CN103715581B - 一种tbm搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，在掘进机转动工作时，随掘进机进行转动；在掘进机停止转动工作时，负责为探测设备供电、供油以及数据传输和控制通信，为实施超前地质工作提供条件，并且占据空间不大，密封性好。在TBM刀盘与TBM前支架之间设有双定子导电滑环；其中，双定子导电滑环包括与旋转刀盘固连的滑环动子、与TBM前支架固连并密封套在滑环动子外侧的外滑环定子、与外滑环定子固连并密封套在滑环动子内侧的内滑环定子，内滑环定子、外滑环定子分别设有电刷装置与滑环动子的相应滑道装置电连接，导线将电刷装置、滑道装置、探测设备连接起来进行电流和信号传输；多通道旋转接头密封则连接在滑环动子后端的供油孔中。

Description

一种TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置

技术领域

本发明涉及一种安装在隧道硬岩掘进机TBM中的为地质超前预报探测设备提供电源、数据传输通道和液压油的TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，属地质勘探设备领域。

背景技术

隧道施工主要有两种方法：钻爆法和隧道掘进机施工方法。其中隧道掘进机施工方法具有“施工速度快、质量好、安全环保”等优点，在美国、日本和欧洲等隧道强国，隧道掘进机施工方法占据主导地位，一般超过3公里的隧道都要用隧道掘进机施工方法。但是隧道掘进机对地层的适应性较差，比较适合硬岩或中硬岩层。若存在断层破裂带、裂隙密集带、岩溶含水体、软弱地层等不良地层条件，在隧道掘进机的施工扰动下，会容易诱发塌方、大变形、突涌水等地质灾害，轻者造成卡机事故，重者导致机毁人亡的严重后果。为了确保掘进机施工安全、避免上述灾害和事故的发生，十分有必要开展隧道掘进机施工环境下的超前地质预报工作。所谓施工期超前地质预报，就是利用地球物理探测、钻探等方法提前探明隧道掘进面前方的地质情况，为制定合理安全的施工方案、避免重大事故灾害提供可靠信息。由于掘进机是自动化、集成化程度较高的巨大机械系统，要求超前地质预报仪器必须搭载到隧道掘进机上，实现与隧道掘进机的一体化和融合化。一般而言，地球物理探测仪器系统的激发和采集单元须安装在掘进机刀盘上，而主机和控制单元须安装在刀盘后方的盾体中，这就需要有大量的线缆、管路穿过刀盘向激发采集系统传输电力(用于提供激发激励源的能量)、控制通讯信号(用于控制激发采集系统工作)、液压油(用于提供激发采集系统移动的动力)，同时把采集到的信息和数据传回到主机。掘进机刀盘在施工时通过转动来切削岩石，这种转动会导致地球物理仪器线缆和管路的损坏。如何在掘进环境下实现地球物理探测仪器的供电、供油和信息传输，是一个难题，目前国内外还没有可行的方法和装置。

发明内容

针对上述问题，本发明设计一种TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，这种装置在掘进机转动工作时，随掘进机进行转动；在掘进机停止转动工作时，负责为探测设备供电、供油以及数据传输和控制通信，为实施超前地质工作提供条件。本装置包括双定子导电滑环以及安装在导电滑环动子上的旋转接头，可以为随刀盘旋转的多个探测设备提供多路电源、控制通信信号和液压油，并且占据空间不大，密封性好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，在TBM刀盘与TBM前支架之间设有双定子导电滑环；其中，双定子导电滑环包括与旋转刀盘固连的滑环动子、与TBM前支架固连并密封套在滑环动子外侧的外滑环定子、与外滑环定子固连并密封套在滑环动子内侧的内滑环定子，内滑环定子、外滑环定子分别设有电刷装置与滑环动子的相应滑道装置电连接，导线将电刷装置、滑道装置、探测设备连接起来进行电流和信号传输；多通道旋转接头密封侧连接在滑环动子后端的供油孔中。

所述滑环动子包括滑环动子本体，滑环动子本体内侧和外侧设有相应的滑环环道，各滑环环道的设计呈Π型，其内分别设有相应的滑道装置；滑环动子本体一侧同TBM刀盘固连，通过球轴承支撑固定；滑环动子本体的两端放置防尘密封圈，并且与滑环定子本体形成曲路密封。

