KR20230013955A

KR20230013955A - 쉴드tbm 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치

Info

Publication number: KR20230013955A
Application number: KR1020210095079A
Authority: KR
Inventors: 정주환; 김정주; 김경열; 류희환; 배두산
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2023-01-27

Abstract

본 발명은 실제 터널을 시공하는 작업환경에서 쉴드TBM 장비가 받게 되는 토압과 수압에 의해 구동부 씰에 미치는 방수성능과 내구성능을 실제와 동일하게 모사된 환경에서 시험할 수 있는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치를 개시한다.
전술한 방수압 시험장치는 내부에 토압과 수압이 작용하는 압력실을 형성하는 외부하우징, 외부하우징의 내부에 대해 회전 가능하게 설치되는 내부하우징, 내부하우징에 설치되는 씰조립체, 외부하우징에 설치되어 씰조립체와 긴밀하게 접촉하고 압력실과 교통 가능한 배압실을 형성하는 링구조물, 및 내부하우징에 대해 회전력을 제공하는 구동부를 포함한다.

Description

쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치{Waterproof pressure test device for driving part seal of shield TBM}

본 발명은 쉴드TBM 장비에서 구동부 씰에 대한 방수압을 시험하기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쉴드TBM 장비가 실제 터널을 시공하는 작업환경에서 받게 되는 토압과 수압이 구동부 씰에 미치게 되는 방수성능과 내구성능을 실제와 동일하게 모사된 환경에서 시험할 수 있게 하고, 그에 따른 구동부 씰에 대한 성능 평가를 수행할 수 있게 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치에 관한 것이다.

최근 들어 전기선로와 통신선로를 지하에 매설하는 지중화 사업은 소음과 진동의 발생에 따른 환경피해의 최소화, 노동력 절감, 급속 시공을 통한 경제적 터널 시공이 가능하다는 점에서 기존의 발파공법을 대체하여 쉴드TBM(Tunnel Boring Machine) 장비에 의한 기계화 시공이 증가하는 추세이다. 특히, 터널식 전력구의 경우에는 매년 건설물량이 증가하고 있는 실정이다.

터널의 시공을 위한 쉴드TBM 장비는 다수의 디스크커터를 장착한 커터헤드를 회전시켜 암반과 지반을 압쇄하여 굴진하는 원형의 회전식 굴착장비로서, 쉴드TBM에서 굴착을 위하여 회전력을 발생시키는 가장 핵심적인 장비가 구동부이다. 이러한 구동부는 유압식과 전기식 모터에 의해 구동방식을 채택하고 있으며, 감속기 또는 구동부 내의 기어를 통하여 적정의 감속비로 감속을 하여 더 큰 회전력을 발생시킨 다음, 터널의 전단면을 굴착하는 커터헤드에 대해 회전력을 전달하는 방식으로 동작하게 된다.

또한, 쉴드TBM 장비의 구동부는 주로 센터 샤프트 지지방식과 외주 지지방식의 구조를 채택하고 있는 데, 각 지지방식별 세부적인 구조는 서로 다르지만, 공통적으로 메인 베어링, 씰, 윤활 라인, 및 구동부 하우징의 4가지 핵심 부품들을 구비한다.

이 경우, 메인 베어링은 모터의 회전력을 구동부로 전달하는 역할을 하며, 쉴드TBM의 구조상 전방과 후방에 발생하는 압력을 견뎌야하는 주요한 부품이다. 또한, 센터 샤프트 지지방식에는 테이퍼 베어링이 구비되고, 외주 지지방식에는 3열 롤러 베어링이 구비된다.

또한, 구동부 씰은 회전부에 외부의 토사, 물 등 이물질이 구동부의 내부로 침입하는 것을 막아주는 역할을 하고 있으며, 지반 조건에 따라 압력 및 지하수 등의 침입하는 종류에 따라 씰의 형상 및 수량이 결정된다.

또한, 윤활 라인은 그리스 및 오일을 씰 및 베어링의 사이로 들어가도록 하는 라인으로 회전체의 마찰력을 감소시키며 이물질을 외부로 밀어내어 내부의 청정도를 유지하게 한다.

또한, 구동부 하우징은 막장압을 유지하기 위한 벌크헤드의 기능으로 각종 센서를 부착하여 전방의 상황을 운전자로 전달하며, 장비 내부에서 커터헤드로 들어가는 통로 역할을 한다.

그런데, 상기와 같은 쉴드TBM 장비의 개발에 있어 구동부 씰에 대한 성능을 정확하게 판단할 수 있는 시험장치가 없기 때문에 씰의 훼손에 따른 각종 이물질이 구동부로 유입될 경우에는 장비의 손상을 초래하게 되는 데, 이러한 장비의 손상은 공사기간과 공사비용의 증대로 귀결되기 때문에 구동부 씰에 대한 방수성능과 내구성능을 정확하게 평가할 수 있는 시험장치에 대한 개발의 필요성이 크게 대두되고 있는 실정이다.

