CN111608669A - 一种盾构用盾尾密封注脂系统及注入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构用盾尾密封注脂系统及注入方法，系统包括注脂泵、储脂腔、多点泵装置和二位二通阀；注脂泵与储脂腔连通，注脂泵与多点泵装置连接并为多点泵装置供应密封脂；注脂泵、储脂腔以及多点泵装置的连接管道通过一个三通连接；三通与多点泵装置之间设置二位二通阀；当需要个别注脂点注脂时，采用手动注入模式，注脂泵直接对注脂点注脂；当盾构正常推进时，采用全自动注入模式，多点泵装置中的多个柱塞泵对对应的注脂点注脂。本发明通过增加一套多点泵密封注脂装置，各个注脂点的注入频率高，注入量基本相同，能及时填充损耗的密封脂，确保了盾尾密封安全。

Description

一种盾构用盾尾密封注脂系统及注入方法

技术领域

本发明涉及盾构密封，特别涉及一种盾构用盾尾密封注脂系统及注入方法。

背景技术

盾构机密封主要有主轴承密封、铰接密封和盾尾密封，确保盾构机外部与隧道内隔离，保证施工安全。盾尾密封失效可导致隧道外水、泥渗漏进隧道，严重时会导致重大安全事故，盾尾密封的正常运行至关重要。

盾尾密封是在盾尾圆环钢板内部焊接三或四排盾尾刷，盾尾刷末端压紧管片外表面，盾尾、盾尾刷和管片外表面之间形成二或三个环形腔室，环形腔室内充满密封脂。当盾构向前推进时，管片不动，盾尾刷随盾构向前推进在管片外表面上滑动，密封脂会有损失，滞留在管片外表面上。密封脂正常的损耗量约0.8～1.2kg/m²(以管片外表面的面积为标准)。此时气动注脂泵会向环形腔室上的各个注脂点依次注入密封脂来补偿密封脂的损失，确保环形腔室填充饱满。

由于盾尾密封注脂点较多，选用的气动注脂泵单冲程注脂量较大(一个冲程注脂量一般为125ml，最高达到175ml)，导致盾尾密封注脂系统中单个注脂点注脂的间隔时间长(有时达到5～8min或盾构掘进150～200mm)。但随着盾构向前推进环形腔室各个位置的密封脂是一直在损失的，这就造成密封脂注入不及时，有时会造成盾尾密封失效，产生安全事故。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种盾构用盾尾密封注脂系统及注入方法，用以解决盾尾密封容易失效的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种盾构用盾尾密封注脂系统，包括注脂泵、储脂腔、多点泵装置和二位二通阀；

注脂泵与储脂腔连通，注脂泵与多点泵装置连接并为多点泵装置供应密封脂；注脂泵、储脂腔以及多点泵装置的连接管道通过一个三通连接；三通与多点泵装置之间设置二位二通阀；

多点泵装置的每个柱塞泵都有一根独立管路(柱塞泵注脂管路)到对应注脂点。多点泵装置的每个柱塞泵出口的高压密封脂经过对应管路注入到盾构密封腔内。

作为优选方式，注脂泵为气动注脂泵。

作为优选方式，气动注脂泵安装在盾构台车区域。

作为优选方式，注脂点注入管路上设置气动开关(气动开关阀)。

作为优选方式，注入管路上设置截止阀和压力传感器。

作为优选方式，每个柱塞泵注脂管路上设置一个单向阀。

作为优选方式，盾尾、盾尾刷、管片之间形成密封腔。

作为优选方式，每道密封腔内均匀布置多个注脂点。

作为优选方式，设置三道密封腔，每道密封腔设置10个注脂点。

作为优选方式，多点泵装置包括电机、减速机、旋转轴、旋转叶片、凸轮盘、储物桶以及安装注脂结构；

减速机与电机相连通过电机驱动，旋转轴设置在安装注脂结构内并由减速机驱动，旋转叶片设置在旋转轴上；凸轮盘与旋转轴固定，凸轮盘上设置滑槽，滑槽的作用是使得柱塞泵的活动部件作往复运动；

储物桶上设置进脂孔，密封脂通过进脂孔进入储物桶中；储物桶设置在安装注脂结构的上方，安装注脂结构的壁上设置若干柱塞泵安装孔，储物桶与安装注脂结构之间具有流脂通道，流脂通道一侧连向储物桶内，流脂通道的另一侧与柱塞泵的第一进脂口连通。

