刀盘驱动密封试验台

摘要

本发明公开了一种刀盘驱动密封试验台，包括：密封腔；动力箱，包括动力箱分块一和动力箱分块二，动力箱分块二设有油脂孔；驱动旋转装置，包括旋转电机固定于动力箱分块一，传力齿轮固定于旋转电机的输出轴，转动轴承通过内圈的齿轮与传力齿轮啮合，传动轴承的外圈与动力箱分块一固定，受力环的前端密闭且后端与转动轴承的内圈固定，外密封环固定于所述受力环的外侧；底部支撑架，支撑于密封腔和动力箱的底部；用于放置辅助系统的设备安装架。通过模拟相应工程的土质、压力、刀盘转速对驱动密封圈进行测试，选择满足工况的密封圈，进而提高刀盘驱动的可靠性，提高盾构机施工人员的安全性。

权利要求

1.一种刀盘驱动密封试验台，其特征在于，包括：用于加注实验介质的密封腔；

动力箱，内部连通地连接于所述密封腔的背面，所述动力箱包括动力箱分块一和用于固定待试验的密封圈的动力箱分块二，所述动力箱分块二连接于所述密封腔的背面与所述动力箱分块一之间，所述动力箱分块二上对应于所述密封圈的位置设有油脂孔；

驱动旋转装置，包括旋转电机、传力齿轮、内圈设有齿轮的转动轴承、受力环和外密封环，所述旋转电机固定于所述动力箱分块一，所述传力齿轮固定于所述旋转电机的输出轴，所述转动轴承通过内圈的齿轮与所述传力齿轮啮合，所述转动轴承的外圈与所述动力箱分块一固定，所述受力环的前端密闭且后端与所述转动轴承的内圈固定，所述外密封环固定于所述受力环的外侧，于所述外密封环与所述动力箱分块二之间形成与所述密封腔内部连通、供容置所述密封圈的实验空间；

底部支撑架，支撑于所述密封腔和所述动力箱的底部；

用于放置辅助系统的设备安装架。

2.如权利要求1所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述辅助系统包括连接于所述油脂孔的集中润滑系统、用于向所述密封腔内注入实验介质的膨润土系统、用于对所述密封腔内的所述实验介质的压力进行负反馈调节的自动保压系统。

3.如权利要求2所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述自动保压系统包括用于储存实验介质的储存罐，所述储存罐的上部分别设有进气口和排气口，所述进气口连接于工业气系统，所述排气口设有阀门，所述储存罐的下部通过管路分别连接于所述膨润土系统和所述密封腔的内部，所述储存罐上设有压力测试器。

4.如权利要求1所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述密封腔为椭圆密封腔，所述椭圆密封腔的最大设计承压为1.5Mpa。

5.如权利要求1所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述旋转电机包括减速器和异步变频电动机，所述减速器联接于所述异步变频电动机和所述传力齿轮之间，所述减速器和异步变频电动机固定于所述动力箱分块一的背面，所述减速器的输出轴穿入至所述动力箱分块一的内侧，所述传力齿轮通过花键联接于所述减速器的输出轴，所述动力箱分块一的中心处设有供穿设所述减速器的输出轴的安装孔。

6.如权利要求1所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述动力箱分块二的内侧设有用于固定密封圈的密封圈固定板，所述密封圈固定板设有油脂储存槽和油脂通道，所述油脂储存槽连通于所述油脂孔和所述油脂通道之间。

7.如权利要求1所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述动力箱分块二的外周设有水循环腔，所述水循环腔上开设有用于连接工业水系统的注水孔。

8.如权利要求7所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述水循环腔与所述油脂孔分开设置于所述动力箱分块二的两侧，所述水循环腔设于所述动力箱分块二的靠近所述密封腔的一侧，所述油脂孔设于所述动力箱分块二的远离所述密封腔的一侧，所述动力箱分块二中设有油脂管路将所述动力箱分块二表面的所述油脂孔延伸至所述密封圈处。

9.如权利要求1所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述受力环的正面设有多组第一销孔，各组所述第一销孔呈环形分布，且各组所述第一销孔分布的圆心位于所述外密封环的圆柱面的轴线上，各组所述第一销孔分布的圆心至所述受力环的圆柱面的轴线的距离均不同。

10.如权利要求9所述的刀盘驱动密封试验台，其特征在于：所述外密封环的正面形成为与所述受力环的前端贴合并设有与各组所述第一销孔进行连接的多个第二销孔，多个所述第二销孔分布的圆心位于所述外密封环的圆柱面的轴线上。