등록특허 제10-1322125호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 실제 터널을 시공하는 작업환경에서 쉴드TBM 장비가 받게 되는 토압과 수압에 의해 구동부 씰에 미치는 방수성능과 내구성능을 실제와 동일하게 모사된 환경에서 시험할 수 있게 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 하부프레임에 고정되고 내부에 토압과 수압이 작용하는 압력실을 형성하는 외부하우징, 상기 외부하우징의 내부에 대해 회전 가능하게 설치되는 내부하우징, 상기 내부하우징에 설치되어 내부하우징의 회전에 따라 일체로 회전하는 씰조립체, 상기 외부하우징에 설치되어 상기 씰조립체와 긴밀하게 접촉하고 상기 압력실과 교통 가능한 배압실을 형성하는 링구조물, 상기 내부하우징에 대해 회전력을 제공하는 구동부, 상기 압력실에 냉각수를 순환 공급하는 워터시스템, 상기 압력실에 대해 터널의 막장압을 모사한 토압과 수압을 제공하는 에어부스터, 상기 배압실에 대해 토/수압에 대응하는 배압을 제공하는 윤활시스템, 상기 압력실과 상기 배압실에 대한 압력을 측정하는 센싱부, 및 상기 센싱부로부터 검출되는 압력값을 기반으로 상기 구동부와 워터시스템과 에어부스터 및 윤활시스템에 대한 동작 제어를 수행하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 외부하우징은 이중실린더 구조의 외측실린더와 내측실린더로 구성되고, 상기 외측실린더와 내측실린더는 상기 구동부의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 내부하우징은 이중실린더 구조의 외측실린더와 내측실린더로 구성되고, 상기 외측실린더와 내측실린더는 상기 구동부의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 링구조물은 상기 외부하우징의 외측실린더의 내측에 배치되는 외주링, 및 상기 외부하우징의 내측실린더의 외측에 배치되는 내주링으로 구성되고, 상기 외주링과 내주링은 상기 구동부의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 씰조립체는 상기 내부하우징의 외측실린더에 설치되어 상기 외주링의 내주면과 접촉하는 외주씰, 및 상기 내부하우징의 내측실린더에 설치되어 상기 내주링의 외주면과 접촉하는 내주씰로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 외주씰은 상기 내부하우징의 외측실린더의 외주면에 설치되는 외주씰홀더에 의해 지지되고, 상기 외주씰과 외주씰홀더는 상기 내부하우징의 외측실린더의 외주면에 대해 각각 복열 구조로 설치되며, 상기 외주씰은 외주씰홀더 사이에서 위치가 구속받도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 내주씰은 상기 내부하우징의 내측실린더의 내주면에 설치되는 내주씰홀더에 의해 지지되고, 상기 내주씰과 내주씰홀더는 상기 내부하우징의 내측실린더의 내주면에 대해 각각 복열 구조로 설치되며, 상기 내주씰은 내주씰홀더 사이에서 위치가 구속받도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 외주링은 상기 외주씰과 접촉하는 내주면에 실린더 구조의 외측 라이너를 설치하고, 상기 내주링은 상기 내주씰과 접촉하는 외주면에 실린더 구조의 내측 라이너를 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 외측 라이너와 내측 라이너는 각각 상기 외주링과 내주링 보다 높은 경도의 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 내부하우징은 외측실린더와 내측실린더의 자유단부에 설치되는 링형상의 마감플레이트를 더 포함하고, 상기 마감플레이트는 외주면에 상기 외주링의 내주면에 위치하는 외측 라이너와의 사이에서 압력실과 교통 가능한 외측 틈새를 형성하고, 내주면에 상기 내주링의 외주면에 위치하는 내측 라이너와의 사이에서 압력실과 교통 가능한 내측 틈새를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 압력실은 상기 외부하우징과 상기 내부하우징 사이에서 상기 마감플레이트에 의해 구획되는 공간에 위치하고, 상기 배압실은 상기 외주링의 내주면과 상기 내부하우징의 외측실린더의 외주면 사이의 공간에서 상기 씰조립체의 외주씰의 배면부위, 및 상기 내주링의 외주면과 상기 내부하우징의 내측실린더의 내주면 사이의 공간에서 상기 씰조립체의 내주씰의 배면부위에 각각 위치하며, 상기 압력실과 상기 배압실은 상기 마감플레이트의 외주면에서 상기 외측 라이너와의 사이에 위치하는 외측 틈새와 상기 마감플레이트의 내주면에서 상기 내측 라이너와의 사이에 위치하는 내측 틈새를 통해 상호 교통 가능하게 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 외부하우징과 내부하우징의 축중심에 위치하고 상기 내부하우징에 대해 회전력을 제공하는 샤프트를 더 포함하고, 상기 샤프트는 구동부의 전기모터로부터 회전력을 제공받도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 마감플레이트와 대향하는 위치에서 상기 내부하우징의 외측실린더와 내측실린더의 단부에 결합되는 커버플레이트를 더 포함하고, 상기 커버플레이트는 상기 샤프트와 축결합되어 일체로 회전하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 워터시스템은 상기 압력실의 내부에 냉각수를 순환 공급하기 위해 배설되는 냉각수 공급관로와 냉각수 회수관로, 상기 냉각수 공급관로와 냉각수 회수관로에 대해 교통 가능하게 설치되고 내부에 냉각수를 저장하는 탱크, 및 상기 냉각수 공급관로에 설치되어 냉각수를 공급하는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 에어부스터는 상기 압력실의 내부에 터널의 막장압을 모사한 토압과 수압을 제공하기 위해 압력관로, 및 상기 압력관로와 연결되고 압력실의 내부를 향해 설치되는 압력포트를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 윤활시스템은 그리스의 압송을 위한 펌프와 그리스배관, 및 상기 그리스배관과 연결되고 배압실의 내부를 향해 설치되는 그리스포트를 구비하되, 상기 윤활시스템은 압력실의 내부에 제공되는 토압과 수압 보다 더 큰 압력의 배압을 상기 배압실의 내부에 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치는 외부하우징의 내부에서 회전하는 내부하우징 사이에 압력실을 형성하고, 압력실에 대해 씰조립체를 사이에 두고 반대편에 배압실을 형성하며, 압력실의 내부에 대해 적정의 토압과 수압을 제공하면서 배압실의 내부에 토압과 수압에 상응하는 배압을 제공할 수 있으므로, 실제 터널을 시공하는 작업환경과 동일하게 모사된 환경에서 구동부 씰에 대한 방수성능과 내구성능을 시험할 수 있게 하고, 그에 따른 구동부 씰에 대한 성능 평가를 수행할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치에 대한 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치에서 씰 시스템 장치에 대한 외부 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치에서 씰 시스템 장치에 대한 외부 구성을 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치에서 씰 시스템 장치에 대한 내부 구성을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치에서 씰 시스템 장치를 구성하는 외부하우징을 전방에서 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치에서 씰 시스템 장치를 구성하는 외부하우징에 대해 내부하우징이 조립된 상태를 후방에서 도시한 사시도이다.

