압력 보정 기능을 가진 터널 보링 머신용 커터 어셈블리

압력 보정 기능을 가진 터널 보링 머신용 커터 어셈블리{CUTTER ASSEMBLY FOR TUNNEL BORING MACHINE WITH PRESSURE COMPENSATION}

본 발명은 터널 보링 머신용 커터 어셈블리에 관한 것이며, 특히 압력 보정 기능을 가진 터널 보링 머신용 커터 어셈블리에 관한 것이다.

터널 보링 머신("TBM")은 일반적으로 토사 및 암석 층을 통해 터널을 천공하는 데 사용되는 굴착 장치이다. 통상의 TBM는 일반적으로 최소한의 부수적인 교란으로 매끈한 원형 터널 벽을 생성한다. TBM을 효율적이고 신뢰성 있게 만든 한 가지 타개책은 제임스 에스 로빈스(James S. Robbins)에 의해 개발된 회전 가능한 커터 어셈블리를 구비한 회전 헤드의 발명이었다. 초기에, 로빈스의 TBM는 회전 헤드에 고정 장착된 강한 스파이크(spike)를 사용하였지만, 이 스파이크는 자주 파손되었다. 로빈스는 이러한 마손성 스파이크를 더 오래 지속되는 회전 디스크 커터로 대체하는 것에 의해 이 문제가 상당히 감소됨을 발견하였다.

따라서, 최근의 TBM는 일반적으로 헤드에 회전 가능하게 장착되는 디스크 커터 어셈블리를 구비한 회전 헤드를 채용한다. 헤드는 적어도 몇 개의 커터 어셈블리가 목표 표면에 맞닿음하도록 목표 표면에 대해 상당히 큰 힘으로 가압된다. 헤드가 회전함에 따라, 커터는 물질을 분획, 분쇄 및/또는 결속력 감소시키고, 그 후의 물질은 TBM에 의해 다른 곳으로 운반된다. 결속력 감소된 물질이 제거되면서, TBM는 터널 천공을 진행시킨다.

어떤 터널의 굴착에 있어서는 다양한 지반 조건과 조우하게 된다. 모래, 이회암, 석회암, 점토, 및 백악이 모두 예상될 수 있다. 때때로, 몇 가지 타입의 지반을 동시에 조우할 수도 있다. 디스크 커터 어셈블리는 일반적으로 극한 조건에서 작동하여만 하고, 높은 하중 하에서 신뢰성 있게 작용하여만 한다. 예컨대, 커터 디스크 또는 블레이드는 암석면에 수직한 75,000 lbf를 초과하는 힘을 발휘할 수 있다.

터널 천공 경로를 따른 지하수면(water table)도 상당히 크게 변화할 수 있다. 어떤 경우에 있어서는, TBM는 높은 포화도의 유동성 물질과 조우한다. 결속력이 약한 및/또는 포화된 토양 조건과 조우할 때는, 커터 어셈블리 상의 정수압(hydrostatic pressure)이 상당히 클 수 있다. 흙이나 다른 이물질이 커터 어셈블리 내로 침입하면, 커터 어셈블리가 멈추어, 작업을 계속하기 전에 사용자가 커터 어셈블리를 수리하거나 교체하는 것을 요할 수 있다. 커터 어셈블리는 베어링 어셈블리 내로의 흙의 침입을 방지하기 위해 내구성 있고 질긴 시일(seal)을 구비한다. 하지만, 시일에 걸친 정수력 하중(hydrostatic load)이 충분히 높게 되면, 시일은 파열될 수 있다.

높은 정수압 조건에서 작동하는 터널 보링 머신의 커터 어셈블리 내로의 흙이나 다른 이물질의 침입을 방지하기 위한 개선된 시일링 메커니즘에 대한 요구가 존재한다.

여기에서의 발명의 개요는 이하에 보다 상세히 설명될 내용을 간략한 형태의 선택적 개념을 소개한다. 이러한 개요는 청구 대상의 주요 특징을 특정하는 것을 의도하지 않으며, 또한 청구 대상의 범위를 결정함에 있어서 도움을 주는 것으로 사용되는 것을 의도하지도 않는다.

