一种TBM掘进机主驱动端面密封系统及方法与流程

本发明涉及tbm掘进机，特别是指一种主驱动端面密封。

背景技术：

1、敞开式硬岩tbm多用于完整、自稳围岩山岭隧洞施工，掘进常态下开挖仓为常压，刀盘切削岩渣经皮带机直接向后输送，仓内无高压泥浆、饱和渣土堆积。

2、常态工况下外部无持续介质压力，但存在两类持续性密封损伤源：①滚刀破碎产生大量锋利岩粉、细碎石屑，具备强磨粒磨损性；②围岩裂隙、断层段易突发涌水、瞬时涌渣，局部短时形成高压水冲击；长期动态旋转下主驱动密封跑道、橡胶密封件持续受岩粉刮擦、水浸侵蚀。主驱动密封作为主轴承防护屏障，核心作用是阻挡岩粉、裂隙渗水侵入轴承腔，一旦密封磨穿，岩屑进入轴承将造成整机洞内大修，工期、成本损失巨大。

3、行业通用tbm主驱动基础密封方案为多级轴向迷宫通道+多道同向唇形密封+持续hbw油脂外溢：依靠油脂从迷宫出口持续流出形成油膜，阻挡岩粉反向回流。现有相关改进专利可分为四类，但均无法适配硬岩tbm常压常态+突水突渣瞬时高压双重特殊工况，存在明显缺陷。

4、常规固定迷宫密封（传统tbm基础结构）迷宫间隙永久固定，仅依靠油脂被动挡渣；其缺陷为：硬岩掘进岩粉细且锋利，常压下油脂建压慢、迷宫环向易出现无油空白区，岩粉持续侵入刮伤密封跑道与唇形密封。现有技术中如申请公布号为cn114909475a的专利文献公开的油脂均布旋转环结构，其依靠随动旋转环分散油脂，仅优化油脂均匀性，突发涌水工况无柔性封堵屏障，无密封腔杂质收集、冲洗结构，岩粉长期积存持续研磨胶件。申请公布号为cn113339505a的专利文献采用迷宫前端单一气囊封堵，在迷宫出口设置气囊推动胶圈缩小通道。气囊仅布置在最外侧出口，仅能临时挡外部水流；常态0bar掘进时气囊泄压后胶圈无自动复位结构，易卡滞堵塞油脂溢流通道，造成迷宫缺油进粉，岩粉一旦越过前端气囊仍会损坏后端密封。授权公告号为cn116792504b的专利文献中采用后置双向密封+内侧气囊支撑，气囊布置在最后一道双向密封背部，仅做失效后支撑预警；防护层级后置，硬岩掘进大量岩粉先填满外侧迷宫、密封腔后才会触发预警，磨损已经产生。专利文献cn116972173a、cn119802231a中采用轴向密封补偿结构，仅能轴向顶推密封件补偿磨损；不具备迷宫通道自适应调压、应急封堵功能；无法针对硬岩常压工况降低油脂损耗，突水瞬时高压无法快速阻断介质入侵，结构复杂、周向同步控制难度大。

5、综上，亟需一种tbm掘进机主驱动端面密封系统，以解决现有主驱动密封针对土压盾构高压工况设计，无法适配硬岩tbm常态开挖仓0bar常压长期掘进场景及现有密封防护层级单一，不能实现迷宫前端自适应调压封堵等问题。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种tbm掘进机主驱动端面密封系统及方法，解决了现有技术中主驱动密封无法适配硬岩tbm常态开挖仓0bar常压长期掘进场景及现有密封防护层级单一，不能实现迷宫前端自适应调压封堵的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一种tbm掘进机主驱动端面密封系统，包括径向密封和端面轴向密封，径向密封、端面轴向密封分别对旋转轴与压环之间形成的迷宫间隙进行内外两侧密封；所述端面轴向密封包括连接在旋转轴前端且与压环前端面贴合的端面密封件，端面密封件通过弹性压紧机构压紧在以压环前端面以补偿端面跳动。本发明为适配常压硬岩tbm的端面可旋转可压力补偿的端面密封系统，可适应涌水涌渣及多粉尘的恶劣施工环境。

