CN103492674B - 具有压力补偿的用于隧道掘进机的切割器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于隧道掘进机的压力补偿的切割器组件，其包括轴、可旋转地安装在轴上的切割器环组件以及不可旋转地附接到轴的第一和第二端部保持器。浸入润滑剂中的旋转密封组提供旋转切割器环组件与端部保持器之间的运动密封。可动活塞构件暴露于周围环境压力，并且接触润滑剂，使得增加周围环境压力将增加润滑剂压力，由此密封件两侧保持小的压差。在一个实施例中，活塞为浮动保持器部分。在另一个实施例中，活塞为环形活塞，在另一个实施例中，活塞为设置在第一保持器中的多个较小的活塞。

Description

具有压力补偿的用于隧道掘进机的切割器组件

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2011年2月17日提交的美国临时申请No.61/444,081的优先权，该临时申请据此全文引入以供参考。

背景技术

隧道掘进机（“TBM”）是通常用来穿过土壤和岩层掘隧道的挖掘设备。常规的TBM产生平滑的圆形隧道壁，通常具有最小的并行扰动。使得TBM高效且可靠的突破性进展是JamesS.Robbins提出的具有可旋转切割器组件的旋转头部的发明。初始，Robbins的TBM使用固定安装到旋转头部上的强尖刺，但是尖刺会频繁断裂。他发现，通过用较长地持续旋转的盘式切割器组件代替这些磨削尖刺，会显著地减少这个问题。

因此，现代的TBM通常采用具有盘式切割器组件的旋转头部，该盘式切割器组件可旋转地安装到头部上。利用极大的力将头部推压靠着目标表面，使得切割器组件中的至少一些接合该表面。当头部旋转时，切割器使材料分离、粉碎和/或松动，这些材料被TBM运走。当松动的材料被移除时，TBM继续掘隧道。

在某些隧道的挖掘过程中会遇到各式各样的泥土条件。砂石、泥灰岩、石灰岩、黏土和白垩都是可能的。有时候，可能会同时遇到若干种类型的泥土。盘式切割器组件通常必须在极端条件下操作，并且必须在高负荷下可靠运转。例如，切割器盘或刃部可能垂直于岩石表面施加超过75,000磅的力。

沿着隧道掘进轨迹的地下水位还可能显著地变化。在某些应用中，TBM遇到高度饱和且可流动的材料。当遇到松散的和/或饱和的土壤条件时，切割器组件上的流体静力学压力可以是明显的。如果粉尘或其它外来物质进入切割器轴承组件，那么切割器组件可能卡住，从而在继续使用之前要求使用者修复或更换切割器组件。切割器组件设置有耐久的且强健的密封件，以避免粉尘侵入到轴承组件中。然而，如果密封件两侧的流体静力学负荷变得非常高，那么密封件可能被破坏。

仍然需要改进的密封机构来防止粉尘和其它外来物质侵入到在高流体静力学压力条件下操作的隧道掘进机的切割器组件中。

发明内容

发明内容是以简化的形式提出了概念的选择，将在以下的具体实施方式中进一步描述该概念。该发明内容并不是用来确定要求保护的主题的关键特征，也不是用来帮助确定要求保护的主题的范围。

本发明公开了用于隧道掘进机的切割器组件，其适合于例如在高度饱和的土壤中和在高环境压力下使用。切割器组件包括轴、可旋转地安装在轴上的切割器环组件以及相对地设置的不可旋转地附接到轴的第一和第二端部保持器。密封组（例如机械面密封或双锥密封件）提供旋转部件和非旋转部件之间的密封，并且切割器组件中可获得的体积填充有润滑剂，例如油。通过将可动活塞部分接合到至少一个端部保持器中，当切割器组件在一定深度处操作时减小了密封组两侧的压力大小。可动活塞部分具有暴露于局域周围环境压力的外表面，并且被构造成响应于周围环境压力的增加而增加润滑剂的压力。切割器环组件可以形成为一体结构，或者可以形成有毂，该毂与一个或多个切割器环可移除地附接。

在一个实施例中，端部保持器中的至少一个包括固定保持器和浮动保持器，该固定保持器具有与润滑剂流体连通的压力端口，该浮动保持器可滑动地接合固定保持器以限定填充有润滑剂的间隙。浮动保持器可以包括被构造成接纳固定保持器的外壁和被构造成可滑动地接合固定保持器中的环形沟槽的内壁。

在一个实施例中，端部保持器中的至少一个包括面向外的环形沟槽和环状活塞，该环形沟槽具有延伸穿过端部保持器的压力端口，该环状活塞可滑动地设置在沟槽中。润滑剂填充沟槽和活塞之间的体积。环状活塞暴露于局域周围环境压力，使得增加周围环境压力将增加润滑剂压力。沟槽可以包括多个压力端口。

