三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)設(shè)計及試驗

楊 濤

（中鐵隧道局集團有限公司設(shè)備分公司，河南洛陽 471009）

0 引言

隨著我國國家經(jīng)濟實力的逐步增長，基建設(shè)施領(lǐng)域快速發(fā)展，國家鐵路網(wǎng)“八縱八橫”網(wǎng)絡(luò)逐步建成，高速鐵路及高速公路建設(shè)逐漸向西南西北等邊遠地區(qū)延伸[1]。我國西南及西北地區(qū)山脈較多，鐵路及公路修建橋隧比較高，在個別施工路段橋隧比高達90%以上，修建難度高。我國山嶺隧道施工主要以新奧法施工工法為主，開挖作業(yè)為新奧法施工工法的主要作業(yè)工序，其決定了施工的安全、效率、質(zhì)量等多方面因素，對隧道施工起著關(guān)鍵作用[2]。三臂鑿巖臺車是隧道開挖的主要施工設(shè)備，其具有施工效率高、集成化程度強、安全性能好等突出優(yōu)點，在山嶺隧道開挖作業(yè)中應(yīng)用廣泛[3]。由于山嶺隧道施工環(huán)境差，高熱高濕粉塵等特點突出，極易造成三臂鑿巖臺車液壓系統(tǒng)發(fā)熱、故障率高等問題，嚴重制約著隧道施工進度，增加設(shè)備維保和使用成本，亟需研究一套適用于隧道開挖的三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)。

國外對于三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)的研究起步較早，技術(shù)相對成熟，由于隧道施工工況和施工組織與國內(nèi)反差較大，國外對于三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)的研究主要集中在液壓參數(shù)反饋調(diào)節(jié)和負載響應(yīng)方面，國外的三臂鑿巖臺車在國內(nèi)使用過程中由于作業(yè)環(huán)境溫度高、濕度大、單次作業(yè)時間長，造成臂架液壓系統(tǒng)發(fā)熱嚴重、效率較低。國內(nèi)對于三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)的研究主要集中在液壓參數(shù)匹配上，根據(jù)不同鑿巖機使用要求對液壓系統(tǒng)進行參數(shù)匹配，以適用于鑿巖作業(yè)，并未關(guān)注其系統(tǒng)溫度高、效率低、故障多的現(xiàn)象[4]。

為解決三臂鑿巖臺車在隧道掌子面開挖作業(yè)時其臂架控制液壓系統(tǒng)存在的功率損失大、發(fā)熱嚴重、故障率高等突出問題，本文在已有的國內(nèi)外對三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，建立整機的Solidworks三維模型，獲取三臂鑿巖臺車相關(guān)作業(yè)設(shè)備的理論參數(shù)進行液壓負載理論計算和靜力學仿真分析，總結(jié)分析三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)發(fā)熱嚴重的原因，針對性地提出臂架液壓系統(tǒng)散熱方案，重新優(yōu)化設(shè)計臂架液壓系統(tǒng)，通過試驗有效驗證臂架液壓系統(tǒng)的合理性，為三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)設(shè)計與維修維護提供相關(guān)參考。

1 臂架結(jié)構(gòu)及鑿巖機參數(shù)

三臂鑿巖臺車臂架結(jié)構(gòu)主要包括鑿巖臂和吊籃臂，鑿巖臂用來定位鉆孔位置及鉆孔作業(yè)，吊籃臂用來進行炸藥裝填作業(yè)，鑿巖臂主要包括鑿巖機、推進梁、翻轉(zhuǎn)油缸、旋轉(zhuǎn)油缸、大臂、伸縮臂、定位油缸、底座等部件，其在作業(yè)過程中鑿巖機主要消耗液壓能，吊籃臂主要包括吊籃、調(diào)平油缸、大臂、伸縮臂、定位油缸、底座等部件，其結(jié)構(gòu)如圖1和2所示[5]。

圖1 三臂鑿巖臺車鑿巖臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rock drilling arm structure of threearmrock drilling jumbo