예컨대 높은 포화도의 토양에서 또한 높은 주위 압력에서 사용하기에 적합한 터널 보링 머신용 커터 어셈블리를 개시한다. 커터 어셈블리는 샤프트, 샤프트에 회전 가능하게 장착되는 커터 링 어셈블리, 샤프트에 회전 불가능하게 부착되는 양쪽의 제1 및 제2 엔드 리테이너를 포함하고 있다. 예컨대, 미케니컬 페이스 시일 또는 듀오 콘 시일과 같은 시일 그룹이 회전 구성요소들과 비회전 구성요소들 사이에 시일링을 제공하고, 커터 어셈블리 내의 가용 공간은 예컨대 오일과 같은 윤활유로 충전된다. 엔드 리테이너들 중의 적어도 하나의 내부에 가동 피스톤부를 편입시키는 것에 의해 커터 어셈블리가 깊은 곳에서 작동될 때 시일 그룹에 걸친 압력의 크기가 감소된다. 가동 피스톤부는 국지적 주위 압력에 노출되어 주위 압력의 증가에 응답하여 윤활유 압력을 증가시키도록 구성된 외부 표면을 가지고 있다. 커터 링 어셈블리는 일체형 구조로 형성될 수 있으며, 또는 하나 이상의 커터 링이 제거 가능하게 부착된 허브를 구비하여 형성될 수 있다.

하나의 실시형태에 있어서, 엔드 리테이너들 중의 적어도 하나는 윤활유와 유체연통 상태에 있는 압력 포트를 가진 고정형 리테이너, 및 윤활유로 충전되는 갭을 한정 형성하도록 고정형 리테이너와 슬라이딩 가능하게 결합하는 부동형 리테이너를 포함하고 있다. 부동형 리테이너는 고정형 리테이너를 수용하도록 구성된 외측벽, 및 고정형 리테이너 내의 환형 채널과 슬라이딩 가능하게 결합하도록 구성된 내측 벽을 구비할 수 있다.

하나의 실시형태에 있어서, 엔드 리테이너들 중의 적어도 하나는 당해 엔드 리테이너를 통해 뻗어 있는 압력 포트를 구비한 외향 환형 채널, 및 환형 채널 내에 슬라이딩 가능하게 배치되는 환형 피스톤을 포함하고 있다. 윤활유는 채널과 피스톤 사이의 공간에 충전된다. 환형 피스톤은 국지적 주위 압력에 노출되어 있어, 증가하는 주위 압력이 윤활유 압력을 증가시키게 된다. 채널은 복수의 압력 포트를 구비할 수 있다.

하나의 실시형태에 있어서, 엔드 리테이너들 중의 적어도 하나는 복수의 원통형 리세스, 및 리세스로부터 엔드 리테이너를 통해 뻗어 있는 대응하는 포트를 가지고 있다. 피스톤이 각각의 리세스 내에 슬라이딩 가능하게 배치되고, 각각의 피스톤과 포트 사이의 공간이 윤활유로 충전된다. 하나의 실시형태에 있어서, 확장가능한 시일이 각각의 리세스에 걸쳐 구비된다.

하나의 실시형태에 있어서, 터널 보링 머신용 압력 보정형 커터 어셈블리는 샤프트, 샤프트 상에 회전 가능하게 장착되는 커터 링, 샤프트에 회전 불가능하게 부착되는 제1 및 제2 엔드 리테이너, 윤활유 속에 침지되어 커터 링과 제1 및 제2 엔드 리테이너 사이에 배치되는 시일 그룹, 엔드 리테이너들 중의 적어도 하나 내에 편입되어 외부 주위 압력의 적어도 일부를 윤활유로 전달하도록 구성된 피스톤 수단을 포함하고 있다.

본 발명의 전술한 양태 및 그에 따른 많은 장점들은 여기에 간단히 설명하는 첨부도면을 참조하는 이하의 설명으로부터 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 종래기술의 커터 어셈블리의 단면 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 보정형 커터 어셈블리의 제1 실시형태의 단면 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 커터 어셈블리용 압력 보정 리테이너 어셈블리의 단면 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압력 보정형 커터 어셈블리의 제2 실시형태의 단면 정면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 커터 어셈블리의 측면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 커터 어셈블리용 압력 포트의 폐쇄를 보여주는 상세 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 압력 보정형 커터 어셈블리의 제3 실시형태의 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 커터 어셈블리의 단면 정면도이다.
도 9는 도 7에 도시된 커터 어셈블리용 피스톤과 압력 포트를 보여주는 상세 단면도이다.

도 1은 종래기술의 터널 보링 머신(TBM)용 커터 어셈블리(80)의 단면도이다. 하나의 예시의 터널 보링 머신이 그 전체가 여기에 참조되는 미국특허 제7,832,960호에 개시되어 있다.

