液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)在土壓平衡頂管機(jī)中的應(yīng)用

鹿業(yè)勃

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253000）

0 引言

頂管掘進(jìn)機(jī)又稱頂管機(jī)，其作為鋪設(shè)地下管道工程的重要設(shè)備，它集機(jī)械、液壓、電氣、測(cè)量、控制、排土等于一體，在燃?xì)鉄崃?、排污管道及電力通信等工程中被廣泛應(yīng)用。本文將土壓平衡頂管機(jī)為探究對(duì)象，針對(duì)其運(yùn)行方便、土壓平衡頂管施工需水量相對(duì)較少，具有裝備及工藝成本低的優(yōu)勢(shì)，較適用于水源匱乏、施工地面積較小的頂管項(xiàng)目。

1 土壓平衡頂管機(jī)工況分析

土壓平衡頂管機(jī)的作業(yè)通常在多種土質(zhì)土層中進(jìn)行，作業(yè)土質(zhì)一般有黏土、軟土、沙土、砂礫土和硬土等。根據(jù)作業(yè)土質(zhì)的區(qū)別，設(shè)備的受力情況也存在差異，總體上來看頂管機(jī)頂進(jìn)作業(yè)、完成管道鋪設(shè)工程存在的阻力有以下4 種：①刀盤切削過程中受到的土壤切削阻力；②頂進(jìn)作業(yè)中刀盤截面受到的土壤壓力與地下水壓力；③糾偏過程中遇到的糾偏阻力；④頂進(jìn)作業(yè)過程中機(jī)體外表面與土壤的摩擦力。

在設(shè)備的主頂系統(tǒng)中，主頂油缸的頂推力能夠用來克服來自土壤、摩擦等外部帶來的阻力，從而維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，在設(shè)備土倉的內(nèi)部與外部都存在著一定壓力，輸土系統(tǒng)可以對(duì)這些壓力給予良好的平衡，而糾偏阻力與刀盤切削阻力則分別由各自糾偏系統(tǒng)中的糾偏油缸維持系統(tǒng)運(yùn)行的平衡。

2 土壓平衡頂管機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

土壓平衡頂管機(jī)的機(jī)型在設(shè)計(jì)上也大有很大區(qū)別，在系統(tǒng)的設(shè)置方面，不同的機(jī)型區(qū)別主要體現(xiàn)在趨同系統(tǒng)的形式與功率方面，當(dāng)前運(yùn)用最廣泛、最常見的為直徑頂管機(jī)系統(tǒng)。本文以直徑為2200 mm 的系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)展開詳細(xì)研究，從而為頂管機(jī)的外觀設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)置、投入使用等提供科學(xué)參考。

液壓驅(qū)動(dòng)是土壓平衡頂管機(jī)的重要驅(qū)動(dòng)方式，具有成本低、安裝尺寸小及適應(yīng)劇變工況等優(yōu)勢(shì)。刀盤、主頂、糾偏、輸土液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要組成系統(tǒng)，在這4 個(gè)系統(tǒng)的共同協(xié)助下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠正常地運(yùn)轉(zhuǎn)與生產(chǎn)工作。圖1 所示的土壓平衡頂管機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)主要由主頂液壓虹、頂帖、液壓系統(tǒng)等構(gòu)成：在液壓泵電機(jī)的作用下系統(tǒng)進(jìn)行輸油工作；單向閥的作用是防止系統(tǒng)負(fù)載脈沖較大時(shí)對(duì)泵產(chǎn)生損害以及高壓油液的回沖。

圖1 主頂液壓系統(tǒng)工作原理

當(dāng)系統(tǒng)作業(yè)中產(chǎn)生較大的壓力，而處于二位二通閥上位的溢流閥則可以對(duì)壓力進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)泵卸荷的目的。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，一般情況下伸縮液壓缸使用1#～8#主頂液壓缸，使用的數(shù)量與使用的大小要綜合考慮頂推力及頂管直徑二者的具體需求來選擇。并且液壓缸組要具有良好的同步性，電磁換向閥可對(duì)主頂液壓缸伸縮方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，位移傳感器用于測(cè)量主頂液壓缸的行程。

