一种掘进机及其能实现温度实时监测的主驱动轴端密封

1.本发明属于掘进机技术领域，具体涉及一种掘进机及其能实现温度实时监测的主驱动轴端密封。


背景技术：

2.掘进机是一种用于隧道挖掘的大型机械装备，具有开挖快、安全性高和降低劳动强度的优点。随着中国基础设施的大规模建设，掘进机已经广泛应用于公路、水电、城市地铁等隧道工程。其中，主驱动作为掘进机的一个核心部件，因其密封工作温度过高导致的密封失效问题是降低主驱动使用寿命的最重要因素之一。然而，由于掘进机主驱动密封界面存在载荷大、空间密闭、磨损严重等问题，目前的掘进机主驱动密封界面的高可靠性原位温度测量尚缺乏有效技术手段。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种掘进机及其能实现温度实时监测的主驱动轴端密封，本发明能够实现掘进机主驱动密封界面温度的原位实时监测。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种掘进机的能实现温度实时监测的主驱动轴端密封，包括主驱动轴、动密封橡胶圈和温度传感器，动密封橡胶圈套设在主驱动轴上，主驱动轴在其与动密封橡胶圈的接触界面设有安装孔，温度传感器设置于安装孔内，温度传感器表面与动密封橡胶圈直接接触，安装孔内还设有用于支撑温度传感器并使得温度传感器与动密封橡胶圈保持接触的弹性结构。
6.优选的，安装孔为一阶梯孔，安装孔包括大径段和小径段，安装孔靠近动密封橡胶圈的一端为大径段，温度传感器和弹性结构设置于所述大径段内，弹性结构设置于温度传感器与大径段的底部之间，温度传感器上连接的信号引线从所述小径段引出。
7.优选的，弹性机构采用弹簧或簧片。
8.优选的，温度传感器包括电阻芯片、封装外壳和信号引线，电阻芯片设置于所述封装外壳内，信号引线与所述电阻芯片连接并从封装外壳穿出，封装外壳的内腔在电阻芯片的外部填充有灌封胶。
9.优选的，电阻芯片包括基底层、黏附层、敏感层和钝化层，黏附层设置于基底层表面，敏感层设置于黏附层表面，敏感层包括电阻条和与电阻条两端连接的电阻条焊盘，电阻条焊盘上连接有信号引线，钝化层设置于基底层表面并将电阻条、电阻条焊盘和黏附层完全包裹。
10.优选的，温度传感器中的基底层一侧朝向动密封橡胶圈。
11.优选的，电阻条的布局形状为等距双螺旋状。
12.优选的，电阻条作为等距双螺旋状的边缘轮廓线，电阻条的线宽为4μm～10μm、电
阻条与电阻条之间的间距为20μm～50μm、电阻条布局范围的半径为100μm～250μm。
13.优选的，敏感层的材料为铂，敏感层的厚度为60nm～200nm；基底层采用表面粗糙度≤15nm和表面平整度≤15μm的蓝宝石晶片；粘附层材料为钽，粘附层的厚度为20～50nm；封装外壳采用氮化硅管壳；灌封胶采用导热系数为0.6～1.0w/(m
·
k)、绝缘强度≥20kv/mm的室温硫化硅橡胶。
14.本发明还提供了一种掘进机，该掘进机具有本发明如上所述掘进机的能实现温度实时监测的主驱动轴端密封。
15.本发明具有如下有益效果：
16.本发明掘进机的能实现温度实时监测的主驱动轴端密封中，主驱动轴在其与动密封橡胶圈的接触界面设有安装孔，温度传感器设置于安装孔内，温度传感器表面与动密封橡胶圈直接接触，因此能够实现动密封橡胶圈与主驱动轴接触界面处温度的在线原位监测，提高测量精度。通过在安装孔内设置用于支撑温度传感器并使得温度传感器与动密封橡胶圈保持接触的弹性结构，弹性结构能够对温度传感器进行弹性支承，能够降低温度传感器与动密封橡胶圈接触表面间的应力，能够降低对温度传感器的磨损和冲击，提高了温度传感器使用寿命和可靠性。
17.进一步的，封装外壳的内腔在电阻芯片的外部填充有灌封胶，能够提高温度传感器的抗震性，还能够防止电阻芯片被污染失效。
18.进一步的，电阻芯片中的基底层具有良好的绝缘性和耐磨损的功能，能够进一步提升整个温度传感器的耐磨损性能，黏附层能够增强敏感层和基底层的粘附能力，钝化层具有致密、绝缘、耐高温和防腐蚀的特点，有助于保护敏感层免受外界污染，从而提高温度传感器使用的可靠性。
19.进一步的，温度传感器中的基底层一侧朝向动密封橡胶圈，因此利用基底层和粘附层还能进一步保护敏感层。
20.进一步的，电阻条的布局形状为等距双螺旋状，能够大幅度降低焦耳自热效应，有效避免了热应力集中，从而进一步提高测温精度。
附图说明
21.图1为本发明电阻芯片的剖面图
22.图2为本发明温度传感器纵剖面图；
23.图3为本发明温度传感器封装底部结构示意图；
24.图4为本发明温度传感器与弹性机构装配示意图；
