CN110715772A - 一种盾构机主驱动密封测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构机主驱动密封测试系统。包括气源、压力设置模块、压差调节模块、泄压模块和水土压力模拟模块；压力设置模块一端与水土压力模拟模块连接，另一端与压差调节模块并联连接至气源；压差调节模块和泄压模块连接至主驱动密封的后侧密封腔；水土压力模拟模块连接至主驱动密封的前侧密封腔；压差调节模块和泄压模块的控制端与水土压力模拟模块连接，对前侧、后侧密封腔压差进行调节。本发明还提供了一种盾构机主驱动密封测试方法。包括先调节压差调节阀、超压保护阀和安全阀的弹簧预紧力，再调节压力调节阀的出口压力进行试验。本发明通过调节各压力控制阀的弹簧预紧力，测试时使主驱动密封的前侧、后侧密封腔之间的压差保持稳定。

Description

一种盾构机主驱动密封测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及主驱动密封测试技术领域，具体涉及一种盾构机主驱动密封测试系统及测试方法。

背景技术

随着国家基础设施建设的深入发展，大断面、大埋深、高水压、长距离隧道的建设已逐步展开，为应对这些复杂恶劣工况，隧道施工多采用盾构机进行施工。主驱动是盾构机的重要组成部分，其密封性能的好坏直接决定了盾构机水土承压能力的大小，目前盾构机主驱动主要采用唇形橡胶密封，为了提高水土承压能力，一般会设置四道密封唇。第一道密封唇外加工迷宫腔，腔体内持续注入高纤维油脂抵抗外部泥渣侵入。第一道与第二道密封唇形成的油脂腔，其会持续注入油脂，一方面进一步提高主驱动密封能力，一方面对密封唇进行润滑减磨。第二道与第三道密封唇形成的环腔为油气密封腔，即当外部水压超过一定数值时，此腔会注入齿轮油并用空气加压以给密封唇提供支撑力。第三道密封唇与第四道密封唇一般反装，形成泄漏检测腔。第四道密封唇主要是密封变速箱，以免其内部齿轮油泄漏。

单道唇形橡胶密封承压能力一般在3bar左右，在水土压力小于3bar时，依靠油脂腔油脂压力便可抵抗外部水土压力，保证主驱动密封可靠。当水土压力大于3bar且小于6bar时，通过对油气密封腔加压亦可抵抗外部水土压力。当盾构机大埋深高水压作业，水土压力超过6bar时，需分别对油气密封腔、泄漏检测腔及变速箱加压，以抵抗外部高水压。油气密封腔、泄漏检测腔及变速箱加压过程中，为保证密封不被损坏，需保证密封前侧密封腔和后侧密封腔之间的压差稳定，压差的最大误差不大于0.2bar。

由于盾构机在车间调试阶段，很难模拟掌子面水土压力变化，进而导致主驱动密封测试系统很难调试成功。此外，如果在施工现场调试，主驱动密封加压系统运行不稳会导致掌子面泥渣进入主驱动密封，有安全隐患。

综上所述，急需一种盾构机主驱动密封测试系统及测试方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种盾构机主驱动密封测试系统及测试方法，以解决在主驱动密封测试过程中使密封前侧密封腔和后侧密封腔之间的压差保持稳定的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种盾构机主驱动密封测试系统，包括气源、压力设置模块、压差调节模块、泄压模块和水土压力模拟模块；所述压力设置模块一端与水土压力模拟模块连接，另一端与压差调节模块并联连接至气源；所述压差调节模块连接至主驱动密封的后侧密封腔，用以检测和调节后侧密封腔的压力；所述泄压模块进气端连接至后侧密封腔，泄压模块的控制端连接至水土压力模拟模块；所述水土压力模拟模块连接至主驱动密封的前侧密封腔，用以检测和调节前侧密封腔的压力；

