掘进机主驱动密封实验台及其应用方法

技术领域

本发明涉及密封试验技术领域，特别是指掘进机主驱动密封实验台及其应用方法。

背景技术

随着城市基础建设的飞速发展，建筑物群和地下管网日益密集，掘进机作为当前隧道施工的主要设备起着越来越重要的作用。随着目前高水压、大埋深，以及超大直径的隧道项目需求逐渐的增多，对盾构的密封带来了新的挑战。但目前市场没有对大直径主驱动密封进行实际工况模拟的实验台，且市场上的实验台对密封的兼容性不强，无法经济地实现密封研究过程中密封截面调整后的实验。

由于主驱动密封工作时属于旋转密封，并需要在承受土仓水土压力的同时，隔绝沙土、地下水等，其密封唇口口与钢结构件有相对运动，且密封处于泥沙或油脂中。所以密封不仅需要耐压，也需要耐磨、耐油和耐热。随着掘进机直径的增加，密封的直径也需相应增加，且用于安装密封以及与密封相对运动的结构件变形量也随直径的增加而增大。目前市面上的密封实验台无法实现大直径密封在结构件自然变形及震动位移等实际工况的模拟，且由于密封的重要性和掘进中无条件更换的特殊性，无法直接在项目中对密封进行实验。因此，需要一种新型的密封实验台来模拟密封的实际工况，通过实验台研究出在结构件存在变形后能安全稳定承受高压的密封。

经检索，现有申请公布号CN111397815A、申请公布日20200710的发明专利公开了一种刀盘驱动密封试验台，包括：密封腔；动力箱，包括动力箱分块一和动力箱分块二，动力箱分块二设有油脂孔；驱动旋转装置，包括旋转电机固定于动力箱分块一，传力齿轮固定于旋转电机的输出轴，转动轴承通过内圈的齿轮与传力齿轮啮合，传动轴承的外圈与动力箱分块一固定，受力环的前端密闭且后端与转动轴承的内圈固定，外密封环固定于所述受力环的外侧。

虽然使用上述专利的技术方案时，通过模拟相应工程的土质、压力、刀盘转速对驱动密封圈进行测试，选择满足工况的密封圈，可以提高刀盘驱动的可靠性，提高盾构机施工人员的安全性。但是，在模拟安装密封及与密封相对运动的结构件在自重变形、压力变形、震动位移等因素引起的偏心工况时，由于外密封环与受力环之间是通过螺栓连接，在高水压、大埋深、超大直径的隧道项目中，通过螺栓连接来控制偏心精度几乎无法实现。其次，上述专利技术方案中的椭圆密封腔位于驱动旋转装置和动力箱的一侧，待测试的密封圈设置在椭圆密封腔位于驱动旋转装置之间的动力箱位置处，这就要求椭圆密封腔与动力箱分块二的连接处也处于绝对密封状态，还要椭圆密封腔与传动齿轮、转动轴承处绝对密封，只有这样才能保证试密封验数据来源的准确性，但是客观状态下无法长期保证上述位置的绝对密封。另外，上述专利技术方案中的椭圆密封腔位于驱动旋转装置和动力箱的左侧，则右侧的驱动旋转装置、动力箱及旋转的外密封环和受力环会收到轴向的压力，因此会影响整个装置的运行稳定性。另外，上述专利的技术方案在进行动态密封实验时存在缺陷。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出掘进机主驱动密封实验台及其应用方法，解决了现有掘进机主驱动密封实验台可靠性差、适应性不足的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种掘进机主驱动密封实验台，包括试验台外箱体，试验台外箱体连接有驱动装置，驱动装置的输出端通过回转支承的转动环连接有密封安装环，通过驱动装置的带动密封安装环同步转动，则密封安装环会相对试验台外箱体转动。密封安装环与试验台外箱体之间设置密封组件，通过密封安装环相对试验台外箱体的转动，可以对两者之间的密封组件进行模拟实验。所述转动环与密封安装环之间设置有可更换的偏心量调节环，通过更换不同的偏心量调节环，可模拟用于安装密封组件及与密封组件相对运动的结构件在自重变形、压力变形、震动位移等带来的结构件偏心。偏心量调节环的前后两端分别与转动环和密封安装环轴向卡接且周向固定连接，轴向卡接可以使偏心量的装配更加精密，能够更加准确地模拟实际施工中各种施工环境的密封情况。所述密封组件间隔设置有至少两组，相邻的密封组件、密封安装环与试验台外箱体所包围的区域为加压腔，密封组件处设置有密封测温系统和油脂加压通道。通过在加压腔内设置密封使用环境及实验压力，并通过油脂加压通道向密封组件中加注油脂，使油脂对密封组件内的封闭腔施加对应的工作压力；启动密封测温系统，通过密封测温系统中固定于密封跑道环及实验台外箱体内的测温探头对实验密封环运行温度进行实时监测和记录，进而实现对各种实际工况下密封组件的运行温度和工作压力的模拟，可为实验密封组件提供用于分析的数据。

