自适应土仓压力变化的盾构机主驱动密封系统及方法与流程

本发明属于盾构机设备领域，特别涉及自适应土仓压力变化的盾构机主驱动密封系统及方法。

背景技术：

近年来，随着国内外隧道工程的不断增多，盾构机作为隧道工程的重要施工装备在其中得到了广泛应用。主驱动作为盾构机的关键核心部件，其工作可靠性直接决定着整台盾构机的工作状态。因此，本发明面向如何提升盾构机主驱动密封效果展开研究。

如图1、2所示，一般而言，盾构机上常用的主驱动密封型式分为两大类：1)多道vd橡胶密封排列组合型式；2)多道四指聚氨酯密封排列组合型式。

这两种型式的主驱动密封系统，均是通过在每两道密封之间持续注入润滑、密封介质，借用润滑、密封介质的外排效应，来阻止外部土仓内的水土杂质进入到主驱动内部。

这种传统型式的主驱动密封系统，其各道密封之间的注脂压力和注脂量不会随着土仓压力的变化而变化。

然而在盾构机工作过程中，其土仓内的水土压力是不断变化的。如果主驱动密封系统的注脂压力和注脂量持续偏低，就会导致密封效果欠佳、水土等杂质极易进入主驱动内部，从而损坏主驱动传动系统。

如果注脂压力和注脂量持续偏高，则会导致各道密封长期处于较高的压力下工作，极易造成密封本体的变形、老化和磨损，从而缩短主驱动密封系统的使用寿命。再者，持续偏高的注脂量，也必然会造成润滑介质的浪费，从而提高了施工成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自适应土仓压力变化的盾构机主驱动密封系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自适应土仓压力变化的盾构机主驱动密封系统，其包括流体通道箱、摩擦环、密封介质以及多个密封圈，所述流体通道箱套摄于所述摩擦环上且与所述摩擦环之间成型环形的间隙，多个密封圈将间隙分隔成多道环形的压力腔，所述流体通道箱内开设多个用于分别向各个压力腔内注入密封介质的注入通道，所述密封介质填充于所述注入通道、所述压力腔内。

优化的，所述密封系统还包括设于所述压力腔内的密封隔环，所述密封隔环的外周面与所述流体通道箱密封贴合，其内周面与所述摩擦环相离，其上开设有连通所述注入通道和所述压力腔的注入辅道。

优化的，所述流体通道箱、摩擦环以及多个密封圈同轴设置。

优化的，所述密封圈为唇型密封，其包括外周环以及与所述外周环相连接的唇环，所述外周环的外周面与所述流体通道箱内侧壁贴合，所述唇环大致呈锥台状，其外径较大的一端与所述外周环相连接，其外径较小的一端紧贴所述摩擦环，所述外周环的外侧壁上具有与所述外周环同轴的第一环状突起，所述唇环的外周面朝向外侧鼓起。

进一步的，所述密封隔环的内周面上设有环形槽，所述环形槽与所述摩擦环之间形成空间为所述压力腔的一部分，所述密封隔环的前后端面上具有环形的第二环状突起和第三环状突起，所述第二环状突起呈台阶状。

优化的，所述注入通道分为多组，且呈环形阵列状分别于所述摩擦环的轴线四周，同一组中的各所述注入通道分别与各所述压力腔一一对应连通。

优化的，所述系统还包括用于检测各个压力腔内工作压力的压力控制模块。

本发明还提供了一种基于上述密封系统的密封方法，设定土仓的水土压力为p0，与外界连接的压力腔的工作压力为p1、往后的压力腔的工作压力顺次为p2、p3、p4…pn…，n为大于2的正整数，所述方法为控制所述水土压力以及各工作压力满足以下条件：p2＝p1+δp1，且pn＝pn-1-δpn,δp1＞0，δpn＞0。

优化的，δp1≥0.5bar。

优化的，δpn≥2bar。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.该系统可以将主驱动密封系统的工作压力同土仓压力变化相联动，使主驱动密封系统的承压能力与土仓压力相匹配；

2.在盾构机工作过程中，该系统可以持续自动采集土仓内的压力变化，并将土仓压力值实时反馈至主驱动密封压力控制系统；

3.该控制系统实时控制主驱动各道密封之间的工作压力，以确保每道密封均处于合理的工作压差范围内，从而保障密封的使用性能，防止其出现异常变形、老化和磨损，从而延长了主驱密封的使用寿命；