圖2 三臂鑿巖臺車吊籃臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of hanging basket arm of threearm rock drillingjumbo

為驗證三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)使用效果，試驗加工制造的三臂鑿巖臺車選用進口某品牌鑿巖機，盡可能降低因鑿巖機故障而對液壓系統(tǒng)使用效果判斷產(chǎn)生偏差，其鑿巖機液壓系統(tǒng)匹配參數(shù)如表1所示。

表1 鑿巖機參數(shù)Tab.1 Parameters of rock drill

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 負載參數(shù)設(shè)計（以旋轉(zhuǎn)油缸為例）

旋轉(zhuǎn)油缸的主要功能為帶動推進梁安裝架、推進梁及附屬零部件進行旋轉(zhuǎn)，主要用來克服其帶動部分產(chǎn)生的阻力矩。旋轉(zhuǎn)油缸帶動部分的質(zhì)量為1 152 kg，重心距離旋轉(zhuǎn)油缸中心位置的距離為555.62 mm，其產(chǎn)生的阻力矩為6 408 N·m，選裝旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動力矩應(yīng)大于6 408 N·m，以上海華歌液壓擺動缸為例，選擇其ARC280系列51產(chǎn)品，旋轉(zhuǎn)標準角度為270°，特殊角度為360°，驅(qū)動力矩為6 880 N·m（液壓系統(tǒng)壓力為21 MPa時），保持力矩為10 600 N·m，360°其排量為3 206 mL，英制1∕4 G接頭。

實測旋轉(zhuǎn)油缸旋轉(zhuǎn)過程中的速度為5°∕s，所以旋轉(zhuǎn)油缸流量為2.7 L∕min。選取管道流速為1 m∕s（層流流速1~7 m∕s為預估層流的標準參考），則：

式中：V為系統(tǒng)流量；v為液壓油流速；r為油管內(nèi)徑的半徑。

則油管內(nèi)徑為7.6 mm，根據(jù)液壓技術(shù)手冊選型推薦，結(jié)合工程機械實際配置要求（盡可能減少油管規(guī)格型號的配置），選取液壓油管內(nèi)徑6.3 mm。沿程損失為：

式中：λ為常數(shù)；l為油管長度；d為油管內(nèi)徑；ρ為液壓油密度；v為速度。

局部損失為：

式中：ξ為系數(shù)，與流動狀態(tài)、雷諾數(shù)、接頭材質(zhì)、變徑情況有關(guān)，其均小于1，由于計算差別較小，統(tǒng)一選取1。

經(jīng)計算可得經(jīng)過彎頭等處的壓力損失為0.007 MPa，國內(nèi)閥塊的壓差基本在0.3 MPa以下，則系統(tǒng)所需壓力為21+0.76+0.007×5+0.3=22.095 MPa，查詢液壓技術(shù)手冊可知，選取系統(tǒng)壓力為22 MPa[6]。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)油缸負載理論計算方法，同時結(jié)合三臂鑿巖臺車臂架結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計需求，通過力學理論計算和仿真分析計算其相關(guān)油缸受力和結(jié)構(gòu)強度情況，重點獲取其液壓系統(tǒng)部件參數(shù)，相關(guān)液壓部件參數(shù)如表2所示。

表2 臂架油缸相關(guān)參數(shù)Tab.2 Boom cylinder related parameters

2.2 液壓泵選型

根據(jù)國內(nèi)外三臂鑿巖臺車相關(guān)設(shè)計，三臂鑿巖臺車在工作過程中采用電機驅(qū)動，其鑿巖沖擊采用單獨油泵供油，鑿巖旋轉(zhuǎn)采用單獨油泵供油，臂架動作采用單獨油泵供油，即一臺電機驅(qū)動三聯(lián)串泵工作模式，則鑿巖機沖擊油泵選型計算如下[7]。

