窄體混凝土輸送泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷 鳴，陳義得，周遠(yuǎn)航，沈桂麗

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，河南洛陽 471009）

0 引言

基建行業(yè)蓬勃發(fā)展，鐵路作為基建行業(yè)的主要業(yè)務(wù)之一，近年來一直處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且鐵路行業(yè)關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)命脈和民生需求，國內(nèi)普速鐵路和高速鐵路建設(shè)里程屢創(chuàng)新高［1］。近年來隨著國家鐵路“八縱八橫”主干線路建設(shè)，中西部地區(qū)鐵路建設(shè)日益增多，中西部地區(qū)鐵路建設(shè)橋隧較多［2］，鐵路隧道出現(xiàn)較多的單線隧道（包括橫通道、平導(dǎo)、先導(dǎo)等輔助坑道）。鐵路隧道建設(shè)多以鉆爆法施工方式進(jìn)行，混凝土輸送泵是其配套機(jī)械化施工的主要設(shè)備之一，單線鐵路隧道斷面較小，二襯之后的隧道斷面寬度要同時(shí)滿足混凝土輸送泵停放和出渣設(shè)備通行，現(xiàn)隧道施工使用的雙缸60混凝土輸送泵寬度在2 m左右，不能滿足單線鐵路隧道二襯之后的斷面輸送混凝土和出渣設(shè)備同時(shí)并存，需要開挖避車洞，影響施工進(jìn)度和增加施工成本［3］。

基于此，研制單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵，設(shè)計(jì)了與之相匹配的液壓系統(tǒng)，根據(jù)外界負(fù)載情況設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)的參數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)機(jī)況良好，液壓系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

隨著國內(nèi)鐵路單線隧道建設(shè)的日益增多，隧道建設(shè)成為道路建設(shè)的關(guān)鍵工程，根據(jù)國內(nèi)單線鐵路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種單線鐵路隧道雙缸混凝土輸送泵，滿足二襯混凝土輸送要求，且可以實(shí)現(xiàn)不開挖避車洞也能與出渣工序同步進(jìn)行［4］。該單線鐵路隧道窄體混凝土輸送泵主要由液壓系統(tǒng)、泵送油缸、機(jī)架、側(cè)翻門、散熱風(fēng)機(jī)、料斗、輸送彎管、后門、車軸、輪胎等組成，能夠完成高壓力、大流量、遠(yuǎn)距離混凝土的泵送工作。

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，表1所示為單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵的主要參數(shù)。該機(jī)通過由隧道內(nèi)可以自行行走的設(shè)備牽引移動，工作時(shí)依靠電能。

圖1 窄體雙缸混凝土輸送泵結(jié)構(gòu)示意圖

表1 輸送泵的主要參數(shù)

1.2 工作原理

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵工作時(shí)，混凝土攪拌罐車將混凝土攪拌站預(yù)制好的商品混凝土運(yùn)送至混凝土輸送泵處，通過混凝土攪拌罐車翻轉(zhuǎn)，將混凝土傾卸至混凝土輸送泵的料斗內(nèi)，混凝土輸送泵料斗內(nèi)的攪拌裝置工作，防止混凝土在料斗內(nèi)出現(xiàn)凝固或石子析出，混凝土輸送泵輸送混凝土?xí)r，兩個(gè)輸送缸與擺動缸配合工作，兩個(gè)混凝土輸送缸處于相反的工作狀態(tài)［5］，即一根輸送缸處于吸料狀態(tài)則另外一根缸處于送料狀態(tài)，當(dāng)一根油缸處于吸料狀態(tài)，則與之配合的擺動缸帶動切口環(huán)將此根缸混凝土輸送管與料斗連通，對應(yīng)的另外一根缸處于送料狀態(tài)，與之配合的擺動缸帶動切口環(huán)將此根缸混凝土輸送管與料斗切斷，當(dāng)送料缸運(yùn)動至頂端時(shí)吸料缸正好運(yùn)動至相反的頂端，觸發(fā)傳感器，傳感器將信號傳輸至控制器，控制器根據(jù)信號反饋控制相應(yīng)的電磁閥工作，吸料缸轉(zhuǎn)變工作狀態(tài)處于送料狀態(tài)，送料缸處于吸料狀態(tài)，擺動缸轉(zhuǎn)換工位，與兩根輸送缸進(jìn)行配合工作［6］。如此反復(fù)工作，可以實(shí)現(xiàn)將混凝土連續(xù)地輸送至二襯模板臺車。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)負(fù)載計(jì)算

