КОМПОНОВКА ШАРОШКИ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ БУРОВОЙ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКОЙ МАШИНЫ
CUTTER ASSEMBLY FOR TUNNEL BORING MACHINE WITH PRESSURE COMPENSATION

Буровая тоннелепроходческая машина (или тоннелепроходческий комплекс ("ТПК") является проходческим устройством, в общем, используемым для проходки тоннеля через грунт и слои горной породы. Обычно ТПК выполняет тоннель с гладкой круглой стеной, в общем, с минимальными сопутствующими нарушениями. Прорывом, сделавшим ТПК эффективными и надежными, стало изобретение вращающейся режущей головки с вращающимися дисковыми шарошками, разработанной Джеймсом Роббинсом (James S. Robbins). Вначале в ТПК Роббинса использовали прочные заостренные стержни, неподвижно закрепленные на вращающейся режущей головке, такие заостренные стержни часто ломаются. Роббинс обнаружил, что замена данных истирающих заостренных стержней более долговечными вращающимися дисковыми шарошками в значительной степени решает данную проблему.
В современных ТПК поэтому, в общем, используют вращающиеся головки с компоновками дисковых шарошек, установленными с возможностью вращения на режущей головке. Режущая головка прижимается со значительным усилием к рзрабатываемой поверхности так, что по меньшей мере некоторые компоновки шарошек входят в контакт с поверхностью. Когда головка вращается, резцы дробят, разрушают и/или измельчают материалы, которые транспортируются от головки с помощью ТПК. Когда измельченный материал удаляется, ТПК продвигается для бурения туннеля.
Разнообразные грунтовые условия встречаются при проходке тоннелей. Можно встретить песок, глинистый известняк, известняк, глины и мел. В некоторых случаях можно встретить несколько типов породы одновременно. Вращающиеся дисковые шарошки, в общем, должны работать в экстремальных условиях и должны надежно функционировать при высоких нагрузках. Например, дисковый резец или нож может передавать нормальное усилие свыше 75000 фунтов (35 тс) на плоскость забоя.
Уровень грунтовых вод вдоль траектории бурения туннеля может также значительно меняться. В некоторых вариантах применения ТПК встречают сильно водонасыщенные породы и плывуны. При встрече с рыхлым и/или водонасыщенным грунтом величины гидростатического давления на компоновках шарошек могут быть значительными. Если грязь или другой посторонний материал попадает в подшипниковый узел резца, компоновка шарошки может заклиниваться, требуя от пользователя ремонта или замены компоновки шарошки для продолжения работ. Компоновки шарошек снабжены долговечным и прочным уплотнением для предотвращения попадания грязи в подшипниковый узел. Вместе с тем, если гидростатические нагрузки на уплотнение становятся достаточно высокими, уплотнение может прорываться.
Существует необходимость создания улучшенных механизмов уплотнения для предотвращения попадания грязи и других посторонних веществ в компоновки шарошек буровых тоннелепроходческих машин, работающих в условиях высоких гидростатических давлений.
Сущность изобретения дает представление в упрощенной форме о его вариантах осуществления, раскрытых ниже в подробном описание. Данный раздел не идентифицирует ключевых признаков заявленного предмета изобретения и не должен использоваться для определения объема заявленного изобретения.
Изобретена компоновка шарошки для буровой тоннелепроходческой машины, подходящая для использования, например, в грунтах высокой водонасыщенности и при высоких внешних давлениях. Компоновка шарошки включает в себя вал, кольцевой резец в сборе, установленный с возможностью вращения на валу, и первый и второй противоположно установленные концевые фиксаторы, закрепленные невращающимися на валу. Группы уплотнений, например, механические торцевые уплотнения или двухконусные уплотнения создают уплотнение между вращающимися компонентами и невращающимися компонентами, и имеющийся объем в компоновке шарошки заполняется смазкой, например маслом. Величина давления на группе уплотнений при работе компоновки на глубине уменьшается благодаря включению перемещающейся поршневой части в состав по меньшей мере одного из концевых фиксаторов. Перемещающаяся поршневая часть имеет наружную поверхность, подвергающуюся воздействию локального внешнего давления и выполненную с возможностью увеличения давления смазки в ответ на увеличение внешнего давления. Кольцевой резец в сборе может быть выполнен в виде унитарной конструкции или может быть выполнен с втулкой с прикрепленными одним или несколькими кольцевыми резцами.
