細(xì)土篩分輸送和管溝回填一體化裝置的開發(fā)

魏 瑄，吳寅虎，劉 潔，王 巍，陳 元

中國石油天然氣管道局第二工程公司，江蘇徐州 221008

細(xì)土回填工序是管道施工中的重要工序，其施工質(zhì)量會(huì)影響到管道后期運(yùn)行的安全及壽命，其進(jìn)度也會(huì)影響和制約工程總體施工進(jìn)度。管道施工中細(xì)土回填主要應(yīng)用于石方、戈壁或凍土段管溝。目前，細(xì)土回填主要采用挖掘機(jī)配合網(wǎng)篩篩土法進(jìn)行，它無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化連續(xù)作業(yè)，效率低，且存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，直接影響到管道下溝和管溝回填施工進(jìn)度，同時(shí)也影響后續(xù)的清管試壓作業(yè)，從而制約工程總體施工進(jìn)度。

目前，細(xì)土回填工序作業(yè)過程不連續(xù)。其做法是先將大土塊篩分后，再用挖掘機(jī)把篩分土回填到管溝，作業(yè)流程不連續(xù)，影響施工效率。篩分作業(yè)主要采用挖掘機(jī)配合網(wǎng)篩的方式進(jìn)行，網(wǎng)篩篩分出來的粒徑有時(shí)不符合國標(biāo)GB 50369—2014所規(guī)定的粒徑不得大于20 mm[1-2]的要求，影響回填工序的質(zhì)量。隨著施工技術(shù)的發(fā)展，管道工程已經(jīng)逐步進(jìn)入機(jī)械化施工、智能化管理時(shí)代，機(jī)械化設(shè)備已經(jīng)成熟地應(yīng)用在管道施工的各個(gè)工序，比如機(jī)械化補(bǔ)口、全自動(dòng)焊接等，但是在管道施工中，尚未見到集篩分和回填功能于一體的機(jī)械化設(shè)備。

基于以上幾方面的考慮，本文提出了一種基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置，該裝置適用于管溝的細(xì)土回填，可在極大降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，高效率、高質(zhì)量地完成管溝細(xì)土的回填作業(yè)。

1 細(xì)土篩分回填裝置設(shè)計(jì)的總體思路

1.1 設(shè)計(jì)概述

本文提出的基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置安裝在推土機(jī)上使用，可以實(shí)現(xiàn)上料、細(xì)土篩分、回填功能，推土機(jī)在行進(jìn)的過程中，溝邊土通過上料系統(tǒng)進(jìn)入到篩分系統(tǒng)，經(jīng)過篩分系統(tǒng)篩分出的符合標(biāo)準(zhǔn)的回填土再通過輸送回填系統(tǒng)回填到管溝，整個(gè)過程為連續(xù)機(jī)械化作業(yè)。

整個(gè)裝置的動(dòng)力由推土機(jī)動(dòng)力源提供，本裝置可以根據(jù)推土機(jī)的推進(jìn)速度自動(dòng)匹配上料速度，也可以根據(jù)管溝寬度設(shè)置輸送帶伸出的相應(yīng)距離。在回填過程中，實(shí)時(shí)采集監(jiān)控設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過3G或者GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到指定的網(wǎng)址或者多個(gè)項(xiàng)目管理服務(wù)器。項(xiàng)目管理員也能夠及時(shí)掌握施工情況?；谕仆翙C(jī)的細(xì)土篩分回填裝置的設(shè)計(jì)思路見圖1。

圖1 基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置的設(shè)計(jì)思路

1.2 細(xì)土篩分回填裝置的結(jié)構(gòu)及功能

基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置主要由推土機(jī)后輸出系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、輸送回填系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。推土機(jī)后輸出系統(tǒng)用于從推土機(jī)取得動(dòng)力源，上料系統(tǒng)用于在推土機(jī)行進(jìn)的過程中完成土塊的上料，篩分系統(tǒng)主要用于篩分出合格的細(xì)土，輸送回填系統(tǒng)用于將合格的細(xì)土輸送、回填到管溝中。