커터 어셈블리(80)는 TBM 회전 헤드에 고정부착되도록 구성된 샤프트(81)를 포함하고 있다. 환형 커터 링(82)이 리테이너 링(84)을 사용하여 허브(83)에 부착되어, 링 어셈블리(85)를 형성한다. 링 어셈블리(85)는 내측 베어링 레이스(87), 외측 베어링 레이스(88) 및 복수의 테이퍼형 롤러 베어링(89)을 구비한 한 쌍의 베어링 어셈블리를 사용하여 샤프트(81)에 회전 가능하게 장착된다. 한 쌍의 엔드 리테이너(end retainer)(90, 91)가 허브(83)의 양측에 배치된다. 작동 시에, 링 어셈블리(85)는 샤프트(81)를 중심으로 회전 가능하고, 엔드 리테이너(90, 91)는 샤프트(81)에 고정되어 있다.

회전 시일 그룹(92)이 각각의 엔드 리테이너(90, 91)와 링 어셈블리(85) 사이의 경계면에 구비된다. 커터 어셈블리용 회전 시일 그룹은 일반적으로 듀오 콘 시일(duo-cone seal)이라고도 하는 미케니컬 페이스 시일(mechanical face seal)이다. 한 가지 구체적인 듀오 콘 시일 어셈블리가 그 전체가 여기에 참조되는 미국특허 제3,985,366호에 개시되어 있다. 미케니컬 페이스 시일은 최고의 불리한 조건에서 작동하는 장비를 보호하기 위해 개발되었으며, 한 쌍의 환형 금속 시일 링(93)과 한 쌍의 탄성 원환 부재(toric member)(94)(예컨대, O-링)를 구비하고 있다. 외측 금속 시일 링(93)은 원환 부재(94)를 통해 대응하는 엔드 리테이너(90 또는 91)와 결합하여 고정되고, 내측 금속 시일 링(93)은 원환 부재(94)를 통해 링 어셈블리(85)와 결합한다. 이 2개의 금속 시일 링(93)은 맞닿음하여 이동형 시일 경계면을 형성한다. 일반적으로, 엔드 리테이너(90, 91) 사이의 가용 내부 공간에는 윤활유, 예컨대 오일 또는 그리스가 충전된다.

회전 시일 그룹(92)은 베어링 어셈블리를 손상시키거나 파손시킬 수 있는 흙의 침입을 방지하기 위한 시일을 제공한다. 미케니컬 페이스 시일은 매우 가혹한 환경에서 신뢰성 있는 시일링 보호를 제공하도록 특수하게 설계되었다. 하지만, 커터 어셈블리(80)가 예컨대 포화된 매체 내의 상당한 깊이에서와 같이 높은 정수압 하중 부하를 가지는 환경에서 사용되는 경우에는, 외부 압력이 회전 시일 그룹(92)의 성능을 넘어서게 되고, 이는 커터 어셈블리의 고장을 초래할 수 있다. 고장 of the 커터 어셈블리.

도 2는 본 발명에 따른 압력 보정형 커터 어셈블리(100)의 단면도이다. 압력 보정형 커터 어셈블리(100)는 많은 측면에 있어 전술한 종래기술의 커터 어셈블리(80)와 유사하다. 허브(103) 상에 장착되어 리테이너 링(104)을 사용하여 고정된 환형 커터 링(102)을 구비한 링 어셈블리(105)가 도시되어 있다. 다른 구조의 링 어셈블리도 생각해 볼 수 있다. 예컨대, 대안적인 실시형태에서는, 커터 링과 허브가 도시의 바람직한 조립체가 아닌 단일의 일체형 구성요소로서 형성될 수도 있다. 링 어셈블리(105)는 좌우의 베어링 어셈블리를 사용하여 샤프트(101) 상에 회전 가능하게 장착되어 있으며, 각각의 베어링 어셈블리는 내측 레이스(107), 외측 레이스(108), 및 베어링 케이지(106) 내에 구속된 복수의 테이퍼형 롤러 베어링(109)을 구비하고 있다. 미케니컬 페이스 시일로 이루어진 한 쌍의 회전 시일 그룹(112)은 베어링 어셈블리에 대한 보호를 제공한다.

한쪽에서는(도 2의 좌측), 통상적인 엔드 리테이너(110)가 샤프트(101)에 부착되고, 반대쪽에서는(도 2의 우측), 압력 보정 리테이너 어셈블리(115)가 샤프트(101)에 부착된다. 이 실시형태에서, 압력 보정 엔드 리테이너(115)는, 이하에 진술하는 바와 같이, 고정형 리테이너(116) 및, 커터 어셈블리(100) 내 윤활유의 압력을 증가시키기 위한 피스톤으로서 작용하는 부동형 리테이너(floating retainer)(117)를 구비하고 있다.