В варианте осуществления по меньшей мере один из концевых фиксаторов включает в себя неподвижно закрепленный фиксатор, имеющий канал нагнетания давления, гидравлически сообщающийся со смазкой, и плавающий фиксатор, соединенный с неподвижно закрепленным фиксатором с возможностью скольжения относительно него для образования зазора, заполненного смазкой. Плавающий фиксатор может включать в себя наружную стенку, выполненную с возможностью приема неподвижно закрепленного фиксатора, и внутреннюю стенку, выполненную с возможностью скольжения в контакте с кольцевым каналом в неподвижно закрепленном фиксаторе.
В варианте осуществления по меньшей мере один из концевых фиксаторов включает в себя обращенный наружу кольцевой канал с каналом нагнетания давления, проходящим через концевой фиксатор, и кольцевой поршень, установленный с возможностью скольжения в канале. Смазка заполняет объем между каналом и поршнем. Кольцевой поршень подвергается воздействию локального внешнего давления так, что увеличение внешнего давления должно увеличивать давление в смазке. Канал может включать в себя множество каналов нагнетания давления.
В варианте осуществления по меньшей мере один из концевых фиксаторов имеет множество цилиндрических углублений и соответствующих каналов, проходящих из углублений через концевой фиксатор. Поршень установлен с возможностью скольжения в каждом углублении, и объем между каждым поршнем и каналом заполняется смазкой. В одном варианте осуществления выдвигающееся уплотнение оборудовано на каждом углублении.
В варианте осуществления компоновка шарошки с компенсацией давления для буровой тоннелепроходческой машины включает в себя вал, кольцевой резец установленный с возможностью вращения на валу, первый концевой фиксатор и второй концевой фиксатор, закрепленные невращающимися на валу, группы уплотнений, погруженные в смазку и расположенные между кольцевым резцом и первым и вторым концевыми фиксаторами, и поршневое средство, включенное в состав по меньшей мере одного из концевых фиксаторов, выполненное с возможностью передачи по меньшей мере части наружного внешнего давления в смазку.
Изложенные выше аспекты и многие сопутствующие преимущества данного изобретения должны стать яснее и понятнее из приведенного ниже подробного описания с прилагаемыми чертежами, на которых показано следующее.
На фиг.1 показано сечение на виде спереди компоновки шарошки известной техники.
На фиг.2 показано сечение на виде спереди первого варианта осуществления компоновки шарошки с компенсацией давления согласно настоящему изобретению.
На фиг.3 показано сечение на виде сбоку компенсирующего давление фиксатора в сборе для компоновки шарошки фиг.2.
На фиг.4 показано сечение на виде спереди второго варианта осуществления компоновки шарошки с компенсацией давления согласно настоящему изобретению.
На фиг.5 показан вид сбоку компоновки шарошки фиг.4.
На фиг.6 детально в сечении показан с увеличением канал нагнетания давления для компоновки шарошки фиг.4.
На фиг.7 показан в изометрии третий вариант осуществления компоновки шарошки с компенсацией давления согласно настоящему изобретению.
На фиг.8 показано сечение на виде спереди компоновки шарошки фиг.7.
На фиг.9 детально в сечении показан поршень и канал нагнетания давления для компоновки шарошки, показанной на фиг.7.
На фиг.1 показано сечение компоновки 80 шарошки известной техники для буровой тоннелепроходческой машины (ТПК). Пример буровой тоннелепроходческой машины описан в патенте US Patent N7832960, полностью включено в данный документ в виде ссылки.