说明书

刀盘驱动密封试验台

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种刀盘驱动密封试验台。

背景技术

[0002] 在国内，盾构掘进机凭借着其优秀的地面沉降控制、高开挖效率和广泛的地层适应能力，在地铁隧道、公路隧道、地下管路等施工中得到了广泛的应用。

[0003] 刀盘驱动密封是确保盾构机刀盘驱动正常工作的重要部件，驱动密封一旦损坏，轻则导致泄漏，影响驱动的正常运转；重则导致盾构机进水，影响内部施工人员的生命安
全。为保证驱动密封圈的可靠性，本发明研究得到一种刀盘驱动密封试验台，该试验台可对
多种不同类型的驱动密封圈进行实验。

发明内容

[0004] 本发明为提高设备运行的可靠性，提供一种刀盘驱动密封试验台，在设计阶段，通过模拟相应工程的土质、压力、刀盘转速对驱动密封圈进行测试，选择满足工况的密封圈，
进而提高刀盘驱动的可靠性，提高盾构机施工人员的安全性。

[0005] 本发明所采用的技术方案为：一种刀盘驱动密封试验台，其包括：

[0006] 用于加注实验介质的密封腔；

[0007] 动力箱，内部连通地连接于所述密封腔的背面，所述动力箱包括动力箱分块一和用于固定待试验的密封圈的动力箱分块二，所述动力箱分块二连接于所述密封腔的背面与
所述动力箱分块一之间，所述动力箱分块二上对应于所述密封圈的位置设有油脂孔；

[0008] 驱动旋转装置，包括旋转电机、传力齿轮、内圈设有齿轮的转动轴承、受力环和外密封环，所述旋转电机固定于所述动力箱分块一，所述传力齿轮固定于所述旋转电机的输
出轴，所述转动轴承通过内圈的齿轮与所述传力齿轮啮合，所述转动轴承的外圈与所述动
力箱分块一固定，所述受力环的前端密闭且后端与所述转动轴承的内圈固定，所述外密封
环固定于所述受力环的外侧，于所述外密封环与所述动力箱分块二之间形成与所述密封腔
内部连通、供容置所述密封圈的实验空间；

[0009] 底部支撑架，支撑于所述密封腔和所述动力箱的底部；

[0010] 用于放置辅助系统的设备安装架。

[0011] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述辅助系统包括连接于所述油脂孔的集中润滑系统、用于向所述密封腔内注入实验介质的膨润土系统、用于对所述密封
腔内的所述实验介质的压力进行负反馈调节的自动保压系统。

[0012] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述自动保压系统包括用于储存实验介质的储存罐，所述储存罐的上部分别设有进气口和排气口，所述进气口连接于工业
气系统，所述排气口设有阀门，所述储存罐的下部通过管路分别连接于所述膨润土系统和
所述密封腔的内部，所述储存罐上设有压力测试器。

[0013] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述密封腔为椭圆密封腔，所述椭圆密封腔的最大设计承压为1.5Mpa。

[0014] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述旋转电机包括减速器和异步变频电动机，所述减速器联接于所述异步变频电动机和所述传力齿轮之间，所述减速器和
异步变频电动机固定于所述动力箱分块一的背面，所述减速器的输出轴穿入至所述动力箱
分块一的内侧，所述传力齿轮通过花键联接于所述减速器的输出轴，所述动力箱分块一的
中心处设有供穿设所述减速器的输出轴的安装孔。

[0015] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述动力箱分块二的内侧设有用于固定密封圈的密封圈固定板，所述密封圈固定板设有油脂储存槽和油脂通道，所述油脂
储存槽连通于所述油脂孔和所述油脂通道之间。

[0016] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述动力箱分块二的外周设有水循环腔，所述水循环腔上开设有用于连接工业水系统的注水孔。

[0017] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述水循环腔与所述油脂孔分开设置于所述动力箱分块二的两侧，所述水循环腔设于所述动力箱分块二的靠近所述密封腔
的一侧，所述油脂孔设于所述动力箱分块二的远离所述密封腔的一侧，所述动力箱分块二
中设有油脂管路将所述动力箱分块二表面的所述油脂孔延伸至所述密封圈处。

[0018] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述受力环的正面设有多组第一销孔，各组所述第一销孔呈环形分布，且各组所述第一销孔分布的圆心位于所述外密封环
的圆柱面的轴线上，各组所述第一销孔分布的圆心至所述受力环的圆柱面的轴线的距离均
不同。

