大長(zhǎng)隧道用防水板鋪設(shè)裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張慧杰， 李明濤， 安健濤

（1.青島城市學(xué)院， 山東 青島 266106；2.青島海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司， 山東 青島 266000）

引言

隨著我國(guó)鐵路系統(tǒng)的飛速發(fā)展，隧道工程已經(jīng)成為人們?nèi)粘３Ｒ?jiàn)的施工項(xiàng)目，隧道施工的作業(yè)周期、施工質(zhì)量已經(jīng)影響到人們的日常生活，如何保證高效高質(zhì)量地完成施工，成了施工人員關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容，相關(guān)施工單位也在這些方面投入了大量資源，不斷提高施工質(zhì)量和效率。其中，對(duì)大長(zhǎng)隧道的建設(shè)一直是隧道工程施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而防水工程又直接影響隧道的使用時(shí)效和安全性[1-2]，快速有效的防水施工是保證隧道施工工程高效順利完成的重要環(huán)節(jié)。

對(duì)可以實(shí)現(xiàn)防水板自動(dòng)鋪設(shè)、低勞動(dòng)強(qiáng)度、保證施工安全的防水板鋪設(shè)裝置進(jìn)行了研究，防水板鋪設(shè)機(jī)在繼承了常規(guī)臺(tái)車的基礎(chǔ)上，對(duì)臺(tái)架、鋪設(shè)小車、支撐油缸和附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了防水板鋪設(shè)機(jī)的軌道行走，無(wú)紡布和防水卷材的拱墻鋪設(shè)，多人同時(shí)焊接，支撐油缸可微調(diào)鋪設(shè)角度以適應(yīng)復(fù)雜的輪廓斷面等功能，鋪設(shè)完成的防水板成型面平整、無(wú)孔洞。防水板定位準(zhǔn)確、支撐穩(wěn)固、松弛有度，保證了防水板與初期支護(hù)表面緊密貼合，在受到向下作用力時(shí)不會(huì)發(fā)生脫落、松弛及破損等問(wèn)題[3]，本文主要對(duì)在防水板鋪設(shè)施工中起定位和支撐作用的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

防水板鋪設(shè)機(jī)鋪設(shè)用防水板材料為白色EVA防水板，寬度為3 m、長(zhǎng)度為30 m，防水板在卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)下鋪設(shè)后，操作人員操縱換向閥，油缸伸出將防水板定位在隧道輪廓面上，在液壓力作用下對(duì)防水板進(jìn)行支撐。

1.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

防水板鋪設(shè)機(jī)液壓系統(tǒng)油缸操作采用的是單閥控制單缸的方式，每根油缸由上方的手動(dòng)三位四通換向閥控制該油缸伸出和縮回。防水板鋪設(shè)機(jī)共使用28 根油缸，分別布置在兩列軌道上，如圖1 所示，每根軌道上分布14 根油缸，油缸選用工程液壓缸，中部用卡箍固定，雙作用單活塞桿油缸，每根油缸可同時(shí)操作也可單獨(dú)操作。油缸支撐防水板一端端頭安裝橡膠軟端面，操作手動(dòng)換向閥使油缸伸出將防水板撐起，防水板焊接工序完成后根據(jù)需要操作換向閥將油缸縮回。

圖1 支撐油缸布置圖

油缸選用工程用油缸，手動(dòng)換向閥操作控制油缸動(dòng)作，由于每根油缸都要求單獨(dú)控制，為節(jié)省人力，選用了手動(dòng)三位四通換向閥。該閥直接安裝在油缸上方300 mm 處，可由焊接人員直接操作控制，不設(shè)置專門閥組操作人員。在回路中選擇單油泵供油，油泵流量滿足工作要求時(shí)部件以合適的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

1.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)選擇計(jì)算

考慮到防水板鋪設(shè)機(jī)在隧道內(nèi)施工，液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境較為惡劣，因此，液壓系統(tǒng)采用對(duì)油液污染不敏感的齒輪泵。而要使國(guó)產(chǎn)齒輪泵可靠地長(zhǎng)期工作，最可靠的方法是降低其使用壓力等級(jí)。因此，將選用額定壓力為20 MPa 的國(guó)產(chǎn)齒輪泵在5 MPa的壓力等級(jí)下工作。故液壓回路的壓力等級(jí)選定為5 MPa。

壓力等級(jí)確定后，根據(jù)臺(tái)車所受負(fù)載計(jì)算出油缸的直徑。經(jīng)計(jì)算，油缸缸徑為63 mm，活塞桿徑為50 mm，伸縮行程為905 mm，零行程為1105 mm。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，各油缸的動(dòng)作速度以0.7～1.2 m/min最為合適，在這種速度下，操作者對(duì)油缸運(yùn)動(dòng)的正確與否或運(yùn)動(dòng)遇到障礙物時(shí)，均有足夠的反應(yīng)時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理，也能明顯判斷部件是否在運(yùn)動(dòng)。由于操作時(shí)最多同時(shí)伸出兩根油缸，故選擇使2 根升降油缸同時(shí)以最低速度升降時(shí)所需流量為回路最大流量Q，Q=×3.14×2×70 cm/m=4.36 L/min。

