ZT- TG500型推管機(jī)的研制

魏華超

(無(wú)錫市鉆通工程機(jī)械有限公司，江蘇 無(wú)錫 214161)

在非開(kāi)挖施工過(guò)程中，由于導(dǎo)向鉆孔與擴(kuò)孔不良，導(dǎo)致在管線回拖時(shí)會(huì)出現(xiàn)管線拉不動(dòng)的現(xiàn)象。原來(lái)處理管線拉不動(dòng)時(shí)，一般采用夯管錘和滑輪組兩種方法。用夯管錘進(jìn)行夯擊，夯擊力過(guò)大會(huì)造成鋼管損傷，同時(shí)還可能會(huì)損壞導(dǎo)向鉆機(jī)，此外，對(duì)于長(zhǎng)距離的入洞管線，夯擊后產(chǎn)生的能量沿管線傳遞到管端損失較大，因此處理效果不明顯，有它的局限性。滑輪組則一般用于在非開(kāi)挖設(shè)備回拖時(shí)，由于鉆具斷掉而不能重新連接上，可以用鋼絲繞繩滑輪組連接管線，再用其它動(dòng)力源來(lái)拖動(dòng)滑輪組，帶動(dòng)管線后退，但是這樣做比較麻煩，速度也較慢，占用場(chǎng)地非常大。如果場(chǎng)地不合適，則不能使用此方法。為此，我們研發(fā)了ZT- TG500型推管機(jī)，可以用于回拉管線，也可為一些工程回拖時(shí)，起到助力的作用。

1 ZT- TG500型推管機(jī)工作原理

推管機(jī)需要把機(jī)座部分固定好，根據(jù)鋪設(shè)管線的入洞角度調(diào)整推力油缸的角度，它是使用兩個(gè)推力油缸推動(dòng)抱緊在鋼管上的夾持器體來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將鋼管拔出孔外或者推入孔內(nèi)(如圖1所示)。

2 主要參數(shù)

操作角度0°～15°，額定壓力25 MPa，夾持管徑范圍711～1016 mm，推力5000 kN、拉力3500 kN，油缸行程3500mm，推進(jìn)速度3.5m/min，柴油機(jī)功率448 kW，整體質(zhì)量45 t。

圖1 工作原理示意圖

3 總體設(shè)計(jì)

TG- 500型推管機(jī)可以?shī)A持4種不同規(guī)格的鋼管，直徑分別為711、813、916、1016 mm，并配有動(dòng)力裝置。采用分體式結(jié)構(gòu)，主要由夾持器體、機(jī)座、動(dòng)力站、操作臺(tái)等部分組成，2個(gè)推力油缸分別位于機(jī)座兩側(cè)，用來(lái)推動(dòng)夾持器體前進(jìn)與后退；動(dòng)力站與其他幾部分通過(guò)油管、電纜等連接在一起?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

4 主要結(jié)構(gòu)及其功能

4.1 夾持器體

采用雙開(kāi)對(duì)夾式的抱管裝置，由左夾持器體、右?jiàn)A持器體、卡瓦、夾持油缸等組成。夾持鋼管時(shí)通過(guò)四瓣卡瓦，卡瓦連接在夾持器油缸前端，夾緊時(shí)采用分流馬達(dá)對(duì)各個(gè)油缸平均分配流量，保證夾持的對(duì)中性。左夾持器體與右?jiàn)A持器體上部和下部通過(guò)銷軸連接，下面的銷軸配有插拔油缸，動(dòng)力站給油缸供油，油缸連接銷軸，便于抱管裝置的安裝。安裝時(shí)，夾持器頂端有一個(gè)張開(kāi)油缸，當(dāng)下面的油缸銷軸拆除后，夾持器體吊起后，油缸縮回，左右?jiàn)A持器體下面就可以張開(kāi)，猶如一把張開(kāi)剪刀，夾持器體就可以方便的“騎”在鋼管之上，然后上部張開(kāi)油缸活塞桿伸出，抱管裝置閉合，這時(shí)下面的銷軸通過(guò)插拔油缸裝入，即可完成夾持器體的安裝。夾持鋼管用的卡瓦涂覆特殊配方的橡膠涂層，保證夾緊時(shí)不損壞鋼管表面的防腐層，同時(shí)保證足夠的夾持力而不打滑，此部件非常關(guān)鍵。夾持器整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—左夾持器體；2—張開(kāi)油缸；3—上銷軸；4—夾持油缸；5—右?jiàn)A持器體；6—卡瓦；7—下銷軸及拆卸裝置

圖3夾持器體結(jié)構(gòu)圖

4.2 機(jī)座

機(jī)座為拆卸式箱型框式梁結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋼板焊接。整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，機(jī)座兩側(cè)配有很多穿管孔，用來(lái)固定機(jī)座的。用左右對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)，中間通過(guò)四個(gè)橫梁，橫梁與兩側(cè)底梁通過(guò)銷軸固定，可以拆卸，兩個(gè)推力油缸安裝在左右兩側(cè)的底梁的搖擺座之上，用來(lái)推動(dòng)夾持器體前進(jìn)與后退。底梁與推力油缸之間有調(diào)節(jié)油缸連接，可用調(diào)節(jié)油缸調(diào)節(jié)推力油缸的角度。機(jī)座的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 機(jī)座結(jié)構(gòu)圖