고정형 리테이너(116)는 샤프트(101)에 고정되고, 부동형 리테이너(117)는 고정형 리테이너(116)와 슬라이딩 가능하게 결합한다. 현 실시형태에 있어서, 고정형 리테이너(116)는 샤프트(101) 상의 대응하는 나사와 결합하는 나사 중심 개구부(118)를 가지고 있다.

이제, 도 3을 참조하면, 도 3은 압력 보정 리테이너 어셈블리(115)를 단독적으로 도시한 단면도이다. 고정형 리테이너(116)는 회전 시일 그룹(112)의 비회전부와 결합하도록 외주부 내측 리세스부(119)를 가지고 있다. 하나 이상의 개구부(120)가 리세스부(119)를 통해 제공된다. 예컨대, 현 실시형태에서 있어서는, 4개의 균등 간격 개구부(120)가 제공되어 있다(도 3에서는 2개만 볼 수 있음). 외부 환형 슬롯(121)도 리세스부(119)와 중심 개구부(118) 사이의 반경방향 위치에 제공되고 있다.

부동형 리테이너(117)는 고정형 리테이너(116)의 외주부와 슬라이딩 가능하게 결합하도록 치수 및 위치 결정된 외측 벽(122), 및 환형 슬롯(121)과 슬라이딩 가능하게 결합하도록 치수 및 위치 결정된 내측 벽(122)을 구비한 U자형 단면을 가지고 있는 대략 환형의 링이다. 제1 O-링(124)이 부동형 리테이너(117)의 외측 벽(122)과 고정형 리테이너(116) 사이에 시일을 제공한다. 한 쌍의 O-링(125, 126)이 내측 벽(123)과 고정형 리테이너(116)의 환형 슬롯(121) 사이에 시일을 제공한다. 부동형 리테이너(117)를 통한 하나 이상의 나사 개구부(127)가 고정형 리테이너(116)와 부동형 리테이너(117) 사이의 갭(129) 내로 윤활유를 주입하기 위한 수단을 제공한다. 나사 개구부(127)는 대응하는 나사 플러그(128)에 의해 폐쇄된다.

이제, 커터 어셈블리(100) 내의 가용 공간도 윤활유로 충전되는 것을 상기하면서, 압력 보정형 커터 어셈블리(100)를 이해될 수 있다. 커터 어셈블리(100)의 정수압이 증가할 때, 예컨대, 천공 작업 중에 상당히 깊은 깊이에서 높은 포화도로 포화된 지반과 조우할 때, 높은 정수압은 부동형 리테이너(117)가 고정형 리테이너(116) 쪽으로 내향 이동하게 만들어, 갭(129) 내의 오일(또는 다른 윤활유)을 가압하고, 이에 의해 시일 그룹(112) 후방의 공간을 가압하게 될 것이다. 따라서, 시일 그룹(112)에 걸친 압력차는 부동형 리테이너(117)의 작동에 의해 자동적으로 작게 유지될 것이고, 베어링 어셈블리 내로의 이물질 침입의 위험성은 크게 감소된다.

본 발명에 따른 또 다른 실시형태의 압력 보정형 커터 어셈블리(200)가 도 4-6에 도시되어 있다. 도 4는 커터 어셈블리(200)의 단면도이고, 도 5는 커터 어셈블리(200)의 측면도이며, 도 6은 압력 포트의 폐쇄를 보여주는 상세 단면도이다.

이 예시의 실시형태는 허브(203) 상에 장착되어 리테이너 링(204)에 의해 고정된 2개의 커터 링(202)과 톱니형 스페이서(211)를 가진 이중 디스크 커터 어셈블리(200)를 도시하고 있다. 전술한 베어링 어셈블리와 마찬가지로, 베어링 어셈블리(207)가 링 어셈블리(205)를 중심 샤프트(201)에 회전 가능하게 커플링시킨다. 양쪽에 배치된 압력 보정 엔드 리테이너(215)가 샤프트(201)에 고정된다. 예컨대, 엔드 리테이너(215)는 볼트(206)를 사용하여 샤프트(201)에 부착될 수 있다. 전술한 회전 시일 그룹과 마찬가지로, 한 쌍의 회전 시일 그룹(212)이 회전 구성요소와 고정 구성요소 사이에 시일을 제공한다.