并且，本技术方案中密封实验台的适用性强，可通过更换其中少量结构件，用于新截面的密封实验。密封组件间隔设置，且将加压腔设置在两组密封组件之间，既避免使用除了实验密封组件之外的密封对加压腔进行密封，充分保证了实验数据的准确性及长期运行的可靠性。另外，加压腔的左右两侧为对置的两个密封组件、且上下两侧为密封安装环和试验台外箱体，且各个构件均为环状，保证了各个构件受力的稳定性，在轴向方向上，由两组密封组件受力，且两组密封组件都是模拟实验的研究对象，不存在其他构件受压力作用产生位移导致研究变量无法统一的问题；在径向方向上，密封安装环的受力面积完全对称，因此，密封安装环在径向方向上受力平衡，因此，密封安装环和对置的密封组件保证加压腔对各个构件施压的平衡，无论是静态实验还是动态实验过程，使整个装置运行稳定可靠，数据更加精准有效。

进一步地，所述偏心量调节环的前端设置有卡接转动环的第一凹槽；或者偏心量调节环的前端卡接在转动环后端设置的第二凹槽中，第一凹槽或/和第二凹槽为偏心结构。无论其卡接结构形式如何，通过偏心量调节环与转动环的卡接配合，保证从驱动装置输出端即实现精确的装配。

进一步地，所述偏心量调节环的后端设置有第一凸台，密封安装环上设置有与第一凸台卡接配合的第三凹槽；或者偏心量调节环的后端设置有第四凹槽，密封安装环上设置有与第四凹槽配合的第二凸台，第一凸台或/和第四凹槽为偏心结构。无论其卡接结构形式如何，通过偏心量调节环与密封安装环的卡接配合，保证动力传输全过程实现精确的装配。

进一步地，所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽均包括若干个离散的凹槽或者是一个完整的凹槽，包括若干个离散的凹槽时，离散的凹槽整体形成偏心结构，与第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽卡接的部件包括若干个分散的凸台。

进一步地，所述轴向固定连接为螺纹连接或/和键连接或/和卡箍连接，实现转动环偏心量调节环及密封安装环的周向固定，只要能够实现固定连接且可拆卸即可。

进一步地，每组密封组件包括若干个依次布置的实验密封环和密封压紧块，实验密封环通过两侧的密封压紧块固定在密封安装环与试验台外箱体之间，所述油脂加压通道设置在两个密封压紧块之间且位于实验密封环的密封唇口前侧，保证油脂加压的便捷性和充分性，使密封唇口能够充分张开。所述密封测温系统的测温探头设置在试验台外箱体及密封跑道环中与密封唇口对应的位置，可以实时准确测得实验密封环在特定工作压力下的工作温度。

