頂管機驅動系統的油脂潤滑密封系統及注入監控方法與流程

本發明屬于頂管機技術領域，具體涉及一種頂管機驅動系統的油脂潤滑密封系統及注入監控方法。

背景技術：

頂管機是一種隧道掘進的專用工程機械，根據形狀可分為圓形頂管機與異形頂管機。近年來，隨著我國城鎮化的發展與城市地下空間開發的不斷拓展，頂管機在我國發展迅猛。頂管機具有施工工藝簡單、環境影響小、掘進速度快等特點，廣泛應用于市政工程、綜合管廊、下穿隧道、地鐵出入口等領域。

頂管機在隧道掘進過程中，刀盤開挖系統與螺旋輸送機分別實現土體開挖與排渣功能，是頂管機的關鍵組成部分。其中刀盤開挖系統所需的扭矩由刀盤驅動提供，刀盤驅動由驅動箱體、傳動齒輪、傳動主軸、主軸承、減速器、油脂潤滑密封系統等組成，是頂管機的核心部件，其中油脂潤滑密封系統主要用于將刀盤驅動箱內部結構與外部多渣、多水的復雜環境隔絕，為刀盤驅動內部的主軸承、傳動齒輪等部件提供良好的運行環境，是刀盤開挖系統正常工作的重要保證。螺旋輸送機所需的扭矩由螺旋輸送機驅動提供，螺旋輸送機驅動包括了驅動環、轉盤軸承、小齒輪、深溝球軸承、油脂潤滑密封系統等，是頂管機的核心部件，其中油脂潤滑密封系統主要用于將螺旋輸送機驅動箱內部結構與外部多渣、多水的復雜環境隔絕，為驅動箱內的軸承和齒輪等部件提供良好的運行環境，是螺旋輸送機正常工作的重要保證。

目前在隧道掘進機領域，刀盤驅動與螺旋輸送機驅動油脂潤滑密封系統采用的是“油脂擠出式”的結構形式，在唇形密封之間形成的油脂密封腔內注入ep2油脂的同時在迷宮密封處注入hbw油脂，ep2油脂與hbw油脂均需要通過密封結構不斷擠出到土倉內，靠油脂的流動阻擋泥水進入驅動箱內。主要存在以下缺點：1)設備工作時需要連續不斷的注入油脂，油脂消耗種類多、消耗量大，油脂注入設備要求復雜，總體成本很高；2)油脂大量注入到渣土中，會造成較大的環境污染。

因此，發明一種安全可靠、簡單實用、經濟環保的頂管機刀盤驅動及螺旋輸送機驅動油脂潤滑密封系統具有非常重要的意義。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述存在的問題和不足，提供一種結構設計合理、安全可靠、簡單實用，且經濟環保的頂管機驅動系統的油脂潤滑密封系統及注入監控方法。

為達到上述目的，所采取的技術方案是：

一種頂管機驅動系統的油脂潤滑密封系統，包括結構密封、油脂密封和檢測控制系統，所述結構密封包括多道榫槽和設置在榫槽內的密封件，該結構密封使得驅動箱的內部結構與外部環境相隔離；所述油脂密封包括多道呈環形的油脂密封腔、油脂注入通道和油脂泵，所述油脂密封腔設置在相鄰的兩道榫槽之間，各油脂密封腔通過油脂注入通道與油脂泵連接；所述檢測控制系統對油脂密封腔的油脂壓力進行監控和調節，并對油脂密封的完好性進行檢測。

在各所述油脂密封腔的周向布設有壓力檢測口和多個油脂注入口，在與所述油脂注入口和所述壓力檢測口對應的結構件上分別開設有油脂注入通道和油脂壓力檢測通道，所述油脂壓力檢測通道通過三通閥外接有手動球閥和壓力傳感器，所述壓力傳感器將檢測信號傳遞給檢測控制系統，進行監控和檢測。

在靠近所述驅動箱內側設置有環形檢測腔，所述環形檢測腔的周向設置有兩密封完好檢測口，與兩所述密封完好檢測口對應的結構件上均開設有密封完好檢測通道，在兩所述密封完好檢測通道之間設置有透明檢測管，所述透明檢測管上端通過三通閥連接有呼吸器和其中一條密封完好檢測通道，所述透明檢測管下端通過三通閥連接有手動球閥和另一條密封完好檢測通道。

