中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司 河南鄭州 450000

隧 道掘進(jìn)機(jī)是應(yīng)用于地下工程開(kāi)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(yuǎn)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[1]等優(yōu)點(diǎn)，常用作掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)。掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)力主要由液壓泵站輸出，包括各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)泵組、循環(huán)過(guò)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(lái)儲(chǔ)存液壓油，保證液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)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(dá)到 -35 ℃，海拔 3 500～ 4 000 m，此時(shí)原有的液壓泵站系統(tǒng)設(shè)計(jì)已無(wú)法適應(yīng)。氣溫過(guò)低會(huì)造成油箱內(nèi)液壓油黏度過(guò)高，無(wú)法滿足液壓泵冷啟動(dòng)的條件；高海拔會(huì)造成大氣壓過(guò)低，導(dǎo)致油箱內(nèi)壓力過(guò)低，無(wú)法滿足液壓泵啟動(dòng)條件。目前針對(duì)液壓油箱的設(shè)計(jì)主要集中在溫度智能控制[3]、制造工藝[4]、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]等方面，筆者針對(duì)掘進(jìn)機(jī)在極端環(huán)境下施工，液壓泵無(wú)法啟動(dòng)，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)無(wú)法正常工作的問(wèn)題，提出了掘進(jìn)機(jī)加壓油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)在高海拔、低氣壓、低溫環(huán)境下正常運(yùn)行。

1 掘進(jìn)機(jī)加壓油箱簡(jiǎn)介

掘進(jìn)機(jī)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(shè)置有預(yù)壓式呼吸器和加壓裝置，并配有冷干機(jī)以及干燥空氣進(jìn)口，構(gòu)成油箱氣體加壓系統(tǒng)；油箱上設(shè)置多個(gè)加熱器，構(gòu)成液壓油加熱系統(tǒng)。依據(jù)所處的環(huán)境溫度、油液設(shè)定溫度及加熱時(shí)間，可以計(jì)算出加熱器的功率及數(shù)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(shè)計(jì)

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(yùn)轉(zhuǎn)。液壓油箱加壓系統(tǒng)采用氣體增壓，加壓氣體來(lái)自于掘進(jìn)機(jī)上配置的空氣壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)過(guò)濾和減壓后進(jìn)入液壓油箱。

2.1 海拔高度對(duì)大氣參數(shù)的影響

海拔高度對(duì)大氣壓力會(huì)產(chǎn)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(guān)系為[6]

式中：p為當(dāng)?shù)仄骄髿鈮?，Pa；p0為海平面處的大氣壓，取 101 325 Pa；M為空氣的摩爾質(zhì)量，取 29 kg/kmol；h為當(dāng)?shù)睾０胃叨?，m；R0為通用氣體常數(shù)，取 8 314 J/(kmol·K)；T為空氣溫度，取 293 K。

依據(jù)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(shù)隨海拔變化Tab.1 Variation of atmospheric parameters with altitude

2.2 油箱加壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于隧道掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shù)如表 2 所列。

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

柱塞泵吸油口的最低壓力為絕對(duì)壓力 0.08 MPa，當(dāng)工況為 4 000 m 海拔高度時(shí)，大氣壓約為 0.063 MPa。液壓泵吸油壓力過(guò)低，不僅會(huì)降低泵的工作效率，而且易產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，降低油液的流動(dòng)性，增大泵的噪聲和振動(dòng)，影響液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。加壓系統(tǒng)通過(guò)給油箱通入加壓空氣，使油箱內(nèi)液壓泵吸油口的壓力達(dá)到所需要的壓力。

油箱加壓系統(tǒng)包括加壓裝置、預(yù)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(jìn)機(jī)上，加壓空氣來(lái)自于掘進(jìn)機(jī)上配置的空氣壓縮機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)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(jìn)行二級(jí)減壓，減壓原理如圖 3 所示。

圖3 二級(jí)減壓原理Fig.3 Principle of secondary decompression

壓縮空氣經(jīng)過(guò)濾器以及第 1 道減壓閥，壓力減至 0.069 MPa，再經(jīng)過(guò)第 2 道精密減壓閥，其壓力減至 0.021 MPa，進(jìn)入加壓油箱。加壓油箱外界的大氣壓為 0.063 MPa (絕對(duì)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(dá)0.084 MPa (絕對(duì)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(jìn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸多且規(guī)格大，因此在進(jìn)行吸油口壓力核算時(shí)，需要考慮油箱內(nèi)液位變化對(duì)壓力的影響。