25.图5为本发明敏感层结构正面示意图；
26.图6(a)为本发明掘进机主驱动密封整体剖面图；图6(b)为图6(a)中b部放大图；
27.图7(a)为图6(a)中a部放大示意图(安装温度传感器于弹性机构前)；图7(b)为图6(a)中a部放大示意图(安装温度传感器于弹性机构后)
28.图8为本发明电阻芯片制作工艺流程图。
29.附图中：1
‑
电阻芯片，2
‑
封装外壳，3
‑
弹性机构，4
‑
灌封胶，5
‑
信号引线，6
‑
基底层，7
‑
粘附层，8
‑
敏感层，9
‑
钝化层，10
‑
电阻条焊盘，12
‑
动密封橡胶圈，13
‑
主驱动轴，14
‑
安装孔，15
‑
轴承端盖，16
‑
轴箱体，17
‑
六角螺栓，18
‑
温度传感器，19
‑
ar
‑
u400光刻胶，20
‑
电阻
条，21
‑
第一通孔，22
‑
第二通孔。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步地详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”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该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.参照图6(a)、图6(b)、图7(a)和图7(b)，本发明掘进机的能实现温度实时监测的主驱动轴端密封包括主驱动轴13、动密封橡胶圈12和温度传感器18，动密封橡胶圈12套设在主驱动轴13上，主驱动轴13在其与动密封橡胶圈12的接触界面设有安装孔14，温度传感器18设置于安装孔14内，温度传感器18表面与动密封橡胶圈12直接接触，安装孔14内还设有用于支撑温度传感器18并使得温度传感器18与动密封橡胶圈12保持接触的弹性结构3。
33.作为本发明优选的实施方案，参照图7(a)和图7(b)，安装孔14为一阶梯孔，安装孔14包括大径段(图7(a)中的上段)和小径段(图7(a)中的下段)，安装孔14靠近动密封橡胶圈12的一端为大径段，温度传感器18和弹性结构3设置于所述大径段内，弹性结构3设置于温度传感器18与大径段的底部之间，温度传感器18上连接的信号引线5从所述小径段伸出。
34.作为本发明优选的实施方案，弹性机构3采用弹簧或簧片，弹簧或簧片可采用高弹性的金属制作而成。
35.作为本发明优选的实施方案，参照图2
‑
图4，温度传感器18包括电阻芯片1、封装外壳2和信号引线5，电阻芯片1设置于所述封装外壳2内，信号引线5与所述电阻芯片1连接并从封装外壳2穿出，封装外壳2的内腔在电阻芯片1的外部填充有灌封胶4。
36.作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，电阻芯片1包括基底层6、黏附层7、敏感层8和钝化层9，黏附层7设置于基底层6表面，敏感层8设置于黏附层7表面，敏感层8包括电阻条20和与电阻条20两端连接的电阻条焊盘10，电阻条焊盘10上连接有信号引线5，钝化层9设置于基底层6表面并将电阻条20、电阻条焊盘10和黏附层7包裹。
37.作为本发明优选的实施方案，参照图2和图7(b)，温度传感器18中的基底层6以倒装形式朝向动密封橡胶圈12的接触界面。其中，图2所示的方位为温度传感器18倒装时候的方位。
38.作为本发明优选的实施方案，参照图5，电阻条20的布局形状为等距双螺旋状。
39.作为本发明优选的实施方案，参照图5，电阻条20作为等距双螺旋状的边缘轮廓线，电阻条20的线宽为4μm～10μm、电阻条20与电阻条20之间的间距为20μm～50μm、电阻条20布局范围的半径为100μm～250μm。
40.作为本发明优选的实施方案，敏感层8的材料为铂，敏感层8的厚度为60nm～200nm；基底层6采用表面粗糙度≤15nm和表面平整度≤15μm的蓝宝石晶片；粘附层7材料为钽，粘附层7的厚度为20～50nm；封装外壳2采用氮化硅管壳；灌封胶4采用导热系数为0.6～1.0w/(m
·
k)、绝缘强度≥20kv/mm的室温硫化硅橡胶。
41.实施例
42.参照图1至图3，本发明设计的电阻芯片1包括基底层6、黏附层7、敏感层8和钝化层9，其中敏感层8包括电阻条20和电阻条焊盘10，钝化层9材质可为氧化铝或玻璃这些绝缘、耐腐蚀材料。电阻条20两端均皆有电阻条焊盘10，每个电阻条焊盘10上均连接有信号引线5，信号引线5一端与电阻条焊盘10相接，另一端通过传感器的封装外壳2底部的第一通孔21和第二通孔22，外接信号处理电路。电阻芯片1在封装外壳2内部水平倒放(图1所示的方位为电阻芯片1正放的情况，图2所示的方位为电阻芯片1倒放的情况)后，由灌封胶4紧密包裹并充满温度传感器封装外壳内部剩余空间。同时，第一通孔21和第二通孔22为形状相同的圆柱形，信号引线5是为了电路的连通，对其布线路径不做限定。