所述油脂注入通道與油脂桶之間設置有壓力保護回路，壓力保護回路上設置有溢流閥，所述油脂泵的上設置有低液位報警器，且在油脂泵的出油口處設置有單向閥和壓力表。

所述頂管機驅動系統包括刀盤驅動和螺旋輸送機驅動，在刀盤驅動和螺旋輸送機驅動上均設置有結構密封和油脂密封。

所述刀盤驅動的刀盤筒體與刀盤驅動箱之間設置有密封座，所述密封座與驅動主軸之間設置有耐磨套管，所述耐磨套管與驅動主軸之間通過o型圈密封；所述密封座與耐磨套管之間設置有位于兩外側的多道格萊圈密封和位于中部的多道唇形密封，所述油脂密封腔設置在相鄰兩唇形密封之間，且多道油脂密封腔串聯設置；所述密封座與刀盤筒體之間設置有迷宮密封，所述o型圈密封、格萊圈密封、唇形密封構成刀盤驅動的結構密封。

所述螺旋輸送機驅動的前部驅動箱體和后部驅動箱體之間設置有驅動環，在前部驅動箱體和后驅動箱體外側分別連接有前部筒體法蘭和后部筒體法蘭，在前部驅動箱體的內側貼合設置有轉盤軸承；所述前部驅動箱體、轉盤軸承和后部驅動箱體與對應的驅動環之間均設置有多道唇形密封，所述油脂密封腔設置在相鄰兩唇形密封之間；前部驅動箱體與前部筒體法蘭之間、后部驅動箱體與后部筒體法蘭之間、轉盤軸承與前部驅動箱體之間均設置有o型圈密封，所述轉盤軸承與驅動環之間、后部驅動箱體與驅動環之間均設置有格萊圈密封，驅動環兩端分別與前部筒體法蘭和后部筒體法蘭之間設置有迷宮密封，所述o型圈密封、格萊圈密封、唇形密封構成螺旋輸送機驅動的結構密封。

各通道穿過不同結構件時，兩結構件的接觸面上設置有o型圈密封。

一種利用上述的頂管機驅動系統的油脂潤滑密封系統進行的注入監控方法，其特征在于：所述頂管機驅動系統包括刀盤驅動和螺旋輸送機驅動，所述的油脂注入監控方法包括油脂注入工序和密封監控工序；油脂注入工序：通過油脂泵的低液位報警器確定油脂泵正常工作，在油脂注入通道與油脂桶之間設置壓力保護回路和溢流閥，設定溢流閥的溢流壓力值p1，根據油脂密封腔的上連接的壓力傳感器反饋回的壓力檢測值，通過手動模式或自動模式控制油脂泵啟動，向各刀盤驅動和螺旋輸送機驅動的油脂密封腔中注入油脂，直至油脂密封腔內的壓力檢測值均達到工作壓力值p2時，關閉油脂泵，完成油脂注入，其中p1＞p2；密封監控工序，通過檢測控制系統對各油脂密封腔連接的壓力傳感器的檢測值實施監控，實現油脂密封的監控，當油脂密封腔內的壓力檢測值小于工作壓力警戒值p3時，檢測控制系統自動控制油脂泵進行油脂注入，直至各油脂密封腔內的壓力檢測值達到工作壓力值；通過設置的環形檢測腔和透明檢測管，觀測透明檢測管內是否存在油脂，檢測是否有密封油脂或驅動箱齒輪油滲入，實現對結構密封是否失效的監控。

所述油脂密封腔的工作壓力值p2為3bar，所述溢流閥的溢流壓力值p1為5bar。

采用上述技術方案，所取得的有益效果是：

1)結構簡單實用、安全可靠

a.刀盤驅動與螺旋輸送機驅動油脂潤滑密封系統的結構形式均為“組合式橡膠密封+迷宮密封”，組合式橡膠密封由多唇形密封、格萊圈、o型圈組成，這三種均為常見密封圈，裝配工藝簡單。

b.本申請的刀盤驅動與螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統均可實現大于100bar的被壓，可有效阻止外部渣土、泥水滲入到驅動箱及內部潤滑油脂與齒輪油的外泄。