在一个实施例中，端部保持器中的至少一个具有多个圆柱形凹部和从凹部延伸穿过端部保持器的对应的端口。活塞可滑动地设置在每个凹部中，每个活塞和端口之间的体积填充有润滑剂。在一个实施例中，在每个凹部上设有可延伸的密封件。

在一个实施例中，用于隧道掘进机的压力补偿的切割器组件包括轴、可旋转地安装在轴上的切割器环、不可旋转地附接到轴的第一端部保持器和第二端部保持器、浸在润滑剂中并且设置在切割器环与第一和第二端部保持器之间的密封组、以及结合到至少一个端部保持器中且被构造成将外部周围环境压力的至少一部分传递到润滑剂中的活塞装置。

附图说明

当参考附图时，本发明的前述方面和许多伴随的优点将会变得更加容易理解，原因是其通过参考以下的详细说明能够得到较好的理解，其中：

图1为现有技术的切割器组件的剖视前视图；

图2为根据本发明的压力补偿的切割器组件的第一实施例的剖视前视图；

图3为用于图2所示的切割器组件的压力补偿保持器组件的剖视侧视图；

图4为根据本发明的压力补偿的切割器组件的第二实施例的剖视前视图；

图5为图4所示的切割器组件的侧视图；

图6为用于图4所示的切割器组件的压力端口的特写细节剖视图；

图7为根据本发明的压力补偿的切割器组件的第三实施例的透视图；

图8为图7所示的切割器组件的剖视前视图；以及

图9为用于图7所示的切割器组件的活塞和压力端口的细节剖视图。

具体实施方式

图1为现有技术的用于隧道掘进机的切割器组件80的横截面图。美国专利No.7,832,960中公开了一种示例性隧道掘进机，该专利据此全文引入以供参考。

切割器组件80包括轴81，该轴被构造成固定地附接到TBM旋转头部。环形切割器环82利用保持器环84附接到毂83，以形成环组件85。环组件85利用一对轴承组件可旋转地安装到轴81，轴承组件包括内轴承座圈87、外轴承座圈88和多个锥形滚子轴承89。一对端部保持器90、91设置在毂83的任一侧上。在操作期间，环组件85能够绕轴81旋转，并且端部保持器90、91固定到轴81。

旋转密封组92设置在每个端部保持器90、91与环组件85之间的交界处。用于切割器组件的旋转密封组通常上机械面密封，也被称为双锥密封件。美国专利No.3,985,366中公开了特定的双锥密封件组件，该专利据此全文引入以供参考。机械面密封用于保护在最为不利的条件下工作的设备，并且包括一对环形金属密封环93和一对弹性环面构件94（例如O形环）。外金属密封环93通过环面构件94与相关的端部保持器90或91接合，并且固定，相关的内金属密封环93通过环面构件94接合环组件85。两个相关的金属密封环93邻接以形成移动密封接口。通常，端部保持器90、91之间可获得的内部体积填充有润滑剂，例如油或油脂。

旋转密封组92提供密封以防止可能损坏或破坏轴承组件的粉尘的侵入。机械面密封特别设计成在非常苛刻的环境中提供可靠的密封保护。然而，如果在具有高流体静力学压力负荷的环境中（例如在饱和介质中极深处）使用切割器组件80，那么外部压力可能会克服旋转密封组92，这可能导致切割器组件故障。

图2为根据本发明的压力补偿的切割器组件100的横截面图。压力补偿的切割器组件100在许多方面与上述现有技术的切割器组件80类似。示出了环组件105，其包括环形切割器环102，该环形切割器环安装在毂103上，并且用保持器环104固定。可以想到环组件的其它构造。例如，在可选的实施例中，切割器环和毂可以形成为单个一体的部件，而不是形成为当前优选的组件。环组件105利用左、右轴承组件可旋转地安装在轴101上，每个轴承组件包括内座圈107、外座圈108和捕集在轴承保持架106中的多个锥形滚子轴承109。包括机械面密封的一对旋转密封组112提供对轴承组件的保护。

常规的端部保持器110在一侧上附接到轴101（在图2的左侧上），压力补偿保持器组件115在相对的一侧上附接到轴101（在图2的右侧上）。在该实施例中，压力补偿端部保持器115包括固定保持器116和浮动保持器117，该浮动保持器用作活塞以增加切割器组件100内的润滑剂的压力，如下所述。

