復(fù)合地層頂管機刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用

李光朋，李延民

（1.鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450001）

頂管法施工具有不需要開挖地面、開挖速度快、占地面積少、環(huán)保、高效等優(yōu)勢，在施工過程中能最大限度的減小對地面交通和居民正常生活的影響，同時還能獲得較高的工程質(zhì)量，因此頂管機廣泛用于地下穿越河流、道路、建筑等具有條件限制的管道工程建設(shè)中[1-2]。

頂管機在國內(nèi)的應(yīng)用地質(zhì)多數(shù)為粉土、砂土、黏土、淤泥等富水的軟土地層[3]，而在軟巖和硬巖交替出現(xiàn)的復(fù)合地層條件下應(yīng)用較少，且常規(guī)的電機驅(qū)動刀盤的形式在這種復(fù)合地層條件下工作，經(jīng)常會出現(xiàn)超轉(zhuǎn)矩、卡刀盤等掘不動的情況。采用液壓驅(qū)動刀盤能更適應(yīng)硬巖以及復(fù)合地層下掘進，同時閉式液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、調(diào)速范圍寬和油液不易污染等優(yōu)點，適用于大功率的場合，能夠滿足刀盤對扭矩和轉(zhuǎn)速的需要[4]。

1 工程概況

擬建管道地處于南寧盆地高級階地及盆地邊緣剝蝕丘陵區(qū)的壟狀高丘區(qū)和剝蝕殘丘谷地區(qū)，巖土層種類較多，地形地貌較復(fù)雜，性質(zhì)變化較大。場地巖土層分布自上而下為新近堆積形成素填土、第四系殘坡積形成黏土、下伏石炭系石灰?guī)r，還存在溶洞，地貌外觀如圖1所示，斷面示意圖如圖2所示，各巖土層物理力學(xué)指標如表1所示。

圖1 地貌外觀圖

表1 各巖土層物理力學(xué)指標

由此復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以看出，頂管機在施工過程中要適應(yīng)紅黏土結(jié)泥餅糊刀盤的工況，也要適應(yīng)石灰?guī)r層大沖擊的工況，也要適應(yīng)多種地質(zhì)并存時刀盤受力不均勻卡刀盤的工況，也就要求頂管機有脫困、低速、高速3種工作模式來適應(yīng)復(fù)合地層的施工要求。

圖2 管斷面示意圖

2 中心刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)

頂管機施工的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，沿線貫穿石灰?guī)r、紅黏土、雜填土等巖層，中間還伴有溶洞，這就要求刀盤具有大扭矩、抗沖擊的能力，而且還要能根據(jù)地質(zhì)的不同調(diào)整轉(zhuǎn)速[5]。根據(jù)以上工況要求設(shè)計了脫困、低速、高速3種工作模式，驅(qū)動方式采用變量馬達-變量泵的閉式液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)占用空間小，安裝結(jié)構(gòu)緊湊，大功率工況下效率高，能量損耗就小，而且變量馬達-變量泵系統(tǒng)的調(diào)速范圍也比較大，能夠使用復(fù)合地層的工況[6]。中心刀盤閉式液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 刀盤驅(qū)動液壓系統(tǒng)原理圖

液壓系統(tǒng)采用2臺電液比例雙向變量柱塞泵（簡稱變量柱塞泵），配合1臺雙速液壓變量馬達（簡稱變量馬達）的驅(qū)動方式，速度調(diào)節(jié)以變量柱塞泵為主，以變量馬達為輔，通過調(diào)整變量柱塞泵斜盤擺向和擺角來改變系統(tǒng)油液的方向和流量的大小，從而改變變量馬達的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。2個變量柱塞泵的A口同時出油時，變量馬達正轉(zhuǎn)，輸入電信號越大轉(zhuǎn)速越高；相反，變量柱塞泵的B口同時出油時，變量馬達實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。另外，變量柱塞泵后邊還串聯(lián)沖洗泵和循環(huán)泵。沖洗泵的壓力油通過沖洗控制閥組實現(xiàn)對變量馬達的沖洗和雙速切換控制；循環(huán)泵對系統(tǒng)的油液進行過濾，同時給散熱器提供一定流量的油進行散熱；熱交換器中油和水反向?qū)α鲗崿F(xiàn)對液壓系統(tǒng)的冷卻；雙速閥用來切換變量馬達的高低速工作模式，電磁鐵ZQ01不得電時，雙速閥處于圖示的右位，變量馬達為低速模式；電磁鐵ZQ01得電時，雙速閥換到左位，變量馬達為高速模式；熱油閥將系統(tǒng)中的熱油流進熱交換器進行散熱，然后流入油箱，同時變量柱塞泵中的補油泵給系統(tǒng)補充一定量冷卻的油液，以維持整個系統(tǒng)的熱平衡。