鑿巖機最大沖擊壓為20 MPa，沖擊油流量為小于等于118 L∕min。令沖擊油流量為118 L∕min，選取管道流速為4 m∕s，則根據(jù)式（1）可得油管內(nèi)徑為25 mm，根據(jù)液壓技術(shù)手冊選型推薦，結(jié)合工程機械實際配置要求（盡可能減少油管規(guī)格型號的配置），選取液壓油管內(nèi)徑25 mm。沿程損失根據(jù)式（2）計算，其中：雷諾數(shù)雷諾數(shù)計算中，ρ∕μ為液壓油牌號的倒數(shù)，選取牌號為46的液壓油，則雷諾數(shù)為1 663＜2 000（雷諾數(shù)小于2 000為層流狀態(tài)，雷諾數(shù)大于2 000為紊流狀態(tài)）（鐵管的λ計算為，軟管的λ計算為則λ=0.048，則Δpλ=0.16 MPa。

局部損失根據(jù)式（3）計算，則經(jīng)過彎頭等處的壓力損失為0.007 MPa，國內(nèi)閥塊的壓差基本在0.3 MPa以下，則系統(tǒng)所需壓力為20+0.16+0.007×5+0.3=20.495 MPa，查詢液壓技術(shù)手冊可知，選取系統(tǒng)壓力為25 MPa。即需要選取DR柱塞泵的出口壓力為25 MPa，由于電機轉(zhuǎn)速為1 500 r∕min，則柱塞泵的排量為78.7 mL∕r，考慮沖擊泄漏及高強度巖石工作，選取沖擊油泵排量為100 cc∕r，則沖擊油泵的功率為48 kW[8]。同理，計算獲得旋轉(zhuǎn)油泵排量為55 cc∕r，功率為26 kW，臂架動作油泵排量為60 cc∕r，功率為21 kW。由于鑿巖機工作和臂架動作為順序動作關(guān)系，所以選取主電機功率為75 kW。

2.3 系統(tǒng)高溫現(xiàn)象分析及應(yīng)對措施

由于三臂鑿巖臺車在隧道施工過程中主要用于掌子面開挖的鉆孔作業(yè)，其工作環(huán)境主要面臨高溫、粉塵、高濕度、滲水等，特別是較高溫度的作業(yè)環(huán)境往往會造成臂架液壓系統(tǒng)因作業(yè)溫度高而發(fā)生故障，散熱系統(tǒng)匹配顯得尤為重要。

以往三臂鑿巖臺車液壓系統(tǒng)匹配往往采用散熱器散熱功率取電機功率的40%，直接選用相關(guān)參數(shù)的水冷散熱器，在液壓系統(tǒng)回油管道處設(shè)置溫控閥，當系統(tǒng)溫度超過40~50℃時（每個廠家設(shè)置的溫控閥溫度參數(shù)不一致，一般在40~50℃之間），臂架液壓系統(tǒng)回油液壓油經(jīng)過水冷散熱器降溫后流回油箱，當系統(tǒng)溫度低于40~50℃時，臂架液壓系統(tǒng)回油液壓油直接流回油箱，依靠油箱進行散熱[9]。這種設(shè)置的主要弊端為在使用過程中，溫控閥一般為機械式開閉，對溫度敏感程度不夠，液壓系統(tǒng)油溫低時，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，當液壓系統(tǒng)油溫高時，水冷散熱器散熱功率低于液壓系統(tǒng)發(fā)熱功率[10]，散熱速度低于產(chǎn)熱速，在長時間運轉(zhuǎn)（一般運轉(zhuǎn)時間超過2 h即會產(chǎn)生高溫現(xiàn)象，鑿巖作業(yè)時間一般在4 h以上）后，液壓系統(tǒng)溫度升高，液壓油黏度降低，相關(guān)液壓部件泄漏量增加，特別是鑿巖機液壓馬達和液壓系統(tǒng)齒輪油泵泄漏量增加，會明顯降低液壓系統(tǒng)作業(yè)效率，變相加速液壓系統(tǒng)升溫[11]。