Компоновка 80 шарошки включает в себя вал 81, выполненный с возможностью неподвижного прикрепления к вращающейся головке ТПК. Кольцевой резец 82 прикрепляется к втулке 83 с помощью фиксирующего кольца 84 для образования кольцевой сборки 85. Кольцевая сборка 85 устанавливается с возможностью вращения на валу 81 на паре подшипников, содержащих внутреннюю дорожку 87 подшипника, наружную дорожку 88 подшипника и множество конических роликов 89 подшипника. Пара концевых фиксаторов 90, 91 установлена с каждой стороны втулки 83. Во время работы кольцевая сборка 85 может поворачиваться вокруг вала 81, концевые фиксаторы 90, 91 закреплены на валу 81 неподвижно.
Группа 92 вращающихся уплотнений создана на месте сопряжения между каждым из концевых фиксаторов 90, 91 и кольцевой сборкой 85. Группы вращающихся уплотнений для компоновок шарошек являются, в общем, механическими торцевыми уплотнениями, также называемыми двухконусными уплотнениями. Конкретный узел двухконусного уплотнения раскрыт в патенте U.S. Patent No. 3985366, полностью включено в данный документ в виде ссылки. Механические торцевые уплотнения разработаны для защиты оборудования, работающего в самых тяжелых условиях, и содержат пару металлических уплотнительных колец 93 и пару упругих тороидальных элементов 94 (например, колец круглого сечения). Наружное металлическое уплотнительное кольцо 93 входит в контакт с соответствующим концевым фиксатором 90 или 91 через тороидальный элемент 94 и закреплено неподвижно, и соответствующее внутреннее металлическое уплотнительное кольцо 93 входит в контакт с кольцевой сборкой 85 через тороидальный элемент 94. Два связанных металлических уплотнительных кольца 93 соединяются впритык для образования уплотнения подвижного стыка. Обычно, имеющийся внутренний объем между концевыми фиксаторами 90, 91 заполняется смазкой, например маслом или консистентной смазкой.
Группы 92 вращающихся уплотнений создают уплотнение, предотвращающее попадание грязи, которая может повреждать или разрушать подшипниковые узлы. Механические торцевые уплотнения специально выполнены с возможностью создания надежной защиты в весьма агрессивных окружающих средах. Вместе с тем, если компоновка 80 шарошки используется в окружающей среде с высоким гидростатическим давлением, например, на значительных глубинах в водонасыщенных средах, наружное давление может преодолевать сопротивление группы 92 вращающихся уплотнений, что может приводить к выходу из строя компоновки шарошки.
На фиг.2 показано сечение компоновки 100 шарошки с компенсацией давления согласно настоящему изобретению. Компоновка 100 шарошки с компенсацией давления является аналогичной во многих аспектах компоновке 80 шарошки известной техники, рассмотренной выше. Показана кольцевая сборка 105, включающая в себя кольцевой резец 102, установленный на втулке 103 и закрепленный фиксирующим кольцом 104. Предлагаются и другие конструкции кольцевой сборки. Например, в альтернативных вариантах осуществления кольцевой резец и втулка могут быть выполнены в виде одного унитарного компонента вместо показанной предпочтительной сборки. Кольцевая сборка 105 установлена с возможностью вращения на валу 101 с левым и правым подшипниковыми узлами, где каждый подшипниковый узел содержит внутреннюю дорожку 107, наружную дорожку 108 и множество конических роликов 109 подшипника, заключенных в обойму 106 подшипника. Пара групп 112 вращающихся уплотнений, содержащих механические торцевые уплотнения, обеспечивает защиту подшипниковых узлов.
Обычный концевой фиксатор 110 прикрепляется к валу 101 с одной стороны (слева на фиг.2) и компенсирующий давление фиксатор 115 в сборе прикрепляется к валу 101 - с противоположной стороны (справа на фиг.2). В данном варианте осуществления компенсирующий давление концевой фиксатор 115 в сборе включает в себя неподвижно закрепленный фиксатор 116 и плавающий фиксатор 117, который функционирует в качестве поршня для увеличения давления смазки в компоновке 100 шарошки, как рассмотрено ниже.