c.在各油脂密封腔的周向布置有多個油脂注入點，可以使注入的潤滑油脂與唇形密封充分接觸，保證潤滑效果。

d.在各油脂密封腔的周向布置有油脂壓力檢測點，能隨時通過壓力傳感器的數值變化判斷油脂注入是否正常。

e.刀盤驅動的油脂潤滑密封系統中設置環形檢測腔，并在環形檢測腔周向布置的密封完好性檢測點，可通過觀測其連接的透明管內是否有注入到油脂密封腔內的油脂或驅動箱齒輪油滲入，從而檢驗唇形密封和格萊圈密封是否失效。

f.油脂泵出口通過溢流閥安裝的壓力保護回路，保證了油脂注入最大壓力的恒定，避免油脂密封腔內的油脂壓力過大而造成密封圈損壞，同時解決了溢流出的油脂不好處理的問題。

2)經濟環保

本申請中的結構密封和油脂密封的配合結構設計，本身能很好的實現密封的功能，不需要靠油脂擠出到土倉的持續流動阻擋泥沙；只需要將少量油脂注入到油脂密封腔，對兩端的多唇形密封唇口起到潤滑作用。一方面，該發明的油脂消耗量遠遠小于擠出式油脂潤滑密封系統的油脂消耗量，油脂注入設備更加簡單，每公里掘進里程可節約成本數十萬元；另一方面，土壤不會被油脂污染，環境效益明顯。

3)油脂的注入有手動和自動兩種控制模式。自動模式下通過壓力傳感器對油脂注入腔內油脂壓力進行實時監測，根據壓力對油脂泵進行自動控制，確保各個油脂密封腔都能得到足夠的油脂，并保持一定的壓力范圍。

附圖說明

圖1為本發明油脂潤滑密封系統的原理圖。

圖2為刀盤驅動的油脂潤滑密封結構油脂注入點軸向截面示意圖。

圖3為刀盤驅動的油脂潤滑密封結構油脂檢測點軸向截面示意圖。

圖4為刀盤驅動的油脂潤滑密封結構檢測點外接透明管布置圖。

圖5為螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封結構圖。

圖中序號：1-油脂泵a；101-單向閥；102-溢流閥；103-壓力表；104-出油口；2-刀盤驅動的油脂注入管路；3-螺旋輸送機驅動的油脂注入管路；4-液位報警器；5-刀盤驅動的油脂潤滑密封系統；501-油脂注入點；502-壓力檢測點；6-螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統；601-油脂注入點；602-壓力檢測點；7-油脂泵b；8-壓力傳感器；9-手動球閥；10-三通閥；11-刀盤筒體；12-驅動主軸；1201-o型圈密封；1202-迷宮密封；13-耐磨套筒；1301-o型圈密封；14-密封座；1401-格萊圈密封；1402-唇形密封；1403-油脂密封腔；1404-油脂檢測腔；1405-o型圈；1406-格萊圈密封；15-油脂注入通道；16-圓柱滾子軸承；17-刀盤驅動箱體；18-密封完好檢測通道；19-三通閥；20-手動球閥；21-透明檢測管；22-呼吸器；23-驅動箱、24-完好性檢測點；25-前部筒體法蘭；2501-o型圈密封；2502-迷宮密封；26-前部驅動箱體；2601-唇形密封；2602-o型圈密封；2603-o型圈密封；27-油脂注入通道；28-油脂密封腔；29-轉盤軸承；2901-唇形密封；2902-格萊圈密封；30-驅動環；31-后部驅動箱體；3101-油脂密封腔；32-后部筒體法蘭；3201-o型圈密封；3202-迷宮密封；33-通道。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細說明。

在本具體實施方式中，所記載的“o型圈密封”、“迷宮密封”、“油脂密封腔”、“手動球閥”、“三通閥”等名稱相同，但標號不同，僅是用于區分設置在不同的結構件，便于閱讀和區分。

本實施例中，針對六刀盤聯合開挖、雙螺旋輸送機出渣的矩形頂管機形式，該機型包含6套相同的刀盤驅動和2套相同的螺旋輸送機驅動。該機型的頂管機驅動系統的油脂潤滑密封系統，包括了2臺油脂泵、12路刀盤驅動潤滑油脂注入管路、8路螺旋輸送機驅動潤滑油脂注入管路、6套刀盤驅動的油脂潤滑密封系統、2套螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統。

每個刀盤驅動的油脂潤滑密封系統均包括了2個油脂注入點、1個油脂壓力檢測點和2個密封完好性檢測點；每個螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統均包括驅動前端密封和驅動后端密封兩部分，且驅動前端密封與驅動后端密封分別包括2個油脂注入點和1個壓力檢測點。

