盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置的制作方法

本实用新型涉及盾构机、TBM等的主轴承润滑系统的密封技术领域，特别涉及一种盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置。

背景技术：

盾构机、TBM等隧道掘进机是地下掘进盾构施工中的主要施工机械，它在防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，可在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌作业，目前在我国的城市地铁、过江公路隧道、跨海隧道等大型隧道工程项目中得到了广泛的应用。盾构机主轴承是盾构机的核心部件，起着支撑盾构刀盘并使之回转破岩的作用。在施工过程中，隧道掘进机承受的水土压力很高，如果主轴承润滑油泄漏或者泥水、沙砾及渣土进入主轴承润滑系统，将导致主轴承和齿轮副的迅速破坏。破坏的主轴承需从盾构机上方开挖竖井吊出更换，难度非常大，将给盾构施工带来不可估量的损失。

润滑系统是通过主驱动密封组件与外界隔离，防止泥水、沙砾及渣土进入主轴承润滑系统，主驱动密封组件设置在筒形密封支撑和密封衬套之间的间隙中，主驱动密封组件的唇形密封环与密封衬套之间相对转动，一般在主驱动密封组件在间隙中隔出的密封油腔中注入润滑油以减小摩擦。密封油腔中注入的润滑油的种类、密封油腔中注入的润滑油的压力、主轴承的转速以及唇形密封环所受到的外界泥水的压力等因素会影响主驱动密封组件的密封性能。

随着国内市场盾构机及TBM等隧道掘进机的数量不断增多，针对隧道施工中承受高压带来的风险，为了隧道施工过程中更稳更安全，降低设备施工风险和维修成本，盾构机主轴承密封系统需在相关试验台上模拟运转试验成功后才在新开发的的设备上使用。目前，还没有一种能够对主驱动密封组件的密封性能进行试验的装置。

基于上述原因，有必要提供一种盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置，该试验装置能够模拟盾构机主轴承密封系统的工况条件，并对盾构机主轴承的密封系统密封性能进行试验。

为解决上述技术问题，本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置采用的一个技术方案是：提供一种盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置，该试验装置包括：固定架和安装在该固定架上的第一外筒；同轴套设在该第一外筒内部的第一内筒，该第一内筒的外壁与该第一外筒的内壁之间形成用于设置第一待测主驱动密封组件的第一间隙，该第一外筒的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔；安装在该固定架上的驱动装置，该第一内筒的左端与该驱动装置相连接并由该驱动装置带动旋转，进而相对于该第一外筒转动；安装在该固定架上的第二外筒，以及同轴套设在该第二外筒内部的第二内筒，该第二内筒的外周壁与该第二外筒的内周壁之间形成用于设置第二待测主驱动密封组件的第二间隙，该第二外筒的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔；该第二内筒与该第一内筒的外径相同，该第二内筒的左端与该第一内筒的右端同轴密封固定连接；该第二外筒与该第一外筒的内径相同，该第一外筒的右端密封连接有第一压环，该第二外筒的左端密封连接有第二压环，该第一压环与该第二压环通过连接筒密封连接在一起，该连接筒上开设有径向的泥水灌注孔。

在本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置的另一个实施例中，该驱动装置包括安装在该固定架上的液压马达和主轴承，该主轴承的外圈固定在该固定架上，该主轴承的内圈设置有内齿，该液压马达的轴端连接与该主轴承啮合的主动齿轮，该第一内筒的左端固定连接在该主轴承的内圈上。

在本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置的另一个实施例中，在该第一外筒的筒壁上轴向间隔开设四组润滑油灌注孔，每组在周向设置至少一个润滑油灌注孔；在该第二外筒的筒壁上轴向间隔开设三组润滑油灌注孔，每组在周向设置至少一个润滑油灌注孔。

在本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置的另一个实施例中，在该第一内筒和第二内筒的筒壁上均开设用于安装温度传感器的润滑油温度检测孔。

在本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置的另一个实施例中，该固定架上设置有用于测量该主轴承的转速的测速传感器。

在本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置的另一个实施例中，该连接筒的筒壁上开设用于连接安全阀的安全阀孔和用于连接压力传感器或压力表的压力检测孔。