[0019] 本发明刀盘驱动密封试验台进一步的改进在于，所述外密封环的正面形成为与所述受力环的前端贴合并设有与各组所述第一销孔进行连接的多个第二销孔，多个所述第二
销孔分布的圆心位于所述外密封环的圆柱面的轴线上。

[0020] 本发明刀盘驱动密封试验台的有益效果为：不同的工程项目，土质、压力、刀盘转速等不尽相同，而所适合的密封圈也不同。因此采用本发明的刀盘驱动密封试验台可以在
设计阶段，通过模拟相应工程的土质、压力、刀盘转速对驱动密封圈进行测试，选择满足工
况的密封圈，进而提高刀盘驱动的可靠性，提高盾构机施工人员的安全性。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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
的附图。

[0022] 图1是本发明刀盘驱动密封试验台的结构示意图。

[0023] 图2为本发明刀盘驱动密封试验台的局部剖切示意图。

[0024] 图3为本发明刀盘驱动密封试验台中密封圈安装部位的示意图。

[0025] 图4为本发明刀盘驱动密封试验台中受力环的结构示意图。

[0026] 图5为本发明刀盘驱动密封试验台中外密封环的结构示意图。

[0027] 图6为本发明刀盘驱动密封试验台中动力箱分块二的第一种较佳设计方案的结构示意图。

[0028] 图7为本发明刀盘驱动密封试验台中动力箱分块二的第二种较佳设计方案的结构示意图。

[0029] 图8为本发明刀盘驱动密封试验台中动力箱分块二的第二种较佳设计方案的局部剖切示意图。

[0030] 图9为本发明刀盘驱动密封试验台中右侧安装架的设备布置示意图。

[0031] 图10为本发明刀盘驱动密封试验台中左侧安装架的设备布置示意图。

[0032] 图11为本发明刀盘驱动密封试验台中自动保压系统的原理图。

具体实施方式

[0033] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0034] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

[0035] 参阅图1，本发明提供了一种刀盘驱动密封试验台，通过模拟相应工程的土质、压力、刀盘转速对驱动密封圈进行测试，选择满足工况的密封圈，进而提高刀盘驱动的可靠
性，提高盾构机施工人员的安全性。

[0036] 如图1所示，本发明刀盘驱动密封试验台包括主机1和底部支撑架30，其主机1整体呈类圆柱状，立于底部支撑架30之上，主机1的轴线方向平行于水平方向，底部支撑架30的
顶部形成与主机1的底部弧形形状相适配的弧形支撑面，使主机1平稳地安装在底部支撑架
30上。主机1的一侧设有用于加注实验介质的密封腔10，另一侧为提供动力的旋转电机。其
中，密封腔10为椭圆密封腔，椭圆密封腔的最大设计承压为1.5Mpa。旋转电机为减速机11。
主机1在使用时需配合辅助系统2，如图9和图10，辅助系统2的设备安装在设备安装架上，设
备安装架包括右侧安装架21和左侧安装架29。

[0037] 结合图2和图3所示，减速机11由减速器111和异步变频电动机112组成，减速器111联接于异步变频电动机112的输出轴上，通过改变交流电的频率，进而改变异步变频电动机
112的转速。

[0038] 椭圆密封腔10的背面设置有驱动旋转装置和动力箱，减速机11包含于驱动旋转装置，动力箱由动力箱分块一16和动力箱分块二13构成。驱动旋转装置还包括外密封环12、受
力环14、内圈设有齿轮的转动轴承15以及传力齿轮17。其中，动力箱分块二13呈圆环形，形
状匹配于待试验的密封圈18，试验时将多道待试验的密封圈18同轴固定在动力箱分块二13
的内周，动力箱分块二13上对应于密封圈18的位置设置有供注入油脂的油脂孔131。动力箱
分块二13的一侧固定在椭圆密封腔10的背面，动力箱分块一16固定在动力箱分块二13的另
一侧并封闭动力箱分块二13的该侧开口，使得动力箱分块一16、动力箱分块二13和椭圆密
封腔10的内部形成密闭空间。椭圆密封腔10和动力箱分块二13之间以及动力箱分块二13和
动力箱分块一16之间分别通过螺栓固定连接，从而连接成整体。在椭圆密封腔10和动力箱
的底部设置有底部支撑架30，椭圆密封腔10和动力箱的竖直安装在底部支撑架30上。