所述外滑环定子包括电刷装置与外滑环定子本体，各对电刷装置呈Π型，分为输入电刷和输出电刷，并与相应滑道装置对称接触，传递控制信号以及检测数据；外滑环定子本体安放球轴承为滑环动子本体提供固定支撑；外滑环定子本体一侧同TBM前支架固连，并开一通孔用于放置导线组，导线组中的定子输入导线和定子输出导线分别与相应的输入电刷和输出电刷连接。

所述内滑环定子包括电刷装置和内滑环定子本体，内滑环定子本体上安装的电刷装置数量比外滑环定子本体上安装的少；各对电刷装置呈Π型，分为输入电刷和输出电刷，并与相应滑道装置对称接触，为检测装置提供驱动电流；内滑环定子本体安放球轴承为滑环动子本体提供固定支撑；内滑环定子本体一侧同TBM前支架固连，并开一通孔用于放置导线组，导线组中的输入导线和输出导线分别与相应的输入电刷和输出电刷连接。

所述滑道装置包括绝缘层，绝缘层分隔为多个滑道单元，每个滑道单元分为输入滑道和输出滑道，输入滑道和输出滑道与绝缘层间设有弹簧，在弹簧作用下与电刷装置的输入电刷和输出电刷电接触；输入滑道和输出滑道分别与相应的动子输入导线和动子输出导线连接，绝缘层与滑环动子间形成导线通道用来放置导线组，导线组的动子输入导线和动子输出导线与探测设备连接。

所述多通道旋转接头包括旋转接头壳体，旋转接头壳体两端分别设有透盖和闷盖，内有多个管路的旋转接头芯轴穿过透盖深入旋转接头壳体内；所述旋转接头芯轴与滑环动子本体连接并随之一起回转运动，旋转接头壳体则保持静止；旋转接头壳体与多个静止腔相连，旋转接头芯轴与旋转腔相连，并在旋转接头芯轴上开出与管路数目相同的沟槽；在每个沟槽两 侧安装一个“O”形密封圈，在旋转接头壳体上还有一泄露油孔；旋转接头芯轴与旋转接头壳体间设有支撑装置；进油导管和出油导管分别联接在各个静止腔和旋转腔的油口上，并与液压泵和探测设备相连，需要传输的介质从静止腔进入，经过沟槽从旋转腔流出。

所述旋转接头芯轴和旋转接头壳体之间存在间隙，为非接触密封。

所述支撑装置为深沟球轴承。

本发明采用双定子导电滑环，内外两个定子与动子电性连接，分别为探测设备提供电源和信号传输通道。防尘密封圈和曲路密封使其达到很好的防尘效果，中空结构和内外定子结构使其占据刀盘较少的空间，多路电刷、环道和导线使其能为多个探测设备进行电流供给、数据传输和信号控制。多通道旋转接头芯柱通过法兰盘联接在旋转运动的滑环动子上，实现了将流体介质从静态系统输入到动态旋转系统的过渡密封联接，为多个探测设备提供液压油。