Неподвижно закрепленный фиксатор 116 закреплен неподвижно на валу 101 и плавающий фиксатор 117 перемещается со скольжением в контакте с неподвижно закрепленным фиксатором 116. В настоящем варианте осуществления неподвижно закрепленный фиксатор 116 имеет центральное отверстие 118 с резьбой, свинчивающейся с соответствующей резьбой на валу 101.
На фиг.3 отдельно показано сечение компенсирующего давление фиксатора 115 в сборе. Неподвижно закрепленный фиксатор 116 имеет периферийный внутренний углубленный участок 119, выполненный с возможностью входа в контакт с невращающимся участком группы 112 вращающихся уплотнений. Одно или несколько отверстий 120 выполнены проходящими через углубленный участок 119. Например, в настоящем варианте осуществления созданы четыре разнесенных на равные интервалы отверстия 120 (два показаны на фиг.3). Наружная кольцевая щель 121 также создана с радиальным расположением между углубленным участком 119 и центральным отверстием 118.
Плавающий фиксатор 117 является, в общем, кольцом с U-образным сечением с наружной стенкой 122, выполненной с размерами и установленной с возможностью скольжения в контакте с наружным периметром неподвижно закрепленным фиксатором 116, и внутренней стенкой 123, выполненной с размерами и установленной с возможностью скольжения в контакте с кольцевой щелью 121. Первое кольцо 124 круглого сечения создает уплотнение между наружной стенкой 122 плавающего фиксатора 117 и неподвижно закрепленным фиксатором 116. Пара колец 125, 126 круглого сечения создает уплотнение между внутренней стенкой 123 и кольцевой щелью 121 неподвижно закрепленного фиксатора 116. Одно или несколько отверстий 127 с резьбой, проходящих через плавающий фиксатор 117, создают средство для инжектирования смазки в зазор 129 между неподвижно закрепленным фиксатором 116 и плавающим фиксатором 117. Отверстия 127 с резьбой закрываются соответствующими пробками 128 с резьбой.
Работу компоновки 100 шарошки с компенсацией давления можно уяснить, приняв во внимание, что имеющийся объем в компоновки 100 шарошки также заполняется смазкой. Когда гидростатическое давление на компоновку 100 шарошки увеличивается, например, когда при буровых работах встречаются высоководонасыщенные грунты на значительных глубинах, высокое гидростатическое давление должно обуславливать перемещение плавающего фиксатора 117 внутрь к неподвижно закрепленному фиксатору 116, со сжатием масла (или другой смазки) в зазоре 129 и при этом нагнетается давление в объеме за группой 112 уплотнений. Перепад давления на группе 112 уплотнений должен поэтому автоматически оставаться небольшим благодаря действию плавающего фиксатора 117, и риск попадания посторонних веществ в подшипниковый узел значительно уменьшается.
Другой вариант осуществления компоновки 200 шарошки с компенсацией давления согласно настоящему изобретению показан на фиг. 4-6. На фиг.4 показано сечение компоновки 200 шарошки, на фиг.5 показан вид сбоку компоновки 200 шарошки, и на фиг.6 детально в сечении показан с увеличением канал нагнетания давления.
В данном примере варианта осуществления показана двухдисковая компоновка 200 шарошки с двумя кольцевыми резцами 202 и зубчатым дистанцирующим устройством 211, установленным на втулке 203 и закрепленными фиксирующим кольцом 204. Подшипниковый узел 207, аналогичный подшипниковому узлу, рассмотренному выше, соединяет с возможностью вращения кольцевую сборку 205 с центральным валом 201. Противоположно расположенные компенсирующие давление концевые фиксаторы 215 закреплены на валу 201, например, концевые фиксаторы 215 могут прикрепляться к валу 201 болтами 206. Пара групп 212 вращающихся уплотнений, аналогичных описанным выше, создает уплотнение между вращающимися компонентами и закрепленными неподвижно компонентами.