固定保持器116固定到轴101，并且浮动保持器117可滑动地接合固定保持器116。在当前的实施例中，固定保持器116具有螺纹中心孔口118，该螺纹中心孔口与轴101上对应的螺纹接合。

现在还参考图3，其示出了分离的压力补偿保持器组件115的横截面图。固定保持器116具有周边内凹陷部分119，该周边内凹陷部分被构造成与旋转密封组112的非旋转部分接合。一个或多个孔口120设置成穿过凹陷部分119。例如，在当前实施例中，设有四个均匀间隔开的孔口120（在图3中可以看到两个）。在凹陷部分119和中心孔口118之间的径向位置处还设有外部环形槽121。

浮动保持器117是具有U形横截面的大致环形环，其具有外壁122和内壁123，外壁的尺寸和位置设定成可滑动地接合固定保持器116的外周边，内壁的尺寸和位置设定成可滑动地接合环形槽121。第一O形环124提供浮动保持器117的外壁122和固定保持器116之间的密封。一对O形环125、126提供内壁123和固定保持器116的环形槽121之间的密封。穿过浮动保持器117的一个或多个螺纹孔口127提供用于将润滑剂注入到固定保持器116和浮动保持器117之间的间隙129中的手段。螺纹孔口127用对应的螺纹插塞128闭合。

基于上述的切割器组件100中可获得的体积还填充有润滑剂，现在可以理解压力补偿的切割器组件100的操作。当切割器组件100上的流体静力学压力增加时，例如当掘进操作遇到极深处的高饱和的泥土时，高流体静力学压力将使得浮动保持器117朝向固定保持器116向内运动，从而使间隙129中的油（或其它润滑剂）加压，并且由此使得密封组112之后的体积加压。因此，通过浮动保持器117的动作，密封组112两侧自动地保持小的压差，并且极大地降低了外来物质侵入轴承组件中的风险。

图4-6示出了根据本发明的压力补偿的切割器组件200的另一个实施例。图4为切割器组件200的横截面图，图5为切割器组件200的侧视图，图6为示出了压力端口的特写细节剖视图。

该示例性实施例示出了双盘式切割器组件200，其具有安装到毂203上且利用保持器环204固定的齿形间隔件211和两个切割器环202。与上述轴承组件类似的轴承组件207将环组件205与中心轴201可旋转地联接。相对地设置的压力补偿端部保持器215固定到轴201，例如端部保持器215可以用螺栓206附接到轴201。与上述类似的一对旋转密封组212提供旋转部件和固定部件之间的密封。

在该实施例中，每个端部保持器215限定了向外敞开的环形沟槽230。多个端口216从环形沟槽230到切割器组件200的内部延伸穿过端部保持器215。环形活塞231可滑动地设置在沟槽230中，并且通过O形环224密封地接合环形沟槽230的壁。环形活塞231可以利用C形夹232或类似物保持在沟槽230中。

如上所述，切割器组件200的内部填充有润滑剂，例如油。在该实施例中，端口216和环形沟槽230的向内部分也填充有油。

现在应当理解，如果切割器组件遇到高流体静力学压力，那么外部压力P将趋于将环形活塞231向内推以使油加压，并且推过端口216，由此使旋转密封组212之后的区域加压，使得密封组212两侧的压力大致均衡。因此，通过环形活塞231的动作，密封组212两侧保持小的压差，并且极大地降低了外来物质侵入轴承组件中的风险。

图7-9示出了根据本发明的压力补偿的切割器组件300的另一个实施例。图7为切割器组件300的透视图，图8为切割器组件300的横截面图，图9为示出了压力端口的特写细节剖视图。

切割器组件300也是双盘式切割器，其具有利用保持器环304安装到毂303上的齿形间隔件311和两个切割器环302，与上述切割器组件200类似。一对锥形滚子轴承组件307将环组件305与中心轴301可旋转地联接。相对地设置的压力补偿端部保持器315也附接到轴301。一对机械面密封的旋转密封组312提供旋转环组件305和固定部件之间的密封。

在该实施例中，端部保持器315包括在每个保持器315的外侧面上的多个圆柱形凹部330，圆柱形凹部通过相关的端口316连接到切割器组件300的内部。浮动盘形活塞331设置在每个凹部330中，并且通过O形环324密封地接合圆柱形凹部330。成圆形地褶皱的或能够以其他方式延伸的密封件333保护圆柱形凹部330免于粉尘和其它外来物质。密封件333可以利用C形夹332或类似物保持在凹部330中。

