CN113464655A - 一种盾构机及其能够在线检测磨损量的主驱动密封和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种盾构机及其能够在线检测磨损量的主驱动密封和方法，动密封橡胶圈套设在主驱动轴上，主驱动轴在其与密封橡胶圈的接触界面开设有用于安装接触电阻片的第一安装孔，接触电阻片设置于第一安装孔内并与第一安装孔之间间隙密封，接触电阻片与第一安装孔的底部之间设有弹性机构，弹性机构用于使接触电阻片与密封橡胶圈之间保持接触；触电阻片上在沿主驱动轴周向的两端分别通过第一信号输出线和第二信号输出线接入信号处理电路，所述信号处理电路用于测量触电阻片的电阻值。本发明结构简单、安装方便，通过接触电阻片与动密封橡胶圈的直接接触实现磨损量的实时检测，在线输出。
Description
技术领域
本发明专利属于密封圈磨损量在线检测领域，具体为一种盾构机及其能够在线检测磨损量的主驱动密封和方法。
背景技术
盾构机主驱动系统是盾构机刀盘转动的直接动力，被称之为盾构的“心脏”，而主驱动密封便是此“心脏”的保护膜，因为盾构机主驱动密封的好坏直接决定盾构机性能。但主驱动系统因重量大、结构密闭，难以在隧道内直接进行更换，如果在施工过程中因密封损坏或严重磨损导致间隙过大等问题，容易造成主轴承齿轮油泄漏或泥砂颗粒进入齿轮箱，引起主轴承或齿轮损坏，导致盾构机瘫痪，将给隧道工程施工带来巨大的安全风险和不可估量的经济损失。
目前，检测主驱动密封圈磨损状态的主要方法为油液分析法，需要在停机状态下抽取主驱动密封润滑油液，通过油液分析仪进行油液污染度分析，间接获得密封磨损量。该方法为离线间接检测方法，具有精度低、无法精确实时检测等问题与不足。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种盾构机及其能够在线检测磨损量的主驱动密封和方法，本发明能够实现盾构机主驱动密封圈磨损量在线检测，具有检测实时性强、测量精度较高的特点。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，接触电阻片、主驱动轴、动密封橡胶圈、信号处理电路和弹性机构；
动密封橡胶圈套设在主驱动轴上，主驱动轴在其与密封橡胶圈的接触界面开设有用于安装接触电阻片的第一安装孔，接触电阻片设置于第一安装孔内并与第一安装孔之间间隙密封，接触电阻片与第一安装孔的底部之间设有弹性机构，弹性机构用于使接触电阻片与密封橡胶圈之间保持接触；
触电阻片上在沿主驱动轴周向的两端分别通过第一信号输出线和第二信号输出线接入信号处理电路，所述信号处理电路用于测量触电阻片的电阻值。
优选的，所述接触电阻片上与密封橡胶圈接触的表面为与主驱动轴曲率相同的曲面。
优选的，所述接触电阻片的结构为一段圆环，电阻片沿其长度方向的侧面相互平行。
优选的，触电阻片上在沿主驱动轴周向的两端内侧分别连接有第一引脚和第二引脚，第一引脚和第二引脚接入信号处理电路。
优选的，信号处理电路采用惠斯通电桥。
优选的，弹性机构包括第一弹簧座、预压缩弹簧和第二弹簧座，第一弹簧座与接触电阻片径向的内侧连接，第二弹簧座设置于第一安装孔的底部，预压缩弹簧的两端分别与第一弹簧座和第二弹簧座连接。
优选的，主驱动轴上开设有与第一安装孔连通的、供第一信号输出线和第二信号输出线穿出的第二安装孔，第二安装孔延伸至主驱动轴的外侧面，第一信号输出线和第二信号输出线与第二安装孔之间密封。
优选的，第一信号输出线和第二信号输出线的外部均包裹有电磁屏蔽抗干扰层。
本发明还提供了一种盾构机，所述盾构机的主驱动密封采用本发明如上所述的能够在线检测磨损量的主驱动密封。
本发明所述盾构机的主驱动密封的磨损量的在线监测方法，包括如下过程：
主驱动工作时，动密封橡胶圈与接触电阻片的表面之间相对滑动，利用信号处理电路实时测量接触电阻片的电阻值，根据接触电阻片的电阻与尺寸之间的关系得到接触电阻片的磨损量，根据接触电阻片的磨损量与动密封橡胶圈的磨损量之间的关系，得到动密封橡胶圈的磨损量。
本发明具有如下有益效果：
