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(chēng)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(lái)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(pán)切削過(guò)程中受到的土壤切削阻力；②頂進(jìn)作業(yè)中刀盤(pán)截面受到的土壤壓力與地下水壓力；③糾偏過(guò)程中遇到的糾偏阻力；④頂進(jìn)作業(yè)過(guò)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(lái)克服來(lái)自土壤、摩擦等外部帶來(lái)的阻力，從而維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，在設(shè)備土倉(cāng)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(pán)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(jiàn)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(kāi)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(pán)、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(guò)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(lái)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(guó)頂管機(jī)注定系統(tǒng)類(lèi)型繁多、種類(lèi)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(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

刀盤(pán)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(wú)需過(guò)多的等待時(shí)間。

（2）刀盤(pán)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(pán)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(kāi)式容積調(diào)速回路液壓驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在應(yīng)用的過(guò)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(kāi)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(pán)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(guò)程中，由一臺(tái)二驅(qū)變量液壓馬達(dá)，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)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(pán)正反轉(zhuǎn)與限位的功能，雙液控單向閥來(lái)保證系統(tǒng)停機(jī)時(shí)的壓，同時(shí)通過(guò)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(guò)兩個(gè)單向閥為定量泵補(bǔ)油。工作中通過(guò)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(guò)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(guò)程中頂管機(jī)集體偏離是常見(jiàn)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(pán)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(guò)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(kāi)展過(guò)程中，通過(guò)利用糾偏油缸元件的伸縮作用，對(duì)機(jī)頭的角度展開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)程中，是將兩支分為一組，在糾偏工作開(kāi)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(pán)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(cāng)內(nèi)土壓維持到正常的標(biāo)準(zhǔn)，從而保障在施工挖掘過(guò)程中土壓與水壓的平衡，進(jìn)而保證工作的正常開(kāi)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(guò)土塞對(duì)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速不斷調(diào)整，從而確保土倉(cāng)壓力保持在正常的范圍內(nèi)。所以說(shuō)，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(mén)開(kāi)合度則通過(guò)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(mén)的位置，液壓鎖可限定泥口閘門(mén)位置，而閘口油缸的極限位置由行程開(kāi)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(mén)。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(guò)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(mén)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(yǔ)

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(lái)的負(fù)載和頻繁沖擊。基于液壓驅(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。