이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도면을 참조로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치는 전력구를 시공할 때 사용되는 쉴드TBM(Tunnel Boring Machine) 장비가 실제 터널을 시공하는 작업환경에서 받게 되는 토압과 수압이 구동부 씰에 미치게 되는 방수성능과 내구성능을 실제와 동일하게 모사된 환경에서 시험하고 그에 따른 성능 평가를 수행할 수 있게 하는 것이다. 특히, 본 발명은 지금까지 개발이 전무한 쉴드TBM 장비용 구동부 씰에 대한 방수압 시험장치로서, 공기압에 흙과 청수를 첨가하여 최대 20bar까지 토압과 수압을 모사하여 구동부 씰에 작용시키고, 전기모터와 씰 시스템 장치를 결합하여 최대 20bar에서도 1,000RPM까지 회전할 수 있도록 설계된 시험장치인 것이다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 하부프레임(1), 씰 시스템 장치(2), 구동부(3), 워터시스템(4), 에어부스터(5), 윤활시스템(6), 및 제어부(7) 등을 포함하여 구성된다.

상기 하부프레임(1)은 실험실의 바닥에 위치하여 씰 시스템 장치(2)와 구동부(3)를 비롯한 각종 설비들을 안정적으로 장착하는 구성으로 이루어진다. 이 경우, 상기 하부프레임(1)은 설비들의 하중 조건에 따라 적합한 다양한 형태의 구조물로 제작될 수 있을 것이다.

상기 씰 시스템 장치(2)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 쉴드TBM 장비를 이용하여 실제 터널을 시공할 때 발생하는 막장압을 모사하여 구동부 씰에 대한 방수압을 시험하기 위한 장비로서, 샤프트(10)와 외부하우징(20), 내부하우징(30), 씰조립체(40), 및 링구조물(50)을 포함하여 구성된다.

상기 샤프트(10)는 구동부(3)의 동작에 따라 고속으로 회전하는 부재로서, 상기 내부하우징(30)에 대해 회전력을 직접적으로 제공하도록 구성된다.

이 경우, 상기 샤프트(10)는 외부하우징(20)의 내부에서 적어도 한 쌍의 격벽구조물에 설치되는 베어링(11; 도 4 참조)을 매개로 회전 가능하게 설치된다.

또한, 상기 샤프트(10)는 구동부(3)를 구성하는 전기모터(3a)의 출력축과 커플링 수단(12; 도 3 참조)과 같은 축결합 부재를 매개로 연결되도록 구성된다.

상기 외부하우징(20)은 하부프레임(1)의 상부에 고정되게 설치되고, 내부에 토압과 수압을 제공받는 압력실(P)을 형성하도록 구성된다. 이 경우, 상기 압력실(P)의 내부에 작용하는 토압과 수압의 정도는 쉴드TBM 장비를 이용하여 실제 터널을 시공하는 작업환경에서 발생하는 압력을 모사한 수준이다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 외부하우징(20)은 중앙부위가 천공되고 가장자리 부위에 소정 용적의 공간부를 형성하는 이중실린더 구조의 외측실린더(21)와 내측실린더(22)로 구성된다.