4.主驱动各道密封之间的注脂压力随着土仓压力的变化而变化，不会出现注脂压力持续偏高或偏低的情况，在保证主驱动密封效果的前提下，油脂消耗量也就得到了有效控制，从而降低了施工成本；

5.更为重要的是，该型自适应土仓压力变化的盾构机主驱动密封系统，非常适用于在超高水土压力下工作的盾构机。超高水土压力下工作的盾构机对主驱动密封系统的密封效果要求更高、且要具备较高的工作可靠性。在此类盾构机的设计过程中，主驱动密封系统可采用多道唇型密封排列组合的型式，辅以自适应土仓压力变化的主驱动密封系统，实现盾构机主驱动的超高承压能力。

附图说明

图1-2现有的两种密封系统的结构示意图；

图3为本系统的结构示意图；

图4为流体通道箱内的注入通道分布示意图；

图5为唇型密封的截面视图；

图6为密封隔环的截面视图；

图7为系统压力腔示意图；

图8为系统压力腔电路控制原理图；

图9为p0-p6腔工作压力控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

如图3所示，自适应土仓压力变化的盾构机主驱动密封系统包括流体通道箱2、摩擦环6、密封介质3、密封隔环5、多个密封圈4、端口迷宫环1以及压力控制模块。流体通道箱2、摩擦环6、密封隔环5以及多个密封圈4同轴设置，流体通道箱2套摄于摩擦环6上且与摩擦环6之间成型环形的间隙，端口迷宫环1和多个密封圈4将间隙分隔成多道环形的压力腔7，流体通道箱2内开设多个用于分别向各个压力腔7内注入密封介质3的注入通道8，密封介质3填充于注入通道8、压力腔7内。压力控制模块用于检测各个压力腔7内工作压力。密封隔环5的外周面与流体通道箱2密封贴合，其内周面与摩擦环6相离，其上开设有连通注入通道8和压力腔7的注入辅道。如图4所示，注入通道8分为多组，且呈环形阵列状分别于摩擦环6的轴线四周，同一组中的各注入通道8分别与各压力腔7一一对应连通。

如图5所示，密封圈4为唇型密封，其包括外周环41以及与外周环41相连接的唇环42，外周环41的外周面与流体通道箱2内侧壁贴合，唇环42大致呈锥台状，其外径较大的一端与外周环41相连接，其外径较小的一端紧贴摩擦环6，外周环41的外侧壁上具有与外周环41同轴的第一环状突起43，唇环42的外周面朝向外侧鼓起。如图6所示，密封隔环5的内周面上设有环形槽51以及连通环形槽51和注入通道8的连通孔54，环形槽51与摩擦环6之间形成空间为压力腔7的一部分，密封隔环5的前后端面上具有环形的第二环状突起52和第三环状突起53，第二环状突起52呈台阶状。

由于上述结构具有以下优点：

1、端口迷宫环1和流体通道箱2和摩擦环6之间形成迷宫环状的多回路以及窄间隙迷宫腔，可以抵抗较大粒径的石渣进入密封滑动面，减小密封圈4和密封滑动面的磨损。同时压力腔7也利于密封油脂的致密填充，减少外部水压对密封油脂的冲刷损耗。

2、流体通道箱2设置不同的注入通道8，不同的注入通道8孔用于输送不同的流体，分别注入到各压力腔7内。

3、通过在各道密封腔之间持续注入不同种类的润滑/密封介质3，借用润滑/密封介质3的外排效应，有利于将土仓内的泥水、石渣等污染物阻挡在密封腔外侧，从而增强密封系统的密封效果。

4、唇型密封为橡胶材质，采用大截面型式，密封的结构形状和安装压缩量经过仿真模拟设计，能够同时满足高承压能力和良好的密封效果。

5、密封隔环5用于支撑和分隔相邻排布的两道唇型密封，密封隔环5优化了唇型密封的支撑结构，即使在紧急情况下唇型密封承受异常的高压力，其密封唇口也不会发生翻转失效，从而更有力地保证了主驱动密封系统的密封性能。

6、摩擦环6采用整体锻件制作，其摩擦表面经过高频淬火和精密磨削(表面硬度可达58hrc，粗糙度可控制在1.6以下)，大大增强了摩擦环6的耐磨性。摩擦环6与唇型密封的接触位置可以相对调整，更进一步地提高了摩擦环6的使用寿命。