4.3 動(dòng)力站

動(dòng)力站為吊裝結(jié)構(gòu)，將柴油機(jī)、油泵、油箱集成在一個(gè)共用底盤上，同時(shí)配有隔音裝置，減少噪音，頂端配有起重吊耳，便于吊裝。柴油機(jī)為中美合資的重慶康明斯公司生產(chǎn)的，帶有渦輪增壓器，動(dòng)力強(qiáng)勁，滿足施工需要。

4.4 操作臺(tái)

操作臺(tái)為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，操作手柄、開(kāi)關(guān)及按鈕都安裝在一個(gè)操作面板上，便于集中控制。壓力表安裝在頂端，便于觀察。視野比較開(kāi)闊，很方便看到機(jī)器的動(dòng)態(tài)變化。推、拉采用電比例手柄，夾持器為電開(kāi)關(guān)，輔助動(dòng)作采用手動(dòng)多路閥，集成一起，操作方便，配有兩泵合流開(kāi)關(guān)，當(dāng)夾持器夾緊后，夾持泵的油并入推拉系統(tǒng)，提高推拉的速度，實(shí)現(xiàn)夾持器體的快速進(jìn)退，提高工作效率。

4.5 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感及電液比例控制技術(shù)，將系統(tǒng)負(fù)載的變化通過(guò)比例閥上的LS口反饋給泵的變量控制系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)載的需要自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出流量和工作壓力，便于系統(tǒng)處于最佳功率匹配，通過(guò)電比例手柄控制泵的輸出流量來(lái)控制推拉油缸的速度，可以更加精確的控制油缸的行程。能夠?qū)崿F(xiàn)零到最大無(wú)級(jí)調(diào)速，并根據(jù)鋼管承受的拉力，設(shè)定不同的推拉力。液壓系統(tǒng)如圖5所示。

圖5液壓系統(tǒng)原理圖

4.6 電氣控制系統(tǒng)

整機(jī)通過(guò)比例開(kāi)關(guān)- PLC- 執(zhí)行元件(液壓缸)來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)變化的負(fù)載來(lái)做出相應(yīng)的操作，推拉系統(tǒng)根據(jù)電手柄給予的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)泵的電流大小，控制油泵輸出不同的流量，可以精確控制。應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)，優(yōu)化各儀表顯示位置，采用大的儀表，易于觀察，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，操作方便。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、液壓油油位溫度、回油過(guò)濾等參數(shù)監(jiān)測(cè)報(bào)警，有效保護(hù)機(jī)器安全。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 卡瓦橡膠涂覆技術(shù)

卡瓦上的橡膠與鋼件本身的粘合技術(shù)，卡瓦上承受很大的徑向載荷與軸向載荷，防止在推拉時(shí)粘在卡瓦鋼件上的橡膠剝離掉，還有夾持鋼管時(shí)，卡瓦橡膠是否打滑，經(jīng)過(guò)查詢資料與其他公司考察，橡膠的涂覆在國(guó)內(nèi)也常見(jiàn)，但是結(jié)合牢度都沒(méi)有很大保證。橡膠要有一個(gè)硬度標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)保證橡膠的強(qiáng)度。加工方法是利用真空加熱爐進(jìn)行硫化橡膠處理，使其粘附在鋼件上，先是做樣品試驗(yàn)，試件規(guī)格及試驗(yàn)條件如下。

名稱：橡膠減震器；

規(guī)格：外徑200 mm，膠體厚度14 mm，承載面積0.0314 m2，橡膠體表面硬度70 HA；

試驗(yàn)溫度：23 ℃；

測(cè)試類型：靜剛度測(cè)試，靜剛度測(cè)量值3597.759 N/mm；

加載速度：10 mm/min。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。然后再進(jìn)行整體加工，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用證明，橡膠的粘合技術(shù)達(dá)到了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

表1 試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

5.2 雙油缸同步防扭技術(shù)

兩個(gè)推力油缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)，要保證同步問(wèn)題。采用大流量分流閥，一分二的結(jié)構(gòu)保證兩邊流量均勻，但是油缸推進(jìn)過(guò)程中油缸活塞桿是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，這樣會(huì)出現(xiàn)兩只油缸活塞桿扭曲。如果夾持鋼管受力不均勻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)擠壓鋼管，導(dǎo)致鋼管變形，因此在夾持器底部增加一個(gè)可以滑動(dòng)的導(dǎo)軌，保證夾持器體不會(huì)上下左右來(lái)回晃動(dòng)，阻止了夾持器體整體偏移和扭轉(zhuǎn)。導(dǎo)軌局部示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 導(dǎo)軌局部示意圖