43.参照图4，温度传感器18底部与弹性机构3相接，其弹性机构3采用弹性良好的弹簧或簧片，以实现弹性支承，降低封装外壳表面与动密封橡胶圈之间的接触应力，从而进一步提高了其耐磨损和抗冲击性能。
44.参照图2至图4，本发明设计的温度传感器具体的封装方法，包括以下步骤：
45.1)在封装外壳2内均匀涂抹一层2～3mm厚灌封胶4后，静置5～10分钟；
46.2)将电阻芯片1水平倒放在静置后的封装外壳2内部中心处后，继续向封装外壳2内部加注灌封胶4，使其紧密包裹住电阻芯片1后充满封装外壳2内部剩余空间，加注完成后静置20～30分钟；灌封胶4采用导热系数为0.6～1.0w/(m
·
k)、绝缘强度≥20kv/mm的室温硫化硅橡胶。
47.3)使用丙烯酸酯结构胶，将带有第一通孔21和第二通孔22的封装外壳2的底面与侧表面(无底圆柱壳)进行粘接。同时将信号引线5通过第一通孔21和第二通孔22后连接外部信号处理电路。
48.参照图5，敏感层8的电阻条20设计成等距双螺旋结构，以减少电阻自热效应对其测量精度的影响，电阻条焊盘10设计成大小相等的矩形结构，利于信号引线5连接。
49.参照图6(a)、图6(b)、图7(a)和图7(b)，将封装好的温度传感器18底部连接弹性机构3后，直接嵌入动密封橡胶圈12与主驱动轴13接触界面的预留安装孔14，以实现原位在线温度监测，从而对掘进机主驱动轴接触界面处温度进行实时监测。
50.参照图8，本实施例所设计的电阻芯片1制备方法包括以下步骤：
51.1)将抛光后表面粗糙度ra≤15nm和表面平整度≤15μm的蓝宝石晶片作为基底层6，在三氯乙烷中超声清洗15分钟后用氮气枪进行烘干，然后在4000rmp下旋涂ar
‑
u400光刻胶19静置15～20s后，整体放置在管式炉内进行前烘，以消除光刻胶内应力，前烘温度为110～120℃，时间为5～10min；
52.2)利用掩模版在接触式g线下曝光，曝光时间为8～10s，曝光后在0.5％的氢氧化钠显影液中浸泡60s，随后整体放置在管式炉内进行后烘，后烘温度为120℃，时间为15～20min，以减少驻波效应；
53.3)磁控溅射时靶材与基片之间的距离为6～8cm，溅射功率为120w，溅射室的真空度要低于3
×
10
‑4pa，钽的溅射时间为200s，铂的溅射时间为4000s，以获得粘附层7和敏感层8，溅射完成后在600℃下退火1～3小时，以进一步消除晶格缺陷、提高薄膜结晶化和电学性能；
54.4)磁控溅射后，利用氧等离子体进行完全ar
‑
u400光刻胶19，去胶功率为200w，时间为50s，以获得图形化效果；
55.5)信号引线5选取铝含量不低于99.5％的铝线，且与电阻条焊盘10连接时，采用银含量为75％且烧结温度为120
±
2℃低温银浆粘接；
56.6)其中采用等离子体化学气相沉积技术或射频磁控溅射技术，在敏感层8上表面制备1.5
±
0.3μm厚的氧化铝作为钝化层9。
57.上述方案中，敏感层8材质为铂金属，敏感层8的电阻条20设计成等距双螺旋状，电阻条20的线宽为4μm～10μm、电阻条20与电阻条20之间的间距为20μm～50μm、电阻条20布局范围的半径为100μm～250μm。靶材为纯度不低于99.9％的金属钽，溅射厚度为20～50nm。通过lift
‑
off工艺制备电阻芯片1结构。
58.本实施例所要达到的主要技术指标为：
59.1)工作温度
‑
50℃～200℃；
60.2)测量精度优于0.5％fs；
61.3)温度传感器一体化尺寸≤3
×3×
1mm3。
62.本实施例的上述方案中，温度传感器18整体可划分为电阻芯片1、信号引线5、灌封胶4、弹性机构3和封装外壳2，其结构简单、空间体积小，利于大规模批量化生产，在封装上采用氮化硅管壳，增强了耐磨损、抗冲击的能力，并在温度传感器18底部增加了弹性机构，实现了弹性支承，降低了接触表面间的应力，进一步提高了其耐磨损和抗冲击性能，确保了该温度传感器使用的使用寿命和可靠性。本发明有结构简单、负载耐磨损能力强、可靠性好、测量精度高、工况适应性强和原位在线温度监测的特点。
63.以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。