进一步地，同一组密封组件中的实验密封环的密封唇口同向设置，相邻两组密封组件的密封唇口相向设置，所述加压腔设置在相对的密封唇口之间。

进一步地，所述加压腔沙土及压力加压通道，通过沙土及压力加压通道既可以向加压腔内灌入模拟掘进机土压舱环境的砂土，同时对其进行加压，实现完备的施工环境模拟。

进一步地，所述密封安装环的内腔设置有与沙土及压力加压通道对应的加强环板或加强圆板，加强环板或加强圆板可以使镂空板或完全板。在密封安装环壁厚较薄时采用加强环板或加强圆板，在密封安装环壁厚较厚时，可以不设置加强环板或加强圆板，尽量简化其结构、降低其功率，达到节能高效的目的。

进一步地，所述加压通道位于相邻两组密封组件的中间位置，试验台外箱体上设置有位于加压腔内的两个凸缘环，凸缘环从试验台外箱体朝密封安装环方向延伸，两个凸缘环分别位于各侧密封组件与加压通道之间，与密封安装环形成了一定长度的迷宫密封，提高油脂挤出后的成环性的同时避免大量泥沙直接进入到密封。

进一步地，所述回转支承的固定环与试验台外箱体固定连接，转动环通过齿圈与驱动装置的输出端啮合，既能保证驱动装置固定的稳定性，又保证了动力传输过程的稳定性。

进一步地，所述固定环为回转支承的外环，转动环为回转支承的内环，所述齿圈为设置在转动环内壁的内齿圈，驱动装置的输出端通过齿轮与内齿圈啮合；或者所述固定环为回转支承的内环，转动环为回转支承的外环，所述齿圈为设置在转动环外壁的外齿圈，驱动装置的输出端通过齿轮与外齿圈啮合。

进一步地，各组密封组件的尺寸和结构不同，可以在同一次模拟实验中研究多种密封组件的工作状态，探究其性能为实际施工提供指导。

一种掘进机主驱动密封实验台的应用方法，在模拟掘进机主机密封工作时，当驱动装置不运行时，对实验密封环进行静态承压实验；当驱动装置运行时，实验密封环进行动态承压实验，此时驱动装置根据实验密封具体模拟的直径下密封唇口实际的线速度设置转速；通过更换不同偏心量的偏心量调节环，调节结构件变形量、震动位移导致的密封偏心量，模拟对各种工况下密封组件进行实验；

动态承压实验时，驱动装置带动转动环转动，进而带动偏心量调节环、密封安装环、密封组件同步旋转运动，密封组件相对实验台外箱体的密封跑道环相对运动；

通过在加压腔内设置密封使用环境及实验压力，并通过油脂加压通道向密封组件中加注油脂，使油脂对密封组件内的封闭腔施加对应的工作压力；

启动密封测温系统，通过密封测温系统中固定于密封跑道环及实验台外箱体内的测温探头对实验密封环运行温度进行实时监测和记录。

本发明本发明通过设计一套密封实验台，配置注脂系统和加压系统，实验台可安装不同截面的密封进行实验，可模拟密封实际的工作压力、工作环境；同时实验台设计有密封压缩量调节环，即偏心量调节环，可模拟用于安装密封及与密封相对运动的结构件在自重变形、压力变形、震动位移等带来的结构件偏心；其上配置有密封实时温度和密封实时工作压力的监测记录系统，可为实验密封提供用于分析的数据。并且，密封实验台的适用性强，可通过更换其中少量结构件，用于新截面的密封实验。通过密封实验台，不仅可以模拟密封的实际工况，通过实验台研究出在结构件变形量急剧增加后能安全稳定承受高压的密封，又可以经济高效的解决密封在研究中不断更换新截面密封的情况，为大直径盾构的密封研究和设计提供有力的硬件基础。

本发明采用了独特的结构设计及应用方法，不仅可以满足模拟不同直径下密封偏心量的调节，并提供实际密封使用时的工况、环境、压力及密封唇口的线速度，还可以实时监控和记录实验密封的压力及温度数据，且随着实验的推进在需要改进密封截面时，还可以低成本的进行新截面密封的实验，为大直径盾构密封、高承压压力密封、高运行线速度密封的研究、设计及实验提供了有力的条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为未采用偏心模拟时的运行状态图；