當(dāng)前我國頂管機(jī)注定系統(tǒng)類型繁多、種類多樣，可根據(jù)頂管工程的具體需要進(jìn)行調(diào)整與選擇，選擇余地較大。同時(shí)，該系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)也趨于成熟，完全能夠滿足頂管工程的工作運(yùn)行需要。由于主頂系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)一般放置于地面或井下，且內(nèi)部系統(tǒng)是獨(dú)立存在的，因此本文不再對(duì)其進(jìn)行闡述。

2.1 刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

刀盤液壓驅(qū)動(dòng)在當(dāng)前被廣泛運(yùn)用，并得到普遍的認(rèn)可，主要得益于其以下3 個(gè)優(yōu)勢(shì)。

（1）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指令也能夠迅速且準(zhǔn)確的反應(yīng)，頂管機(jī)的轉(zhuǎn)速在調(diào)整上也無需過多的等待時(shí)間。

（2）刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占據(jù)內(nèi)存小，在攜帶以及保養(yǎng)維護(hù)上都比較便捷，對(duì)于復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境也能夠很好的適應(yīng)。

（3）刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的液壓元件在獲取上難度較小，因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要保養(yǎng)與檢修的時(shí)候不會(huì)耗費(fèi)太大的精力。一般情況下，閉式和開式容積調(diào)速回路液壓驅(qū)動(dòng)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中有兩個(gè)方案可供選擇。兩種方案在性能的適用性上，在土壓平衡頂管機(jī)中都適用。但相對(duì)而言，開式系統(tǒng)溢流量大，對(duì)油箱的容量要求高，工作效率較低。相對(duì)而言，閉式容積調(diào)速回路液壓驅(qū)動(dòng)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更適用于頂管機(jī)機(jī)內(nèi)空間。從圖2 可知，系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，由一臺(tái)二驅(qū)變量液壓馬達(dá)，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤的旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速調(diào)整泵與馬達(dá)的排量。進(jìn)而在溢流閥調(diào)定，在將換向閥進(jìn)行改變最終實(shí)現(xiàn)刀盤正反轉(zhuǎn)與限位的功能，雙液控單向閥來保證系統(tǒng)停機(jī)時(shí)的壓，同時(shí)通過將換向閥與溢流閥的組合達(dá)到抑制系統(tǒng)壓力波動(dòng)的結(jié)果。

圖2 閉式容積調(diào)速回路液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，雙向變量液壓泵將改變泵的轉(zhuǎn)向、排量及速度，進(jìn)而通過兩個(gè)單向閥為定量泵補(bǔ)油。工作中通過溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)將換向閥與溢流閥的配合，為系統(tǒng)過載提供及時(shí)的保護(hù)，從而及時(shí)排出系統(tǒng)熱油，而限定補(bǔ)油回路的工作壓力則由于溢流閥保證。

2.2 糾偏液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由于是地下施工，在具體的施工過程中頂管機(jī)集體偏離是常見現(xiàn)象且不容易規(guī)避，如果在偏離的正常范圍內(nèi)不會(huì)影響施工效果。但是如果偏移超出合理的范圍，則會(huì)導(dǎo)致頂管機(jī)的頂推力以及刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載產(chǎn)生巨大的波動(dòng)，對(duì)施工會(huì)產(chǎn)生不利影響。

偏離情況的糾偏也需要根據(jù)實(shí)際情況選擇具體的方法，對(duì)于頂管機(jī)機(jī)體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏移，可以通過與土層間的摩擦阻力糾偏；對(duì)于其他方向的偏離，可以利用糾偏系統(tǒng)進(jìn)行糾偏。

糾偏油缸是糾偏系統(tǒng)執(zhí)行的元件系統(tǒng)，鉸鏈位置在頂管機(jī)后殼體連接的方位。在糾偏工作開展過程中，通過利用糾偏油缸元件的伸縮作用，對(duì)機(jī)頭的角度展開糾偏的工作。糾偏的效率與結(jié)果與具體情況有著密不可分的關(guān)系，主要有頂管深度、糾偏油缸布置方式等因素的影響。

糾偏液壓系統(tǒng)由糾偏油缸、液壓泵站、控制閥以及管路等所共同構(gòu)成。其中液壓泵需要使用高壓小流量柱塞泵，其具備運(yùn)行穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以保證糾偏更為平穩(wěn)，油缸進(jìn)油方向可通過電磁換向閥組進(jìn)行控制，使用液控單向閥組作為液壓鎖，進(jìn)而有效確保未作業(yè)的油缸的可靠限位，利用單向調(diào)速閥對(duì)同組液壓缸的性能進(jìn)行有效的保障，對(duì)液壓系統(tǒng)的工作壓力通過溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。