发明的有益之处：

本发明采用两个滑环定子同时与滑环动子接触，可以同时传输能量和控制通信信号，将信号环和功率环集为一体，避免导电滑环结构过长，节省导电滑环的安装空间；

本发明将旋转接头安装在导电滑环的动子上，使得旋转接头的芯轴随着滑环动子一起旋转，在滑环导电的同时可以传输液压油，实现了电液同时传送的功能，并且节省了安装空间；

本发明采用多组滑环环道与电刷接触，以及采用多通路旋转接头，可以为多个探测设备供电和供油；

本发明采用密封圈和曲路密封的综合密封方式，密封性强，能适应TBM恶劣的工作环境。

附图说明

图1为TBM总体结构图

图2为超前地质探测仪器的集成接线装置的局部放大图

图3为超前地质探测仪器的集成接线装置的正视图

图4为集成接线装置的供电和控制线路放大图

图5为集成接线装置的多通路旋转接头结构图

其中：1、滑环动子本体，2、外滑环定子本体，3、外滑环环道，3.1、输入环道，3.2、输出环道，4、外绝缘层，5、外电刷，5.1输入电刷，5.2输出电刷，6、外环道弹簧，7、内滑环环道，8、内绝缘层，9、内电刷，10、内环道弹簧，11、防尘密封圈，12、轴承，13、导线管道，14、曲路密封，15、TBM刀盘，16、TBM前支架，17、内滑环定子本体，18、螺钉，19、油道孔，20、旋转接头芯轴，21、旋转接头壳体，22、透盖，23、深沟球轴承，24、“O”型密封圈，25、沟槽，26、闷盖，27、进油导管，28、泄露油孔，29、静止腔，30、 紧固螺钉，31、出油导管，32、旋转腔，33、定子输入导线，34、动子输入导线，35、动子输出导线，36、定子输出导线，37、滑环动子螺纹孔，38、外滑环定子螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，在TBM刀盘15与TBM前支架16间的连接处，供电装置的滑环动子本体1通过螺钉与TBM刀盘15固连，外滑环定子本体2通过螺钉与TBM前支架16固连。内滑环定子本体17通过螺钉18固定安装在外滑环定子本体2上。旋转接头通过芯轴法兰盘上的螺栓30连接安装在滑环动子本体1后端的油道孔19中(图3、图5所示)，所需的安装空间小，密封性能可靠。

如图2所示，滑环动子本体1通过轴承12支承在外滑环定子本体2和内滑环定子本体17上，在滑环动子本体1的两侧分别设有外滑环环道3和内滑环环道7，各滑环环道的设计呈Π型。在外滑环环道3内设有滑道装置，滑道装置内嵌在外绝缘层4中，并由外绝缘层4分隔为若干对输入环道3.1和输出环道3.2(如图4所示)，输入环道3.1和输出环道3.2与外绝缘层4间设有外环道弹簧6并分别与动子输入导线34和动子输出导线35连接，外环道弹簧6使得输入环道3.1和输出环道3.2与输入电刷5.1和输出电刷5.2电性接触，此处的输入电刷5.1和输出电刷5.2共同组成一对外电刷5并分别与定子输入导线33和定子输出导线35连接。各对外电刷5位于外滑环定子本体2上，每对外电刷5为一个探测设备传递控制通信信号与检测数据。滑环动子本体1与外绝缘层4之间形成导线管道13用来放置动子输入导线34和动子输出导线36，各导线通过导线管道13伸出滑环动子本体1，滑环动子本体1的两端放置防尘密封圈11，滑环动子本体1和外滑环定子本体2的特殊结构形成曲路密封14，增强了在恶劣环境下的密封性。

与外滑环定子本体2相对应，滑环动子本体1内侧为内滑环环道7，在内滑环环道7内也设有滑道装置，滑道装置内嵌在内绝缘层8中，并由内绝缘层8分隔为若干对输入环道3.1和输出环道3.2(如图4所示)，输入环道3.1和输出环道3.2与内绝缘层8间设有内环道弹簧10并与动子输入导线34和动子输出导线35分别连接，内环道弹簧10使得输入环道3.1和输出环道3.2与输入电刷5.1和输出电刷5.2电性接触，此处的输入电刷5.1和输出电刷5.2共同组成一对内电刷9并分别与定子输入导线33和定子输出导线36连接。各对内电刷9位于内滑环定子本体17上，内电刷9的数量要少于外电刷5。每对内电刷9为一个探测设备传递驱动电流。滑环动子本体1与内绝缘层8之间形成导线管道13用来放置动子输入导线34和动子输出导线35。内滑环定子本体17同样采用防尘密封圈11和曲路密封14进行密封。

如图3所示，滑环动子本体1正面布置有6个滑环动子螺纹孔37，用于与TBM刀盘15连接。滑环动子本体1中心有一油道孔19，用于布置油道并安放旋转接头。外滑环定子本体2上的外滑环定子螺纹孔38与TBM前支架16通过螺栓连接在一起，将外滑环定子本体2固定在TBM前支架16上面。旋转接头上旋转腔32与出油导管31相连，向旋转的TBM刀盘15供油。

如图4所示，信号电流走向是：信号电流从定子输入导线33通过输入电刷5.1与输入环道3.1进入动子输入导线34，连接探测设备电流输入端，电流从探测设备流出后进入动子输出导线35，再通过输出环道3.2与输出电刷5.2进入定子输出导线36。

