[发明专利]具有压力补偿的用于隧道掘进机的切割器组件

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2011年2月17日提交的美国临时申请No.61/444,081的优先权，该临时申请据此全文引入以供参考。

背景技术

隧道掘进机（“TBM”）是通常用来穿过土壤和岩层掘隧道的挖掘设备。常规的TBM产生平滑的圆形隧道壁，通常具有最小的并行扰动。使得TBM高效且可靠的突破性进展是James S.Robbins提出的具有可旋转切割器组件的旋转头部的发明。初始，Robbins的TBM使用固定安装到旋转头部上的强尖刺，但是尖刺会频繁断裂。他发现，通过用较长地持续旋转的盘式切割器组件代替这些磨削尖刺，会显著地减少这个问题。

因此，现代的TBM通常采用具有盘式切割器组件的旋转头部，该盘式切割器组件可旋转地安装到头部上。利用极大的力将头部推压靠着目标表面，使得切割器组件中的至少一些接合该表面。当头部旋转时，切割器使材料分离、粉碎和/或松动，这些材料被TBM运走。当松动的材料被移除时，TBM继续掘隧道。

在某些隧道的挖掘过程中会遇到各式各样的泥土条件。砂石、泥灰岩、石灰岩、黏土和白垩都是可能的。有时候，可能会同时遇到若干种类型的泥土。盘式切割器组件通常必须在极端条件下操作，并且必须在高负荷下可靠运转。例如，切割器盘或刃部可能垂直于岩石表面施加超过75,000磅的力。

沿着隧道掘进轨迹的地下水位还可能显著地变化。在某些应用中，TBM遇到高度饱和且可流动的材料。当遇到松散的和/或饱和的土壤条件时，切割器组件上的流体静力学压力可以是明显的。如果粉尘或其它外来物质进入切割器轴承组件，那么切割器组件可能卡住，从而在继续使用之前要求使用者修复或更换切割器组件。切割器组件设置有耐久的且强健的密封件，以避免粉尘侵入到轴承组件中。然而，如果密封件两侧的流体静力学负荷变得非常高，那么密封件可能被破坏。

仍然需要改进的密封机构来防止粉尘和其它外来物质侵入到在高流体静力学压力条件下操作的隧道掘进机的切割器组件中。

发明内容

发明内容是以简化的形式提出了概念的选择，将在以下的具体实施方式中进一步描述该概念。该发明内容并不是用来确定要求保护的主题的关键特征，也不是用来帮助确定要求保护的主题的范围。

本发明公开了用于隧道掘进机的切割器组件，其适合于例如在高度饱和的土壤中和在高环境压力下使用。切割器组件包括轴、可旋转地安装在轴上的切割器环组件以及相对地设置的不可旋转地附接到轴的第一和第二端部保持器。密封组（例如机械面密封或双锥密封件）提供旋转部件和非旋转部件之间的密封，并且切割器组件中可获得的体积填充有润滑剂，例如油。通过将可动活塞部分接合到至少一个端部保持器中，当切割器组件在一定深度处操作时减小了密封组两侧的压力大小。可动活塞部分具有暴露于局域周围环境压力的外表面，并且被构造成响应于周围环境压力的增加而增加润滑剂的压力。切割器环组件可以形成为一体结构，或者可以形成有毂，该毂与一个或多个切割器环可移除地附接。

在一个实施例中，端部保持器中的至少一个包括固定保持器和浮动保持器，该固定保持器具有与润滑剂流体连通的压力端口，该浮动保持器可滑动地接合固定保持器以限定填充有润滑剂的间隙。浮动保持器可以包括被构造成接纳固定保持器的外壁和被构造成可滑动地接合固定保持器中的环形沟槽的内壁。

在一个实施例中，端部保持器中的至少一个包括面向外的环形沟槽和环状活塞，该环形沟槽具有延伸穿过端部保持器的压力端口，该环状活塞可滑动地设置在沟槽中。润滑剂填充沟槽和活塞之间的体积。环状活塞暴露于局域周围环境压力，使得增加周围环境压力将增加润滑剂压力。沟槽可以包括多个压力端口。

在一个实施例中，端部保持器中的至少一个具有多个圆柱形凹部和从凹部延伸穿过端部保持器的对应的端口。活塞可滑动地设置在每个凹部中，每个活塞和端口之间的体积填充有润滑剂。在一个实施例中，在每个凹部上设有可延伸的密封件。

在一个实施例中，用于隧道掘进机的压力补偿的切割器组件包括轴、可旋转地安装在轴上的切割器环、不可旋转地附接到轴的第一端部保持器和第二端部保持器、浸在润滑剂中并且设置在切割器环与第一和第二端部保持器之间的密封组、以及结合到至少一个端部保持器中且被构造成将外部周围环境压力的至少一部分传递到润滑剂中的活塞装置。

附图说明

当参考附图时，本发明的前述方面和许多伴随的优点将会变得更加容易理解，原因是其通过参考以下的详细说明能够得到较好的理解，其中：

图1为现有技术的切割器组件的剖视前视图；