一种盾构用盾尾密封脂注入方法，它采用以上所述的系统，具体包括手动注入模式和全自动注入模式。

手动注入模式流程如下：

当需要个别注脂点注入或多个注脂点同时注入时，将注脂点相应的气动开关打开，然后启动气动注脂泵，经注脂管路、储脂腔对相应注脂点注脂。

全自动注入模式流程如下：

气动注脂泵为多点泵装置供密封脂。当盾构向前推进时，启动多点泵装置。根据盾构推进速度和设计的密封脂损耗量，自动控制多点泵的变频电机旋转速度，进而控制柱塞泵的密封脂注入量在所设定范围内。由于柱塞泵的单冲程注脂量很小(约5～10ml)，可以有效提高盾尾密封注脂频率。

本发明的有益效果是：当需要个别注脂点单独注脂或多个注脂点同时注脂时采用手动注入模式，通过气动注脂泵注密封脂。当盾构掘进时，通过增加一套多点泵装置，采用全自动注入模式。各个注脂点的注入频率高，注入量基本相同，能及时填充损耗的密封脂，确保了盾尾密封安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是盾尾结构示意图；

图2是本发明盾尾密封注脂系统示意图；

图3是图2中Z部分的结构示意图；

图4是本发明多点泵装置结构示意图；

图5是本发明柱塞泵结构示意图；

图中，1-盾尾，2-盾尾刷，3-密封腔，4-管片，5-储脂腔，6-气动开关，7-压力传感器，8-截止阀，9-盾构主机区域，10-盾构台车区域，11-气动注脂泵，12-二位二通阀，13-多点泵装置，14-柱塞泵，15-变频电机，16-单向阀，17-减速机，18-旋转轴，19-凸轮盘，20-滤网，21-旋转叶片，22-储脂空间A，23-滑动板，24-储气空间，25-安全气阀，26-连接螺栓，27-盖板，28-超声波传感器，29-进气口，30-桶壁，31-进脂孔，32-活动部件，33-第一进脂口，34-储脂空间B，35-圆柱体，36-第一通道，37-第二通道，38-第三通道，39-第二进脂口，40-移动部件，41-第一弹簧，42-第一固定部件，43-第二固定部件，44-调节部件，45-第四通道，46-球体，47-第二弹簧，48-空心部件，49-第三固定部件，50-第五通道，51-第六通道，52-出脂口，53-第四固定部件，54-第五固定部件。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果含有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果存在第一特征在第二特征之上或之下，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。如果存在第一特征在第二特征之下、下方和下面，包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

如图1、图2和图3所示，在盾尾1内表面与管片4外表面之间盾尾1上焊接盾尾刷2，盾尾1内表面、盾尾刷2、管片4外表面之间形成密封腔3。由注脂系统注入密封脂填充饱满密封腔3并补充损失的密封脂。

一种盾构用盾尾1密封注脂系统，包括注脂泵、储脂腔5、多点泵装置13和二位二通阀12；

注脂泵与储脂腔5连通，注脂泵与多点泵装置13连接并为多点泵装置13供应密封脂；注脂泵、储脂腔5以及多点泵装置13的连接管道通过一个三通连接；三通与多点泵装置13之间设置二位二通阀12；注脂泵通过打开的二位二通阀12给多点泵装置13供应密封脂。

注脂泵为气动注脂泵11，气动注脂泵11安装在盾构台车区域10。多点泵装置13安装在盾构主机区域9。注脂点注入管路上设置截止阀8和压力传感器7。每个柱塞泵注脂管路上设置一个单向阀16。

每道密封腔3内均匀布置多个注脂点。如图1和图2所示，设置三道密封腔3，每道密封腔3设置10个注脂点。如图3中的2.5表示第二道密封腔3的第五个注脂点。

气动注脂泵11的高压密封脂经管路、储脂腔5、打开的气动开关6、压力传感器7、截止阀8进入相应的注脂点。

多点泵装置13启动，柱塞泵14开始注密封脂。每个柱塞泵14经对应管路、单向阀16、压力传感器7、截止阀8进入相对应注脂点的盾尾密封腔3内。

实施例二

如图4所示，一种用于盾尾1密封的多点泵装置，包括电机、减速机17、旋转轴18、旋转叶片21、凸轮盘19、储物桶以及安装注脂结构；

减速机17与电机相连通过电机驱动，旋转轴18设置在安装注脂结构内并由减速机17驱动，旋转叶片21设置在旋转轴18上；凸轮盘19与旋转轴18固定，凸轮盘19上设置滑槽，滑槽的作用是使得柱塞泵14的活动部件32作往复运动；