所述压差调节模块的压差调节阀控制端与水土压力模拟模块连接，用以实现对后侧密封腔压力调节。

优选的，所述压力设置模块包括依次连接的球阀一、止回阀、压力调节阀、压力表一、球阀二、单作用球阀一、压力表二和压力传感器一；用以调节水土压力模拟模块的进口气压。

优选的，所述压差调节模块包括依次连接的球阀三、单作用球阀二、压力表三、压差调节阀和压力传感器二；所述压力传感器二连接至后侧密封腔，用以检测和显示后侧密封腔的压力。

优选的，所述压力调节阀为减压阀。

优选的，所述泄压模块包括依次连接的超压保护阀和消音器一；所述超压保护阀的进气端连接至后侧密封腔；所述超压保护阀的控制端连接至水土压力模拟模块。

优选的，所述水土压力模拟模块包括依次连接的气罐模拟仓、单作用球阀三、截止阀和消音器二；所述气罐模拟仓连接至安全阀，用以防止气罐模拟仓意外胀罐。

优选的，所述气罐模拟仓通过球阀四连接至压差调节阀和超压保护阀的控制端。

优选的，所述安全阀为溢流阀。

本发明还提供了一种盾构机主驱动密封测试方法，采用了上述的盾构机主驱动密封测试系统，测试在不同压力等级下主驱动密封的性能，具体步骤如下：

步骤一：根据实验要求，调节压差调节阀、超压保护阀和安全阀的弹簧预紧力；

步骤二：根据实验要求，调节压力调校阀的出口压力至实验所需的测试压力，打开所有球阀，连通气源进行测试实验。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中，通过设置压差调节阀和超压保护阀，调节二者的弹簧预紧力，使主驱动密封在测试过程中前侧密封腔和后侧密封腔之间的压差保持稳定。

(2)本发明中，通过设置压力调节阀的弹簧预紧力，使其能输出不同的出口气压，能模拟在多级压力情况下主驱动密封的测试实验。

(3)本发明中，通过设置气罐模拟仓可模拟水土压力对主驱动密封的作用，避免在车间和工地调试时，由于实际操作不当导致的主驱动密封损坏现象发生。

(4)本发明中，通过设置压力表和压力传感器，可使调试人员直观的了解各部分的压力情况，可正常进行试验数据记录或对异常情况及时进行处理，通过设置多个球阀，可在维修时可进行分段关闭和保压。

(5)本发明中，通过设置单作用气动球阀，可在断电情况下对系统进行保压，防止测试系统因突然断电而造成损害；通过设置安全阀，可防止气罐模拟仓意外胀罐，使气动系统稳定运行。

(6)本发明中，通过调节压差调节阀、超压保护阀、安全阀和压力调节阀的弹簧预紧力，即可完成主驱动密封在不同压力等级下的密封性能试验，操作简单，便于应用，可有效提高试验效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是一种盾构机主驱动密封测试系统连接示意图；

图2是主驱动密封结构示意图；

图3是压差调节阀示意图；

图4是超压保护阀示意图。

其中，1、气源，2、压力设置模块，21、球阀一，22、止回阀，23、压力调节阀，24、压力表一，25、球阀二，26、单作用球阀一，27、压力表二，28、压力传感器一，3、压差调节模块，31、球阀三，32、单作用球阀二，33、压力表三，34、压差调节阀，35、压力传感器二，4、泄压模块，41、超压保护阀，42、消音器一，5、水土压力模拟模块，51、气罐模拟仓，52、单作用球阀三，53、截止阀，54、消音器二，55、安全阀，56、球阀四，6、主驱动密封，61、后侧密封腔，62、前侧密封腔，63、密封，64、密封环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1至图4，一种盾构机主驱动密封测试系统，本实施例应用于盾构机主驱动密封的加压测试。