本发明盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封中，接触电阻片与密封橡胶圈之间保持接触，因此主驱动轴旋转时使得接触电阻片与密封橡胶圈之间形成滑动摩擦，接触电阻片与密封橡胶圈之间均会因为摩擦力的存在而发生磨损，当接触电阻片发生磨损后，其电阻会发生变化，利用信号处理电路能够实施检测接触电阻片的电阻，利用接触电阻片的磨损量与动密封橡胶圈的磨损量之间的关系，即可得到动密封橡胶圈的磨损量。本发明中通过接触电阻片与第一安装孔的底部之间设置弹性机构，利用弹性机构使接触电阻片与密封橡胶圈之间保持接触，实现了接触电阻片磨损量的实时补偿，保证了密封橡胶圈磨损量检测实时性和准确性。接触电阻片设置于第一安装孔内并与第一安装孔之间间隙密封，因此接触电阻片设置于第一安装孔既实现了能够相对滑动，还实现了相互密封，防止漏油。综上，本发明能够实现盾构机主驱动密封圈磨损量在线检测，具有检测实时性强、测量精度较高的特点。
进一步的，接触电阻片上与密封橡胶圈接触的表面为与主驱动轴曲率相同的曲面，能够确保接触电阻片与密封橡胶圈之间的密封，防止油液漏出。
附图说明
图1是本发明盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封中接触电阻片安装位置示意图；
图2是本发采用的接触电阻片示意图；
图3是本发明磨损量在线补偿结构示意图；
图4是本发明安装在线补偿结构的主驱动轴安装孔示意图；
图5是本发明测量高精度电阻电阻值变化的信号处理电路图。
其中，1-接触电阻片，2-第一信号输出线，3-第二信号输出线，4-主驱动轴，5-动密封橡胶圈，6-弹性机构，7-第一引脚，8-第二引脚，9-第一弹簧座，10-预压缩弹簧，11-第二弹簧座，12-第一安装孔，13-第二安装孔，14-信号处理电路，15-第一信号处理电路输入端，16-第二信号处理电路输入端，17-第一信号处理电路输出端，18-第二信号处理电路输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细叙述：
参照图1-图5，本发明盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，接触电阻片1、主驱动轴4、动密封橡胶圈5、信号处理电路14和弹性机构；动密封橡胶圈5套设在主驱动轴4上，主驱动轴4在其与密封橡胶圈5的接触界面开设有用于安装接触电阻片1的第一安装孔12，接触电阻片1设置于第一安装孔12内并与第一安装孔12之间间隙密封，接触电阻片1与第一安装孔12的底部之间设有弹性机构，弹性机构用于使接触电阻片1与密封橡胶圈5之间保持直接接触，通过构建接触电阻片1与密封橡胶圈5之间的磨损量函数关系，通过接触电阻片1的阻值变化反映密封橡胶圈5的磨损量；触电阻片1上在沿主驱动轴4周向的两端分别通过第一信号输出线2和第二信号输出线3接入信号处理电路14，所述信号处理电路14用于测量触电阻片1的电阻值。
本发明盾构机的主驱动密封工作原理如下：
接触电阻片1放置于主驱动轴的第一安装孔12内，接触电阻片1与动密封橡胶圈5直接接触，形成摩擦副，主驱动工作时，动密封橡胶圈5与接触电阻片1形成相对滑动，参照,2，根据物理学知识，接触电阻片1的电阻计算公式如下：
其中，ρ表示高精度磨损电阻片电阻率，L表示接触电阻片1的厚度，S(w×d)表示电阻横截面积，w为接触电阻片1的周向尺寸，d为接触电阻片1的轴向尺寸。
动密封橡胶圈5与接触电阻片1的相对滑动引起接触电阻片1厚度L的变化，导致电阻值R变化，间接反映动密封橡胶圈5磨损量变化；电阻值变化信号由输出线传输至信号处理电路，信号处理电路与上位机连接，在线传输电阻值信号，实时处理，完成磨损量的在线测量。长期工作后，弹性基座确保高精度磨损电阻片与密封圈的直接接触。
作为本发明优选的实施方案，参照图1-图3，所述接触电阻片1上与密封橡胶圈5接触的表面为与主驱动轴4曲率相同的曲面，接触电阻片1的截面尺寸与第一安装孔12一致，确保接触电阻片1与第一安装孔12之间间隙密封，既保证相对移动还能够防止油液渗入第一安装孔12；接触电阻片1与第一弹簧座9通过焊接紧密接触。
作为本发明优选的实施方案，所述接触电阻片1的结构为一段圆环，电阻片1沿其长度方向的侧面相互平行。
作为本发明优选的实施方案，触电阻片1上在沿主驱动轴4周向的两端内侧分别连接有第一引脚7和第二引脚8，第一引脚7和第二引脚8接入信号处理电路14，第一引脚7和第二引脚8均与触电阻片1焊接。
