂润滑密封系统，包括了2台油脂泵、12路刀盘驱动润滑油脂注入管路、8路螺旋输送机驱动润滑油脂注入管路、6套刀盘驱动的油脂润滑密封系统、2套螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统。

每个刀盘驱动的油脂润滑密封系统均包括了2个油脂注入点、1个油脂压力检测点和2个密封完好性检测点；每个螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统均包括驱动前端密封和驱动后端密封两部分，且驱动前端密封与驱动后端密封分别包括2个油脂注入点和1个压力检测点。

如图1所示，在油脂泵a1和油脂泵b7的出油口104通过刀盘驱动的油脂注入管路2、螺旋输送机驱动的油脂注入管路3，分别与刀盘驱动的油脂润滑密封系统5的油脂注入点501、螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统6的油脂注入点601相连。油脂泵a1为1#、2#、3#刀盘驱动的油脂润滑密封系统5的油脂注入点501和1#螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统6的驱动前端密封与后端密封的油脂注入点601提供油脂；油脂泵b7为4#、5#、6#刀盘驱动的油脂润滑密封系统5的油脂注入点501和2#螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统6的驱动前端密封与后端密封油脂注入点601提供油脂。

如图2和图3所示，每个刀盘驱动的油脂润滑密封系统5包括迷宫密封1202、耐磨套筒13、密封座14、o型密封圈(1201、1301、1405)、格莱圈(1401、1406)、唇形密封1402、油脂密封腔1403、以及油脂密封腔连接的油脂注入通道15、油脂检测腔1404和压力检测通道18；其中耐磨套筒13设置在驱动主轴12上，耐磨套筒13与驱动主轴12之间设置有1道o型圈密封1301；密封座14设置在耐磨套筒13上，耐磨套筒13与密封座14接触面之间左侧设置有2道格莱圈密封1401，右侧设置有1道格莱圈密封1406，中部设置有3道唇形密封1402，在相邻的两唇形密封1402之间设置有2道串联的环形油脂密封腔1403；在密封座14的5点与9点方向的2个轴向截面上，设置连通油脂密封腔1403并外接刀盘驱动润滑油脂注入管路2的油脂注入通道15，作为2个油脂注入点501；在密封座14的1点方向的截面上，还设置有连通油脂密封腔1403并外接压力传感器8与手动球阀9的油脂压力检测通道，该油脂压力检测通道可以与油脂注入通道15共用，作为压力检测点502；在靠近刀盘的驱动箱的一道多唇形密封1402与格莱圈1406之间，设置1道环形油脂检测腔1404；在密封座14的7点与11点方向的轴向截面上设置2道连通油脂检测腔1404的密封完好检测通道18，作为2个密封完好性的检测点24。密封座14与刀盘筒体11之间设计有迷宫密封1202结构。在刀盘筒体11与耐磨套筒13配合的止口位置设置有1道o型圈密封1201。在油脂注入通道15、密封完好检测通道18与穿越密封座14和刀盘驱动箱体17处设置1道o型圈1405。每个油脂注入点501分别通过1条刀盘驱动润滑油脂注入管路2连接到油脂泵的一个出油口104。其中，11点方向的密封完好性检测点24通过三通阀19外接呼吸器22与透明检测管21的上部，7点方向的密封完好性检测点24通过三通阀19外接手动球阀20与透明管21的下部。