如圖1所示，在油脂泵a1和油脂泵b7的出油口104通過刀盤驅動的油脂注入管路2、螺旋輸送機驅動的油脂注入管路3，分別與刀盤驅動的油脂潤滑密封系統5的油脂注入點501、螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統6的油脂注入點601相連。油脂泵a1為1#、2#、3#刀盤驅動的油脂潤滑密封系統5的油脂注入點501和1#螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統6的驅動前端密封與后端密封的油脂注入點601提供油脂；油脂泵b7為4#、5#、6#刀盤驅動的油脂潤滑密封系統5的油脂注入點501和2#螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統6的驅動前端密封與后端密封油脂注入點601提供油脂。

如圖2和圖3所示，每個刀盤驅動的油脂潤滑密封系統5包括迷宮密封1202、耐磨套筒13、密封座14、o型密封圈(1201、1301、1405)、格萊圈(1401、1406)、唇形密封1402、油脂密封腔1403、以及油脂密封腔連接的油脂注入通道15、油脂檢測腔1404和壓力檢測通道18；其中耐磨套筒13設置在驅動主軸12上，耐磨套筒13與驅動主軸12之間設置有1道o型圈密封1301；密封座14設置在耐磨套筒13上，耐磨套筒13與密封座14接觸面之間左側設置有2道格萊圈密封1401，右側設置有1道格萊圈密封1406，中部設置有3道唇形密封1402，在相鄰的兩唇形密封1402之間設置有2道串聯的環形油脂密封腔1403；在密封座14的5點與9點方向的2個軸向截面上，設置連通油脂密封腔1403并外接刀盤驅動潤滑油脂注入管路2的油脂注入通道15，作為2個油脂注入點501；在密封座14的1點方向的截面上，還設置有連通油脂密封腔1403并外接壓力傳感器8與手動球閥9的油脂壓力檢測通道，該油脂壓力檢測通道可以與油脂注入通道15共用，作為壓力檢測點502；在靠近刀盤的驅動箱的一道多唇形密封1402與格萊圈1406之間，設置1道環形油脂檢測腔1404；在密封座14的7點與11點方向的軸向截面上設置2道連通油脂檢測腔1404的密封完好檢測通道18，作為2個密封完好性的檢測點24。密封座14與刀盤筒體11之間設計有迷宮密封1202結構。在刀盤筒體11與耐磨套筒13配合的止口位置設置有1道o型圈密封1201。在油脂注入通道15、密封完好檢測通道18與穿越密封座14和刀盤驅動箱體17處設置1道o型圈1405。每個油脂注入點501分別通過1條刀盤驅動潤滑油脂注入管路2連接到油脂泵的一個出油口104。其中，11點方向的密封完好性檢測點24通過三通閥19外接呼吸器22與透明檢測管21的上部，7點方向的密封完好性檢測點24通過三通閥19外接手動球閥20與透明管21的下部。

每個螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統6包括驅動前端密封和驅動后端密封兩部分，均由迷宮密封(2502、3202)、多唇形密封(2601、2901)、格萊圈2902和o型圈(2501、2602、2603、3201)組成。驅動前端密封中，前部筒體法蘭25與驅動環30之間設計為迷宮密封2502，前部筒體法蘭25與前部驅動箱體26之間設置有1道o型圈2501，前部驅動箱體26與轉盤軸承29之間設置有2道o型圈(2602、2603)，前部驅動箱體26與驅動環30之間設置有1道唇形密封2601，轉盤軸承29與驅動環30之間設置有1道唇形密封2901和1道格萊圈2902，在唇形密封2601、2901之間設置有1道環形油脂密封腔28。驅動后端密封中，后部筒體法蘭32與驅動環30之間設計有迷宮密封3202，后部筒體法蘭32與后部驅動箱體31之間設置有1道o型圈3201，在后部驅動箱體31與驅動環30之間，沿軸向在靠近轉盤軸承29一側設置1道格萊圈2902，在靠近后部筒體法蘭32一側設置有2道唇形密封(2601、2901)，在唇形密封(2601、2901)之間設置有1道環形油脂密封腔3101。驅動前端密封中，在穿越前部驅動箱體26和轉盤軸承29的4點、8點、12點方向的軸向截面上，設置3道連通油脂密封腔28的油脂注入通道27，其中4點與8點方向的油脂注入通道27外接螺旋輸送機驅動的油脂注入管路3，作為2個油脂注入點601，每個油脂注入點601分別通過1條螺旋輸送機驅動的油脂注入管路3連接到油脂泵的一個出油口105；12點方向的油脂注入通道27，作為1個壓力檢測點602，壓力檢測點602通過三通閥10外接壓力傳感器8與手動球閥9。驅動后端密封中，在穿越后部驅動箱體31的4點、8點、12點方向的軸向截面上，設置3道連通油脂密封腔3101的油脂注入通道33，其中4點與8點方向的油脂注入通道33外接螺旋輸送機驅動的油脂注入管路3，作為2個油脂注入點601，每個油脂注入點601分別通過1條螺旋輸送機驅動的油脂注入管路3連接到油脂泵的一個出油口105；12點方向的油脂注入通道33作為油脂檢測腔，作為1個壓力檢測點602，壓力檢測點602通過三通閥10外接壓力傳感器8與手動球閥9。