储物桶上设置进脂孔31，密封脂通过进脂孔31进入储物桶中；储物桶设置在安装注脂结构的上方，安装注脂结构的壁上设置若干(至少2个)柱塞泵14安装孔，储物桶与安装注脂结构之间具有流脂通道，流脂通道一侧连向储物桶内，流脂通道的另一侧与柱塞泵14的第一进脂口33连通。

电机为变频电机15，可以通过控制变频电机15的电流来控制变频电机15的旋转速度，进而达到控制密封脂消耗量的目的。

储物桶上设置盖板27，盖板27通过连接螺栓26与储物桶连接，储物桶内安装滑动板23，避免密封脂溢出。

旋转轴18端部设置螺纹孔，旋转叶片21放置好后通过螺母、垫片固定。

储物桶与安装注脂结构之间设置滤网20，避免杂质进入柱塞泵14。

安装注脂结构的上部设置为空心圆柱结构，空心圆柱结构的侧壁上设置柱塞泵14安装孔。

柱塞泵14安装孔设置在同心圆上，同心圆的圆心在空心圆柱结构的轴线上，便于安装，且整个结构巧妙，便于观察、操作。

储物桶与安装注脂结构通过螺栓连接，通过螺栓连接，成本低，安装方便、快捷。

储物桶内设置挡板，并与储物桶焊接固定，增强储物桶的稳定性。挡板设置在旋转叶片21下方，避免旋转叶片21晃动，打到滤网20或者其他物件。挡板的上表面光滑，挡板上有多个流脂通道并预留中心孔可穿过旋转轴18。

盖板27上安装超声波传感器28，超声波传感器28与滑动板23配合使用，可以控制储脂空间A22内的密封脂体积。

为了清楚说明上述问题，特做如下说明。

储物桶通过滑动板23将储物桶内的空间分为储脂空间A22和储气空间24，滑动板23可沿着储物桶内壁上下滑动。滑动板23外径上可设置密封槽，密封槽内安装密封圈，防止储脂空间A22内密封脂进入储气空间24内。储脂空间A22的侧壁(桶壁30)上设置进脂孔31，储气空间24的侧壁上设置进气口29和排气口，排气口连接一根排气管道，排气管道上安装安全气阀25。

具体的工作流程如下：

进气口29一直输入压力(如3bar)空气至储气空间24中，压力空气通过滑动板23对储脂空间A22的密封脂施加压力，便于密封脂通过滤网20中的网孔进入柱塞泵14中的储脂空间B34。

当超声波传感器28检测到储脂空间A22中密封脂为空时，发出一个检测信号A，操作人员或者气动注脂泵11根据该检测信号A，打开二位二通阀12，启动注脂泵11，往进脂孔31内注入密封脂，密封脂进入储脂空间A22，储脂空间A22中的密封脂压力增高，推动滑动板23上移，储气空间24中的空气受压增高(如3.5bar)时，安全气阀25自动打开排空气，推动滑动板23继续上移；

当超声波传感器28检测到储脂空间A22中密封脂为满或者满空间的80％-100％时，关闭注脂设备(气动注脂泵11)。

如图5所示，本发明还包括一种盾构用盾尾1密封注脂柱塞泵14(每个柱塞泵14对应一个注脂点)，包括滑动组件和单向阀机构；

滑动组件包括移动部件40、第一弹簧41和第一固定部件42，当第一弹簧41动作时，移动部件40内表面和第一固定部件42外表面之间产生滑动；

单向阀机构包括球体46、第二弹簧47、空心部件48和第三固定部件49，当第二弹簧47动作时，空心部件48内表面和第三固定部件49外表面之间产生滑动；

还包括壳体、活动部件32以及传导部件，活动部件32设置在壳体前端，活动部件32与传导部件之间具有储脂空间B34；壳体包括第二固定部件43、第四固定部件53和第五固定部件54；

传导部件上设置第一通道36，壳体上设置第二通道37，移动部件40与壳体之间形成第三通道38，壳体上还设置第二进脂口39，第三通道38与第二进脂口39连通，第二进脂口39连接至第五固定部件54内部的第四通道45，第四通道45在球体46上移的情况下与第五通道50连通；