3、进一步优选，弹性压紧机构沿端面密封件周向均匀布设；弹性压紧机构包括片簧，片簧压紧在端面密封件上。端面密封件在片簧作用下自动压紧至旋转摩擦端面进行压紧补偿端面跳动，从而形成轴向密封，密封在使用一段时间后出现少量磨损时，片簧还能继续释放压缩力，端面密封件从而继续保持端面密封能力。

4、进一步优选，弹性压紧机构还包括防护罩，片簧位于防护罩与端面密封件之间，防护罩、片簧通过连接螺栓连接在旋转轴上。防护罩对片簧进行防护，防止外界的颗粒砸伤片簧的同时通过连接螺栓控制片簧的压缩量，从而有效控制端面密封件与压环之间的压紧力，调制摩擦力大小，从而控制密封件磨损。

5、进一步优选，片簧与端面密封件之间设有垫片，垫片为整圆环或为由多块环片拼装形成的拼装环。垫片使片簧的压缩力更均匀分布在端面密封件上，提高端面密封件的密封效果。

6、进一步优选，压环固定在主驱动固定结构上，径向密封包括设置在主驱动固定结构与旋转轴之间的第一道密封件和第二道密封件，第一道密封件和第二道密封件之间设有隔环。第一道密封件与第二道密封件构成径向双道防线，在硬岩常态进粉、断层突发涌水等工况下具备“分级堵截”的能力，提高密封性。

7、进一步优选，旋转轴上设有加注孔和检测孔，加注孔通向第一道密封件前方的迷宫间隙；检测孔通向第一道密封件和第二道密封件之间的密封腔；加注孔用于油源和/或气源的加注；在常压或低压差硬岩工况下不必依赖高压油脂自后向前长距离建压，即可在前端形成柔性封堵幕、吹扫幕或压力缓冲区，从而加快建压响应、减少油脂无效消耗。检测孔连通两道密封件之间的密封腔，可对级间压力、流量、含水率或颗粒侵入状态进行在线/离线监测。

8、进一步优选，tbm掘进机主驱动端面密封系统，还防尘泥防堵保护结构，所述防尘泥防堵保护结构包括设置在主驱动端面上部的防尘机构和设置在主驱动端面下部的冲洗排渣机构。防尘机构可有效阻挡外界的粉层、渣土进入到密封根部。冲洗排渣机构可有效将密封表面处积累的渣土及粉层冲洗掉，不因旋转后带入上部导致杂质侵入密封系统，同时冲排渣系统也可降低密封使用温度，可解决端面密封高速旋转后密封发热问题。

9、进一步优选，防尘机构包括连接在压环端面上部的挡渣扇形环件，挡渣扇形环件罩设在相应的弹性压紧机构外侧。挡渣扇形环件安装于旋转轴上部，通过上部遮挡来阻挡外界的渣土侵入端面密封旋转摩擦面。

10、进一步优选，挡渣扇形环件通过紧固螺栓固定在压环上，挡渣扇形环件对应的圆心角度至少为180°；既覆盖主驱动端面上部主要受落渣、甩渣影响的扇区，又避免整周包覆带来的装配干涉、散热受限的问题。

11、进一步优选，冲洗排渣机构包括冲洗管，冲洗管的出口端连接有朝向端面密封件的冲刷喷头，冲洗管的进口端连接至水源或气源。冲洗管与朝向端面密封件的冲刷喷头构成主动冲洗排渣路径，可根据岩粉性质、含水状态和掘进模式切换水源或气源。