和上述实施例一样，切割器组件300填充有润滑剂，圆柱形凹部330类似地填充有润滑剂，以至少用于从相关的活塞331向内设置的部分。如图9所示，当切割器组件300受到外部流体静力学压力P时，活塞331将被向内推压，从而使相关的凹部330中的润滑剂加压，由此使切割器组件300的内部加压。因此，切割器组件300的内部中的压力与外部流体静力学压力P大致平衡。

尽管在当前实施例中端部保持器315示出为具有三个圆柱形凹部330，但是容易理解，可以采用更多或更少的压力补偿机构。

另外，应当理解，与可延伸的密封件333对应的外部能够膨胀的密封件可以结合到上述公开的第二实施例200中，简单的改变对于本领域技术人员而言将会是明显的。

虽然已经图示和描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种改变。

要求保护排他性的特性或特权的本发明的实施例限定如下。

Claims (8)

1.一种用于隧道掘进机的切割器组件，其包括：

轴；

切割器环组件，该切割器环组件可旋转地安装在轴上；

第一端部保持器和第二端部保持器，该第一端部保持器附接到轴的一个端部，该第二端部保持器附接到轴的相对端部上，第一端部保持器具有固定保持器和可动活塞部分，该固定保持器具有贯穿的压力端口，该可动活塞部分具有受到局域流体静力学压力的外表面，可动活塞部分包括浮动保持器，该浮动保持器可滑动地接合固定保持器，使得在固定保持器和浮动保持器之间限定出间隙，该间隙与所述压力端口流体连通；

第一旋转密封组，该第一旋转密封组具有与切割器环组件接合的第一部分和与第一端部保持器接合的第二部分；以及

第二旋转密封组，该第二旋转密封组具有与切割器环组件接合的第一部分和与第二端部保持器接合的第二部分；

其中第一旋转密封组浸入到润滑剂中，该润滑剂与所述压力端口流体连通并填充固定保持器和浮动保持器之间的间隙，使得可动活塞部分被构造成响应于局域流体静力学压力的增加而增加润滑剂的压力；并且

其中固定保持器还包括环形沟槽和外周边，并且其中浮动保持器包括与环形沟槽可滑动地接合的环形壁和与固定保持器的外周边可滑动地接合的外壁。

2.根据权利要求1所述的用于隧道掘进机的切割器组件，其中浮动保持器还包括便于将润滑剂注入到间隙中的贯穿端口以及密封地闭合该贯穿端口的插塞。

3.根据权利要求1所述的用于隧道掘进机的切割器组件，其中切割器环组件包括毂和切割器环，该毂通过锥形滚子轴承可旋转地安装到轴上，该切割器环从毂沿径向向外延伸。

4.根据权利要求1所述的用于隧道掘进机的切割器组件，其中第一旋转密封组包括双锥密封件。

5.一种用于隧道掘进机的压力补偿的切割器组件，其包括：

轴；

切割器环组件，该切割器环组件可旋转地安装在轴上；

第一端部保持器和第二端部保持器，该第一端部保持器不可旋转地附接到轴的一个端部，该第二端部保持器不可旋转地附接到轴的相对端部上；

第一旋转密封组，该第一旋转密封组具有与切割器环组件接合的第一部分和与第一端部保持器接合的第二部分；以及

第二旋转密封组，该第二旋转密封组具有与切割器环组件接合的第一部分和与第二端部保持器接合的第二部分；

其中第一旋转密封组和第二旋转密封组封闭在由轴、切割器环组件以及第一端部保持器和第二端部保持器限定的闭合体积内，并且其中该闭合体积另外填充有润滑剂；

其中第一端部保持器包括可动部分，该可动部分具有暴露于周围环境压力的外表面和暴露于润滑剂的内表面，从而可动部分将响应于周围环境压力的增加而增加润滑剂的压力；

其中第一端部保持器包括固定保持器，该固定保持器具有与润滑剂流体连通的至少一个压力端口，并且可动部分包括浮动保持器，该浮动保持器可滑动地接合固定保持器，使得在固定保持器和浮动保持器之间限定出间隙，其中该间隙填充有润滑剂；并且

其中固定保持器还包括环形沟槽和外周边，并且其中浮动保持器包括与环形沟槽可滑动地接合的环形壁和与固定保持器的外周边可滑动地接合的外壁。

6.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机的压力补偿的切割器组件，其中浮动保持器还包括便于将润滑剂注入到间隙中的至少一个贯穿端口。

7.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机的压力补偿的切割器组件，其中切割器环组件包括毂和切割器环，该毂通过锥形滚子轴承可旋转地安装到轴上，该切割器环从毂沿径向向外延伸。

8.根据权利要求5所述的用于隧道掘进机的压力补偿的切割器组件，其中第一旋转密封组包括双锥密封件。