图4为本发明采用偏心模拟时的运行状态图；

其中：1-驱动装置，2-回转支承，21、转动环，22、固定环；

3-偏心量调节环，4-密封安装环，5-试验台外箱体；

6-密封压紧块，7-实验密封环；

8-密封测温系统，9-油脂加压通道，10-沙土及压力加压通道；

11-加压腔，12-凸缘环，13-加强环板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种掘进机主驱动密封实验台，如图1所示，包括试验台外箱体5，试验台外箱体5上固定连接有驱动装置1，驱动装置1为液压马达或电动机。驱动装置1的输出端通过回转支承2的转动环21连接有密封安装环4，通过驱动装置1的带动密封安装环4同步转动，则密封安装环4会相对试验台外箱体5转动。所述回转支承2的固定环22与试验台外箱体5固定连接，转动环21通过齿圈与驱动装置1的输出端啮合，既能保证驱动装置1固定的稳定性，又保证了动力传输过程的稳定性。

进一步地，所述固定环22为回转支承2的外环，转动环21为回转支承2的内环，所述齿圈为设置在转动环21内壁的内齿圈，驱动装置1的输出端通过齿轮与内齿圈啮合；或者所述固定环22为回转支承2的内环，转动环21为回转支承2的外环，所述齿圈为设置在转动环21外壁的外齿圈，驱动装置1的输出端通过齿轮与外齿圈啮合。

所述密封安装环4与试验台外箱体5之间设置密封组件，通过密封安装环4相对试验台外箱体5的转动，可以对两者之间的密封组件进行模拟实验。所述密封组件间隔设置有至少两组，相邻的密封组件、密封安装环4与试验台外箱体5所包围的区域为加压腔11，密封组件处设置有密封测温系统8和油脂加压通道9。加压腔11处的试验台外箱体5的直径大于试验台外箱体5其他部位的直径，使得加压腔11足够大，能够更好地模拟施工环境，既能够缓冲压力，密封可得到较准备的压力情况；也可以模拟更多的密封实际工况环境，即不同浓度的泥水模式及纯土压模式下密封工作情况。

所述加压腔11沙土及压力加压通道10，通过沙土及压力加压通道10既可以向加压腔11内灌入模拟掘进机土压舱环境的砂土，同时对其进行加压，实现完备的施工环境模拟。通过在加压腔11内设置密封使用环境及实验压力，并通过油脂加压通道9向密封组件中加注油脂，使油脂对密封组件内的封闭腔施加对应的工作压力；启动密封测温系统8，通过密封测温系统8中固定于密封跑道环及实验台外箱体5内的测温探头对实验密封环7运行温度进行实时监测和记录，进而实现对各种实际工况下密封组件的运行温度和工作压力的模拟，可为实验密封组件提供用于分析的数据。

进一步地，所述加压通道10位于相邻两组密封组件的中间位置，试验台外箱体5上设置有位于加压腔11内的两个凸缘环12，凸缘环12从试验台外箱体5朝密封安装环4方向延伸，两个凸缘环12分别位于各侧密封组件与加压通道10之间。

具体地，每组密封组件包括若干个依次布置的实验密封环7和密封压紧块6，实验密封环7通过两侧的密封压紧块6固定在密封安装环4与试验台外箱体5之间。所述油脂加压通道9设置在两个密封压紧块6之间且位于实验密封环7的密封唇口前侧，保证油脂加压的便捷性和充分性，使密封唇口能够充分张开。所述密封测温系统8的测温探头设置在试验台外箱体5及密封跑道环中与密封唇口对应的位置，可以实时准确测得实验密封环7在特定工作压力下的工作温度。同一组密封组件中的实验密封环4的密封唇口同向设置，相邻两组密封组件的密封唇口相向设置，所述加压腔11设置在相对的密封唇口之间。

进一步地，所述密封安装环4的内腔设置有与沙土及压力加压通道10对应的加强环板13或加强圆板，加强环板13或加强圆板可以使镂空板或完全板。在密封安装环4壁厚较薄时采用加强环板13或加强圆板，在密封安装环4壁厚较厚时，可以不设置加强环板13或加强圆板，尽量简化其结构、降低其功率，达到节能高效的目的。

