隧道澆筑布料機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石學(xué)智

（中鐵一局集團(tuán)物資工貿(mào)有限公司，西安710000）

0 引言

按照鐵道部工廠化、機(jī)械化、專(zhuān)業(yè)化、信息化的要求，在隧道臺(tái)車(chē)混凝土澆筑過(guò)程中，不需用人工拆管、換管、清洗、接管和固定等，僅需一名操作人員輕松操作控制元件即可實(shí)現(xiàn)泵送接口不同位置的變換，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工。隧道澆筑布料機(jī)由此應(yīng)運(yùn)而生[1]。該設(shè)備用于隧道臺(tái)車(chē)上混凝土澆筑，適用于公路、火車(chē)等隧道里面臺(tái)車(chē)的注漿施工，主要由走行裝置、伸縮旋轉(zhuǎn)對(duì)位裝置、管路系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。管路系統(tǒng)以及伸縮旋轉(zhuǎn)對(duì)位裝置的組合設(shè)計(jì)，便于改變管路系統(tǒng)中各管道空間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)距離和位置的變化，實(shí)現(xiàn)有壓封閉式送料同時(shí)對(duì)混凝土管路進(jìn)行清洗，大大提高作業(yè)效率，減少現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染[2，3]。液壓系統(tǒng)作為布料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力輸出，其工作性能直接影響混凝土的澆筑質(zhì)量和澆筑效率，因此，本文對(duì)布料機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以提高布料機(jī)工作效率，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工況要求。

1 YCSJB10 隧道澆筑布料機(jī)結(jié)構(gòu)組成與工作原理

如圖1 所示，隧道澆筑布料機(jī)布置在二襯模板臺(tái)車(chē)的頂層平臺(tái)上，布料機(jī)工作裝置具有自行走功能，混凝土管路系統(tǒng)有三排注漿口，兩排為側(cè)模注漿口，一排為頂模注漿口，兩側(cè)模注漿口負(fù)責(zé)左右側(cè)模的注漿，通過(guò)側(cè)模的窗口可以觀測(cè)漿液的高度，判斷澆筑進(jìn)程。當(dāng)側(cè)模完成注漿后，再進(jìn)行頂模注漿，頂模注漿口安裝有壓力傳感器，用來(lái)檢測(cè)頂模漿液是否注滿(mǎn)。隧道澆筑布料機(jī)只有一個(gè)澆筑對(duì)接口，需要在軌道上行走，完成三排注漿口澆筑。

圖1 隧道澆筑布料工作過(guò)程

如圖2 所示，隧道澆筑布料機(jī)主要由底架總成、行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、臂架總成、動(dòng)力控制系統(tǒng)和混凝土管總成組成。

圖2 隧道澆筑布料機(jī)結(jié)構(gòu)組成

底架采用型材矩形管焊接而成，結(jié)構(gòu)牢固、可靠。小車(chē)行走由液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)，小車(chē)軌道采用框架式軌道，齒輪與軌道中間齒條進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，兩側(cè)有滑塊進(jìn)行導(dǎo)向，為了減小隧道澆筑布料機(jī)在滑動(dòng)軌道上的行走阻力，支撐滑塊采用了與鋼材滑摩系數(shù)更小的特種材料。隧道澆筑布料機(jī)支撐采用U 型滑移結(jié)構(gòu)，能將隧道澆筑布料機(jī)牢牢地支撐在底架上，防止傾翻危險(xiǎn)。軌道與小車(chē)之間可裝接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)，以便準(zhǔn)確定位注漿孔。

布料機(jī)臂架總成可分為臂架旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)和臂架伸縮兩個(gè)部分。臂架旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)：臂架旋轉(zhuǎn)采用液壓馬達(dá)+回轉(zhuǎn)支承控制，旋轉(zhuǎn)角度為180°（以豎直向上為0°，水平方向左右擺動(dòng)各90°），用于側(cè)膜注漿和頂膜注漿的轉(zhuǎn)換，小車(chē)行走到指定位置后由馬達(dá)控制臂架豎直方向擺動(dòng)進(jìn)行注漿孔對(duì)位。臂架伸縮：臂架伸縮采用液壓油缸控制。臂架擺動(dòng)到位后，控制油缸進(jìn)行最后的伸縮對(duì)位。注漿管水平方向和豎直方向?qū)涌诰捎美瓤谑綄?duì)位孔，提高對(duì)位的準(zhǔn)確。臂架伸縮行程200 mm，對(duì)接口與臺(tái)車(chē)注漿口均在伸縮行程范圍之內(nèi)。

在底架上布置有液壓控制系統(tǒng)，電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓泵，給系統(tǒng)提供高壓油液，驅(qū)動(dòng)小車(chē)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

2 YCSJB10 隧道澆筑布料機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與元件選型

2.1 YCSJB10 隧道澆筑布料機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述隧道澆筑布料機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，可以設(shè)計(jì)出隧道澆筑布料機(jī)液壓系統(tǒng)如圖3 所示。主要由行走回路、臂架回路和吸油、回油回路3 部分組成。由于齒輪泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，維護(hù)方便，液壓系統(tǒng)采用齒輪泵作為動(dòng)力元件。多路換向閥均為M型中位，當(dāng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作時(shí)，齒輪泵出口油液直接回液壓油箱，液壓泵卸荷，降低系統(tǒng)能耗。