所述刀盤驅動的油脂注入管路2、螺旋輸送機驅動的油脂注入管路3，均設置有通過溢流閥102連接油脂桶的壓力保護回路。保證了油脂注入最大壓力的恒定，避免油脂密封腔內的油脂壓力過大而造成密封圈損壞，同時解決了溢流出的油脂不好處理的問題。所述油脂泵a1、油脂泵b7的每個出油口104流量單獨可調，出口帶單向閥101、壓力表103，和低液位報警器4。

在本實施例中，刀盤驅動與螺旋輸送機驅動的油脂潤滑密封系統均采用多種類型、多道布置的組合密封形式，密封結構本身能很好的實現密封的功能，均可實現大于100bar的被壓，可有效阻止外部渣土、泥水滲入到驅動箱及內部潤滑油脂與齒輪油的外泄。不需要靠油脂擠出到土倉的持續流動阻擋泥沙；只需要將少量油脂注入到油脂密封腔，對兩端的多唇形密封唇口起到潤滑作用。一方面，該發明的油脂消耗量遠遠小于擠出式油脂潤滑密封系統的油脂消耗量，油脂注入設備更加簡單，每公里掘進里程可節約成本數十萬元；另一方面，土壤不會被油脂污染，環境效益明顯。周向布置的多個油脂注入點，可以使注入的潤滑油脂與唇形密封充分接觸，保證潤滑效果。周向布置的油脂壓力檢測點，能隨時通過壓力傳感器的數值變化判斷油脂注入是否正常。刀盤驅動的油脂潤滑密封系統周向布置的密封完好性檢測點，可通過觀測其連接的透明檢測管內是否有注入到油脂密封腔內的油脂或驅動箱齒輪油滲入，從而檢驗唇形密封和格萊圈密封是否失效。

本申請還公開了一種利用上述的頂管機驅動系統的油脂潤滑密封系統進行的注入監控方法，其油脂泵a1與油脂泵b7的上位機能夠單獨啟停，油脂泵a1、油脂泵b7的油脂量處于低液位時，低液位報警器4會將報警信號傳遞給上位機，油脂泵a1、油脂泵b7禁止運行，6個刀盤驅動與2個螺旋輸送機驅動的油脂密封腔壓力的檢測值在上位機能夠實時顯示。油脂的注入有手動和自動兩種模式。手動模式時，人工操作按鈕實現油脂泵的啟停；自動模式時，通過壓力傳感器對油脂注入腔內油脂壓力進行實時監測，根據壓力對油脂泵進行自動控制。當1#、2#、3#號刀盤驅動與1#螺機驅動中任何一個油脂密封腔的壓力檢測值小于1bar時，油脂泵a1啟動；當所有油脂密封腔的壓力檢測值大于3bar時，油脂泵a1停止。當4#、5#、6#號刀盤驅動與2#螺機驅動中任何一個油脂密封腔的壓力檢測值小于1bar時，油脂泵b7啟動；當所有油脂密封腔的壓力檢測值大于3bar時，油脂泵b7停止。由于每個油脂腔的壓力不可能一致，可能出現某一些腔小于3bar，另外一些已經很大，為了保護油脂泵a1、油脂泵b7及密封，油脂泵出口溢流閥102設置為5bar。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明的范圍內。本發明要求的保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。