[0039] 减速机的减速器111通过螺栓固定在动力箱分块一16上。传力齿轮17安装在动力箱的内部，通过花键与减速器111连接以传递扭矩。转动轴承15通过内圈的齿轮与传力齿轮
17啮合以传递动力。转动轴承15的外圈通过螺栓与动力箱分块一16固定，受力环14通过螺
栓与转动轴承15固定，受力环14进一步通过螺栓与外密封环12固定。进一步地，受力环14的
前端密闭且后端与转动轴承的内圈固定，受力环14随着转动轴承的内圈转动而转动，受力
环14的前端通过螺栓固定有盖板，可模拟盾构刀盘驱动的转动。外密封环12套设于受力环
14的外侧，外密封环12的内圈与受力环14的外圈之间留有一定间隙，外密封环12的前端与
受力环14的前端固定，外密封环12的后端向动力箱分块一16的方向延伸出受力环14的后
端，外密封环12可随受力环14一起转动。在外密封环12与动力箱分块二13之间形成有与椭
圆密封腔10内部连通、供容置待试验的密封圈18的实验空间，该实验空间与椭圆密封腔10
的内部相互连通，模拟盾构刀盘驱动在盾构掘进过程的土压情况。

[0040] 如图3所示，待试验的密封圈18安装于动力箱分块二13的内圈，通过密封圈固定板19将密封圈18与动力箱分块二13固定。其中，动力箱分块二13周向设有多组油脂孔131，密
封圈固定板19设有油脂储存槽191和油脂通道192，油脂储存槽191连通对应组的油脂孔131
与油脂通道192。油脂存储槽191可以使得油脂均匀的在周向分布，油脂通道192使得油脂可
以到达密封圈18的附近。实验前向动力箱分块二13上的油脂孔131中加注油脂，油脂经由油
脂储存槽191和油脂通道192到达密封圈18附近后，起到阻挡外部实验介质进入的目的。

[0041] 如图4所示，受力环14的前端端面打有多组第一销孔141，每组若干个。在本实施例中，单组第一销孔141为环形分布，单组第一销孔分布的圆心均在外密封环12圆柱面的轴线
上，即圆心共线。多组第一销孔距离受力环14轴线的距离互不相同，如当为四组第一销孔
时，四组第一销孔距离受力环14轴线的距离分别为0mm、1mm、2mm、3mm。

[0042] 如图5所示，外密封环12的前端设围边，围边形成为与受力环的前端贴合并设有与各组第一销孔141可选择地进行连接的多个第二销孔121，多个第二销孔121为环形分布，且
多个第二销孔121分布的圆心位于外密封环12的圆柱面的轴线上。优选的，外密封环12也打
有多组第二销孔121。第二销孔的个数需与受力环14的单组第一销孔141的个数相同。由此，
外密封环12可通过使用不同组的第二销孔与受力环的不同组的第一销孔采用定位销钉进
行固定，以此获得不同的偏心量，模拟盾构刀盘驱动生产安装误差所产生的偏心。

[0043] 参见图6以及图7、图8，分别是动力箱分块二的两种设计方案，图6为动力箱分块二的第一种设计方案，图7和图8为动力箱分块二的第二种设计方案。根据所测试的密封圈的
类型不同采用不同的动力箱分块二。

[0044] 当试验的是VD密封圈时，使用图6所示的动力箱分块二13，图3所示的密封圈19即为VD密封圈，本实施例中，采用五道密封圈19，前四道密封圈朝向椭圆密封圈的方向设置，
而最后一道密封圈朝向动力箱分块二方向设置，如此设计，在最后一道密封圈和第四道密
封圈之间通过输入油脂可形成屏障，阻隔渗漏。

[0045] 当试验的是齿形密封圈时，使用图7和图8所示的动力箱分块二13。考虑到齿形密封圈在旋转时的发热量较大，在动力箱分块二13的外周设置水循环腔1311，通过冷水带走
热量。水循环腔1311上开设有注水孔1312，注水孔与工业水系统连接，向水循环腔1311内供
水。进一步地，水循环腔1311与油脂孔131分开设置于动力箱分块二13的两侧，水循环腔
1311设于动力箱分块二13的靠近椭圆密封腔10的一侧，油脂孔131设于动力箱分块二13的
远离椭圆密封腔10的一侧，动力箱分块二13中设有油脂管路132将动力箱分块二13表面的
油脂孔131延伸至对应的密封圈18处。本实施例中，如图8所示，采用两道齿形密封圈加1道
VD密封圈的组合。左侧的齿形密封圈朝下安装，中间的齿形密封圈朝右安装，以起到阻挡外
部实验介质渗漏的作用。考虑到最右侧腔内稀油润滑系统加注的齿轮油压力比中间腔内集
中润滑系统加注的油脂压力低。因此右侧的VD密封圈朝右安装以阻隔油脂向右渗漏。