이 경우, 상기 외측실린더(21)와 내측실린더(22)는 상기 구동부(3)의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치된다. 즉, 상기 외측실린더(21)와 내측실린더(22)의 축중심은 각각 상기 구동부(3)에 의해 회전하는 샤프트(10)의 회전중심과 일치하는 구조인 것이다.

상기 내부하우징(30)은 외부하우징(20)의 내부에서 삽입되어 회전 가능하게 설치되는 것으로, 상기 외부하우징(20)에 대해 압력실(P)을 마감하는 형태로 구성된다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 내부하우징(30)은 중앙부위가 천공되고 가장자리 부위에 소정 용적의 공간부를 형성하는 이중실린더 구조의 외측실린더(31)와 내측실린더(32)로 구성된다.

이 경우, 상기 외측실린더(31)와 내측실린더(32)는 상기 구동부(3)의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치된다. 즉, 상기 외측실린더(31)와 내측실린더(32)의 회전중심은 각각 상기 구동부(3)에 의해 회전하는 샤프트(10)의 회전중심과 일치하는 구조인 것이다.

상기 씰조립체(40)는 상기 내부하우징(30)에 설치되어 내부하우징(30)의 회전에 따라 일체로 회전하는 것으로, 본 발명에 있어 방수성능과 내구성능을 직접적으로 측정받게 되는 시험 대상물인 것이다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 씰조립체(40)는 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)에 설치되는 외주씰(41), 및 상기 내부하우징(30)의 내측실린더(32)에 설치되는 내주씰(42)로 이루어진다. 이 경우, 상기 외주씰(41)은 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)의 외주면에서 전 둘레부위에 걸쳐 복열의 다열 구조로 설치될 수 있고, 상기 내주씰(42)은 상기 내부하우징(30)의 내측실린더(32)의 내주면에서 전 둘레부위에 걸쳐 복열의 다열 구조로 설치될 수 있을 것이다. 또한, 상기 외주씰(41)과 내주씰(42)은 예컨대, 립씰이나 VD씰 등으로 구성될 수 있을 것이다.

상기 링구조물(50)은 상기 외부하우징(20)에 설치되어 상기 씰조립체(40)와 긴밀하게 접촉하고 상기 압력실(P)과 교통 가능하게 형성되는 배압실(B)을 갖추도록 구성된다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 링구조물(50)은 상기 외부하우징(20)의 외측실린더(21)의 내측에서 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)와의 사이에 배치되는 외주링(51), 및 상기 외부하우징(20)의 내측실린더(22)의 외측에서 상기 내부하우징(30)의 내측실린더(32)와의 사이에 배치되는 내주링(52)으로 구성된다. 이 경우, 상기 외주링(51)과 내주링(52)은 상기 구동부(3)의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치된다.

이에 따라, 상기 씰조립체(40)의 외주씰(41)은 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)의 외주면에 설치되어 상기 외주링(51)의 내주면과 긴밀하게 접촉하고, 상기 씰조립체(40)의 내주씰(42)은 상기 내부하우징(30)의 내측실린더(32)의 내주면에 설치되어 상기 내주링(52)의 외주면과 긴밀하게 접촉하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어, 상기 외주씰(41)은 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)의 외주면에 설치되는 외주씰홀더(41a)에 의해 지지되고, 상기 외주씰(41)과 외주씰홀더(41a)는 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)의 외주면에 대해 각각 복열 구조로 설치되며, 상기 외주씰(41)은 외주씰홀더(41a) 사이에서 위치가 구속받도록 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어, 상기 내주씰(42)은 상기 내부하우징(30)의 내측실린더(32)의 내주면에 설치되는 내주씰홀더(42a)에 의해 지지되고, 상기 내주씰(42)과 내주씰홀더(42a)는 상기 내부하우징(30)의 내측실린더(32)의 내주면에 대해 각각 복열 구조로 설치되며, 상기 내주씰(42)은 내주씰홀더(42a) 사이에서 위치가 구속받도록 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어, 상기 외주링(51)은 상기 외주씰(41)과 접촉하는 내주면에 실린더 구조의 외측 라이너(51a)를 설치하고, 상기 내주링(52)은 상기 내주씰(42)과 접촉하는 외주면에 실린더 구조의 내측 라이너(52a)를 설치하도록 구성된다.

이 경우, 상기 외측 라이너(51a)와 내측 라이너(52a)는 각각 상기 외주링(51)의 내주면과 내주링(52)의 외주면에 각각 형성되는 단차부위에 안착되는 형태로 설치되어 상기 외주씰(41)과 내주씰(42)에 대해 긴밀하게 접촉되는 것이 바람직할 것이다. 즉, 상기 외주씰(41)과 내주씰(42)의 자유단부는 상기 외측 라이너(51a)의 내주면과 내측 라이너(52a)의 외주면에 대해 대략 4mm 정도 눌려져 밀착되는 구조로 설치될 수 있을 것이다.

특히, 상기 외측 라이너(51a)와 내측 라이너(52a)는 각각 상기 외주링(51)과 내주링(52)이 가지는 재질 보다 높은 경도의 재질로 구성되어 내구성을 확보할 수 있도록 구성되는 것이 더욱 바람직할 것이다.