作为本发明优选的实施方案，参照图5，信号处理电路14采用惠斯通电桥。接触电阻片1由磨损引起的电阻变化信号通过第一、第二信号输出线2、3输出至惠斯通电桥的第一、第二信号处理电路输入端15、16，实时采集检测高精度磨损电阻片阻值变化，实现电阻值变化的在线输出，进一步反应密封圈磨损量变化。惠斯通电桥的第一、第二信号处理电路输出端17、18可连接上位机，通过接触电阻片1阻值与动密封橡胶圈5磨损量的映射关系，实时显示动密封橡胶圈5磨损量。
作为本发明优选的实施方案，参照图1、图3和图4，弹性机构6包括第一弹簧座9、预压缩弹簧10和第二弹簧座11，第一弹簧座9与接触电阻片1径向的内侧连接，第二弹簧座11设置于第一安装孔12的底部，预压缩弹簧10的两端分别与第一弹簧座9和第二弹簧座11连接。弹性机构6作为磨损量在线补偿结构。
作为本发明优选的实施方案，参照图3，第一弹簧座9和第二弹簧座11上均设有用于安装预压缩弹簧10的安装柱，预压缩弹簧10的两端分别紧套在第一弹簧座9和第二弹簧座11上的安装柱上，第一弹簧座9和第二弹簧座11上的安装柱之间留有预设距离，预压缩弹簧10上具有一定的压缩量。第一引脚7和第二引脚8分别位于第一弹簧座9上的安装柱的两侧。
作为本发明优选的实施方案，参照图1和图4，主驱动轴4上开设有与第一安装孔12连通的、供第一信号输出线2和第二信号输出线3穿出的第二安装孔13，第二安装孔13延伸至主驱动轴4的外侧面，第一信号输出线2和第二信号输出线3与第二安装孔13之间密封。
作为本发明优选的实施方案，采用铣削工艺加工主驱动轴4上第一安装孔12和第二安装孔13，铣削加工粗糙度范围如下：所述主驱动轴4需加工第一安装孔12，加工粗糙度范围为0.04—0.01μm，所述主驱动轴需加工第二安装孔13，加工粗糙度范围为0.16—0.04μm。
作为本发明优选的实施方案，第一信号输出线2和第二信号输出线3的外部均包裹有电磁屏蔽抗干扰层。
本发明盾构机的主驱动密封的磨损量的在线监测方法，包括如下过程：
主驱动工作时，动密封橡胶圈5与接触电阻片1的表面之间相对滑动，利用信号处理电路14实时测量接触电阻片1的电阻值，根据接触电阻片1的电阻与尺寸之间的关系得到接触电阻片1的磨损量，根据接触电阻片1的磨损量与动密封橡胶圈5的磨损量之间的关系，得到动密封橡胶圈5的磨损量。
实施例
通过加工中心加工主驱动轴4的第一、第二安装孔12、13，其中，第一安装孔12的尺寸为5×5cm，粗糙度为0.04μm；第二安装孔13的直径为1cm，粗糙度为0.16μm。
通过弯折机对接触电阻片1进行曲率加工，保证其曲率与主驱动轴4相同。加工完成后确保接触电阻片1的尺寸为w×d×L＝5×5×5cm。
将第一弹簧座9采用安装柱，安装柱焊接至高精度磨损电阻片1，第一弹簧座9的直径为2cm。
加工第二弹簧座11上的安装柱，该安装柱的直径为2cm，将内径为2cm的预压缩弹簧10的两端分别套在两个安装柱上。
将第一、第二信号输出2、3分别焊接在接触电阻片1上的第一、第二引脚7、8上。
将弹性机构6连同接触电阻片1放置在第一安装孔12中。
将第一、第二信号输出2、3穿过第二安装孔13并分别与惠斯通电桥的第一、第二信号处理电路输入端15、16焊接连接。
最后将整个主驱动轴装置安装在盾构机上，使接触电阻片1与动密封橡胶圈5直接接触。
参照图1，本实施例主驱动密封在线检测磨损量的过程包括：
接触电阻片1与动密封橡胶圈5直接接触，形成摩擦副，当盾构机主驱动工作时，动密封橡胶圈5与接触电阻片1形成相对滑动，长期的相对滑动必然导致接触电阻片1和动密封橡胶圈5的磨损。根据物理学知识，接触电阻片1的磨损会导致电阻值R变化，通过接触电阻片1与动密封橡胶圈5的磨损对应关系，间接得到动密封橡胶圈5的磨损量(摩擦副两组件的磨损对应关系可通过实验环境下接触电阻片1和动密封橡胶圈5的配磨得到)。同时，信号处理电路14实时采集、输出电阻值的变化，并与上位机通信，完成密封圈磨损量的实时显示。
从上述可以看出，本发明具有以下特点：本发明接触电阻片，其阻值变化对表面磨损量敏感，轻微的表面磨损即可引起阻值的变化；该接触电阻片与密封圈直接接触，形成摩擦副，主驱动工作时，密封圈与接触电阻片形成相对滑动，两者的磨损量之间存在着一定的对应关系，通过对接触电阻片的阻值进行测量，即可实现密封圈磨损量的连续在线检测。