為了降低液壓系統(tǒng)作業(yè)溫度，提升液壓系統(tǒng)作業(yè)效率，對以往三臂鑿巖臺車液壓系統(tǒng)散熱匹配進行重新設(shè)計，取消臂架液壓系統(tǒng)回油溫控閥的設(shè)計，直接將回油管路增加三通，一路直接回油箱，一路連接水冷散熱器，冷卻后回油箱，每路管路上設(shè)置手動球閥，根據(jù)作業(yè)需求開啟相關(guān)油路，當在隧道內(nèi)施工時，開啟連接水冷散熱器油路，關(guān)閉直接回油箱油路，在臂架系統(tǒng)作業(yè)時直接進行水冷卻。同時在控制系統(tǒng)采集液壓油箱油溫，當油箱油溫超過50℃時，使用電瓶啟動發(fā)動機驅(qū)動的風冷散熱器，使用風冷散熱器對液壓系統(tǒng)進行降溫處理。

3 試驗與結(jié)果分析

根據(jù)三維建模理論計算，結(jié)合現(xiàn)場三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)發(fā)熱原因分析，設(shè)計了新的三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)并匹配相關(guān)散熱系統(tǒng)，搭載在自制的三臂鑿巖臺車上在鄭萬高鐵項目9標興山隧道進行試驗，用于隧道掌子面開挖鉆孔作業(yè)，隧道斷面為高鐵雙線隧道，單個掌子面配備2臺三臂鑿巖臺車，其中一臺為試驗樣機，另外一臺為某品牌進口三臂鑿巖臺車。經(jīng)現(xiàn)場實驗室測量數(shù)據(jù)，試驗期間開挖隧道巖石最高強度和平均強度分別為123 MPa和89MPa，開挖掌子面環(huán)境溫度最高值和平均值分別為44℃和40℃，雙作業(yè)面作業(yè)連續(xù)運轉(zhuǎn)時間為9 h（其中不包括轉(zhuǎn)場的1 h），試驗總計統(tǒng)計作業(yè)時長為3 000 h。試驗過程中，自制的三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)監(jiān)測的最高作業(yè)溫度為58℃，對比同時作業(yè)的進口三臂鑿巖臺車液壓系統(tǒng)，其作業(yè)溫度低3℃，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，無故障現(xiàn)象。

通過現(xiàn)場開挖試驗，三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)各項指標參數(shù)正常，液壓系統(tǒng)無故障發(fā)生，液壓系統(tǒng)最高運轉(zhuǎn)溫度為58℃，低于設(shè)備運轉(zhuǎn)報警溫度65℃[12]，液壓系統(tǒng)泄漏量較小，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率較高，在一定程度上延長了設(shè)備使用壽命，降低了系統(tǒng)故障，基本符合設(shè)計預期，為同類產(chǎn)品液壓系統(tǒng)設(shè)計及修理提供參考。

4 結(jié)束語

本文采用理論計算及分析總結(jié)的方法設(shè)計并校核了一種三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)，對鑿巖臺車液壓系統(tǒng)關(guān)鍵零部件選型參數(shù)進行計算，并加工制造三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)在鄭萬鐵路進行試驗。試驗結(jié)果表明，三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)在試驗過程中各項指標參數(shù)正常，液壓系統(tǒng)無故障發(fā)生，運行溫度較低，整體性能穩(wěn)定可靠。

（1）通過三臂鑿巖臺車液壓系統(tǒng)試驗結(jié)果分析，表明液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)選型理論計算的合理性，為三臂鑿巖臺車液壓系統(tǒng)設(shè)計改進及相關(guān)工程機械設(shè)備液壓系統(tǒng)選型計算提供參考。

（2）三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)在運行過程中系統(tǒng)油溫最高為58℃，表明對原三臂鑿巖臺車臂架液壓系統(tǒng)散熱系統(tǒng)分析的合理性，同時表明根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境對散熱系統(tǒng)的改進設(shè)計的合理性，為隧道施工設(shè)備液壓散熱裝置設(shè)計提供思路與參考。