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隧 道掘進機是應用于地下工程開發(fā)的高端、智能裝備。由于液壓系統(tǒng)具有功率密度大、傳遞距離遠、易于實現自動控制[1]等優(yōu)點，常用作掘進機執(zhí)行機構的動力系統(tǒng)。掘進機液壓系統(tǒng)動力主要由液壓泵站輸出，包括各執(zhí)行機構的電動機泵組、循環(huán)過濾系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、液壓油箱等。液壓油箱是液壓系統(tǒng)中最大的輔助元件之一，其作用主要是用來儲存液壓油，保證液壓系統(tǒng)的正常運行，并具有降低油液溫度、維持泵吸口壓力正常等作用[2]。而在高海拔、低氣壓、低溫的極端環(huán)境下，氣溫達到 -35 ℃，海拔 3 500～ 4 000 m，此時原有的液壓泵站系統(tǒng)設計已無法適應。氣溫過低會造成油箱內液壓油黏度過高，無法滿足液壓泵冷啟動的條件；高海拔會造成大氣壓過低，導致油箱內壓力過低，無法滿足液壓泵啟動條件。目前針對液壓油箱的設計主要集中在溫度智能控制[3]、制造工藝[4]、結構優(yōu)化設計[5]等方面，筆者針對掘進機在極端環(huán)境下施工，液壓泵無法啟動，掘進機液壓系統(tǒng)無法正常工作的問題，提出了掘進機加壓油箱系統(tǒng)設計，保證掘進機液壓系統(tǒng)在高海拔、低氣壓、低溫環(huán)境下正常運行。

1 掘進機加壓油箱簡介

掘進機加壓油箱系統(tǒng)主要包括氣體加壓系統(tǒng)和液壓油加熱系統(tǒng)，如圖 1 所示。油箱頂部設置有預壓式呼吸器和加壓裝置，并配有冷干機以及干燥空氣進口，構成油箱氣體加壓系統(tǒng)；油箱上設置多個加熱器，構成液壓油加熱系統(tǒng)。依據所處的環(huán)境溫度、油液設定溫度及加熱時間，可以計算出加熱器的功率及數量。

圖1 加壓油箱系統(tǒng)Fig.1 Pressurized oil tank system

2 油箱加壓系統(tǒng)設計

在高海拔環(huán)境下，油箱加壓系統(tǒng)為液壓油箱提供穩(wěn)定的壓力，滿足液壓泵所需的吸油壓力，保證液壓泵正常運轉。液壓油箱加壓系統(tǒng)采用氣體增壓，加壓氣體來自于掘進機上配置的空氣壓縮機，經過過濾和減壓后進入液壓油箱。

2.1 海拔高度對大氣參數的影響

海拔高度對大氣壓力會產生影響，一般情況下，大氣壓力隨海拔高度的增加而減小。大氣壓力與海拔高度的關系為[6]

式中：p為當地平均大氣壓，Pa；p0為海平面處的大氣壓，取 101 325 Pa；M為空氣的摩爾質量，取 29 kg/kmol；h為當地海拔高度，m；R0為通用氣體常數，取 8 314 J/(kmol·K)；T為空氣溫度，取 293 K。

依據式 (1) 可得到不同海拔高度處的空氣壓力[7]，如表 1 所列。

表1 大氣參數隨海拔變化Tab.1 Variation of atmospheric parameters with altitude

2.2 油箱加壓系統(tǒng)設計

由于隧道掘進機執(zhí)行機構所需工作壓力較高，故液壓系統(tǒng)配置有高壓軸向柱塞變量泵 A10VSO，其參數如表 2 所列。

表2 柱塞泵性能參數Tab.2 Performance parameters of hydraulic pump

柱塞泵吸油口的最低壓力為絕對壓力 0.08 MPa，當工況為 4 000 m 海拔高度時，大氣壓約為 0.063 MPa。液壓泵吸油壓力過低，不僅會降低泵的工作效率，而且易產生氣蝕現象，降低油液的流動性，增大泵的噪聲和振動，影響液壓系統(tǒng)的正常運行。加壓系統(tǒng)通過給油箱通入加壓空氣，使油箱內液壓泵吸油口的壓力達到所需要的壓力。

油箱加壓系統(tǒng)包括加壓裝置、預壓式呼吸器、加壓油箱、壓力傳感器等，如圖 2 所示。

圖2 油箱加壓系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of pressurized system for oil tank

在隧道掘進機上，加壓空氣來自于掘進機上配置的空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機的出口壓力通常為 0.60～0.80 MPa，而油箱加壓系統(tǒng)所需壓力僅為 0.02 MPa，二者相差較大，故加壓系統(tǒng)需要進行二級減壓，減壓原理如圖 3 所示。