12、一种tbm掘进机主驱动端面密封方法，采用所述的tbm掘进机主驱动端面密封系统；旋转轴开始运转前，向第一道密封件前方的迷宫间隙内注入一定量的油品直至在前侧端面密封件处能够看到油品溢出；旋转轴运转后，第一道密封件和端面密封件之间迷宫间隙的油品大部分被带动到下部区域，从而在下部出口区域形成有效的油品密封；第一道密封件和端面密封件之间迷宫间隙的油品小部分溢出，溢出的油品同时作用在端面密封件与压环之间的旋转摩擦面上，减小摩擦；旋转轴运转后，端面密封件通过弹性压紧机构进行压紧补偿端面跳动，从而形成轴向密封；当端面密封件出现磨损时，弹性压紧机构还能继续释放压缩力，从而使端面密封件继续保持端面密封能力。

13、当旋转轴带动相关设备进行切削时，外界产生的渣土等颗粒持续落下，通过挡渣扇形环件能有效阻挡渣土等颗粒侵入端面密封件上端，端面密封件在下部时，阻渣口朝下，渣土颗粒因重力下坠无法侵入；当端面密封件下部下表面积累渣土时，开启冲洗排渣机构，对位于下部的端面密封进行冲洗排渣，冲洗排渣过程中同时降低端面密封件使用温度。

14、本发明的有益效果为：本发明采用集成在tbm掘进机的主驱动前端可旋转可调解及补偿的端面密封组件，配合径向密封从根本上改变了传统密封单纯依赖油脂高压建压驱替侵入介质的工作模式，使密封系统在开挖仓0bar常压、低气压差甚至接近无压差的工况下仍能依靠机械压紧和结构封堵维持有效密封边界，彻底解决了油脂建压慢、常压工况下密封失效风险高的难题；解决现有主驱动密封针对土压盾构高压工况设计，无法适配硬岩tbm常态开挖仓0bar常压长期掘进场景，迷宫间隙固定、油脂建压慢、岩粉易侵入、油脂消耗过高的技术问题。

15、本发明端面密封组件由弹性压紧机构沿周向均匀布设的片簧持续压紧，弹性压紧机构可吸收刀盘载荷波动、热膨胀差异引起的端面跳动和轴向窜动，使端面密封件在任意瞬时均保持与压环前端面的可靠贴合，避免刚性顶死与局部脱开；当端面密封件随运转逐渐磨损减薄时，片簧预先储备的弹性压缩量自动释放，持续补偿压紧力，将密封有效寿命延长至弹性行程耗尽时刻，补偿过程连续无级、免停机调节；提高了tbm主驱动密封性能，从而提高了密封的使用寿命，有效解决行业内密封故障频繁难题。此外，该端面密封组件简化了端面密封形式，降低加工生产制造的工艺难度；

16、本发明防尘防泥保护结构为两相复合式机构，上半部防护为钢结构覆盖端面密封件外侧，可有效阻挡外界的粉层、渣土进入到密封根部，下部为油脂润滑＋可旋转可复位拨片弹簧复位的端面密封，下部油脂通过旋转和流动可完全填充迷宫间隙，解决外界的粉层和渣土入侵；同时下部设计有若干冲排渣系统，可有效将密封表面处积累的渣土及粉层冲洗掉，不因旋转后带入上部导致杂质侵入密封系统，同时冲排渣系统也可降低密封使用温度，可解决端面密封高速旋转后密封发热问题。补偿式端面密封及防护结构，可有效减少油品使用用量；而且端面密封组件+防尘防泥保护结构通过上下两侧不同防护原理，可解决现有专利中密封故障频出难题，兼顾常压长期掘进与突水应急封堵的缺陷。

17、综上，本发明通过径向双道分级密封+端面弹性补偿密封+上下协同防尘排渣+预注油自维持工艺的系统性技术方案，实现了硬岩tbm常压掘进工况下密封系统的多层级、自适应、长寿命与低消耗运行，具有突出的实质性特点和显著的进步。