一种盾构机主驱动密封测试系统，包括气源1、压力设置模块2、压差调节模块3、泄压模块4和水土压力模拟模块5；参见图2，密封环64和密封63构成了主驱动密封6的前侧密封腔62和后侧密封腔61，所述前侧密封腔62和后侧密封腔61都设有注气孔，用以连接至密封测试系统；参见图1，所述压力设置模块2一端与水土压力模拟模块5连接，另一端与压差调节模块3并联连接至气源1；所述压差调节模块3连接至主驱动密封6的后侧密封腔61，用以检测和调节后侧密封腔61的压力；所述泄压模块4进气端连接至后侧密封腔61，泄压模块4的控制端连接至水土压力模拟模块5；所述水土压力模拟模块5连接至主驱动密封6的前侧密封腔62，用以检测和调节前侧密封腔62的压力；

所述压差调节模块3的压差调节阀34控制端与水土压力模拟模块5连接，用以实现对后侧密封腔61压力调节。

参见图1，所述压力设置模块2包括依次连接的球阀一21、止回阀22、压力调节阀23、压力表一24、球阀二25、单作用球阀一26、压力表二27和压力传感器一28；所述球阀一21和球阀二25用于在维修时分段关闭气路和保压，所述压力表一24用于测量压力调节阀23的出口气压，所述压力表二27和压力传感器一28用于测量水土压力模拟模块5的进气压力；所述单作用球阀一26通电时开启，断电时关闭，其控制方式可以是气动、液压或者电磁控制，当测试系统突然断电时，单作用球阀一26关闭，可对水土压力模拟模块5进行保压；当系统断电后，由于压力传感器一28失效，无法直观显示水土压力模拟模块5的进气压力，可通过压力表二27进行观测；所述压力调节阀23用于调节压力调节阀23的出口压力，及水土压力模拟模块5的进气压力。

参见图1，所述压差调节模块3包括依次连接的球阀三31、单作用球阀二32、压力表三33、压差调节阀34和压力传感器二35；所述压力传感器二35连接至后侧密封腔61，所述球阀三31用于在维修时分段关闭气路和保压，所述单作用球阀二32通电时开启，断电时关闭，其控制方式可以是气动、液压或者电磁控制，当测试系统突然断电时，单作用球阀二32关闭，可对压差调节阀34的进气压力进行保压，从而使压差调节阀34的出气压力即主驱动密封的后侧密封腔61压力保持稳定；所述压力表三33用于对压差调节阀34的进气压力进行测量，所述压力传感器二35用于对压差调节阀34的出气压力进行测量和直观显示；所述压差调节阀34用于对主驱动密封6的后侧密封腔进行压力调节。

参见图1，所述压力调节阀23为减压阀，通过调节压力调节阀23弹簧预紧力，可达到试验需要的压力范围。

参见图1，所述泄压模块4包括依次连接的超压保护阀41和消音器一42；所述超压保护阀41的进气端连接至后侧密封腔61；所述超压保护阀41的控制端连接至水土压力模拟模块5，当超压保护阀41的进气压力与弹簧预紧力之和大于控制压力时，超压保护阀41开始泄压，用以保持主驱动密封6的前侧密封腔62和后侧密封腔61压差稳定，消声器一42可在泄压过程中降低噪音。

参见图1，所述水土压力模拟模块5包括依次连接的气罐模拟仓51、单作用球阀三52、截止阀53和消音器二54；所述截止阀53用以对气路进行封闭，使气罐模拟仓51保压，所述单作用球阀三52通电时开启，断电时关闭，其控制方式可以是气动、液压或者电磁控制，当测试系统突然断电时，单作用球阀三52关闭，可对气罐模拟仓51的压力进行保压，从而使主驱动密封的前侧密封腔62压力保持稳定；当气罐模拟仓51的压力过大时，可打开截止阀53进行泄压，消声器二54在泄压过程中可降低噪音。