基于上述密封系统的密封方法，设定土仓的水土压力为p0，与外界连接的压力腔7的工作压力为p1、往后的压力腔7的工作压力顺次为p2、p3、p4…pn…，n为大于2的正整数，方法为控制水土压力以及各工作压力满足以下条件：p2＝p1+δp1，且pn＝pn-1-δpn,δp1＞0，δpn＞0，其中δp1≥0.5bar，最佳取0.5bar，δpn≥2bar最佳取3bar。

在本实施例中：

根据主驱动密封的结构组成可以看出，多道排列组合的主驱动唇型密封之间形成了p0-p6的压力腔7，如图7所示，各道压力腔7内根据工程实际需求注入不同的润滑/密封介质3。

p0--表示土仓的水土压力；

p1--表示第一道压力腔7(注脂ep2)的工作压力；

p2--表示第二道压力腔7(注脂ep2)的工作压力；

p3--表示第三道压力腔7(注油+空气)的工作压力；

p4--表示第四道压力腔7(注油+空气)的工作压力；

p5--表示第五道压力腔7(泄漏检测用)的工作压力；

p6—表示第六道压力腔7(主驱动齿轮油箱)的工作压力。

该主驱动密封系统的自适应功能，主要通过自动控制p3、p4腔的工作压力来实现。

唇型密封(橡胶材质)，其单道密封的理想动态承压能力可达3bar。当单道唇型密封的正面工作压力大于3bar时，便需要在这道唇型密封背部主动建立背压，以确保单道唇型密封的工作压力(前后压差)位于理想承压能力(3bar)以下，从而保证每道唇型密封良好的工作性能，进而确保主驱动密封系统的密封效果。

当土仓的水土压力p0为3bar时，根据流体传动系统原理，p1腔的工作压力等于p0，即p1＝p0＝3bar。

在盾构机工作过程中，为了利用主驱动密封润滑介质的外排效应来进一步增强主驱动密封系统的密封效果，一般需要p2腔的工作压力稍高于p1腔，以保证p2腔的油脂顺利排出。因此，一般选定p2＝p1+0.5bar＝3.5bar。

当p2腔的工作压力超过3bar时，便需要启动p3腔的压力控制系统，在第二道唇型密封背部建立背压，以确保第二道唇型密封的工作压力(前后压差)不超过3bar。具有自适应功能的盾构机主驱动密封系统，可以根据土仓内水土压力的实时情况，自动设定p3＝p2-3bar。

随着土仓压力的升高，p3腔的工作压力也在相应升高。当p3腔的工作压力大于3bar时，则第三道唇型密封的工作压力(前后压差)也达到了密封本体允许的动态承压极限值。此时便需要启动p4腔的压力控制系统。在第三道唇型密封背部建立背压，以确保第三道唇型密封的工作压力(前后压差)不超过3bar。具有自适应功能的盾构机主驱动密封系统，可以自动设定p4＝p3-3bar。依次类推，在必要时可以对p5、p6腔的工作压力进行联动控制，以确保盾构机主驱动密封系统的密封性能。

由于p5压力腔7两侧的主驱动唇形密封为背对背的安装方式，而唇形密封的设计结构型式为单向承压(唇口正向承压)，其唇口背部的承压能力几乎为0，因此当p5腔建立工作压力的时候，便需要启动p6腔的工作压力来平衡主驱动唇形密封的背压。在主驱动密封压力控制系统的逻辑上设定p6＝p5+0.5bar。

根据盾构机主驱动密封压力控制系统的控制关系，可以形成如表1和图9所示的p0-p6腔工作压力控制逻辑表和逻辑图。

表1

综上，本发明具有以下优点：1.配备该密封系统功能的盾构机能够承受更高的掌子面水土压力，从而增强了盾构机的工程适应性；

2.可以使盾构机主驱动密封系统的工作压力同土仓压力变化相联动，实时控制主驱动密封系统的工作状态；

3.与土仓压力相匹配的主驱动密封系统，可以根据工程实际需求，精确控制润滑/密封油脂的消耗量，有效降低了施工成本；

4.通过该自适应功能的主驱动密封系统，可以使每道密封的工作压力均处于合理范围内，从而保障密封的使用性能，延长主驱密封的使用寿命；

5.该型自适应功能的主驱动密封系统，非常适用于在超高水土压力下工作的盾构机，可以有效提高盾构机主驱动的密封效果和工作可靠性；

6.拓宽了密封系统和密封结构的设计思路，对相关密封技术的发展有很强的可借鉴性。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。