第五通道50的端部安装第三固定部件49，第三固定部件49插入空心部件48，第三固定部件49的前端设置第二弹簧47，第二弹簧47与球体46接触；第五通道50与第三固定部件49上的第六通道51连通，第六通道51连接至出脂口52。当柱塞泵14通道内充满密封脂时，第一弹簧41和第二弹簧47不与密封脂相接触，即第一弹簧41和第二弹簧47安装在密闭空间内。由于密封脂含有纤维，第一弹簧41和第二弹簧47不与密封脂相接触，降低了弹簧失效的机率，这是本发明的优势。

具体的密封结构如下：

移动部件40与第一固定部件42形成第一密闭空间，第一弹簧41安装在第一密闭空间内。

第一固定部件42上设置第一密封槽，第一密封槽内安装第一密封圈。

第一密封槽的数量至少为2个，第一密封槽之间平行设置。

第三固定部件49、空心部件48和球体46之间形成第二密闭空间，第二弹簧47安装在第二密闭空间内。

球体46直径比空心部件48外径(空心圆柱)大，球体46与空心部件48下部焊接固定。

第三固定部件49上设置第二密封槽，第二密封槽内安装第二密封圈。

第二密封槽的数量至少为2个，第二密封槽之间平行设置。

柱塞泵14工作时，空心部件48的内表面一直在第二密封圈上滑动。

本发明设置流量和压力可调机构，具体设置了第一可调机构和第二可调机构。

第一可调机构：第一固定部件42通过连接件与第二固定部件43连接。连接件为图5所示的调节部件44，调节部件44与第二固定部件43通过螺纹连接，通过调节连接件与第二固定部件43之间的固定螺纹长度，可以微量调节储脂空间B34中的容积，进而微调了柱塞泵14的单冲程容积。

第二可调机构：第三固定部件49包括两个圆柱段，分别是第一圆柱段和第二圆柱段，第一圆柱段的直径大于第二圆柱段，第一圆柱段与第五通道50的通道壁连接。与第一可调机构同理，通过调节第一圆柱段与第五通道50的通道壁的螺纹连接长度，可以调节球体46对第五固定部件54的压力，也就是单向阀机构能够顶开的压力。

当凸轮盘19旋转到一定位置时，凸轮带动活动部件32左移，储脂空间A22中的低压力密封脂经第一进脂口33进入储脂空间B34并充满。当凸轮带动活动部件32右移，将第一进脂口33关闭。活动部件32继续右移时，储脂空间B34中密封脂受压成高压密封脂，推动圆柱体35右移，进而移动部件40右移、第一弹簧41受压，第一通道36和第二通道37相通，高压密封脂经第一通道36、第二通道37、第三通道38、第二进脂口39到达第四通道45，推动球体46上移，高压密封脂经第五通道50、第六通道51、出脂口52，最终到达密封腔3内的注脂点。下一次，凸轮带动活动部件32左移时，第四通道45内的高压密封脂压力降低，球体46在第二弹簧47作用下下移封住进脂口。第一弹簧41推动移动部件40左移，然后储脂空间A22中的低压力密封脂经第一进脂口33再次进入储脂空间B34并充满，进入下一注密封脂循环。

由于本实施例柱塞泵14的单冲程注脂量很小(可以做到5～10ml)，可以有效提高盾尾1密封注脂点注脂频率，一个盾尾1密封注脂装置可以配套多个(比如30个)柱塞泵14，可以保证各个注脂点的注入频率高，注入量基本相同，能及时填充损耗的密封脂，确保了盾尾1密封安全。

实施例三

本实施例提供一种盾构用盾尾1密封脂注入方法，它包括实施例一或实施例二所述的系统，具体包括手动注入模式和全自动注入模式；

手动注入模式流程如下：

当需要个别注脂点注入或多个注脂点同时注入时，将注脂点相应的气动开关6打开，然后启动气动注脂泵11，对相应注脂点注脂；当打开多个注脂点时，压力低的注脂点注入的密封脂要多，注脂量不均匀。此模式适用于盾尾1密封渗漏时，通过手动注入大量的密封脂将渗漏进密封腔3内的泥浆等挤出。也适用于盾构司机想随机对单个或多个注脂点注入密封脂。