圖3 隧道澆筑布料機(jī)液壓控制系統(tǒng)

行走回路由液壓馬達(dá)、換向閥、平衡閥等組成。齒輪泵供油給液壓馬達(dá)，馬達(dá)帶動(dòng)小齒輪與軌道上的固定齒條嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車(chē)在滑動(dòng)軌道上行走。操縱換向閥，可以改變液壓馬達(dá)進(jìn)油、回油方向，實(shí)現(xiàn)小齒輪的正反轉(zhuǎn)，從而完成小車(chē)的前進(jìn)與后退動(dòng)作。平衡閥可以保證小車(chē)可以穩(wěn)定地?？吭谌我庑谐谭秶鷥?nèi)，同時(shí)具有剎車(chē)制動(dòng)的功能[4]。

臂架回路由換向閥、伸縮油缸、擺動(dòng)馬達(dá)組成。操縱換向閥，實(shí)現(xiàn)油缸（馬達(dá)）的伸縮（旋轉(zhuǎn)），從而實(shí)現(xiàn)臂架擺動(dòng)、臂架伸縮等動(dòng)作。平衡閥可以實(shí)現(xiàn)臂架穩(wěn)定可靠地?？吭诠ぷ魑恢?。伸縮油缸回路安裝有單向節(jié)流閥，可以控制伸縮油缸活塞桿速度，方便與臺(tái)車(chē)側(cè)模、頂模上的澆筑口精準(zhǔn)對(duì)位，提升施工作業(yè)效率，當(dāng)伸縮油缸活塞桿到位后，布料機(jī)澆筑對(duì)接口和臺(tái)車(chē)上的注漿口頂死，實(shí)現(xiàn)帶壓注漿[5，6]。

吸油回路設(shè)置了吸油過(guò)濾器，回油回路設(shè)置了油冷器及回油過(guò)濾器，確保液壓系統(tǒng)工作溫度工作在60 ℃左右，并保證了液壓系統(tǒng)的清潔度，從而保證液壓系統(tǒng)工作可靠性[7，8]。

2.2 YCSJB10 隧道澆筑布料機(jī)液壓元件選型

隧道澆筑布料機(jī)行走最大驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

式中：p工為系統(tǒng)最大工作壓力，V行為行走馬達(dá)排量，r行為齒輪半徑。

隧道澆筑布料機(jī)行走最大行走速度計(jì)算

式中：V齒為齒輪泵排量，η行為行走馬達(dá)工作效率，n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

臂架擺動(dòng)最大驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算

式中：V擺為臂架擺動(dòng)馬達(dá)排量。

臂架擺動(dòng)最大轉(zhuǎn)速計(jì)算

式中：i減為減速機(jī)速比，η行為泵的工作效率。

臂架伸縮油缸最大驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

式中：A抻為伸縮油缸無(wú)桿腔作用面積。

臂架伸縮油缸最大伸出速度計(jì)算

式中：A縮為伸縮油缸有桿腔作用面積。

根據(jù)隧道澆筑布料機(jī)重量，行走速度和臂架伸縮油缸壓緊力等工作性能參數(shù)要求，初步選定系統(tǒng)最大工作壓力為10 MPa，并對(duì)主要液壓元件進(jìn)行選型，如表1 所示。計(jì)算得出隧道澆筑布料機(jī)最大驅(qū)動(dòng)力約為10 000 N，小車(chē)前進(jìn)、后退速度為2 m/min；臂架擺動(dòng)最大驅(qū)動(dòng)力矩約為20 000 N·m，臂架擺動(dòng)最大轉(zhuǎn)速未0.25 r/min；臂架伸縮油缸最大驅(qū)動(dòng)力約為30 000 N，最大伸出速度為5 m/min，最大縮回速度為7 m/min。

表1 隧道澆筑布料機(jī)液壓系統(tǒng)主要液壓元件型號(hào)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

如圖4 所示，將設(shè)計(jì)生產(chǎn)的隧道澆筑布料機(jī)應(yīng)用在廣西河池市永順?biāo)淼?，現(xiàn)場(chǎng)使用表明，小車(chē)行走平順，臂架動(dòng)作靈活，澆筑口對(duì)位準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)帶壓注漿，保證澆筑質(zhì)量，避免混凝土離析，減少空洞現(xiàn)象，相比以前的人工注漿，顯著提高了澆筑效率。

圖4 隧道澆筑布料機(jī)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 結(jié)束語(yǔ)

隧道澆筑隧道澆筑布料機(jī)是用于隧道臺(tái)車(chē)上混凝土澆筑的專(zhuān)用設(shè)備，本文根據(jù)澆筑小車(chē)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，設(shè)計(jì)出液壓控制系統(tǒng)，包括行走控制回路、臂架控制回路和吸油回油控制回路三部分。該系統(tǒng)具有低壓卸荷和帶壓注漿特點(diǎn)，非注漿工作狀態(tài)下的待機(jī)能耗可降低87.5%，混凝土密實(shí)度約提高20%。同時(shí)，對(duì)液壓系統(tǒng)主要元件進(jìn)行初步選型，確定小車(chē)行走速度、臂架擺動(dòng)力矩和伸出驅(qū)動(dòng)力等主要工作性能參數(shù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，小車(chē)行走平順，臂架動(dòng)作靈活，澆筑口對(duì)位準(zhǔn)確，注漿效率高，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。