所述转动环21与密封安装环4之间设置有可更换的偏心量调节环3，通过更换不同的偏心量调节环3，可模拟用于安装密封组件及与密封组件相对运动的结构件在自重变形、压力变形、震动位移等带来的结构件偏心。偏心量调节环3的前后两端分别与转动环21和密封安装环4轴向卡接且周向固定连接，轴向卡接可以使偏心量的装配更加精密，能够更加准确地模拟实际施工中各种施工环境的密封情况。所述轴向固定连接为螺纹连接或/和键连接或/和卡箍连接，实现转动环21偏心量调节环3及密封安装环4的周向固定，只要能够实现固定连接且可拆卸即可。

所述偏心量调节环3的前端设置有卡接转动环21的第一凹槽；或者偏心量调节环3的前端卡接在转动环21后端设置的第二凹槽中，第一凹槽或/和第二凹槽为偏心结构。无论其卡接结构形式如何，通过偏心量调节环3与转动环21的卡接配合，保证从驱动装置1输出端即实现精确的装配。所述偏心量调节环3的后端设置有第一凸台，密封安装环4上设置有与第一凸台卡接配合的第三凹槽；或者偏心量调节环3的后端设置有第四凹槽，密封安装环4上设置有与第四凹槽配合的第二凸台，第一凸台或/和第四凹槽为偏心结构。无论其卡接结构形式如何，通过偏心量调节环3与密封安装环4的卡接配合，保证动力传输全过程实现精确的装配。

进一步地，所述第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽均包括若干个离散的凹槽或者是一个完整的凹槽，包括若干个离散的凹槽时，离散的凹槽整体形成偏心结构，与第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽卡接的部件包括若干个分散的凸台。

进一步地，各组密封组件的尺寸和结构不同，可以在同一次模拟实验中研究多种密封组件的工作状态，探究其性能为实际施工提供指导。

本实施例的密封实验台适用性强，可通过更换其中少量结构件，用于新截面的密封实验。密封组件间隔设置，且将加压腔设置在两组密封组件之间，既避免使用除了实验密封组件之外的密封对加压腔进行密封，充分保证了实验数据的准确性及长期运行的可靠性。另外，加压腔的左右两侧为对置的两个密封组件、且上下两侧为密封安装环和试验台外箱体，且各个构件均为环状，保证了各个构件受力的稳定性，在轴向方向上，由两组密封组件受力，且两组密封组件都是模拟实验的研究对象，不存在其他构件受压力作用产生位移导致研究变量无法统一的问题；在径向方向上，密封安装环的受力面积完全对称，因此，密封安装环在径向方向上受力平衡，因此，密封安装环和对置的密封组件保证加压腔对各个构件施压的平衡，无论是静态实验还是动态实验过程，使整个装置运行稳定可靠，数据更加精准有效。

实施例2，一种掘进机主驱动密封实验台的应用方法，在模拟掘进机主机密封工作时，当驱动装置1不运行时，对实验密封环7进行静态承压实验；当驱动装置1运行时，实验密封环7进行动态承压实验，此时驱动装置1根据实验密封具体模拟的直径下密封唇口实际的线速度设置转速；通过更换不同偏心量的偏心量调节环3，调节结构件变形量、震动位移导致的密封偏心量，模拟对各种工况下密封组件进行实验。

动态承压实验时，驱动装置1带动转动环21转动，进而带动偏心量调节环3、密封安装环4、密封组件同步旋转运动，密封组件相对实验台外箱体5的密封跑道环相对运动。

通过在加压腔11内设置密封使用环境及实验压力，并通过油脂加压通道9向密封组件中加注油脂，使油脂对密封组件内的封闭腔施加对应的工作压力。

启动密封测温系统8，通过密封测温系统8中固定于密封跑道环及实验台外箱体5内的测温探头对实验密封环7运行温度进行实时监测和记录。

本实施例的结构与实施例1相同。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。