아울러, 상기 외주링(51)과 외측 라이너(51a) 및 상기 내주링(52)과 내측 라이너(52a)에는 각각 상기 워터시스템(4)으로부터 공급되는 냉각수와 상기 윤활시스템(6)으로부터 공급되는 그리스를 제공받아 주입할 수 있는 배관과 포트 등이 함께 구비된다.

또한, 본 발명의 실시예에 있어, 상기 외주링(51)과 내주링(52) 및 상기 외측 라이너(51a)와 내측 라이너(52a)는 각각의 부재에 대한 두께의 적절한 조절을 통해 다양한 종류의 립씰과 VD씰로 구성되는 씰조립체(40)의 조립을 위한 공간을 확보할 수 있음은 물론이다.

한편, 본 발명의 실시예에 있어, 상기 내부하우징(30)은 외측실린더(31)와 내측실린더(32)의 자유단부에 설치되어 상기 압력실(P)과 대향하는 링형상의 마감플레이트(33)를 더 포함하여 구성된다. 이 경우, 상기 마감플레이트(33)는 외주면에 상기 외주링(51)의 내주면에 위치하는 외측 라이너(51a)와의 사이에서 압력실(P)과 교통 가능한 외측 틈새를 형성하고, 내주면에 상기 내주링(52)의 외주면에 위치하는 내측 라이너(52a)와의 사이에서 압력실(P)과 교통 가능한 내측 틈새를 형성하도록 구성된다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에 있어, 상기 압력실(P)은 상기 외부하우징(20)과 상기 내부하우징(30) 사이에서 상기 마감플레이트(33)에 의해 구획되는 공간에 위치하고, 상기 배압실(B)은 상기 외주링(51)의 내주면과 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)의 외주면 사이의 공간에서 상기 씰조립체(40)의 외주씰(41)의 배면부위, 및 상기 내주링(52)의 외주면과 상기 내부하우징(30)의 내측실린더(32)의 내주면 사이의 공간에서 상기 씰조립체(40)의 내주씰(42)의 배면부위에 각각 위치하도록 구성된다.

특히, 상기 압력실(P)은 상기 마감플레이트(33)의 외주면에서 상기 외측 라이너(51a)와의 사이에 위치하는 외측 틈새와 상기 마감플레이트(33)의 내주면에서 상기 내측 라이너(52a)와의 사이에 위치하는 내측 틈새를 통해 상기 외주씰(41)과 내주씰(42)의 전면부위에 위치하는 공간과 상호 교통 가능하게 구성되어, 흙과 물 그리고 적정압의 공기가 혼합된 유동물질은 외주씰(41)과 내주씰(42)에 의한 기밀작용을 통해 배압실(B)로 유입되는 것이 차단될 수 있게 된다.

즉, 본 발명은 외주씰(41)과 내주씰(42)로 구성되는 씰조립체(40)에 대한 방수성능과 내구성능을 각각 시험하기 위해 압력실(P)과 배압실(B) 사이의 공간에 씰조립체(40)를 설치하고, 압력실(P)의 내부에는 실제 터널을 시공하는 작업환경에서 받게 되는 토압과 수압을 작용하게 함으로써 실제 터널을 시공하는 작업환경에서 받게 되는 구동부 씰에 대한 성능 평가를 수행할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 씰 시스템 장치(2)는 상기 마감플레이트(33)와 대향하는 위치에서 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)와 내측실린더(32)의 단부에 결합되는 커버플레이트(34)를 더 포함하여 구성된다. 이 경우, 상기 커버플레이트(34)는 상기 샤프트(10)와 축결합되어 일체로 회전하도록 구성된다.

즉, 상기 커버플레이트(34)는 상기 샤프트(10)와의 축결합을 통해 회전함으로써 상기 구동부(3)의 동작에 따른 상기 내부하우징(30)의 회전을 연동 가능하게 하는 역할을 수행하게 된다.

특히, 상기 커버플레이트(34)는 상기 마감플레이트(33)와 대향하는 부위에 위치하여 상기 내부하우징(30)의 외측실린더(31)와 내측실린더(32)의 단부에 결합됨에 있어, 도 4와 도 6에 각각 도시된 바와 같이, 상기 커버플레이트(34)의 외측에는 방사형 구조로 배치되는 복수의 바아(34a)가 덧대어져 상기 내부하우징(30)과 나사 결합되어 상기 샤프트(10)와의 축결합을 통해 일체로 회전하게 된다.

본 발명의 실시예에 있어, 상기 씰 시스템 장치(2)는 상기 외부하우징(20)에 있어, 외측실린더(21)와 내측실린더(22)의 단부를 마감하는 형태의 폐쇄플레이트(35)를 더 포함하여 구성되는 바, 상기 폐쇄플레이트(35)는 외부하우징(20)과 내부하우징(30) 사이에서 상기 마감플레이트(33)와 함께 압력실(P)을 기밀한 상태로 유지하는 역할을 수행하게 된다.