隧道內(nèi)二襯模板臺車距離混凝土輸送泵距離在150 m左右，根據(jù)實(shí)際工作需要及考慮混凝土在管道內(nèi)由于彎折處出現(xiàn)的渦流和紊流現(xiàn)象產(chǎn)生的阻力，按照水平泵送距離300 m設(shè)計(jì)，由于模板臺車注入混凝土的接口部分處于模板臺車的頂端，單線隧道高度在10 m左右，按照垂直泵送高度20 m設(shè)計(jì)，查詢相關(guān)資料可知，混凝土與無縫熱軋鋼管的摩擦因數(shù)約為0.7，由于混凝土在豎直方向產(chǎn)生的重力造成的摩擦力較小，泵送壓力產(chǎn)生的摩擦力較大，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)外界負(fù)載時(shí)，只考慮泵送壓力產(chǎn)生的摩擦力，混凝土泵輸送缸橫截面直徑為20 mm，輸送管道橫截面直徑為16 mm［7］。

為了保證混凝土由混凝土輸送泵輸出，到達(dá)模板臺車后速度基本為0（為了盡量減小對模板臺車的沖擊，防止模板臺車發(fā)生變形或由于沖擊造成模板臺車振動而造成定位誤差），混凝土輸送泵輸送混凝土，只需克服混凝土在管道運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的摩擦力和由于豎直輸送克服的重力，則輸送缸所需提供的推力為：

F ＝ 2（μgρSl1＋ gρSl2）

式中：l1為水平輸送距離；l2為垂直輸送距離；S為混凝土輸送管道剖面面積；μ為混凝土與輸送管道之間的摩擦因數(shù)；ρ為混凝土密度；g為重力加速度；2為安全系數(shù)。

輸送缸所需提供的推力為22 187 N。輸送缸工作時(shí)，選用的油缸缸筒內(nèi)徑為63 mm，缸桿直徑為32 mm，由于送料時(shí)油缸缸桿伸出，無桿腔為高壓，則輸送缸液壓系統(tǒng)壓力為：

PS＝F

式中：P為液壓系統(tǒng)壓力；S為油缸無桿腔橫截面積；F為輸送缸所需提供的推力。

液壓系統(tǒng)壓力為7.1 MPa，根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取系統(tǒng)壓力為12 MPa，由于攪拌和擺動所需系統(tǒng)壓力小于輸送壓力，即選取系統(tǒng)壓力為12 MPa。

2.2 液壓系統(tǒng)原理及圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵液壓系統(tǒng)由變量泵、主油路溢流閥、攪拌馬達(dá)控制閥、攪拌馬達(dá)支路調(diào)壓閥、攪拌馬達(dá)、擺動油缸支路調(diào)壓閥、擺動油缸控制閥、擺動油缸、泵送油缸支路調(diào)壓閥、泵送油缸控制閥、泵送油缸、單向閥等組成，根據(jù)單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵工作原理及液壓系統(tǒng)負(fù)載計(jì)算，液壓原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵液壓系統(tǒng)，泵源選用定壓調(diào)速泵，泵頭壓力設(shè)置為13 MPa，油泵加載后保持高壓運(yùn)行狀態(tài)，溢流閥壓力設(shè)置為13 MPa，在主路上設(shè)置單向閥，防止由于沖擊效應(yīng)產(chǎn)生液壓油回流現(xiàn)象，損壞液壓油泵，通過三通分為3條支路，每條支路設(shè)置限壓閥，根據(jù)支路負(fù)載情況調(diào)節(jié)支路壓力，每條支路均通過三位四通電磁閥進(jìn)行正反向調(diào)節(jié)，攪拌馬達(dá)正轉(zhuǎn)為泵送狀態(tài)，防止凝固或析出，反轉(zhuǎn)為清洗狀態(tài)；擺動油缸為控制泵送缸與料斗之間的開啟或關(guān)閉，電磁閥的控制與泵送油缸工作狀態(tài)相關(guān)，存在邏輯關(guān)系；泵送油缸無桿腔處于串聯(lián)狀態(tài)，一根油缸有桿腔接進(jìn)油管，另外一根油缸有桿腔接回油管，可以保證兩根泵送油缸處于相反的工作狀態(tài)。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種適用于單線鐵路隧道的窄體雙缸混凝土輸送泵液壓系統(tǒng)，計(jì)算了混凝土輸送泵外界負(fù)載，根據(jù)外界負(fù)載配套設(shè)計(jì)了混凝與輸送泵液壓系統(tǒng)的壓力和流量，根據(jù)壓力和流量參數(shù)可以對液壓系統(tǒng)涉及到的元器件進(jìn)行選型。單線鐵路隧道雙缸混凝土輸送泵在新建麗香鐵路站前二標(biāo)中義隧道進(jìn)行使用，累計(jì)輸送混凝土超過5萬m3，整體使用性能良好，液壓系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，沖擊性低，發(fā)熱量低，混凝土輸送泵液壓系統(tǒng)通過使用證明，在泵送混凝土的過程中，混凝土流動性良好，在模板臺車出口位置基本運(yùn)行速度很小，對模板臺車無沖擊作用，有效地保證了模板臺車的工作性能，二襯作業(yè)空窗效應(yīng)減少。在工業(yè)性試驗(yàn)過程中，二襯之后的隧道斷面可以滿足項(xiàng)目任何車輛通過，使用良好。