豎井掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)管路的布置方式研究

趙紅紅，苗軍克，張曉明，陳明，藺志澤

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

由 中信重工研發(fā)生產(chǎn)的豎井掘進(jìn)機(jī)成套裝備，主要適用于城市有限作業(yè)空間、地下水豐富、傳統(tǒng)施工工法支護(hù)處理困難的地區(qū)豎井的施工。豎井掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，水下施工環(huán)境復(fù)雜，動(dòng)力頭部重復(fù)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，給液壓管路的設(shè)計(jì)和布置提出了更高的要求。筆者從管路設(shè)計(jì)需要考慮的主要因素分析計(jì)算，再借助設(shè)計(jì)軟件對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的管路進(jìn)行整體分析，設(shè)計(jì)出了適合豎井掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的管路布置方式，并在施工設(shè)備上進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 豎井掘進(jìn)機(jī)機(jī)上管路的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

豎井掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，整機(jī)下水，前端的動(dòng)力頭部采用多刀盤(pán)全斷面掘進(jìn)方式，整體繞回轉(zhuǎn)中心做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，左右各回轉(zhuǎn)半圈，整體組成一個(gè)圓。動(dòng)力頭上與液壓馬達(dá)和液壓缸連接的管路均跟隨其做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖 1 所示。對(duì)于這類跟隨機(jī)械件回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的管子，只能使用軟管，起柔性連接和消振的作用，同時(shí)能適應(yīng)一定范圍內(nèi)的長(zhǎng)度變化。

圖1 管路連接示意Fig.1 Sketch of pipeline connection

2 影響管路設(shè)計(jì)和布置的因素

2.1 管路設(shè)計(jì)需要考慮的因素

軟管設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素有系統(tǒng)壓力、壓力波動(dòng)、油液流速、溫度、油液黏度及環(huán)境條件等，最終反映到軟管上就是軟管的通徑、耐壓等級(jí)及軟管的材質(zhì)等參數(shù)。

管徑計(jì)算公式[1]為

式中：d為管道內(nèi)徑，mm；Q為管中流量，L/min；v為管中的流速，m/s。

推薦流速[2-3]：吸油管為 0.5～1.5 m/s (一般取 1.0 m/s 以下)；壓力管取 2.5～6.0 m/s (壓力高，管道短或者液壓油黏度小的情況下取大值，反之取小值)；回油管為 1.5～2.0 m/s。

考慮以上因素，豎井掘進(jìn)機(jī)上回轉(zhuǎn)管路最終采用合成橡膠內(nèi)層，4 層鋼絲纏繞增強(qiáng)層，高耐磨合成橡膠外層，耐壓等級(jí)為 30 MPa 的高壓復(fù)合軟管。

2.2 管路布置需要考慮的因素

布管時(shí)需要注意的因素有管路的安裝和維修、管路的壓力損失、管路的周邊環(huán)境以及管路的美觀性等。在設(shè)計(jì)之初，總設(shè)計(jì)師就要綜合考慮整體管路的走向并預(yù)留一定的布管空間[4]。

3 豎井掘進(jìn)機(jī)上管路設(shè)計(jì)

3.1 建模分析管路的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

豎井掘進(jìn)機(jī)上的管路跟隨液壓馬達(dá)和液壓缸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以此為基礎(chǔ)建立模型，如圖 2 所示。軟管一端O點(diǎn)固定，另一端從A點(diǎn)繞中心P點(diǎn)在三維空間回轉(zhuǎn) 180°運(yùn)動(dòng)，經(jīng)B、C、D到E點(diǎn)，再?gòu)腅點(diǎn)繞中心P反方向回轉(zhuǎn) 180°回到A點(diǎn)，完成 1 個(gè)周期。

圖2 管路回轉(zhuǎn)示意Fig.2 Sketch of pipeline rotation

將軟管單獨(dú)在三維空間做一個(gè)運(yùn)動(dòng)模擬，以考察軟管在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)，為此，將O點(diǎn)設(shè)定到P軸上，即軟管圍繞OP軸旋轉(zhuǎn)，如圖 3 所示。模擬的前提條件：

圖3 軟管回轉(zhuǎn)狀態(tài)Fig.3 Sketch of hose rotation

(1) 軟管自身不能發(fā)生扭轉(zhuǎn)，整體繞著OP軸旋轉(zhuǎn)。其中O點(diǎn)為固定點(diǎn)，不隨軟管回轉(zhuǎn)。

(2) 在固定點(diǎn)O作一個(gè)刻度標(biāo)識(shí)，在軟管固定端作一個(gè)旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)。在 0°位置時(shí)，2 個(gè)標(biāo)識(shí)在一條刻度線上。