参见图1，所述气罐模拟仓51连接至安全阀55，用以防止气罐模拟仓51意外胀罐。

参见图1，所述气罐模拟仓51通过球阀四56连接至压差调节阀34和超压保护阀41的控制端，用以对压差调节阀34和超压保护阀41提供控制压力。

参见图1，所述气罐模拟仓51通过球阀五57连接至前侧密封腔62，用以调节主驱动密封6的前侧密封腔62压力。

参见图1，所述安全阀55为溢流阀，用以使气罐模拟仓压力稳定。

上述一种盾构机主驱动密封测试系统的工作原理为：参见图3至图4，所述压差调节阀34的进气压力为P₁，所述压差调节阀34的出气压力为P₂，所述压差调节阀34的控制压力为P_C；由于超压保护阀41的进气端连接压差调节阀34的出气端，所以超压保护阀41的进气压力为P₂，由于超压保护阀41的控制端连接压差调节阀34的控制端，所以超压保护阀41的控制压力也为P_C，所述超压保护阀41的出气压力为P₃；由于压力调节阀23、气罐模拟仓51和前侧密封腔62与压差调节阀34的控制端连通，所以压力调节阀23的出口压力、气罐模拟仓51的压力和前侧密封腔62的压力也为P_C。

压差调节阀34受力分析为：

其中ΔP₁为压差调节阀34前后压差；k₁为压差调节阀34调节弹簧的刚度；A₁为压差调节阀34阀芯等效面积。压差调节阀34实际工作时阀芯位移Δx很小，可忽略不计，阀芯等效面积A₁为定值，由压差调节阀34受力分析式可知，其前后压差ΔP₁为定值，即主驱动密封6前侧密封腔62和后侧密封腔61压差为定值，只与压差调节阀34的弹簧预紧力有关。压差调节阀34是一种自力式压差控制阀，其在常位时阀芯关闭，随压差增大阀芯开启度越大，当压差达到弹簧预紧力预设值时，阀芯完全打开。压差调节阀34阀芯在不受控制压力P_C作用时为关闭状态，当P_C大于弹簧预紧力时，阀芯打开，压差调节阀34开始通气。

超压保护阀41的受力分析为：

ΔP₂为超压保护阀41前后压差；k₂为超压保护阀41调节弹簧刚度；A₂为超压保护阀41阀芯等效面积。超压保护阀41实际工作时阀芯位移Δy很小，可忽略不计，阀芯等效面积A₂为定值。由超压保护阀41受力分析式可知，压ΔP₂为定值，且只由超压保护阀41的弹簧预紧力有关。超压保护阀41是一种自力式压差控制阀，其在常位时阀芯打开，并随压差增大阀芯开始关闭，当压差达到弹簧预紧力预设值时，阀芯完全关闭。超压保护阀41阀芯在不受控制压力P_C作用时为开启状态，P_C开始作用时，阀芯关闭，但当进口压力P₂增大至其与弹簧预紧力之和大于控制压力P_C时，阀芯开启。

实际测试时，通常将超压保护阀41的弹簧预紧力设置为比压差调节阀34的弹簧预紧力小0.2bar。假设将压差调节阀34弹簧预紧力调节至2.5bar，超压保护阀41弹簧预紧力调节至2.3bar，将截止阀53关闭，其余球阀均打开；调节压力调节阀23出口压力至2.5bar，此时气罐模拟仓51压力为2.5bar，即密封前侧密封腔62压力为2.5bar，压差调节阀34出口即后侧密封腔61压力为0bar，超压保护阀41关闭；如果将压力调节阀23出口压力调节至3bar，此时气罐模拟仓51压力为3bar，即前侧密封腔62压力为3bar，压差调节阀34出口即后侧密封腔压力61为0.5bar，超压保护阀13关闭。两次测试主驱动密封6的前侧密封腔62和后侧密封腔的压差稳定，均为2.5bar。如果此时由于气控系统出现故障超调，导致后侧密封腔61压力大于等于0.7bar，此时超压保护阀41打开开始泄压，气压经消音器一42排至大气，直到后侧密封腔61压力小于0.7bar，超压保护阀41才关闭停止泄压，此时主驱动密封6的前侧密封腔62和后侧密封腔61的压差为2.3bar，与前两次测试的结果误差为0.2bar，满足试验要求的误差范围。