圖2 基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置的系統(tǒng)組成

基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置安裝在推土機(jī)上，實(shí)現(xiàn)裝置的抬升，適應(yīng)不同高度的土堆。在推土機(jī)的行走過程中，上料系統(tǒng)完成土塊的上料，篩分系統(tǒng)篩分出粒徑小于20 mm細(xì)土，輸送回填系統(tǒng)將篩分出的細(xì)土直接回填到管溝中。該裝置可以自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送帶伸出到管溝的距離以適應(yīng)不同寬度的管溝，適用于D273～1 219 mm鋼管的管溝。控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)裝置的工作過程進(jìn)行控制，并將運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面。其主要參數(shù)如表1所示。

表1 基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置的主要技術(shù)參數(shù)

2 機(jī)械及液壓設(shè)計(jì)

2.1 細(xì)土篩分裝置與推土機(jī)連接系統(tǒng)

細(xì)土篩分裝置與推土機(jī)的連接系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力后輸出系統(tǒng)和推桿架組成（見圖3），主要實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)力源的引出和推土機(jī)機(jī)械的連接。

圖3 推土機(jī)后輸出系統(tǒng)連接及推桿架設(shè)計(jì)

（1）推土機(jī)后輸出系統(tǒng)的連接主要由三聯(lián)泵、鐘罩、軸承座、軸承和連接軸等組成。細(xì)土篩分裝置后輸出軸系統(tǒng)與推土機(jī)齒輪箱的后輸出軸連接，通過新增加的后輸出軸將動(dòng)力引出至三聯(lián)泵，再分配給上料系統(tǒng)、土塊篩分系統(tǒng)、輸送帶、推桿，細(xì)土篩分裝置后輸出軸系統(tǒng)在整個(gè)動(dòng)力傳送過程中起著承上啟下的作用。

（2）細(xì)土篩分輸送裝置推桿架。推桿架主要由推桿、推桿油缸、斜支撐架和鉸軸等組成。篩分系統(tǒng)的篩分機(jī)架通過鉸軸、螺栓分別與推桿、斜支撐架連接，推桿與推土機(jī)相連。細(xì)土篩分輸送裝置推桿架的主要作用是連接細(xì)土篩分系統(tǒng)和推土機(jī)。

2.2 細(xì)土篩分輸送裝置的上料系統(tǒng)

（1）上料系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。上料系統(tǒng)的主要功能是將沿管溝堆放的土塊旋挖至土塊篩分系統(tǒng)。上料系統(tǒng)主要由上料滾筒、上料軸、上料架和上料馬達(dá)等組成。上料滾筒由3個(gè)獨(dú)立的滾筒組成，3個(gè)獨(dú)立的滾筒分別安裝在上料軸上，上料滾筒整體地安裝在上料架上，兩端分別通過軸端法蘭進(jìn)行定位。上料馬達(dá)安裝在上料軸內(nèi)，在上料馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，3個(gè)獨(dú)立滾筒一起旋轉(zhuǎn)，從而完成土塊上料工作。滾筒上料系統(tǒng)裝配圖見圖4。

（2）上料系統(tǒng)的計(jì)算。

圖4 滾筒上料系統(tǒng)裝配圖

式中：ρ421為線密度，kg/m；m421為滾筒內(nèi)泥土的有效質(zhì)量，kg；D411為滾筒外徑，mm；D412為滾筒內(nèi)徑，mm。

式中：M421為單滾筒力矩，kN·m，g為重力加速度，m/s2。

式中：P421為滾筒驅(qū)動(dòng)功率，kW；n421為每分鐘滾筒需要轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，r/min。

2.3 細(xì)土篩分輸送裝置土塊篩分系統(tǒng)