圖3 二級減壓原理Fig.3 Principle of secondary decompression

壓縮空氣經過濾器以及第 1 道減壓閥，壓力減至 0.069 MPa，再經過第 2 道精密減壓閥，其壓力減至 0.021 MPa，進入加壓油箱。加壓油箱外界的大氣壓為 0.063 MPa (絕對壓力)，在壓力為 0.021 MPa 的壓縮空氣的作用下，油箱中液壓油表面的壓力可達0.084 MPa (絕對壓力)，滿足柱塞泵吸油口壓力要求。加壓裝置如圖 4 所示。

圖4 加壓裝置Fig.4 Pressurized device

液壓泵的吸油口布置于油箱的底部，因掘進機執(zhí)行機構液壓缸多且規(guī)格大，因此在進行吸油口壓力核算時，需要考慮油箱內液位變化對壓力的影響。

掘進機液壓缸完全伸出時，此時油箱液位最低，吸油口處絕對壓力pS=0.084 MPa。

掘進機液壓缸完全回縮時，此時油箱液位最高，油箱內空氣通過預壓式呼吸器排出，液壓泵吸油口距離液壓油液面近 1 m，吸油口處絕對壓力

式中：p為當地大氣壓，p=0.063 MPa；pY為預壓式呼吸器壓力，pY=0.035 MPa；ph為液位差壓力，ph=0.01 MPa。

計算得pS=0.108 4 MPa。

無論是液壓油箱內液位如何變化，均能保證液壓泵吸油口處的絕對壓力滿足液壓泵正常工作要求。

3 掘進機加壓油箱結構設計及仿真

3.1 加壓油箱結構設計

常規(guī)掘進機油箱通過呼吸器來保證油箱內外壓力相等，而加壓油箱則需要根據空氣加壓系統(tǒng)的壓力值對油箱進行針對性設計。

加壓油箱如圖 5 所示。油箱上安裝有空氣呼吸器、回油過濾器、液位開關和溫度傳感器等輔助元件。油箱容積為 4 000 L，箱體采用 8 mm 厚的 304 不銹鋼拼焊而成，內部焊有加強肋，底板采取中間高兩邊低的結構形式，其與水平方向的夾角約為 2°。油箱的中間設置有隔離板，將吸油區(qū)和回油區(qū)分開，隔離板高度為油箱內部高度的 2/3，并在隔板上開有 U形槽，方便油液流通。各吸油口均設置在吸油區(qū)域的底部?；赜瓦^濾器、回油管設置在回油區(qū)域，并且保證管口在最低液位以下，避免油液沖濺形成氣泡。油箱前部設有清洗蓋，方便進行油箱內部清洗。油箱兩側分別裝有液位計，用于觀察油箱內的液位高度。吸油區(qū)域一側安裝有液位傳感器與溫度傳感器，液位傳感器設置有高液位、報警液位和停機液位；溫度傳感器主要用于檢測油溫，確保符合液壓泵啟動條件。在油箱四角裝有油箱吊耳，方便油箱吊裝。

圖5 加壓油箱Fig.5 Pressurized oil tank

3.2 加壓油箱仿真分析

為判斷所設計加壓油箱的強度能否滿足極端加壓工況要求，對油箱進行仿真分析。通過加壓裝置對油箱加壓 0.02 MPa，當掘進機液壓缸完全回收時，油箱內液壓油位上升，油箱內壓力值為預壓式呼吸器的設定值 0.035 MPa。參考壓力容器的測試標準，油箱內部做氣密性試驗時所加氣壓為 1.4 倍的呼吸器設定值，即 0.049 MPa。

對油箱加壓 0.05 MPa 時，箱體變形情況如圖 6 所示，在油箱表面各個開孔處的變形量明顯高于其他部位，其中油箱頂部放置加壓裝置的區(qū)域變形量最大，為 2 mm，但該變形量對于液壓系統(tǒng)的運行基本無影響，故所設計的加壓油箱可滿足極端工況下的使用要求。

圖6 加壓后油箱仿真結果Fig.6 Simulation results of oil tank after pressurization

4 結語

針對在高海拔、低氣壓、低溫的極端環(huán)境下，油箱內的溫度、壓力難以滿足掘進機液壓系統(tǒng)的正常運行條件，設計了一種加壓油箱，其加熱系統(tǒng)可保證油箱內的油液溫度達到柱塞泵啟動條件。經過加壓之后，油箱內的最低壓力為 0.084 MPa，在任何液位下均能達到柱塞泵的最低啟動壓力。通過仿真分析，在加壓過程中，油箱最大變形量發(fā)生在油箱頂部，為 2 mm，滿足極端條件下的工作要求，為隧道掘進機在高海拔、低氣壓、低溫的環(huán)境下作業(yè)提供了可靠保障。