掘進(jìn)機(jī)液壓缸完全伸出時(shí)，此時(shí)油箱液位最低，吸油口處絕對(duì)壓力pS=0.084 MPa。

掘進(jìn)機(jī)液壓缸完全回縮時(shí)，此時(shí)油箱液位最高，油箱內(nèi)空氣通過(guò)預(yù)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(duì)壓力

式中：p為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，p=0.063 MPa；pY為預(yù)壓式呼吸器壓力，pY=0.035 MPa；ph為液位差壓力，ph=0.01 MPa。

計(jì)算得pS=0.108 4 MPa。

無(wú)論是液壓油箱內(nèi)液位如何變化，均能保證液壓泵吸油口處的絕對(duì)壓力滿足液壓泵正常工作要求。

3 掘進(jìn)機(jī)加壓油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

3.1 加壓油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)掘進(jìn)機(jī)油箱通過(guò)呼吸器來(lái)保證油箱內(nèi)外壓力相等，而加壓油箱則需要根據(jù)空氣加壓系統(tǒng)的壓力值對(duì)油箱進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

加壓油箱如圖 5 所示。油箱上安裝有空氣呼吸器、回油過(guò)濾器、液位開(kāi)關(guān)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(nèi)部焊有加強(qiáng)肋，底板采取中間高兩邊低的結(jié)構(gòu)形式，其與水平方向的夾角約為 2°。油箱的中間設(shè)置有隔離板，將吸油區(qū)和回油區(qū)分開(kāi)，隔離板高度為油箱內(nèi)部高度的 2/3，并在隔板上開(kāi)有 U形槽，方便油液流通。各吸油口均設(shè)置在吸油區(qū)域的底部?；赜瓦^(guò)濾器、回油管設(shè)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(shè)有清洗蓋，方便進(jìn)行油箱內(nèi)部清洗。油箱兩側(cè)分別裝有液位計(jì)，用于觀察油箱內(nèi)的液位高度。吸油區(qū)域一側(cè)安裝有液位傳感器與溫度傳感器，液位傳感器設(shè)置有高液位、報(bào)警液位和停機(jī)液位；溫度傳感器主要用于檢測(cè)油溫，確保符合液壓泵啟動(dòng)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(shè)計(jì)加壓油箱的強(qiáng)度能否滿足極端加壓工況要求，對(duì)油箱進(jìn)行仿真分析。通過(guò)加壓裝置對(duì)油箱加壓 0.02 MPa，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)液壓缸完全回收時(shí)，油箱內(nèi)液壓油位上升，油箱內(nèi)壓力值為預(yù)壓式呼吸器的設(shè)定值 0.035 MPa。參考?jí)毫θ萜鞯臏y(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，油箱內(nèi)部做氣密性試驗(yàn)時(shí)所加氣壓為 1.4 倍的呼吸器設(shè)定值，即 0.049 MPa。

對(duì)油箱加壓 0.05 MPa 時(shí)，箱體變形情況如圖 6 所示，在油箱表面各個(gè)開(kāi)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(duì)于液壓系統(tǒng)的運(yùn)行基本無(wú)影響，故所設(shè)計(jì)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(jié)果Fig.6 Simulation results of oil tank after pressurization

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)在高海拔、低氣壓、低溫的極端環(huán)境下，油箱內(nèi)的溫度、壓力難以滿足掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)了一種加壓油箱，其加熱系統(tǒng)可保證油箱內(nèi)的油液溫度達(dá)到柱塞泵啟動(dòng)條件。經(jīng)過(guò)加壓之后，油箱內(nèi)的最低壓力為 0.084 MPa，在任何液位下均能達(dá)到柱塞泵的最低啟動(dòng)壓力。通過(guò)仿真分析，在加壓過(guò)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(jìn)機(jī)在高海拔、低氣壓、低溫的環(huán)境下作業(yè)提供了可靠保障。