2.3.1 篩分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

土塊篩分系統(tǒng)的主要功能是將上料傳送來的物料進(jìn)行篩分，直徑20 mm以下的土塊直接穿過篩分葉片間空隙篩分漏到輸送帶上，直徑20 mm以上的土塊經(jīng)過篩分軸的同向運(yùn)動(dòng)輸送到篩分架后側(cè)。土塊篩分系統(tǒng)主要由齒輪組箱、過渡箱、聯(lián)軸器箱、篩分輥齒、篩分機(jī)架（含支撐橫梁）、篩分馬達(dá)等組成[3]。土塊篩分系統(tǒng)的底部安裝兩個(gè)地輪，具有支撐和行走作用。篩分系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖及裝配圖見圖5。

圖5 篩分系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖及裝配圖

第一，齒輪組箱：齒輪組箱主要由齒輪箱體、上排齒輪、下排齒輪、上排齒輪軸、下排齒輪軸、上排齒輪軸承、下排齒輪軸承、密封圈等組成。第二，過渡箱：過渡箱主要由上限位板、定位板、下限位板等組成。第三，聯(lián)軸器箱：聯(lián)軸器箱主要由聯(lián)軸器箱體、半聯(lián)軸器、彈性件和緊定螺釘?shù)冉M成，半聯(lián)軸器、彈性件和緊定螺釘構(gòu)成一個(gè)彈性聯(lián)軸器，主要連接下排齒輪軸和篩分半軸、聯(lián)軸。第四，篩分輥齒：篩分輥齒由篩分半軸、篩分半軸固定座、輥齒、篩分軸等組成，篩分半軸用于與篩分軸連接，安裝在篩分半軸固定座上，輥齒通過平鍵與篩分軸連接，更換輥齒時(shí)，只需要將篩分半軸固定座打開，拿出篩分軸即可。第五，篩分機(jī)架：篩分機(jī)架主要由篩分半軸固定座、支撐橫梁、擋土條、導(dǎo)土板、機(jī)架等組成。篩分機(jī)構(gòu)輥齒、齒輪箱、聯(lián)軸器箱主要部件見圖6。

2.3.2 篩分系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）每小時(shí)篩分質(zhì)量計(jì)算。

式中：Q21為每小時(shí)篩分質(zhì)量，kg/h；ρ11為土壤密度，kg/m3；D21為篩分輪大徑，mm；D22為篩分輪小徑，mm；L21為篩分軸長度，m；n21為篩分軸轉(zhuǎn)速，r/min；m21為篩分軸數(shù)量；η21為篩分系數(shù)。

取 ρ11=2 500 kg/m3，D21=150 mm，D22=120 mm，L21=1.3 mm，n21=120 r/min，m21=7，η21=0.4，通過式（4） 計(jì)算得出，Q21=416.82×103kg/h，符合設(shè)計(jì)值每小時(shí)篩分質(zhì)量m11=300×103kg/h的設(shè)計(jì)要求。

（2）篩分功率計(jì)算。

先計(jì)算半邊剪切驅(qū)動(dòng)扭矩：

式中：M221為半邊剪切驅(qū)動(dòng)扭矩，kN·m；τ為土壤抗剪強(qiáng)度，MPa；φ為剪切系數(shù)；A222為單軸切割總面積，m2。

由半邊剪切驅(qū)動(dòng)扭矩可以計(jì)算出篩分總功率：

式中：P222為篩分總功率，kW。

2.4 輸送回填系統(tǒng)

2.4.1 輸送回填系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

輸送帶系統(tǒng)的主要功能是承接細(xì)土篩分輸送裝置篩漏下來的物料并傳輸?shù)焦軠?。輸送帶系統(tǒng)主要由輸送帶架、側(cè)支架、上托輥、下托輥、輸送帶、軸承座、調(diào)節(jié)螺絲、主動(dòng)滾筒、從動(dòng)滾筒、輸送帶馬達(dá)等組成。輸送架伸出的長度可以根據(jù)管溝情況的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過人機(jī)界面設(shè)置好伸出距離，可自動(dòng)調(diào)節(jié)。輸送帶設(shè)計(jì)圖及裝配圖見圖7。

圖7 輸送帶設(shè)計(jì)圖及裝配圖

2.4.2 輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

（1） 輸送帶設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)。其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 輸送帶設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)