이 실시형태에 있어서는, 엔드 리테이너(215)의 각각이 외향 개방 환형 채널(230)을 한정하고 있다. 복수의 포트(216)가 엔드 리테이너(215)를 관통하여 환형 채널(230)로부터 커터 어셈블리(200)의 내부까지 뻗어 있다. 환형 피스톤(231)이 환형 채널(230) 내에 슬라이딩 가능하게 배치되어, O-링(224)을 사용하여 환형 채널(230)의 벽과 밀봉 결합하고 있다. 환형 피스톤(231)은 C-클립(232) 등을 사용하여 환형 채널(230) 내에 유지될 수 있다.

전술한 바와 같이, 커터 어셈블리(200)의 내부는 예컨대 오일과 같은 윤활유로 충전된다. 이 실시형태에 있어서는, 포트(216)와 환형 채널(230)의 안쪽 부분도 오일로 충전된다.

이제, 커터 어셈블리가 높은 정수압과 조우하게 될 경우, 외부 압력(P)이 환형 피스톤(231)을 안쪽으로 밀게 되어, 오일을 가압하고, 포트(216)를 통해 가압하고, 이에 의해 회전 시일 그룹(212)에 걸친 압력이 대략 균등화되도록 회전 시일 그룹(212) 후방 구역을 가압한다. 따라서, 회전 시일 그룹(212)에 걸친 압력차는 환형 피스톤(231)의 작동에 의해 작게 유지될 것이며, 베어링 어셈블리 내로의 이물질 침입의 위험성이 크게 감소된다.

본 발명에 따른 또 다른 실시형태의 압력 보정형 커터 어셈블리(300)가 도 7-9에 도시되어 있다. 도 7은 커터 어셈블리(300)의 사시도이고, 도 8은 커터 어셈블리(300)의 단면도이며, 도 9는 압력 포트의 폐쇄를 보여주는 상세 단면도이다.

커터 어셈블리(300)도 전술한 커터 어셈블리(200)와 마찬가지로 리테이너 링(304)을 사용하여 허브(303) 상에 장착된 2개의 커터 링(302)과 톱니형 스페이서(311)를 가지고 있는 이중 디스크 커터이다. 한 쌍의 테이퍼형 롤러 베어링 어셈블리(307)가 링 어셈블리(305)를 중심 샤프트(301)에 회전 가능하게 커플링시킨다. 양쪽에 배치된 압력 보정 엔드 리테이너(315)도 샤프트(301)에 부착된다. 한 쌍의 미케니컬 페이스 시일 회전 시일 그룹(312)이 회전하는 링 어셈블리(305)와 고정 구성요소 사이에 시일을 제공한다.

이 실시형태에 있어서는, 엔드 리테이너(315)는 대응하는 포트(316)를 통해 커터 어셈블리(300)의 내부에 연결되는 복수의 원통형 리세스(330)를 각 엔드 리테이너(315)의 외면에 구비하고 있다. 부동 디스크형 피스톤(331)이 각각의 원통형 리세스(330) 내에 배치되어, O-링(324)을 통해 원통형 리세스(330)와 밀봉 결합하고 있다. 원형 주름진 또는 달리 확장가능한 시일(333)이 흙과 다른 이물질로부터 원통형 리세스(330)를 보호한다. 시일(333)은 C-클립(332) 등을 사용하여 리세스(330) 내에 유지될 수 있다.

전술한 실시형태들과 마찬가지로, 커터 어셈블리(300)는 윤활유로 충전되고, 원통형 리세스(330)도 적어도 대응하는 피스톤(331)에서 안쪽에 위치하는 부분이 윤활유로 충전된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 커터 어셈블리(300)가 외부 정수압(P)을 받게 될 때, 피스톤(331)이 안쪽으로 가압되어, 대응하는 리세스(330) 내의 윤활유를 가압하게 되고, 이에 의해 커터 어셈블리(300)의 내부를 가압하게 될 것이다. 따라서, 커터 어셈블리(300)의 내부 압력은 대략 외부 정수압(P)과 평형하게 될 것이다.

엔드 리테이너(315)가 현 실시형태에서 3개의 원통형 리세스(330)를 가지고 있는 것으로 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적은 압력 보정 메커니즘이 이용될 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

또한, 확장가능한 시일(333)에 대응하는 외부 확장가능한 시일이 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자에 명백한 간단한 변화로 전술한 제2 실시형태(200)에 편입될 수 있다는 것도 이해할 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.