상기 구동부(3)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 하부프레임(1)의 상부에 안착되게 설치되어 상기 샤프트(10)에 대해 회전력을 제공하기 위한 것으로, 예컨대 전기모터(3a)로 구성될 수 있을 것이다. 예컨대, 상기 구동부(3)는 실제 터널을 시공할 때 필요한 회전력의 제공을 위해 최대 1,000RPM까지 회전 가능하도록 설계할 수 있다.

상기 워터시스템(4)은 압력실(P)의 내부에 냉각수를 순환하여 공급하는 것으로, 냉각수의 공급을 통해 상기 씰 시스템 장치(2)의 동작시 마찰에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 역할을 수행한다.

이를 위해 상기 워터시스템(4)은 도 1에 도시된 바와 같이, 압력실(P)의 내부에 냉각수를 순환 공급하기 위해 배설되는 냉각수 공급관로(4a)와 냉각수 회수관로(4b), 상기 냉각수 공급관로(4a)와 냉각수 회수관로(4b)에 대해 교통 가능하게 설치되고 내부에 냉각수를 저장하는 탱크(4c), 및 상기 냉각수 공급관로(4a)에 설치되어 냉각수를 공급하는 펌프(4d) 등을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 워터시스템(4)은 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 압력실(P)에 냉각수의 공급을 위해 복수의 공급포트를 구비하는 바, 상기 복수의 공급포트는 외부하우징(20)의 외측실린더(21)를 관통하여 설치되는 외주 냉각수포트(4e), 및 폐쇄플레이트(35)를 관통하여 설치되는 내주 냉각수포트(4f) 등으로 구성될 수 있을 것이다.

또한, 상기 워터시스템(4)은 쿨러를 매개로 냉각수의 온도를 20 내지 30도의 수준으로 유지할 수 있도록 구성되는 바, 이는 온도센서를 통해 실시간으로 계측되는 냉각수의 온도를 기반으로 구현할 수 있을 것이다.

상기 에어부스터(5)는 압력실(P)의 내부에 대해 터널의 막장압을 모사한 토압과 수압을 조절하여 제공하기 위한 것으로, 압력실(P)로 제공되는 냉각수에 흙이 혼합되어 원하는 수준의 압력으로 압축될 수 있도록 고압의 압축된 공기를 공급하는 기능을 수행한다. 예컨대, 상기 에어부스터(5)는 최저 심도에서 발생하는 압력의 2배까지 조성할 수 있도록 최대 20bar까지의 압력을 조압하여 제공하도록 구성될 수 있을 것이다.

이를 위해 상기 에어부스터(5)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 압력실(P)에 대해 막장압을 모사한 토/수압을 제공하기 위해 압력관로(5a), 및 상기 압력관로(5a)와 연결되고 폐쇄플레이트(35)를 관통하여 압력실(P)의 내부를 향해 설치되는 압력포트(5b)를 구비한다.

상기 윤활시스템(6)은 외주씰(41)과 내주씰(42)로 이루어진 씰조립체(40)와 외주링(51)과 내주링(52)으로 이루어진 링구조물(50) 사이에 그리스를 주입하여 배압실(B)의 내부에 토/수압에 대응하는 적정의 배압을 제공하는 기능을 수행한다.

바람직하게는 상기 윤활시스템(6)은 배압실(B)의 내부로 제공되는 배압이 터널의 막장압을 모사하기 위해 압력실(P)의 내부로 제공되는 토압과 수압 보다 더 큰 압력으로 설정되도록 한다. 즉, 상기 윤활시스템(6)으로부터 배압실(B)의 내부에 제공되는 배압은 압력실(P)의 내부에서 터널의 막장압을 모사하기 위해 조압되는 토압과 수압 보다 더 큰 압력으로 설정되는 것이 더욱 바람직할 것이다. 예컨대, 상기 윤활시스템(6)으로부터 배압실(B)로 제공되는 배압은 압력실(P)의 내부 압력보다 대략 0.3bar에서 1bar 더 크게 설정될 수 있다.

이를 위해, 상기 윤활시스템(6)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 그리스의 압송을 위한 펌프와 그리스배관(6a), 및 상기 그리스배관(6a)과 연결되고 폐쇄플레이트(35)를 관통하여 배압실(B)의 내부를 향해 설치되는 그리스포트(6b)를 구비한다. 이 경우, 그리스배관(6a)은 그리스를 공급하고 회수하는 배관을 전체적으로 지칭하는 것으로, 외주링(51)과 내주링(52)은 물론 외주씰(41)과 내주씰(42)에 대해 각각 그리스를 공급할 수 있는 통로와 연결됨은 물론이다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 구동부 씰의 방수압 시험장치는 실제 쉴드TBM 장비의 구동부와 동일한 조건으로 압력과 씰의 온도, 주입되는 그리스의 압력 및 그리스의 주입 상태 등을 확인하기 위해 다양한 센싱부를 구비한다.