在本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置的另一个实施例中，该液压马达为三个双排量液压马达，该双排量液压马达各连接一个主动齿轮，三个主动齿轮均与该主轴承啮合；在该第二外筒的右端设置观察侧板，该观察侧板上设置观察孔。

通过上述方案，本实用新型的有益效果是：本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置包括：固定架和安装在该固定架上的第一外筒；同轴套设在该第一外筒内部的第一内筒，该第一内筒的外壁与该第一外筒的内壁之间形成用于设置第一待测主驱动密封组件的第一间隙，该第一外筒的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔；安装在该固定架上的驱动装置，该第一内筒的左端与该驱动装置相连接并由该驱动装置带动旋转，进而相对于该第一外筒转动；第二内筒，该第二内筒与该第一内筒的外径相同，该第二内筒的左端与该第一内筒的右端同轴密封固定连接；第二外筒，该第二外筒同轴套设在该第二内筒的外部，该第二外筒的内壁与该第二内筒的外壁之间形成用于设置第二待测主驱动密封组件的第二间隙，该第二外筒的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔；该第二外筒与该第一外筒的内径相同，该第二外筒的左端密封连接有第二压环，该第一外筒的右端密封连接有第一压环，该第一压环与该第二压环通过连接筒密封连接在一起，该连接筒上开设有径向的泥水灌注孔，且该第二外筒固定在该固定架上。

通过向压力腔中灌注泥水，模拟主轴承的密封系统的工况，在第一间隙和第二间隙中分别设置第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件，两种待测主驱动密封组件中的唇形密封环的类型不同，密封油腔中注入不同类型的润滑油，并改变密封油腔中润滑油的压力，在不同试验条件下同时对两种类型的唇形密封环进行试验。由液压马达通过齿轮圈带动第一内筒和第二内筒转动，模拟真实工况下刀盘的转动，观察唇形密封环的压力承载能力和磨损情况。

总之，通过改变试验条件来进行不同的测试，通过一系列的传感器监测主轴承的运转及主驱动密封组件的密封情况，从观察孔可直观看出试验装置是否泄漏泥水。将试验得到的数据反馈到新设备的研发中，在新研发的设备上采取性能最优的密封方案，同时反馈到在真实工况下运行的设备上，降低设备施工风险，降低维修成本，使隧道施工更稳定安全。

附图说明

图1是本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置实施例1的剖视图；

图2是图1中A部分中第一外筒、第一内筒、第二外筒以及第二内筒之间连接关系的放大图；

图3是本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置实施例2的左视图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本实用新型的各实施例进行详细说明。

实施例1

请一并参阅图1和图2，图1是本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置实施例1的剖视图，图2是图1中A部分中第一外筒、第一内筒、第二外筒以及第二内筒之间连接关系的放大图。

本实用新型试验装置包括：固定架5和安装在固定架5上的第一外筒2，同轴套设在第一外筒2内部的第一内筒1，第一内筒1的外壁与第一外筒2的内壁之间形成用于设置第一待测主驱动密封组件的第一间隙3，第一外筒2的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔4，第一待测主驱动密封组件包括至少一个第一唇形密封环901，第一唇形密封环901在第一间隙3中隔出密封油腔401，密封油腔通过润滑油灌注孔4注入润滑油，第一唇形密封环901的两侧设置压环902，压环902固定设置在第一外筒2的内壁上，且与第一外筒2的内壁之间通过O型圈密封。

该试验装置还包括安装在固定架5上的驱动装置，第一内筒1的左端与驱动装置相连接并由驱动装置带动旋转，进而相对于第一外筒2转动，盾构机掘进时，通过主轴承带动刀盘不断挖掘掌子面，本试验装置通过驱动装置带动主轴承转动模拟真实工况。

还包括第二内筒11和第二外筒12，第二内筒11与第一内筒1的外径相同，第二内筒11的左端与第一内筒1的右端同轴密封固定连接；第二外筒12同轴套设在第二内筒11的外部，第二外筒12的内壁与第二内筒11的外壁之间形成用于设置第二待测主驱动密封组件的第二间隙15，第二外筒12的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔；第二外筒12与第一外筒11的内径相同，第二外筒12的左端密封连接有第二压环13，第一外筒11的右端密封连接有第一压环14，第一压环14与第二压环13通过连接筒10密封连接在一起，连接筒10上开设有径向的泥水灌注孔，且第二外筒12固定在固定架5上。第二间隙中设置的第二待测主驱动密封组件包括第二唇形密封环903，第二唇形密封环903与第一唇形密封环901类型不同，因此本试验装置可同时测试两种不同类型的唇形密封环的密封性能。

