[發明專利]TBM滾刀用波形彈簧供能式端面密封系統及其安裝方法

在審

• 申請號: 201610286900.6
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN105781565A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 陳斌;周洪林;羅緒良;黑國興
• 申請（專利權）人: 天津立林鉆頭有限公司
• 主分類號: E21D9/08
• 分類號: E21D9/08;F16J15/24;F16C33/78
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 李文洋

技術領域

本發明涉及地層掘進工具技術領域，尤其涉及一種TBM滾刀用波形彈簧供能式端面密封系統及其安裝方法。

背景技術

TBM滾刀是盾構破巖掘進的關鍵部件，廣泛應用于地鐵建設、隧道工程以及修建引水涵洞等。

TBM滾刀破巖機理：刀盤在盾構機強大的推力作用下，滾刀壓入巖層，滾刀繞刀盤中心軸公轉，同時滾刀還繞各自的刀軸自轉，使滾刀在巖層上連續滾壓，刀盤施加給刀圈推刀和滾動力(轉矩)，推力使刀圈壓入巖體，滾動力使刀圈滾壓巖體，通過滾刀對巖體的擠壓和剪切使巖體發生破碎，在巖石上形成同心圓，當推力超過巖石的強度時，滾刀下的巖石直接擠壓破碎，滾刀貫入巖石，掌子面被滾刀擠壓碎裂而形成隧道同心圓溝槽，隨著溝槽深度增加，巖體表面裂紋加深擴大，當超過巖石剪切和拉伸強度時，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片剝落，形成石渣，石渣掉落洞底滾入傳輸機，傳輸機把石渣運送出工作面。

我們從TBM滾刀破巖機理來分析：盾構機輸出的幾十噸乃至幾百噸的壓力最終要由滾刀滾動軸承來承受，為了保持軸承的正常工作，不但需要抗高極壓、高運勁粘度、高滴點的潤滑油脂來充分潤滑滾動軸承，更需要高安全性、高壽命、耐高溫的軸承密封系統來防止軸承潤滑油脂的泄漏以及異入的入侵。

對TBM滾刀失效的分析表明，軸承損壞是TBM滾刀失效的主要形式，而軸承提前失效的絕大多數原因是因為軸承密封系統失效，主要表現在橡膠供能密封圈破損、熔化、磨損等形式。TBM滾刀內部的金屬浮動密封，由于其結構特點是成對使用，對金屬環提供接觸比壓的橡膠供能圈，同時用于密封金屬密封環與刀架、刀體之間的間隙，如果其出現熔化、磨損、破損等情況就會失去作用，因此橡膠供能密封圈在密封系統中起至關重要的作用。決定了軸承密封系統具有不可重復拆裝使用的特性，據統計在巖層掘進施工中，刀具密封費用已占刀具總費用的10％以上。

如圖6和圖7所示，現有TBM滾刀使用的金屬端面密封系統，金屬環與刀架、刀體之間的間隙較大，泥漿攜帶巖屑泥砂擠入，推動橡膠供能圈擠入金屬密封環底部，增加密封環表面的接觸比壓，金屬環摩擦力增加導致溫度上升熔化橡膠供能密封圈密封失效。另一種情況是巖屑泥砂推動橡膠供能圈擠入金屬密封環底部，這樣金屬密封環就像是一個剎車，刀具的驅功扭矩增大從而造成滾刀不轉，引起刀盤偏磨。

又因為現有TBM滾刀使用的金屬端面密封系統，金屬環與刀架、刀體之間的間隙較大，泥漿攜帶巖屑泥砂擠入，過一段時間后變干燥就象水泥一樣將一個金屬環與另外一個密封環凝固到一起，當滾刀再轉動時，凝固在一起的金屬環會瞬間一起轉動拉扯橡膠供能密封圈，從而損壞橡膠供能密封圈，造成密封系統失效。

眾所周知，現今TBM滾刀的密封系統基本上都利用氫化丁腈橡膠(HNBR)的彈性為密封工作面提供能量，氫化丁腈橡膠(HNBR)在耐化學性、壓縮永永久變形彈性，以及撕裂強度方面具有優異的性能，然而在120℃之上的連續循環溫度下的地層掘進場合中，由于工況的特殊性密封系統得不到即時的冷卻，用于為密封系統供能的氫化丁腈橡膠(HNBR)材料元件就會加快老化而失效(必競氫化丁腈橡膠(HNBR)硫化成形溫度才170℃)，密封系統橡膠元件一旦失效整過密封系統在惡劣工況下將會立即崩潰，導致軸承很快失效滾刀報度。我們在解剖分析失效滾刀時，就發現很多橡膠密封圈出現高溫溶化狀態，而導致密封失效的情況，如果在滾刀工作時不能及時發現就會釀成責任事故。

密封面的接觸比壓是金屬端面密封和橡膠密封的關鍵參數。如果比壓太小就封不住，比壓過大則工作面磨損快，壽命短，磨擦溫度高。新裝好的密封系統工作面都有一定的接觸比壓，它至少必須大于密封壓差，否則必漏無疑，而且隨著密封系統的工作進程，密封系統的氫化丁腈橡膠(HNBR)原件會老化和磨損。因此新裝鉆頭接觸比壓會大一些，大多少才能保證封住不漏，這要看密封面的寬度，兩邊的材料性質、表面形狀和粗糙度，TBM滾刀工況介質的質地、壓力、溫度等等條件，軸承密封系統內側的介質是高粘度軸承潤滑脂，外側則是含巖屑的泥漿。不同型號的滾刀要面對不同的工況，如何精確的為不同型號的滾刀的密封系統提供密封面恒定持久的接觸比壓，則是密封系統的關鍵所在。是從事本行業工程設計人員必須要做的課題。

發明內容

本發明的目的在于克服上述技術的不足，而提供一種TBM滾刀用波形彈簧供能式端面密封系統及其安裝方法，克服現有的橡膠供能式金屬端面密封系統的不足。

本發明為實現上述目的，采用以下技術方案：