3 實際應(yīng)用與分析

對施工地點的地質(zhì)條件進行分析，根據(jù)經(jīng)驗及其施工工藝分別給出刀盤在脫困、低速、高速3種工作模式下刀盤的轉(zhuǎn)速和扭矩，具體參數(shù)如表2所示。

表2 刀盤的基本參數(shù)

根據(jù)上述刀盤在脫困、低速和高速3種模式下的轉(zhuǎn)速和扭矩，以及液壓系統(tǒng)的變量特性和恒功率的控制，經(jīng)過計算可繪制出刀盤轉(zhuǎn)速扭矩曲線圖，如圖4所示。

表3是在雜填土和紅黏土等軟巖地質(zhì)條件下施工時采集的數(shù)據(jù)。在軟巖地質(zhì)情況下采用刀盤低速模式施工，此時后邊頂推力比較大，刀盤的切削量也比較大，刀盤的扭矩也就比較大，這樣才能保證頂管的整體掘進速度穩(wěn)定在一定的范圍。施工在中間地段時，地質(zhì)由軟巖變成了以石灰?guī)r為主的硬巖地質(zhì)，在此工況下采用刀盤的高速模式進行施工。這種模式下刀盤扭矩比較小轉(zhuǎn)速較高，以破碎石灰?guī)r的方式進行掘進，此時總頂推力也相應(yīng)的減小。表4是在石灰?guī)r地質(zhì)情況掘進時采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 刀盤轉(zhuǎn)速扭矩曲線圖

圖5 18～19號管節(jié)刀盤扭矩轉(zhuǎn)速曲線圖

圖6 33～34號管節(jié)刀盤扭矩轉(zhuǎn)速曲線圖

根據(jù)表3和表4中刀盤扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，繪制出曲線如圖5、圖6所示。

分析圖5數(shù)據(jù)，刀盤扭矩最低為354kN/m、最高為448kN/m，刀盤轉(zhuǎn)速最低為1.8r/min、最高為2.1r/min，與圖4對比可得在掘進第18～19管節(jié)時刀盤處于低速擋，符合刀盤在掘進雜填土和紅黏土等軟巖地質(zhì)時的工作狀態(tài)；分析圖6數(shù)據(jù)，刀盤扭矩最低為111.9kN/m、最高為352kN/m，刀盤轉(zhuǎn)速最低為4.4r/min、最高為5.2r/min，與圖4對比可得在掘進第33～34管節(jié)時刀盤處于高速擋，符合刀盤掘進以石灰?guī)r為主的硬巖地質(zhì)時的工作狀態(tài)。

4 結(jié) 語

表3 軟巖地質(zhì)情況下掘進數(shù)據(jù)記錄

表4 石灰?guī)r地質(zhì)情況下掘進數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)實際應(yīng)用情況來看，采用閉式液壓系統(tǒng)驅(qū)動刀盤的方式，能夠滿足復(fù)合地層的施工要求，在不同的地質(zhì)條件下，切換3種工作模式來適應(yīng)地層的掘進要求，在紅黏土軟巖地層施工時采用刀盤低速模式施工，在石灰?guī)r硬巖地層施工時采用刀盤的高速模式進行掘進，整個掘進過程中沒有出現(xiàn)卡頓和掘不動的情況。