（2）輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算。

輸送帶理論帶寬B621：

式中：B621為理論輸送帶寬，m；k612為載斷面因數(shù)；V614為膠帶運(yùn)行速度，m/s；c613為皮帶機(jī)傾角因素。

輸送帶每小時(shí)輸送量Q615：

式中：Q615為膠帶每小時(shí)輸送量，kg/h；B611為目標(biāo)值輸送帶寬，m。

式中：M645為輸送帶驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m；W644為輸送帶驅(qū)動(dòng)功率，W；D641為驅(qū)動(dòng)輪直徑，mm；V642為輸送帶運(yùn)行速度，m/s。

式中：N645為輸送帶單位驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m/MPa；P646為液壓系統(tǒng)壓力，MPa。

式中：V648為馬達(dá)排量，mL/r；D641為驅(qū)動(dòng)輪直徑，mm；W644為輸送帶驅(qū)動(dòng)功率，kW；P646為液壓系統(tǒng)壓力，MPa；V642為輸送帶運(yùn)行速度，m/s。

（3） 校核與選型計(jì)算。取m11=300×103kg/h；k612=0.127；ρ11=2 500 kg/m3；V614=1.25 m/s；c613=1，由式（7）計(jì)算得出B621=0.818 m，目標(biāo)值輸送帶寬B611=0.85 m，因此滿足皮帶寬度的要求。

取 k612=0.127；B611=0.85 m；ρ11=2 500 kg/m3；V614=1.25 m/s；c613=1，由式（8）計(jì)算得出，Q615=1×106kg/h=1 000 t/h＞200 t/h，滿足皮帶運(yùn)量的要求。

由表2得，D641=250 mm；V642=1.6 m/s；W644=7.5 kW；P646=16 Pa，由式（9）、（10）、（11）計(jì)算得出輸送帶馬達(dá)所需扭矩M645=585.938 N·m，馬達(dá)所需單位扭矩N645=36.82 N·m/MPa，馬達(dá)排量V648=230.097 mL/r。根據(jù)馬達(dá)樣本，選擇型號(hào)為ASK1-250液壓馬達(dá)，其相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 篩分馬達(dá)相關(guān)參數(shù)

2.5 細(xì)土篩分輸送裝置的液壓系統(tǒng)動(dòng)力分配

2.5.1 液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

液壓系統(tǒng)由油箱、三聯(lián)泵、溢流閥組、電液換向閥組、上料馬達(dá)、篩分馬達(dá)、輸送帶馬達(dá)、左推桿油缸、右推桿油缸組成[4]。其結(jié)構(gòu)示意見圖8。

圖8 基于推土機(jī)的細(xì)土篩分輸送裝置的液壓系統(tǒng)

2.5.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)單篩分馬達(dá)排量V511，泵的壓力P511，應(yīng)用下列算式計(jì)算出單篩分每分鐘所需流量Q511、液壓泵的功率W511。

式中：Q511為單篩分每分鐘所需流量，L/min；V511為單篩分馬達(dá)排量，mL/r；n21為篩分軸轉(zhuǎn)速，r/min。

式中：W511為液壓泵的功率，kW；P511為泵的壓力，MPa。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

細(xì)土篩分輸送裝置的控制系統(tǒng)，主要由PLC、數(shù)字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、各種開關(guān)、電磁閥、速度傳感器、距離傳感器、人機(jī)界面組成。系統(tǒng)控制框架見圖9。

控制系統(tǒng)通過各種位置開關(guān)、各種電磁閥、速度、距離、壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)上料系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、輸送回填系統(tǒng)進(jìn)行控制。

PLC控制器是控制系統(tǒng)的核心，采用一種小型的可編程序控制器，型號(hào)為西門子S7-200SM ART，可以作為各種工業(yè)環(huán)境中自動(dòng)化系統(tǒng)的核心控制單元[5-13]。