В данном варианте осуществления концевые фиксаторы 215 каждый образует открывающийся наружу кольцевой канал 230. Множество каналов 216 проходят через концевые фиксаторы 215 от кольцевого канала 230 до внутренней компоновки 200 шарошки. Кольцевой поршень 231 установлен с возможностью скольжения в канале 230 и имеет герметичный контакт со стенками кольцевого канала 230 благодаря кольцам 224 круглого сечения. Кольцевой поршень 231 может удерживаться в канале 230 с помощью C-образного фиксатора 232 или т.п.
Как рассмотрено выше, внутренний объем компоновки 200 шарошки заполняется смазкой, например маслом. В данном варианте осуществления отверстия 216 и внутренние участки кольцевого канала 230 также заполняются маслом.
Должно быть ясно, что если компоновка шарошки встречает высокое гидростатическое давление, наружное давление P должно толкать кольцевой поршень 231 внутрь, нагнетая давление в масле и выталкивая масло через каналы 216, при этом повышается давление в зоне за группой 212 вращающихся уплотнений, так что давления на группе 212 уплотнений приблизительно уравниваются. Поэтому перепад давления на группе 212 уплотнений должен оставаться небольшим благодаря действию кольцевого поршня 231 и риск попадания посторонних веществ в подшипниковый узел значительно уменьшается.
Другой вариант осуществления компоновки 300 шарошки с компенсацией давления согласно настоящему изобретению показан на фиг. 7-9. На фиг.7 показана в изометрии компоновка 300 шарошки, на фиг.8 показано сечение компоновки 300 шарошки, и на фиг.9 детально в сечении показан с увеличением канал нагнетания давления.
Компоновка 300 шарошки также является двухдисковой шарошкой с двумя кольцевыми резцами 302 и зубчатым дистанцирующим устройством 311 установленным на втулке 303 с помощью фиксирующего кольца 304, аналогично компоновке 200 шарошки, описанной выше. Пара подшипниковых узлов с коническими роликами 307 соединяет с возможностью вращения кольцевую сборку 305 с центральным валом 301. Противоположно расположенные компенсирующие давление концевые фиксаторы 315 также закреплены на валу 301. Пара групп 312 вращающихся механических торцевых уплотнений создает уплотнение между вращающейся кольцевой сборкой 305 и неподвижно закрепленными компонентами.
В данном варианте осуществления концевые фиксаторы 315 включают в себя множество цилиндрических углублений 330 на наружном торце каждого фиксатора 315, соединяющихся с внутренним объемом компоновки 300 шарошки через соответствующие каналы 316. Плавающий поршень 331 в форме диска установлен в каждом углублении 330 и имеет герметичный контакт с цилиндрическим углублением 330 благодаря кольцам 324 круглого сечения. Гофрированное кругами или иначе выдвижное 333 уплотнение защищает цилиндрическое углубление 330 от грязи и других посторонних веществ. Уплотнение 333 может удерживаться в углублении 330 с помощью C-образного фиксатора 332 или т.п.
Как и в вариантах осуществления, описанных выше, компоновка 300 шарошки заполняется смазкой и цилиндрические углубления 330 аналогично заполняются смазкой по меньшей мере для участка, расположенного внутрь от соответствующего поршня 331. Как указано на Фиг. 9, когда компоновка 300 шарошки находится под воздействием наружного гидростатического давления P, поршни 331 должны вдавливаться внутрь, нагнетая давление в смазке в соответствующем углублении 330, при этом нагнетая давление во внутреннем объеме компоновки 300 шарошки. Давление во внутреннем объеме компоновки 300 шарошки должно при этом приблизительно уравниваться с наружным гидростатическим давлением P.
Хотя концевые фиксаторы 315 показаны с тремя цилиндрическими углублениями 330 в настоящем варианте осуществления, должно быть ясно, больше или меньше механизмов компенсации давления можно использовать.
Также, должно быть ясно, что наружные выдвигающиеся уплотнения, соответствующие выдвигающимся уплотнениям 333, могут включаться в состав второго описанного выше варианта осуществления шарошки 200 с несложными изменениями, ясными специалисту в данной области техники.
Хотя показан и описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, должно быть ясно, что различные изменения можно выполнять в нем, не отходя от сущности и объема изобретения.