1.2.1 油泵型號(hào)的選擇

由于在洞內(nèi)施工，露天環(huán)境下允許的噪聲在洞內(nèi)變得很大，甚至?xí)?yán)重影響操作人員情緒，降低工作效率，故應(yīng)降低工作噪聲。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇榆次液壓有限公司生產(chǎn)的CB-FC 系列齒輪泵作為液壓系統(tǒng)工作泵。其額定壓力為16 MPa，最高壓力為20 MPa，容積效率為0.89～0.90。為了降低工作噪聲，選擇6 級(jí)電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為960 r/min。泵的流量應(yīng)能供給上述的最大流量要求，即Q＞4.36 L/min。其中，

式中：q 為排量，mL；n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；η1為容積效率；η2為考慮回路中閥件內(nèi)泄而附加的系數(shù)，取0.9。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1）得：q=5.55 mL。

選取CB-FC10 型齒輪泵，其排量10 mL，額定壓力16 MPa，最高壓力20 MPa，最高允許轉(zhuǎn)速2500 r/min，泵的輸入功率計(jì)算如下：

式中：ΔP 為進(jìn)出口壓力差，MPa；Q 為泵的理論流量。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2）得：N=0.6 kW。

選取Y90L-6 型電機(jī)為主泵電機(jī)，其額定功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速970 r/min。

1.2.2 油缸的選擇

防水板鋪設(shè)機(jī)鋪設(shè)整卷防水板總重F1為130kg、使用壓力P=1MPa，油缸活塞受力面積=13 cm2。考慮到13 cm2的油缸為非常規(guī)油缸，制造費(fèi)用不菲，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及考慮到油缸側(cè)向受力選取Φ63 mm/Φ50 mm 油缸，無(wú)桿腔受力面積為31.17 cm2，有桿腔受力面積為11.54 cm2，無(wú)桿腔體積為2.82 L，有桿腔體積為1.04 L。油缸伸出阻力180 kg，收縮阻力50 kg。油缸空載最高起始?jí)毫Φ陀?.5 MPa。整機(jī)空載約5000 kg，考慮到支腿油缸的穩(wěn)定性，且支腿油缸伸縮一定要平穩(wěn)有一定的抗側(cè)向力，故先選擇大尺寸油缸。結(jié)合結(jié)構(gòu)的空間選擇合適的油缸，再反推工作壓力以檢驗(yàn)是否和系統(tǒng)壓力相匹配，經(jīng)計(jì)算選定工程油缸為HSG160×110-300，設(shè)計(jì)工作壓力為16 MPa，計(jì)算理論4 根油缸支撐整機(jī)時(shí)的壓力約為3 MPa。單根最大伸出速度約為85 m/s，單缸縮回速度約為160 m/s，速度由節(jié)流閥調(diào)節(jié)無(wú)極可調(diào)，根據(jù)整機(jī)的實(shí)際剛度來(lái)再次確定支腿油缸的升降速度。

同時(shí)該設(shè)備采用PLC 控制，較繼電器控制更穩(wěn)定、可靠，故障查找方便、快捷；設(shè)置本地或無(wú)線遙控操作模式，更適應(yīng)隧道作業(yè)復(fù)雜的工況；利用電氣系統(tǒng)分別對(duì)油缸和支腿油缸進(jìn)行控制，支撐油缸可單獨(dú)或聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，提高作業(yè)工效。

2 應(yīng)用效果

在南方某隧道施工段進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，該隧道地形地質(zhì)條件復(fù)雜，其中全隧Ⅲ級(jí)圍巖2330 m，占36.9%；Ⅳ級(jí)圍巖2865m，占45.4%；Ⅴ級(jí)圍巖1120 m，占17.7%。從防水板鋪設(shè)效果來(lái)看，采用防水板鋪設(shè)機(jī)鋪設(shè)的防水板松緊度適中，表面平順，能夠滿足防水板鋪設(shè)要求。采用防水板鋪設(shè)機(jī)鋪設(shè)防水板，需要作業(yè)人員3 人（1 人PLC 控制，2 人熱熔焊接）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單幅防水板鋪設(shè)平均時(shí)間為2.5 h，與人工鋪設(shè)防水板相比較，采用防水板鋪設(shè)機(jī)進(jìn)行防水板鋪設(shè)在單幅鋪設(shè)時(shí)間、作業(yè)人員數(shù)量、勞動(dòng)強(qiáng)度、支撐方式、安全性上都具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖2 防水板鋪設(shè)效果

3 結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)表明，隧道防水板鋪設(shè)機(jī)有效提高了防水板鋪設(shè)質(zhì)量和施工的安全性，同時(shí)減少了施工人員數(shù)量、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，在施工質(zhì)量、效率等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。隧道防水板鋪設(shè)機(jī)采用軌行式鋪設(shè)及支撐裝置采用液壓驅(qū)動(dòng)，無(wú)線遙控操作適應(yīng)隧道作業(yè)復(fù)雜工況，性能可靠。該設(shè)備可鋪設(shè)土工布和防水板，是一種新型隧道專用施工機(jī)械，有極大的應(yīng)用價(jià)值。