全自动注入模式流程如下：

通过超声波传感器28的检测情况启动气动注脂泵11对储脂空间A22密封脂补充。当盾构开始推进时，自动启动多点泵装置13。根据采集到的盾构掘进速度、柱塞泵14单冲程容积(如5～10ml)、密封脂密度、设定的管片4外表面单位面积注脂量、凸轮盘19单转柱塞泵14注脂次数(如有3个或4个凸轮，或者采用1个椭圆形的凸轮，由于凸轮边缘离旋转中心的距离在变化，也可以实现对活动部件32的拉伸)、减速机17减速比等参数计算变频电机15的旋转速度，最终通过控制变频电机15的电流来达到控制密封脂消耗量的目的。由于柱塞泵14单冲程容积(如5～10ml)很小，所需的注入频率会很快(如5～10sec一次)，能够达到及时注入密封脂的目的。

手动注入模式和全自动注入模式不允许同时启动。

由于本实施例所介绍的方法为实施本发明系统实施例采用的方法，故而本发明实施例中所介绍的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的装置或系统的具体实施方式以及各种变化形式，所以在此对于如何实现本发明系统或者装置实施例中的方法不再详细介绍。只要本领域所属技术人员实施本发明实施例中的方法，都属于本发明的保护范围。

盾尾1密封注脂的优选方法采用全自动注入模式，随着盾构向前推进，环形腔室内的每个注脂点注入频率提高(如注入间隔时间由5～8min变为5～10sec)，单冲程注入量降低(如单冲程注入量由125ml变为7.5ml)，这既能保证密封脂损耗量在正常范围内又能确保密封腔3室内损失的密封脂及时注入填充，保证盾尾1密封安全。本发明可以解决盾尾1密封注脂全自动控制模式下盾尾1密封脂注入量的控制并达到高频率、均匀注入的目的。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。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，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：包括注脂泵、储脂腔、多点泵装置和二位二通阀；

注脂泵与储脂腔连通，注脂泵与多点泵装置连接并为多点泵装置供应密封脂；注脂泵、储脂腔以及多点泵装置的连接管道通过一个三通连接；三通与多点泵装置之间设置二位二通阀；

多点泵装置的每个柱塞泵都通过柱塞泵注脂管路到对应注脂点，多点泵装置的每个柱塞泵出口的高压密封脂经过对应管路注入到盾构密封腔内。

2.根据权利要求1所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：注脂泵为气动注脂泵。

3.根据权利要求2所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：气动注脂泵安装在盾构台车区域。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：注入管路上设置截止阀和压力传感器。

5.根据权利要求4所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：总管路上设置单向阀。

6.根据权利要求1所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：盾尾、盾尾刷、管片之间形成密封腔。

7.根据权利要求6所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：每道密封腔内均匀布置多个注脂点。

8.根据权利要求7所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：设置三道密封腔，每道密封腔设置10个注脂点。

9.根据权利要求1所述的一种盾构用盾尾密封注脂系统，其特征在于：多点泵装置包括电机、减速机、旋转轴、旋转叶片、凸轮盘、储物桶以及安装注脂结构；

减速机与电机相连通过电机驱动，旋转轴设置在安装注脂结构内并由减速机驱动，旋转叶片设置在旋转轴上；凸轮盘与旋转轴固定，凸轮盘上设置滑槽，滑槽的作用是使得柱塞泵的活动部件作往复运动；

储物桶上设置进脂孔，密封脂通过进脂孔进入储物桶中；储物桶设置在安装注脂结构的上方，安装注脂结构的壁上设置若干柱塞泵安装孔，储物桶与安装注脂结构之间具有流脂通道，流脂通道一侧连向储物桶内，流脂通道的另一侧与柱塞泵的第一进脂口连通。

10.一种盾构用盾尾密封脂注入方法，其特征在于，它采用权利要求1-9任一所述的系统，具体包括手动注入模式、压力注入模式和全自动注入模式；

手动注入模式流程如下：

当需要个别注脂点注入或多个注脂点同时注入时，将注脂点相应的气动开关打开，然后启动气动注脂泵，经注脂管路、储脂腔对相应注脂点注脂；

全自动注入模式流程如下：

气动注脂泵为多点泵装置供密封脂；当盾构向前推进时，启动多点泵装置；根据盾构推进速度和设计的密封脂损耗量，自动控制多点泵的变频电机旋转速度，进而控制柱塞泵的密封脂注入量在所设定范围内。

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