圖9 控制系統(tǒng)框架示意

控制系統(tǒng)預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)接口，PLC通過網(wǎng)絡(luò)模塊可以接入到無線網(wǎng)中，可以把單臺(tái)或者多臺(tái)裝置的施工數(shù)據(jù)通過3G或者GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到指定的網(wǎng)址或者多個(gè)項(xiàng)目管理服務(wù)器，項(xiàng)目管理員也能夠及時(shí)掌握施工情況。

3.2 上料滾筒轉(zhuǎn)速與推土機(jī)行進(jìn)速度匹配控制

上料滾筒轉(zhuǎn)速與推土機(jī)行進(jìn)速度匹配控制屬于閉環(huán)控制（其原理見圖10），控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的上料量的數(shù)值，實(shí)時(shí)采集到上料滾筒轉(zhuǎn)速以及推土機(jī)的行進(jìn)速度，計(jì)算出與之的匹配的上料滾筒速度。通過A/D轉(zhuǎn)換器輸出模擬量到電液比例閥來驅(qū)動(dòng)上料馬達(dá)，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到匹配的速度[14]。

圖10 上料滾筒轉(zhuǎn)速與推土機(jī)行進(jìn)速度匹配控制原理

3.3 人機(jī)界面

控制系統(tǒng)采用昆侖通態(tài)研發(fā)的人機(jī)界面TPC7062KS，可在實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE環(huán)境中運(yùn)行，采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件組態(tài)。

產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)：7 in（1 in=25.4 mm） 高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏。CPU主板采用ARM結(jié)構(gòu)嵌入式低功耗CPU，主頻400MHz，64 M存儲(chǔ)空間。觸摸屏通過COM口直接與輸送站的PLC（PORT 1） 的編程口連接。所使用的通訊線采用西門子PC-PPI電纜，PC-PPI電纜把RS232轉(zhuǎn)為RS485。

人機(jī)界面上設(shè)置了6個(gè)控制按鈕，其中有兩個(gè)按鈕控制總電源?！皢?dòng)”鍵按下時(shí)，總電源打開，同時(shí)按鈕上的顏色變成紅色。其他四個(gè)旋鈕分別控制上料馬達(dá)、篩分馬達(dá)、輸送帶馬達(dá)、伸出油缸。四個(gè)儀表盤分別顯示推土機(jī)的行進(jìn)速度、上料轉(zhuǎn)速、篩分轉(zhuǎn)速和輸送速度。同時(shí)系統(tǒng)工作壓力、上料量、篩分量、輸送量、輸送帶伸出距離也顯示在界面上。根據(jù)不同的管溝寬度，也可以在界面上設(shè)定所需伸出的距離。人機(jī)界面顯示見圖11。

圖11 人機(jī)界面顯示

4 結(jié)束語

基于推土機(jī)的細(xì)土篩分回填裝置研制完成后，經(jīng)測試各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)需求。請(qǐng)中機(jī)科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司對(duì)該裝置進(jìn)行了整機(jī)主要參數(shù)和工作參數(shù)檢測，結(jié)果合格。

在神渭管道二標(biāo)段的線路管道建設(shè)中，中油管道二公司機(jī)組采用該裝置在樁號(hào)YL2P035—YL2P100間進(jìn)行細(xì)土篩分回填作業(yè)，共計(jì)6.7 km，回填細(xì)土總計(jì)約7 800 m3，有效工時(shí)為108工時(shí)，回填速度平均72 m3/h，隨機(jī)測量篩分出的細(xì)土粒徑，均小于20 mm，符合施工規(guī)范要求。相比傳統(tǒng)的細(xì)土回填方式，節(jié)省1個(gè)人工、1臺(tái)挖掘機(jī)，每100 m3土方細(xì)土篩分回填可節(jié)約2 022元。篩分細(xì)土極大地減少了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效避免了因回填土粒徑不合格而返工的問題，保證了回填的質(zhì)量及回填效率。

同時(shí)，該裝置的成功研制也將在管道施工管溝細(xì)土回填土篩分設(shè)備方面形成關(guān)鍵裝備及配套技術(shù)，對(duì)提升管道建設(shè)施工技術(shù)水平和提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有很好的促進(jìn)作用，該裝置具有良好的應(yīng)用前景。