固定架5包括第一安装板501和第二安装板502，第一安装板501和第二安装板502将第一内筒、第一外筒、第二内筒、第二外筒夹在中间并起到支撑作用。

第一间隙3和第二间隙15贯通，在第一间隙3和第二间隙15中分别设置第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件后，第一间隙3和第二间隙15中间隔出压力腔7，通过连接筒10上的泥水灌注孔向压力腔7中灌注注压泥水，第一主驱动密封组件和第二主驱动密封组件在第一间隙3和第二间隙15中起到密封的作用，防止压力腔7中的泥水由第一间隙3的右端渗透到左端，以及防止压力腔7中的泥水由第二间隙15的左端渗透到右端。通过试验，来测试第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件对第一间隙3和第二间隙15的密封性能。

驱动装置包括安装在第一安装板501上的液压马达601和主轴承603，主轴承603的外圈固定在第一安装板501上，主轴承603的内圈设置有内齿，液压马达601的轴端连接与主轴承603啮合的主动齿轮602，第一内筒1的左端固定连接在主轴承603的内圈上，第一内筒1的左端沿径向向内扩展形成连接环101，连接环101用于与主轴承603的内圈固定连接，而主轴承603相当于盾构机中用于带动刀盘转动的轴承，连接环101的右端的端面与第一内筒1的内壁之间设置肋板102，用于增强连接环101的承载能力，主轴承603的的内圈转动时带动第一内筒1转动。

在第一外筒2的筒壁上轴向间隔开设四组润滑油灌注孔4，每组在周向设置至少一个润滑油灌注孔，在第二外筒12的筒壁上轴向间隔开设三组润滑油灌注孔4，每组在周向设置至少一个润滑油灌注孔。设置多组润滑油灌注孔的原因是，在试验时，第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件会在第一间隙和第二间隙中隔出多个密封油腔401，每个密封油腔401都需要通过相应的润滑油灌注孔灌注润滑油。优选的，每组润滑油灌注孔4在周向均设置六个，在需要灌注润滑油时，可以用六个润滑油灌注孔同时灌注，这样密封油腔中的润滑油分布均匀且润滑油压力均匀，对唇形密封环起到更好的润滑效果。

在第一内筒1和第二内筒11的筒壁上均开设用于安装温度传感器的润滑油温度检测孔，该润滑油温度检测孔用于安装温度传感器16，试验过程中，由于第一唇形密封环901与第一内筒1之间以及第二唇形密封环903与第二内筒11之间有转动摩擦，密封油腔401中的润滑油温度会升高，通过温度传感器16来测试润滑油的温度变化，进而监测第一唇形密封环901与第一内筒1之间以及第二唇形密封环903与第二内筒11之间的摩擦情况。

固定架5上设置有用于测量主轴承603的转速的测速传感器17，主轴承603的转速对第一唇形密封环901和第二唇形密封环903的磨损影响很大，所以需要监测其转速。

连接筒10的筒壁上还开设用于连接安全阀的安全阀孔和用于连接压力传感器或压力表的压力检测孔，压力腔7中注压泥水的压力需要观察记录，一方面是因为注压泥水的压力是一种试验条件需要观测记录，比如压力腔7中注压泥水的压力可以设置为3bar或5bar等不同的压力；另一方面是因为实时监测注压泥水的压力，防止试验时压力过大产生危险。安全阀则可保证压力腔7中注压泥水的压力在安全范围内。在这里，压力腔中的注压泥水是通过压力罐注入的，压力罐中储存带压泥水，且压力罐通过管道连通到连接筒10上的泥水灌注孔。

在第二外筒12的右端设置观察侧板18，该观察侧板18上设置观察孔，通过该观察孔处观察压力腔中的泥水是否由第一间隙的左端或第二间隙的右端泄露。实验时，如果润滑油灌注孔不灌注润滑油，也可在润滑油灌注孔处观察泥水是否有泄露。