[0046] 如图9、图10所示，为了便于运输，辅助系统2的设备安装在设备安装架上，设备安装架包括右侧安装架21和左侧安装架29两个架体，可以是带轮子的车架，便于设备移动。辅
助系统2是为本发明刀盘驱动密封试验台提供输入试验介质、压力、转速等能量源的支持性
设备，本发明实施例中涉及的辅助系统2有集中润滑系统20、工业水系统22、工业气系统23、
稀油润滑系统24、排水系统25、膨润土系统26、电气系统27和自动保压系统28(Automatic 
Face Control，简称AFC系统)。其中，集中润滑系统20、工业水系统22、工业气系统23安装在
设备右侧安装架21上，如图9所示，稀油润滑系统24、排水系统25、膨润土系统26、电气系统
27、AFC系统28安装在左侧安装架29上，如图10所示。集中润滑系统20为动力箱分块二13加
注油脂，使用时将集中润滑系统20连接于动力箱分块二13上的油脂孔。工业水系统22向水
循环腔1311中注入冷水，带走密封圈摩擦产生的热量，使用时将工业水系统22连接于水循
环腔1311的注水孔1312。工业气系统23用于为排水系统25和AFC系统28工作，具体地，在本
实施例中，排水系统25使用一台气动隔膜泵，连接于膨润土系统26，为膨润土系统26排水，
工业气系统23为气动隔膜泵提供气源。工业气系统23还连接于AFC系统28，向AFC系统28注
入空气，通过调节空气压力对实验介质的压力进行负反馈调节。进而维持椭圆密封腔内实
验介质压力的稳定。稀油润滑系统24用于向动力箱分块一16中加注齿轮油，降低传力齿轮
与转动轴承内圈齿轮之间在啮合时的摩擦阻力。膨润土系统26用于向椭圆密封腔内加注膨
润土溶液，开始时，将膨润土与水以1:5(浓度比)的比例混合，在膨润土搅拌桶261中充分搅
拌后，注入椭圆密封腔中。电气系统27为其他设备提供必要的电力。

[0047] AFC系统的作用是对实验介质加压，进而模拟施工地层压力。AFC系统的工作原理如图11所示，AFC系统包括用于储存实验介质的储存罐283，储存罐283的上部分别设有进气
口281和排气口282，进气口281连接于工业气系统，排气口282设有阀门，储存罐283的下部
通过管路分别连接于膨润土系统和椭圆密封腔的内部，储存罐283上左侧设有多个压力测
试器，用于测量储存罐283内的压力，可采用压力计或压力传感器等(测压方式为现有技术，
在此不赘)。膨润土系统的输出分为两路，一路直接通向椭圆密封腔的内部，向椭圆密封腔
内注入实验介质，即以1:5(浓度比)的比例混合的膨润土与水，另一路通向AFC系统28的储
存罐283。储存罐283内上部为空气(来自工业气系统)，下部为实验介质(来自膨润土系统)。
AFC系统28的储存罐283进一步将其内加压后的实验介质通入椭圆密封腔的内部，从而可以
对椭圆密封腔内部进行压力调节，在椭圆密封腔上设有压力监测设备，如压力计、压力传感
器等(为现有技术，在此不赘)。因此，调节AFC系统的储存罐283内的压力，同步能调节椭圆
密封腔内的压力。当椭圆密封腔内实验介质的压力低于最小设定压力，工业气系统通过进
气口281向储存罐283内加气，提高实验介质的压力。当实验介质的压力高于最大设定压力，
打开排气口282的阀门进行排气，降低实验介质的压力。进而维持椭圆密封腔内实验介质压
力的稳定。

[0048] 本发明刀盘驱动密封试验台的有益效果为：不同的工程项目，土质、压力、刀盘转速等不尽相同，而所适合的密封圈也不同。因此采用本发明的刀盘驱动密封试验台可以在
设计阶段，通过模拟相应工程的土质、压力、刀盘转速对驱动密封圈进行测试，选择满足工
况的密封圈，进而提高刀盘驱动的可靠性，提高盾构机施工人员的安全性。

[0049] 需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限
定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不
影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得
能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的
用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调
整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0050] 以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修
饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实
质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围
内。