本发明磨损量在线补偿结构(即弹性基座)，能够使接触电阻片始终与密封圈密切接触，实现了磨损量的实时补偿。
本发明信号的传输方法，信号输出线设置于主驱动轴安装孔中，输入端通过引脚与接触电阻片连接，输出端与信号处理电路输入端连接，信号处理电路由惠斯通电桥构成，可直接采集磨损电阻片阻值变化，反映密封圈的磨损信号，信号采集方便，易于传输。
Claims (10)
1.一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，接触电阻片(1)、主驱动轴(4)、动密封橡胶圈(5)、信号处理电路(14)和弹性机构；
动密封橡胶圈(5)套设在主驱动轴(4)上，主驱动轴(4)在其与密封橡胶圈(5)的接触界面开设有用于安装接触电阻片(1)的第一安装孔(12)，接触电阻片(1)设置于第一安装孔(12)内并与第一安装孔(12)之间间隙密封，接触电阻片(1)与第一安装孔(12)的底部之间设有弹性机构，弹性机构用于使接触电阻片(1)与密封橡胶圈(5)之间保持接触；
触电阻片(1)上在沿主驱动轴(4)周向的两端分别通过第一信号输出线(2)和第二信号输出线(3)接入信号处理电路(14)，所述信号处理电路(14)用于测量触电阻片(1)的电阻值。
2.根据权利要求1所述的一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，所述接触电阻片(1)上与密封橡胶圈(5)接触的表面为与主驱动轴(4)曲率相同的曲面。
3.根据权利要求1或2所述的一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，所述接触电阻片(1)的结构为一段圆环，电阻片(1)沿其长度方向的侧面相互平行。
4.根据权利要求1所述的一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，触电阻片(1)上在沿主驱动轴(4)周向的两端内侧分别连接有第一引脚(7)和第二引脚(8)，第一引脚(7)和第二引脚(8)接入信号处理电路(14)。
5.根据权利要求1或4所述的一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，信号处理电路(14)采用惠斯通电桥。
6.根据权利要求1所述的一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，弹性机构(6)包括第一弹簧座(9)、预压缩弹簧(10)和第二弹簧座(11)，第一弹簧座(9)与接触电阻片(1)径向的内侧连接，第二弹簧座(11)设置于第一安装孔(12)的底部，预压缩弹簧(10)的两端分别与第一弹簧座(9)和第二弹簧座(11)连接。
7.根据权利要求1所述的一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，主驱动轴(4)上开设有与第一安装孔(12)连通的、供第一信号输出线(2)和第二信号输出线(3)穿出的第二安装孔(13)，第二安装孔(13)延伸至主驱动轴(4)的外侧面，第一信号输出线(2)和第二信号输出线(3)与第二安装孔(13)之间密封。
8.根据权利要求1所述的一种盾构机的能够在线检测磨损量的主驱动密封，其特征在于，第一信号输出线(2)和第二信号输出线(3)的外部均包裹有电磁屏蔽抗干扰层。
9.一种盾构机，其特征在于，所述盾构机的主驱动密封采用权利要求1-8任意一项所述的能够在线检测磨损量的主驱动密封。
10.权利要求9所述盾构机的主驱动密封的磨损量的在线监测方法，其特征在于，包括如下过程：
主驱动工作时，动密封橡胶圈(5)与接触电阻片(1)的表面之间相对滑动，利用信号处理电路(14)实时测量接触电阻片(1)的电阻值，根据接触电阻片(1)的电阻与尺寸之间的关系得到接触电阻片(1)的磨损量，根据接触电阻片(1)的磨损量与动密封橡胶圈(5)的磨损量之间的关系，得到动密封橡胶圈(5)的磨损量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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