每个螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统6包括驱动前端密封和驱动后端密封两部分，均由迷宫密封(2502、3202)、多唇形密封(2601、2901)、格莱圈2902和o型圈(2501、2602、2603、3201)组成。驱动前端密封中，前部筒体法兰25与驱动环30之间设计为迷宫密封2502，前部筒体法兰25与前部驱动箱体26之间设置有1道o型圈2501，前部驱动箱体26与转盘轴承29之间设置有2道o型圈(2602、2603)，前部驱动箱体26与驱动环30之间设置有1道唇形密封2601，转盘轴承29与驱动环30之间设置有1道唇形密封2901和1道格莱圈2902，在唇形密封2601、2901之间设置有1道环形油脂密封腔28。驱动后端密封中，后部筒体法兰32与驱动环30之间设计有迷宫密封3202，后部筒体法兰32与后部驱动箱体31之间设置有1道o型圈3201，在后部驱动箱体31与驱动环30之间，沿轴向在靠近转盘轴承29一侧设置1道格莱圈2902，在靠近后部筒体法兰32一侧设置有2道唇形密封(2601、2901)，在唇形密封(2601、2901)之间设置有1道环形油脂密封腔3101。驱动前端密封中，在穿越前部驱动箱体26和转盘轴承29的4点、8点、12点方向的轴向截面上，设置3道连通油脂密封腔28的油脂注入通道27，其中4点与8点方向的油脂注入通道27外接螺旋输送机驱动的油脂注入管路3，作为2个油脂注入点601，每个油脂注入点601分别通过1条螺旋输送机驱动的油脂注入管路3连接到油脂泵的一个出油口105；12点方向的油脂注入通道27，作为1个压力检测点602，压力检测点602通过三通阀10外接压力传感器8与手动球阀9。驱动后端密封中，在穿越后部驱动箱体31的4点、8点、12点方向的轴向截面上，设置3道连通油脂密封腔3101的油脂注入通道33，其中4点与8点方向的油脂注入通道33外接螺旋输送机驱动的油脂注入管路3，作为2个油脂注入点601，每个油脂注入点601分别通过1条螺旋输送机驱动的油脂注入管路3连接到油脂泵的一个出油口105；12点方向的油脂注入通道33作为油脂检测腔，作为1个压力检测点602，压力检测点602通过三通阀10外接压力传感器8与手动球阀9。

所述刀盘驱动的油脂注入管路2、螺旋输送机驱动的油脂注入管路3，均设置有通过溢流阀102连接油脂桶的压力保护回路。保证了油脂注入最大压力的恒定，避免油脂密封腔内的油脂压力过大而造成密封圈损坏，同时解决了溢流出的油脂不好处理的问题。所述油脂泵a1、油脂泵b7的每个出油口104流量单独可调，出口带单向阀101、压力表103，和低液位报警器4。

在本实施例中，刀盘驱动与螺旋输送机驱动的油脂润滑密封系统均采用多种类型、多道布置的组合密封形式，密封结构本身能很好的实现密封的功能，均可实现大于100bar的被压，可有效阻止外部渣土、泥水渗入到驱动箱及内部润滑油脂与齿轮油的外泄。不需要靠油脂挤出到土仓的持续流动阻挡泥沙；只需要将少量油脂注入到油脂密封腔，对两端的多唇形密封唇口起到润滑作用。一方面，该发明的油脂消耗量远远小于挤出式油脂润滑密封系统的油脂消耗量，油脂注入设备更加简单，每公里掘进里程可节约成本数十万元；另一方面，土壤不会被油脂污染，环境效益明显。周向布置的多个油脂注入点，可以使注入的润滑油脂与唇形密封充分接触，保证润滑效果。周向布置的油脂压力检测点，能随时通过压力传感器的数值变化判断油脂注入是否正常。刀盘驱动的油脂润滑密封系统周向布置的密封完好性检测点，可通过观测其连接的透明检测管内是否有注入到油脂密封腔内的油脂或驱动箱齿轮油渗入，从而检验唇形密封和格莱圈密封是否失效。

本申请还公开了一种利用上述的顶管机驱动系统的油脂润滑密封系统进行的注入监控方法，其油脂泵a1与油脂泵b7的上位机能够单独启停，油脂泵a1、油脂泵b7的油脂量处于低液位时，低液位报警器4会将报警信号传递给上位机，油脂泵a1、油脂泵b7禁止运行，6个刀盘驱动与2个螺旋输送机驱动的油脂密封腔压力的检测值在上位机能够实时显示。油脂的注入有手动和自动两种模式。手动模式时，人工操作按钮实现油脂泵的启停；自动模式时，通过压力传感器对油脂注入腔内油脂压力进行实时监测，根据压力对油脂泵进行自动控制。当1#、2#、3#号刀盘驱动与1#螺机驱动中任何一个油脂密封腔的压力检测值小于1bar时，油脂泵a1启动；当所有油脂密封腔的压力检测值大于3bar时，油脂泵a1停止。当4#、5#、6#号刀盘驱动与2#螺机驱动中任何一个油脂密封腔的压力检测值小于1bar时，油脂泵b7启动；当所有油脂密封腔的压力检测值大于3bar时，油脂泵b7停止。由于每个油脂腔的压力不可能一致，可能出现某一些腔小于3bar，另外一些已经很大，为了保护油脂泵a1、油脂泵b7及密封，油脂泵出口溢流阀102设置为5bar。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。