為了防止當(dāng)油缸壓力突然升高狀態(tài)下工作出現(xiàn)壓力波動(dòng)造成損壞，使用溢流閥組避免其發(fā)生。同時(shí)，在液壓系統(tǒng)中，閥安裝的安裝采用疊加式，使系統(tǒng)安裝更為簡(jiǎn)捷，液壓系統(tǒng)占用的空間得到了節(jié)省，在后續(xù)工作中的檢修中也更加的方便。在糾偏油缸使用過程中，是將兩支分為一組，在糾偏工作開展中，控制臺(tái)上的電器控制電磁轉(zhuǎn)向閥，進(jìn)而完成整個(gè)糾偏的流程。其中在糾偏工作油缸組的選擇上，要考慮到油缸組在頂管機(jī)內(nèi)的安裝形式，進(jìn)而根據(jù)具體的情況選擇糾偏油缸的安裝方式。

2.3 輸土液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在設(shè)備的運(yùn)行中，刀盤在切削中會(huì)產(chǎn)生泥土，而泥土則會(huì)降低系統(tǒng)工作效率，因此將泥土及時(shí)的清理和排出至關(guān)重要，而輸土液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就是起到排土的作用，讓土壓倉內(nèi)土壓維持到正常的標(biāo)準(zhǔn)，從而保障在施工挖掘過程中土壓與水壓的平衡，進(jìn)而保證工作的正常開展。在本次研究設(shè)計(jì)中，選擇的頂管機(jī)輸土系統(tǒng)元件為螺旋輸送機(jī)，切削的土體在輸送上采取螺旋葉片，通過土塞對(duì)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速不斷調(diào)整，從而確保土倉壓力保持在正常的范圍內(nèi)。所以說，頂管機(jī)整機(jī)工作的穩(wěn)定性以及施工質(zhì)量與輸土系統(tǒng)運(yùn)作質(zhì)量具有密不可分的關(guān)系，輸土系統(tǒng)要具備不同土質(zhì)的適應(yīng)能力以及輸土速度的快速調(diào)整能力。

輸土液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成如圖3 所示，在變量液壓泵的作用下系統(tǒng)形成驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而在確保的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)變量液壓泵排量及液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。使用電磁換向閥調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向，并采取溢流閥對(duì)系統(tǒng)總工作壓力作出調(diào)整，螺旋輸送機(jī)出泥口閘門開合度則通過液壓缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，充分發(fā)揮調(diào)節(jié)出土速度及泥土流動(dòng)狀態(tài)的作用，從而保證泥土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)達(dá)到密封的效果，避免泥土飛濺，讓泥土艙內(nèi)泥土的壓力保持在正常水平。位移傳感器檢測(cè)泥口閘門的位置，液壓鎖可限定泥口閘門位置，而閘口油缸的極限位置由行程開關(guān)組限定，借助比例電磁閥及時(shí)調(diào)節(jié)閘口油缸的運(yùn)動(dòng)速度及方向，讓主回路油減壓閥后流入閘口油缸回路，減壓閥調(diào)定閘口油缸回路工作壓力，從而保證在系統(tǒng)忽然斷電的條件下借助蓄能器緊急關(guān)閉泥口閘門。系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，電磁換向閥處于上位狀態(tài)，蓄能器不工作。當(dāng)油液在經(jīng)過單向閥后向蓄能器充油，在系統(tǒng)斷電狀態(tài)下電磁換向閥處于下位工作狀態(tài)，蓄能器回路導(dǎo)通后泥口閘門關(guān)閉，使用節(jié)流閥調(diào)節(jié)關(guān)閉速率，螺旋輸送機(jī)停轉(zhuǎn)出土，并采用溢流閥控制蓄能器充油壓力。

圖3 輸土液壓系工作原理

3 結(jié)束語

綜上所述，頂管機(jī)集多項(xiàng)技術(shù)于一體，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)環(huán)境適應(yīng)性更好，能夠應(yīng)對(duì)劇烈變化所帶來的負(fù)載和頻繁沖擊?；谝簤候?qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用特點(diǎn)，本文對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)在土壓平衡頂管機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，為相關(guān)研究提供參考。