三維模型初始狀態(tài)如圖 3(a) 所示。以 0°位置為初始位置，固定點(diǎn)O的刻度標(biāo)識(shí)和軟管固定端的旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)重合在一條線上。

驅(qū)動(dòng)軟管繞軸OP順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°，對(duì)比固定點(diǎn)O的刻度標(biāo)識(shí)和軟管上的旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)軟管上的旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)線相對(duì)固定點(diǎn)的標(biāo)識(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了 90°，如圖3(b) 所示。繼續(xù)驅(qū)動(dòng)軟管繞OP軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到 180°位置，再對(duì)比固定點(diǎn)O的刻度標(biāo)識(shí)和軟管上的旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)，發(fā)現(xiàn)軟管上的旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)線相對(duì)固定點(diǎn)的標(biāo)識(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了180°，軟管上的旋轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)線正好轉(zhuǎn)到了固定點(diǎn)O的刻度標(biāo)識(shí)的正后方，如圖 3(c) 所示。

通過(guò)模擬可知，在以上條件下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軟管，移動(dòng)端旋轉(zhuǎn)的角度順著管線傳遞到了固定端。因固定端是固定不動(dòng)的，最后這些扭轉(zhuǎn)全部加在了軟管本體上，會(huì)嚴(yán)重降低軟管的壽命，甚至導(dǎo)致軟管破損[5]。試驗(yàn)表明，將高壓軟管扭轉(zhuǎn) 5°會(huì)減少 70%的使用壽命，扭轉(zhuǎn) 7°能減少 90% 的使用壽命[6]。因此，必須要考慮一種布置方式，以消除軟管自身受扭，防止軟管失效。

3.2 管路布置設(shè)計(jì)

從圖 2 可以看出，可以將OA、OB、OC、OD和OE管線分解成同一垂直段OO′和不同的水平段O′A、O′B、O′C、O′D、O′E。這樣，1 根空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軟管化解成了固定段OO′和在一個(gè)平面內(nèi)繞點(diǎn)P做平面運(yùn)動(dòng)的軟管，徹底消除了軟管繞軸的扭轉(zhuǎn)力。

采用上述空間軟管分解的方法，將所有集成在機(jī)架固定板上的軟管，下引一段距離到一個(gè)合適的固定位置，再以這個(gè)固定的位置為平面上一點(diǎn)，向平面上其他的各個(gè)點(diǎn)輻射，使所有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軟管轉(zhuǎn)化成在這個(gè)位置的同一平面內(nèi)做平面運(yùn)動(dòng)的軟管。

豎井掘進(jìn)機(jī)上同一時(shí)間段，做同一角度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的管線有十多根，由于回轉(zhuǎn)半徑大，同一軟管在同一平面上各個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)處軟管兩端的直線距離差別很大。而且多根軟管做這樣的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不僅要防止軟管與其他件的摩擦與干涉，還要考慮軟管與軟管之間的相互干涉造成軟管失效，如外皮磨損，鋼絲裸露以及接頭拔脫等[7]。筆者采用 S 形回轉(zhuǎn)拖鏈作為輔助，拖鏈的 S 形狀消除了軟管在每個(gè)位置的距離差。因安裝空間小，軟管較多，設(shè)計(jì)了 2 條并列的 S 形回轉(zhuǎn)拖鏈。拖鏈一端固定在外托架上，外托架保持位置固定不變，拖鏈另一端固定在跟隨機(jī)械件運(yùn)動(dòng)的內(nèi)托架上。將所有軟管裝入拖鏈，以P點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心，將180°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)定義為±90°運(yùn)動(dòng)，以中間位置回轉(zhuǎn)角度0°為基礎(chǔ)，計(jì)算出拖鏈的長(zhǎng)度和布置姿態(tài)，然后以回轉(zhuǎn)角度在 0°時(shí)的軟管長(zhǎng)度和狀態(tài)為依據(jù)，最終推算出回轉(zhuǎn)角度在±90°時(shí)的軟管狀態(tài)，如圖 4 所示。

由圖 4 可以看出，拖鏈不僅主動(dòng)帶著軟管運(yùn)動(dòng)，隔開(kāi)了軟管與外界的接觸，極大地提高了軟管運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的安全性，而且拖鏈能使每根軟管之間保持一定間距，避免了相互之間的運(yùn)動(dòng)干涉。

圖4 軟管狀態(tài)Fig.4 Hose state

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)豎井掘進(jìn)機(jī)管路的分析，得出了一種有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的布管方式，解決了原軟管在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)不可避免產(chǎn)生的扭曲。采用回轉(zhuǎn)拖鏈的布管方式，使整體布管緊湊整潔，可以很好地應(yīng)用在其他的有相似運(yùn)動(dòng)的在工程機(jī)械設(shè)備上。