如图5所示，旋转接头芯轴20和旋转接头壳体21之间存在间隙，为非接触密封。旋转接头芯轴20通过法兰盘上的紧固螺钉30联接在滑环动子本体1上，并随之一起做回转运动，旋转接头壳体21保持不动。旋转接头壳体21与多个静止腔29相连，旋转接头芯轴20与多个旋转腔32相连，并在旋转接头芯轴20上开出与管路数目相同的沟槽25。在每个沟槽25两侧安装一个“O”密封圈24，用于防止流体泄露。在旋转接头壳体21上有一泄露油孔28，供旋转接头工作时产生的泄漏量流出。深沟球轴承23起到固定连接的作用。透盖22和闷盖26分别安装在旋转接头壳体21前后两侧，起到密封和保护的作用。需要传输的介质从静止腔29进入，经过沟槽25从旋转腔32流出。进油导管27和出油导管31分别联接在各个静止腔29和旋转腔32的油口上，并与液压泵和探测设备相连。旋转接头两端分别联接液压导管，液压油从进油导管27流入旋转接头壳体21，从出油导管31流出，进油管27保持不动，出油导管31随旋转接头芯轴20旋转，实现向旋转刀盘供油的功能。

Claims (7)

1.一种TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，其特征是，在TBM刀盘与TBM前支架之间设有双定子导电滑环；其中，双定子导电滑环包括与旋转刀盘固连的滑环动子、与TBM前支架固连并密封套在滑环动子外侧的外滑环定子、与外滑环定子固连并密封套在滑环动子内侧的内滑环定子，内滑环定子、外滑环定子分别设有电刷装置与滑环动子的相应滑道装置电连接，导线将电刷装置、滑道装置、探测设备连接起来进行电流和信号传输；多通道旋转接头密封侧连接在滑环动子后端的供油孔中；

所述滑环动子包括滑环动子本体，滑环动子本体内侧和外侧设有相应的滑环环道，各滑环环道的设计呈Π型，其内分别设有相应的滑道装置；滑环动子本体一侧同TBM刀盘固连，通过球轴承支撑固定；滑环动子本体的两端放置防尘密封圈，并且与滑环定子本体形成曲路密封。

2.如权利要求1所述的TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，其特征是，所述外滑环定子包括电刷装置与外滑环定子本体，各对电刷装置呈Π型，分为输入电刷和输出电刷，并与相应滑道装置对称接触，传递控制通信信号及检测数据；外滑环定子本体安放球轴承为滑环动子本体提供固定支撑；外滑环定子本体一侧同TBM前支架固连，并开一通孔用于放置导线组，导线组中的定子输入导线和定子输出导线分别与相应的输入电刷和输出电刷连接。

3.如权利要求1所述的TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，其特征是，所述内滑环定子包括电刷装置和内滑环定子本体，内滑环定子本体上安装的电刷装置数量比外滑环定子本体上安装的少；各对电刷装置呈Π型，分为输入电刷和输出电刷，并与相应滑道装置对称接触，传递驱动电流；内滑环定子本体安放球轴承为滑环动子本体提供固定支撑；内滑环定子本体一侧同TBM前支架固连，并开一通孔用于放置导线组，导线组中的输入导线和输出导线分别与相应的输入电刷和输出电刷连接。

4.如权利要求1或2或3所述的TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，其特征是，所述滑道装置包括绝缘层，绝缘层分隔为多个滑道单元，每个滑道单元分为输入滑道和输出滑道，输入滑道和输出滑道与绝缘层间设有弹簧，在弹簧作用下与电刷装置的输入电刷和输出电刷电接触；输入滑道和输出滑道分别与相应的动子输入导线和动子输出导线连接，绝缘层与滑环动子间形成导线通道用来放置导线组，导线组的动子输入导线和动子输出导线与探测设备连接。

5.如权利要求1所述的TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，其特征是，所述多通道旋转接头包括旋转接头壳体，旋转接头壳体两端分别设有透盖和闷盖，内有多个管路的旋转接头芯轴穿过透盖深入旋转接头壳体内；所述旋转接头芯轴与滑环动子本体连接并随之一起回转运动，旋转接头壳体则保持静止；旋转接头壳体与多个静止腔相连，旋转接头芯轴与旋转腔相连，并在旋转接头芯轴上开出与管路数目相同的沟槽；在每个沟槽两侧安装一个“O”形密封圈，在旋转接头壳体上还有一泄露油孔；旋转接头芯轴与旋转接头壳体间设有支撑装置；进油导管和出油导管分别联接在各个静止腔和旋转腔的油口上，并与液压泵和探测设备相连，需要传输的介质从静止腔进入，经过沟槽从旋转腔流出。

6.如权利要求5所述的TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，其特征是，所述旋转接头芯轴和旋转接头壳体之间存在间隙，为非接触密封。

7.如权利要求5所述的TBM搭载的超前地质探测仪器的集成接线装置，其特征是，所述支撑装置为深沟球轴承。