实施例2

请参阅图3，图3是本实用新型盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置实施例2的左视图。

实施例2是对实施例1的进一步改进，包括了实施例1中相同的技术特征，该试验装置的驱动装置中的液压马达601为三个双排量液压马达，双排量液压马达各连接一个主动齿轮，三个主动齿轮均与主轴承啮合，主轴承的直径很大，为保证驱动装置有足够动力带动主轴承转动，故设置三个液压马达601，而双排量液压马达便于主轴承转速的调节。

对于本实用新型上述盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置，可以采用下述具体方法进行试验，该方法包括：

第一步，在第一间隙和第二间隙中分别设置第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件。该步中，第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件分别包括第一唇形密封环和第二唇形密封环。

第二步，在第一内筒和第二内筒上的润滑油温度检测孔安装温度传感器，在连接筒上的安全阀孔安装安全阀，并在连接筒上的压力检测孔连接压力传感器或压力表。

第三步，向第一待测主驱动密封组件在第一间隙中隔出的密封油腔和第二待测主驱动密封组件在第二间隙中隔出的密封油腔中注入润滑油。第一步中的第一唇形密封环和第二唇形密封环在第一间隙和第二间隙中隔出密封油腔，每个密封油腔对应一组润滑油灌注孔，通过润滑油灌注孔向相应的密封油腔中注入润滑油，注入的润滑油的压力的大小以及润滑油的种类都可以不同。

第四步，向压力腔中填充注压泥水，压力腔中填充的注压泥水压力的不同对第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件密封性能的影响不同，压力越大，待测主驱动密封组件承载的压力也就越大。

第五步，设置主轴承的转速和运转时间并进行试验，记录试验结果；主轴承的转速和运转时间对第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件的磨损有很大影响，转速越快时间越长，则待测主驱动密封组件的磨损越严重。

第六步，拆卸主驱动密封组件和各外联设备。该步骤中的外联设备包括用于为密封油腔灌注润滑油的油泵、用于向压力腔中填充注压泥水的压力罐、第一内筒和第二内筒上的润滑油温度检测孔安装的温度传感器、连接筒上的安全阀孔安装的安全阀以及连接筒上的压力检测孔连接压力传感器或压力表等。

在测试主题为“组合唇形密封环的高速高压密封性能测试”下，即第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件分别由多个第一唇形密封环和第二唇形密封环组成，且主轴承带动第一内筒和第二内筒转动速度设置为快速，压力腔中的注压泥水压力较高，在这样的条件下，进行试验，观察第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件的密封性能。该方法的测试目的主要是检验盾构机主轴承密封系统在主轴承高速运转条件下的密封性能，检验运动冲击对密封性能造成的影响，该方法的具体步骤包括：

该第一步在第一间隙中设置的第一待测主驱动密封组件包括三个间隔设置的第一唇形密封环，三个第一唇形密封环在第一间隙中隔出两个密封油腔；在第二间隙中设置的第二待测主驱动密封组件包括三个间隔设置的第二唇形密封环，三个第二唇形密封环在第二间隙中也隔出两个密封油腔；

该第二步向密封油腔中注入润滑油具体为：向第一待测主驱动密封组件在第一间隙中隔出的两个密封油腔中分别注入齿轮油和EP2润滑脂，向第二待测主驱动密封组件在第二间隙中隔出的两个密封油腔中也分别注入齿轮油和EP2润滑脂(EP2润滑脂是埃克森美孚润滑油公司生产的一种型号的润滑脂)；齿轮油均连续供给，当齿轮油压力达到1bar(1bar＝100兆帕)时停止泵送，EP2润滑脂均连续供给，当EP2润滑脂压力达到2.8bar～3.2bar范围内时停止泵送；

该第四步向压力腔中填充5bar的注压泥水；

该第五步设置主轴承的转速为10转/分钟，运转时间为30分钟；记录试验结果包括：从观察孔观察第一间隙的左端和所述第二间隙的右端是否泄漏泥水，并每隔2分钟记录齿轮油的温度变化。