6 工程應(yīng)用實(shí)例

6.1 工程案例1

山東青州供水工程，此工程是連接兩個(gè)水塘的穿越，水平長(zhǎng)度大約1100 m，地層主要為粘土和回填土。起初是用國(guó)內(nèi)某型120 t鉆機(jī)回拖管線，由于回拖阻力較大，達(dá)到鉆機(jī)的最大極限拉力，不能回拖，因此更換大型350 t鉆機(jī)進(jìn)行繼續(xù)施工。然而鉆機(jī)拉力上去了，并沒(méi)有考慮鉆桿鉆具是否能夠承受此拉力。在回拖過(guò)程中，連接分動(dòng)器的U形環(huán)斷裂，經(jīng)過(guò)一番打撈，未能打撈到U形環(huán)，因此不能繼續(xù)回拖管線。于是決定采用ZT- TG500型推管機(jī)把入洞的460 m自來(lái)水管拔出孔外，經(jīng)過(guò)1天的努力順利地把鋼管從孔內(nèi)拔出。鋼管直徑820 mm，壁厚12 mm，孔內(nèi)長(zhǎng)度460 m，純推管時(shí)間不到10 h，推管機(jī)行程3 m，一個(gè)回次的時(shí)間≯3.5 min?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見(jiàn)圖7。

圖7 青州施工現(xiàn)場(chǎng)照片

6.2 工程案例2

哈爾濱市松花江水源松北區(qū)供水工程- 過(guò)江管線工程，安裝起點(diǎn)樁號(hào)0+143.40，終點(diǎn)2+941，包括3根?800 mm平行過(guò)江的鋼管，兩座起終點(diǎn)處的閥門井施工及閥門井內(nèi)的管道設(shè)備安裝一根?1600 mm鋼管原水管線翻堤施工。本工程過(guò)江管道采用定向鉆穿越工藝，管道直徑800 mm，管道平行間距10 m，總長(zhǎng)度3000 m,管道定向鉆穿越入土點(diǎn)設(shè)置在松花江北堤外100 m，出土點(diǎn)設(shè)置在一水源堤外100 m，管材選用L360材質(zhì)的鋼管，內(nèi)外均涂覆防腐層。松花江北岸為河流侵蝕堆積地貌，屬松花江流域河谷一階地，其成因?yàn)榈谒募o(jì)沖擊作用形成。地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要是雜填土、粘土、中砂、細(xì)砂、泥土層等。

2017年10月在哈爾濱松花江穿越工程中助力管線順利回拖成功，鋼管直徑813 mm，長(zhǎng)度3000 m。此工程回拖采用國(guó)內(nèi)某公司500 t鉆機(jī)進(jìn)行管線回拖，起步拉力約為2600 kN，回拉時(shí)管線反彈力較大鉆桿不容易拆卸，拆卸距離不夠，只好增加3 m短鉆桿進(jìn)行消除反彈距離，拆卸每一根回拖鉆桿比較費(fèi)時(shí)。在回拖到約2200 m時(shí)，孔內(nèi)的分動(dòng)器損壞，導(dǎo)致鉆桿不能旋轉(zhuǎn)，同時(shí)擴(kuò)孔器水眼堵住，泥漿不能灌入，此時(shí)回拖力一直往上增加，直到鉆機(jī)達(dá)到最大拉力時(shí)，不能回拖管線。這時(shí)啟用早已準(zhǔn)備好的推管機(jī)在后方進(jìn)行助力，當(dāng)助力達(dá)到3000 kN時(shí)，管線開(kāi)始動(dòng)起來(lái)了，前場(chǎng)鉆機(jī)也在用力回拖，當(dāng)管線入洞一段距離后，助力開(kāi)始下降到2000 kN，鉆機(jī)回拖力為3500 kN，助力速度為3 m/min，鉆桿長(zhǎng)度為9.6 m,推管機(jī)行程3 m，拆卸一根鉆桿，推管機(jī)要往復(fù)運(yùn)動(dòng)4次。經(jīng)過(guò)一天一夜的持續(xù)助力，管線最終在前場(chǎng)露出了頭，回拖成功。通過(guò)這兩次施工，各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定，得到了客戶的高度認(rèn)可。施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8。

圖8 哈爾濱施工現(xiàn)場(chǎng)照片

7 結(jié)語(yǔ)

(1)該推管機(jī)具有很強(qiáng)的實(shí)用性和創(chuàng)新性。通過(guò)以上兩個(gè)案例的實(shí)施，輔助導(dǎo)向鉆機(jī)完成拖管任務(wù)，卡瓦橡膠涂覆技術(shù)，采用真空硫化，而不采用常規(guī)的模具壓制，通過(guò)使用取得了良好效果。

(2)推管機(jī)的分體式結(jié)構(gòu)，便于運(yùn)輸，組裝與拆卸方便，全部采用快速連接方式。

(3)工作穩(wěn)定性可靠，操作簡(jiǎn)單，控制開(kāi)關(guān)集中，得到的了操作者的認(rèn)可和歡迎。

(4)建議推管機(jī)速度要提高，行程加長(zhǎng)，可以使工作效率更高。

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