如果气罐模拟仓51压力为6bar，若此时需要气罐模拟仓51压力减小至5bar，需缓慢打开截止阀53，气罐模拟仓51中气体将经单作用球阀三52、截止阀53以及消音器二54排至大气，观察压力表二27，当压力将至5bar时关闭截止阀53即可。

一种盾构机主驱动密封测试方法，采用了上述盾构机主驱动密封测试系统，测试在不同压力等级下主驱动密封的性能，具体步骤如下：

步骤一：根据实验要求，调节压差调节阀34、超压保护阀41和安全阀55的弹簧预紧力；

步骤二：根据实验要求，调节压力调校阀23的出口压力至实验所需的测试压力，打开所有球阀，连通气源进行测试实验。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (10)

1.一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，包括气源(1)、压力设置模块(2)、压差调节模块(3)、泄压模块(4)和水土压力模拟模块(5)；所述压力设置模块(2)一端与水土压力模拟模块(5)连接，另一端与压差调节模块(3)并联连接至气源(1)；所述压差调节模块(3)连接至主驱动密封(6)的后侧密封腔(61)，用以检测和调节后侧密封腔(61)的压力；所述泄压模块(4)进气端连接至后侧密封腔(61)，泄压模块(4)的控制端连接至水土压力模拟模块(5)；所述水土压力模拟模块(5)连接至主驱动密封(6)的前侧密封腔(62)，用以检测和调节前侧密封腔(62)的压力；

所述压差调节模块(3)的压差调节阀(34)控制端与水土压力模拟模块(5)连接，用以实现对后侧密封腔(61)压力调节。

2.根据权利要求1所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述压力设置模块(2)包括依次连接的球阀一(21)、止回阀(22)、压力调节阀(23)、压力表一(24)、球阀二(25)、单作用球阀一(26)、压力表二(27)和压力传感器一(28)；用以调节水土压力模拟模块(5)的进口气压。

3.根据权利要求2所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述压差调节模块(3)包括依次连接的球阀三(31)、单作用球阀二(32)、压力表三(33)、压差调节阀(34)和压力传感器二(35)；所述压力传感器二(35)连接至后侧密封腔(61)，用以检测和显示后侧密封腔(61)的压力。

4.根据权利要求3所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述压力调节阀(23)为减压阀。

5.根据权利要求4所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述泄压模块(4)包括依次连接的超压保护阀(41)和消音器一(42)；所述超压保护阀(41)的进气端连接至后侧密封腔(61)；所述超压保护阀(41)的控制端连接至水土压力模拟模块(5)。

6.根据权利要求5所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述水土压力模拟模块(5)包括依次连接的气罐模拟仓(51)、单作用球阀三(52)、截止阀(53)和消音器二(54)；所述气罐模拟仓(51)连接至安全阀(55)，用以防止气罐模拟仓(51)胀罐。

7.根据权利要求6所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述气罐模拟仓(51)通过球阀四(56)连接至压差调节阀(34)和超压保护阀(41)的控制端。

8.根据权利要求7所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述气罐模拟仓(51)通过球阀五(57)连接至前侧密封腔(62)，用以调节主驱动密封(6)的前侧密封腔(62)压力。

9.根据权利要求8所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，其特征在于，所述安全阀(55)为溢流阀。

10.一种盾构机主驱动密封测试方法，采用了如权利要求1～9任意一项所述的一种盾构机主驱动密封测试系统，测试在不同压力等级下主驱动密封的性能，具体步骤如下：

步骤一：根据实验要求，调节压差调节阀(34)、超压保护阀(41)和安全阀(55)的弹簧预紧力；

步骤二：根据实验要求，调节压力调校阀(23)的出口压力至实验所需的测试压力，打开所有球阀，连通气源进行测试实验。

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