在测试条件为“组合唇形密封环低速承压磨损测试”下，即第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件分别由多个第一唇形密封环和第二唇形密封环组成，且主轴承带动第一内筒和第二内筒转动速度设置为低速，但转动时间长，压力腔中注入带有一定压力的注压泥水，在这样的条件下，进行试验，观察第一唇形密封环和第二唇形密封环的磨损量以及密封性能。该方法的测试目的主要是检验盾构机主轴承密封系统在主轴承较长时间运转条件下的密封性能，是对密封性能的疲劳性检验，该方法具体步骤包括：

该第一步在所述第一间隙中设置的第一待测主驱动密封组件包括三个间隔设置的第一唇形密封环，三个第一唇形密封环在第一间隙中隔出两个密封油腔；在第二间隙中设置的第二待测主驱动密封组件包括三个间隔设置的第二唇形密封环，三个第二唇形密封环在第二间隙中也隔出两个密封油腔；

该第二步向密封油腔中注入润滑油具体为：向第一待测主驱动密封组件在第一间隙中隔出的两个密封油腔中分别注入齿轮油和EP2润滑脂，向第二待测主驱动密封组件在第二间隙中隔出的两个密封油腔中也分别注入齿轮油和EP2润滑脂；齿轮油均连续供给，当齿轮油压力达到1bar时停止泵送，EP2润滑脂均连续供给，当EP2润滑脂压力达到1.8bar～2.2bar范围内时停止泵送；

该第四步中向压力腔中填充3bar的注压泥水；

该第五步中设置主轴承的转速为5转/分钟，运转时间为240分钟；记录试验结果包括：从观察孔观察第一间隙的左端和第二间隙的右端是否泄漏泥水，并每隔10分钟记录齿轮油的温度变化。第一间隙的左端和第二间隙的右端是否泄漏泥水代表第一唇形密封环和第二唇形密封环的耐磨损能力以及密封性能，齿轮油的温度变化代表第一唇形密封环和第二唇形密封环与第一内筒和第二内筒之间的摩擦的大小，温度变化越大则摩擦越大。

该第六步中拆卸主驱动密封组件后，观察第一唇形密封环和第二唇形密封环的磨损量。

基于以上实施例，本实用新型提供的盾构机主轴承密封系统密封性能试验装置包括：固定架和安装在固定架上的第一外筒；同轴套设在第一外筒内部的第一内筒，第一内筒的外壁与第一外筒的内壁之间形成用于设置第一待测主驱动密封组件的第一间隙，第一外筒的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔；安装在固定架上的驱动装置，第一内筒的左端与驱动装置相连接并由驱动装置带动旋转，进而相对于第一外筒转动；第二内筒，第二内筒与第一内筒的外径相同，第二内筒的左端与第一内筒的右端同轴密封固定连接；第二外筒，第二外筒同轴套设在第二内筒的外部，第二外筒的内壁与第二内筒的外壁之间形成用于设置第二待测主驱动密封组件的第二间隙，第二外筒的筒壁上开设有径向的润滑油灌注孔；第二外筒与第一外筒的内径相同，第二外筒的左端密封连接有第二压环，第一外筒的右端密封连接有第一压环，第一压环与第二压环通过连接筒密封连接在一起，连接筒上开设有径向的泥水灌注孔，且第二外筒固定在固定架上。

通过向压力腔中灌注泥水，模拟主轴承的密封系统的工况，在第一间隙和第二间隙中分别设置第一待测主驱动密封组件和第二待测主驱动密封组件，两种待测主驱动密封组件中的唇形密封环的类型不同，密封油腔中注入不同类型的润滑油，并改变密封油腔中润滑油的压力，在不同试验条件下同时对两种类型的唇形密封环进行试验。由液压马达通过齿轮圈带动第一内筒和第二内筒转动，模拟真实工况下刀盘的转动，观察唇形密封环的压力承载能力和磨损情况。

总之，通过改变试验条件来进行不同的测试，通过一系列的传感器监测主轴承的运转及主驱动密封组件的密封情况，从观察孔可直观看出试验装置是否泄漏泥水。将试验得到的数据反馈到新设备的研发中，在新研发的设备上采取性能最优的密封方案，同时反馈到在真实工况下运行的设备上，降低设备施工风险，降低维修成本，使隧道施工更稳定安全。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型的专利保护范围内。