일례로, 상기 센싱부는 외부하우징(20)과 내부하우징(30) 사이에 위치한 압력실(P)의 내부 압력과 내부하우징(30)과 링구조물(50) 사이에 위치한 배압실(B)의 내부 압력을 각각 실시간으로 측정할 수 있는 압력센서(8; 도 4 참조), 냉각수의 온도를 실시간으로 측정할 수 있는 온도센서, 및 내부하우징(30)의 회전속도를 실시간으로 측정할 수 있는 속도센서 등을 포함하여 구성된다. 이 경우, 센싱부를 구성하는 각종 센서류들은 아날로그 방식이나 디지털 방식으로 물리값을 측정할 수 있는 계측기로 구성될 수 있을 것이다.

상기 제어부(7)는 센싱부로부터 실시간으로 검출되는 각종 물리값의 변화를 기반으로 구동부(3)와 워터시스템(4)과 에어부스터(5) 및 윤활시스템(6)에 대한 동작 제어를 적절하게 수행함으로써 실제 터널의 막장압을 모사할 수 있도록 구성된다.

예컨대, 상기 제어부(7)는 상기 구동부(3)의 전기모터(3a)에 대한 회전속도를 인버터를 통해 가변적으로 조절할 수 있고, 상기 워터시스템(4)에서 쿨러로 유동하는 냉각수의 유동량을 조절하여 냉각수의 온도를 조절할 수 있으며, 상기 에어부스터(5)에서 조압되는 공기압과 상기 윤활시스템(6)에서 공급되는 그리스의 압력을 각각에 구비되는 펌프에 대한 가변 제어를 통해 구현할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 구동부 씰의 방수압 시험장치는 센싱부로부터 검출되는 각종 물리값의 변화와 씰 시스템 장치(2)에 대한 동작 상태 등을 실시간으로 외부에 출력할 수 있는 디스플레이부를 더 포함하여 구성된다.

따라서 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예는 외부하우징(20)에 대해 압력실(P)을 사이에 두고 내부하우징(30)을 회전 가능하게 설치하고, 외부하우징(20)과 내부하우징(30) 사이의 공간에 외주링(51)과 내주링(52)으로 이루어진 링구조물(50)을 설치하며, 압력실(P)에 대해 외주씰(41)과 내주씰(42)로 이루어진 씰조립체(40)를 사이에 두고 반대편에 배압실(B)을 형성한 상태에서 압력실(P)의 내부에 대해 적정의 토압과 수압을 제공함과 동시에 배압실(B)의 내부에 토압과 수압에 상응하는 배압을 제공할 수 있으므로, 실제 터널을 시공하는 작업환경과 동일하게 모사된 환경에서 구동부 씰에 대한 방수성능과 내구성능을 시험할 수 있게 된다.

이 과정에서, 워터시스템(4)은 씰 시스템 장치(2)에 대해 냉각수를 순환하여 공급할 수 있고, 에어부스터(5)는 실제 작업환경과 동일한 수준의 압력을 압력실(P)의 내부에 조성할 수 있으며, 윤활시스템(6)은 배압실(B)의 내부에 배압의 조성과 함께 씰조립체(40)와 링구조물(50)에 대해 그리스의 안정적인 공급을 달성할 수 있게 된다.

이 결과, 본 발명은 실제 작업환경과 동일한 조건으로 모사된 환경에서 씰조립체(40)에 대한 방수성능과 내구성능을 시험함에 따라 구동부 씰에 대한 성능 평가를 정량적으로 수행할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

1-하부프레임 2-씰 시스템 장치
3-구동부 4-워터시스템
5-에어부스터 6-윤활시스템
7-제어부 8-압력센서
10-샤프트
11-베어링 12-커플링 수단
20-외부하우징
21-외측실린더 22-내측실린더
30-내부하우징
31-외측실린더 32-내측실린더
33-마감플레이트 34-커버플레이트
35-폐쇄플레이트
40-씰조립체
41-외주씰 41a-외주씰홀더
42-내주씰 42a-내주씰홀더
50-링구조물
51-외주링 51a-외측 라이너
52-내주링 52a-내측 라이너

