复合地层顶管机刀盘液压驱动系统的应用

2018-11-27李光朋李延民

建筑机械化 2018年10期

李光朋，李延民

（1.郑州大学机械工程学院，河南郑州 450001；2.中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450001）

顶管法施工具有不需要开挖地面、开挖速度快、占地面积少、环保、高效等优势，在施工过程中能最大限度的减小对地面交通和居民正常生活的影响，同时还能获得较高的工程质量，因此顶管机广泛用于地下穿越河流、道路、建筑等具有条件限制的管道工程建设中[1-2]。

顶管机在国内的应用地质多数为粉土、砂土、黏土、淤泥等富水的软土地层[3]，而在软岩和硬岩交替出现的复合地层条件下应用较少，且常规的电机驱动刀盘的形式在这种复合地层条件下工作，经常会出现超转矩、卡刀盘等掘不动的情况。采用液压驱动刀盘能更适应硬岩以及复合地层下掘进，同时闭式液压系统具有结构紧凑、效率高、调速范围宽和油液不易污染等优点，适用于大功率的场合，能够满足刀盘对扭矩和转速的需要[4]。

1 工程概况

拟建管道地处于南宁盆地高级阶地及盆地边缘剥蚀丘陵区的垄状高丘区和剥蚀残丘谷地区，岩土层种类较多，地形地貌较复杂，性质变化较大。场地岩土层分布自上而下为新近堆积形成素填土、第四系残坡积形成黏土、下伏石炭系石灰岩，还存在溶洞，地貌外观如图1所示，断面示意图如图2所示，各岩土层物理力学指标如表1所示。

图1 地貌外观图

表1 各岩土层物理力学指标

由此复杂的地质结构可以看出，顶管机在施工过程中要适应红黏土结泥饼糊刀盘的工况，也要适应石灰岩层大冲击的工况，也要适应多种地质并存时刀盘受力不均匀卡刀盘的工况，也就要求顶管机有脱困、低速、高速3种工作模式来适应复合地层的施工要求。

图2 管断面示意图

2 中心刀盘驱动液压系统

顶管机施工的地质条件比较复杂，沿线贯穿石灰岩、红黏土、杂填土等岩层，中间还伴有溶洞，这就要求刀盘具有大扭矩、抗冲击的能力，而且还要能根据地质的不同调整转速[5]。根据以上工况要求设计了脱困、低速、高速3种工作模式，驱动方式采用变量马达-变量泵的闭式液压系统，系统占用空间小，安装结构紧凑，大功率工况下效率高，能量损耗就小，而且变量马达-变量泵系统的调速范围也比较大，能够使用复合地层的工况[6]。中心刀盘闭式液压系统原理如图3所示。

图3 刀盘驱动液压系统原理图

液压系统采用2台电液比例双向变量柱塞泵（简称变量柱塞泵），配合1台双速液压变量马达（简称变量马达）的驱动方式，速度调节以变量柱塞泵为主，以变量马达为辅，通过调整变量柱塞泵斜盘摆向和摆角来改变系统油液的方向和流量的大小，从而改变变量马达的转向和转速。2个变量柱塞泵的A口同时出油时，变量马达正转，输入电信号越大转速越高；相反，变量柱塞泵的B口同时出油时，变量马达实现反转。另外，变量柱塞泵后边还串联冲洗泵和循环泵。冲洗泵的压力油通过冲洗控制阀组实现对变量马达的冲洗和双速切换控制；循环泵对系统的油液进行过滤，同时给散热器提供一定流量的油进行散热；热交换器中油和水反向对流实现对液压系统的冷却；双速阀用来切换变量马达的高低速工作模式，电磁铁ZQ01不得电时，双速阀处于图示的右位，变量马达为低速模式；电磁铁ZQ01得电时，双速阀换到左位，变量马达为高速模式；热油阀将系统中的热油流进热交换器进行散热，然后流入油箱，同时变量柱塞泵中的补油泵给系统补充一定量冷却的油液，以维持整个系统的热平衡。

3 实际应用与分析

对施工地点的地质条件进行分析，根据经验及其施工工艺分别给出刀盘在脱困、低速、高速3种工作模式下刀盘的转速和扭矩，具体参数如表2所示。

表2 刀盘的基本参数

根据上述刀盘在脱困、低速和高速3种模式下的转速和扭矩，以及液压系统的变量特性和恒功率的控制，经过计算可绘制出刀盘转速扭矩曲线图，如图4所示。

表3是在杂填土和红黏土等软岩地质条件下施工时采集的数据。在软岩地质情况下采用刀盘低速模式施工，此时后边顶推力比较大，刀盘的切削量也比较大，刀盘的扭矩也就比较大，这样才能保证顶管的整体掘进速度稳定在一定的范围。施工在中间地段时，地质由软岩变成了以石灰岩为主的硬岩地质，在此工况下采用刀盘的高速模式进行施工。这种模式下刀盘扭矩比较小转速较高，以破碎石灰岩的方式进行掘进，此时总顶推力也相应的减小。表4是在石灰岩地质情况掘进时采集的相关数据。

图4 刀盘转速扭矩曲线图

图5 18～19号管节刀盘扭矩转速曲线图

图6 33～34号管节刀盘扭矩转速曲线图

根据表3和表4中刀盘扭矩和刀盘转速数据，绘制出曲线如图5、图6所示。

分析图5数据，刀盘扭矩最低为354kN/m、最高为448kN/m，刀盘转速最低为1.8r/min、最高为2.1r/min，与图4对比可得在掘进第18～19管节时刀盘处于低速挡，符合刀盘在掘进杂填土和红黏土等软岩地质时的工作状态；分析图6数据，刀盘扭矩最低为111.9kN/m、最高为352kN/m，刀盘转速最低为4.4r/min、最高为5.2r/min，与图4对比可得在掘进第33～34管节时刀盘处于高速挡，符合刀盘掘进以石灰岩为主的硬岩地质时的工作状态。