Claims

하부프레임에 고정되고 내부에 토압과 수압이 작용하는 압력실을 형성하는 외부하우징,
상기 외부하우징의 내부에 대해 회전 가능하게 설치되는 내부하우징,
상기 내부하우징에 설치되어 내부하우징의 회전에 따라 일체로 회전하는 씰조립체,
상기 외부하우징에 설치되어 상기 씰조립체와 긴밀하게 접촉하고 상기 압력실과 교통 가능한 배압실을 형성하는 링구조물,
상기 내부하우징에 대해 회전력을 제공하는 구동부,
상기 압력실에 냉각수를 순환 공급하는 워터시스템,
상기 압력실에 대해 터널의 막장압을 모사한 토압과 수압을 제공하는 에어부스터,
상기 배압실에 대해 토/수압에 대응하는 배압을 제공하는 윤활시스템,
상기 압력실과 상기 배압실에 대한 압력을 측정하는 센싱부, 및
상기 센싱부로부터 검출되는 압력값을 기반으로 상기 구동부와 워터시스템과 에어부스터 및 윤활시스템에 대한 동작 제어를 수행하는 제어부를 포함하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 외부하우징은 이중실린더 구조의 외측실린더와 내측실린더로 구성되고, 상기 외측실린더와 내측실린더는 상기 구동부의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 2에 있어서,
상기 내부하우징은 이중실린더 구조의 외측실린더와 내측실린더로 구성되고, 상기 외측실린더와 내측실린더는 상기 구동부의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 3에 있어서,
상기 링구조물은
상기 외부하우징의 외측실린더의 내측에 배치되는 외주링, 및
상기 외부하우징의 내측실린더의 외측에 배치되는 내주링으로 구성되고,
상기 외주링과 내주링은 상기 구동부의 회전중심에 대해 동심원상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 4에 있어서,
상기 씰조립체는
상기 내부하우징의 외측실린더에 설치되어 상기 외주링의 내주면과 접촉하는 외주씰, 및
상기 내부하우징의 내측실린더에 설치되어 상기 내주링의 외주면과 접촉하는 내주씰로 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 5에 있어서,
상기 외주씰은 상기 내부하우징의 외측실린더의 외주면에 설치되는 외주씰홀더에 의해 지지되고, 상기 외주씰과 외주씰홀더는 상기 내부하우징의 외측실린더의 외주면에 대해 각각 복열 구조로 설치되며, 상기 외주씰은 외주씰홀더 사이에서 위치가 구속받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 5에 있어서,
상기 내주씰은 상기 내부하우징의 내측실린더의 내주면에 설치되는 내주씰홀더에 의해 지지되고, 상기 내주씰과 내주씰홀더는 상기 내부하우징의 내측실린더의 내주면에 대해 각각 복열 구조로 설치되며, 상기 내주씰은 내주씰홀더 사이에서 위치가 구속받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 5에 있어서,
상기 외주링은 상기 외주씰과 접촉하는 내주면에 실린더 구조의 외측 라이너를 설치하고, 상기 내주링은 상기 내주씰과 접촉하는 외주면에 실린더 구조의 내측 라이너를 설치하는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 8에 있어서,
상기 외측 라이너와 내측 라이너는 각각 상기 외주링과 내주링 보다 높은 경도의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 8에 있어서,
상기 내부하우징은 외측실린더와 내측실린더의 자유단부에 설치되는 링형상의 마감플레이트를 더 포함하고, 상기 마감플레이트는 외주면에 상기 외주링의 내주면에 위치하는 외측 라이너와의 사이에서 압력실과 교통 가능한 외측 틈새를 형성하고, 내주면에 상기 내주링의 외주면에 위치하는 내측 라이너와의 사이에서 압력실과 교통 가능한 내측 틈새를 형성하는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 10에 있어서,
상기 압력실은 상기 외부하우징과 상기 내부하우징 사이에서 상기 마감플레이트에 의해 구획되는 공간에 위치하고, 상기 배압실은 상기 외주링의 내주면과 상기 내부하우징의 외측실린더의 외주면 사이의 공간에서 상기 씰조립체의 외주씰의 배면부위, 및 상기 내주링의 외주면과 상기 내부하우징의 내측실린더의 내주면 사이의 공간에서 상기 씰조립체의 내주씰의 배면부위에 각각 위치하며, 상기 압력실과 상기 배압실은 상기 마감플레이트의 외주면에서 상기 외측 라이너와의 사이에 위치하는 외측 틈새와 상기 마감플레이트의 내주면에서 상기 내측 라이너와의 사이에 위치하는 내측 틈새를 통해 상호 교통 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 외부하우징과 내부하우징의 축중심에 위치하고 상기 내부하우징에 대해 회전력을 제공하는 샤프트를 더 포함하고, 상기 샤프트는 구동부의 전기모터로부터 회전력을 제공받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 12에 있어서,
상기 마감플레이트와 대향하는 위치에서 상기 내부하우징의 외측실린더와 내측실린더의 단부에 결합되는 커버플레이트를 더 포함하고, 상기 커버플레이트는 상기 샤프트와 축결합되어 일체로 회전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 워터시스템은 상기 압력실의 내부에 냉각수를 순환 공급하기 위해 배설되는 냉각수 공급관로와 냉각수 회수관로, 상기 냉각수 공급관로와 냉각수 회수관로에 대해 교통 가능하게 설치되고 내부에 냉각수를 저장하는 탱크, 및 상기 냉각수 공급관로에 설치되어 냉각수를 공급하는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 에어부스터는 상기 압력실의 내부에 터널의 막장압을 모사한 토압과 수압을 제공하기 위해 압력관로, 및 상기 압력관로와 연결되고 압력실의 내부를 향해 설치되는 압력포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.
청구항 1에 있어서,
상기 윤활시스템은 그리스의 압송을 위한 펌프와 그리스배관, 및 상기 그리스배관과 연결되고 배압실의 내부를 향해 설치되는 그리스포트를 구비하되, 상기 윤활시스템은 압력실의 내부에 제공되는 토압과 수압 보다 더 큰 압력의 배압을 상기 배압실의 내부에 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 쉴드TBM 장비용 구동부 씰의 방수압 시험장치.