细土筛分输送和管沟回填一体化装置的开发

魏 瑄，吴寅虎，刘 洁，王 巍，陈 元

中国石油天然气管道局第二工程公司，江苏徐州 221008

细土回填工序是管道施工中的重要工序，其施工质量会影响到管道后期运行的安全及寿命，其进度也会影响和制约工程总体施工进度。管道施工中细土回填主要应用于石方、戈壁或冻土段管沟。目前，细土回填主要采用挖掘机配合网筛筛土法进行，它无法实现机械化连续作业，效率低，且存在质量风险，直接影响到管道下沟和管沟回填施工进度，同时也影响后续的清管试压作业，从而制约工程总体施工进度。

目前，细土回填工序作业过程不连续。其做法是先将大土块筛分后，再用挖掘机把筛分土回填到管沟，作业流程不连续，影响施工效率。筛分作业主要采用挖掘机配合网筛的方式进行，网筛筛分出来的粒径有时不符合国标GB 50369—2014所规定的粒径不得大于20 mm[1-2]的要求，影响回填工序的质量。随着施工技术的发展，管道工程已经逐步进入机械化施工、智能化管理时代，机械化设备已经成熟地应用在管道施工的各个工序，比如机械化补口、全自动焊接等，但是在管道施工中，尚未见到集筛分和回填功能于一体的机械化设备。

基于以上几方面的考虑，本文提出了一种基于推土机的细土筛分回填装置，该装置适用于管沟的细土回填，可在极大降低施工人员劳动强度的同时，高效率、高质量地完成管沟细土的回填作业。

1 细土筛分回填装置设计的总体思路

1.1 设计概述

本文提出的基于推土机的细土筛分回填装置安装在推土机上使用，可以实现上料、细土筛分、回填功能，推土机在行进的过程中，沟边土通过上料系统进入到筛分系统，经过筛分系统筛分出的符合标准的回填土再通过输送回填系统回填到管沟，整个过程为连续机械化作业。

整个装置的动力由推土机动力源提供，本装置可以根据推土机的推进速度自动匹配上料速度，也可以根据管沟宽度设置输送带伸出的相应距离。在回填过程中，实时采集监控设备关键数据，通过3G或者GPRS网络实时传送到指定的网址或者多个项目管理服务器。项目管理员也能够及时掌握施工情况。基于推土机的细土筛分回填装置的设计思路见图1。

图1 基于推土机的细土筛分回填装置的设计思路

1.2 细土筛分回填装置的结构及功能

基于推土机的细土筛分回填装置主要由推土机后输出系统、上料系统、筛分系统、输送回填系统以及控制系统组成，其结构见图2。推土机后输出系统用于从推土机取得动力源，上料系统用于在推土机行进的过程中完成土块的上料，筛分系统主要用于筛分出合格的细土，输送回填系统用于将合格的细土输送、回填到管沟中。

图2 基于推土机的细土筛分回填装置的系统组成

基于推土机的细土筛分回填装置安装在推土机上，实现装置的抬升，适应不同高度的土堆。在推土机的行走过程中，上料系统完成土块的上料，筛分系统筛分出粒径小于20 mm细土，输送回填系统将筛分出的细土直接回填到管沟中。该装置可以自动调节输送带伸出到管沟的距离以适应不同宽度的管沟，适用于D273～1 219 mm钢管的管沟。控制系统对整个装置的工作过程进行控制，并将运行参数实时显示在人机界面。其主要参数如表1所示。

表1 基于推土机的细土筛分回填装置的主要技术参数

2 机械及液压设计

2.1 细土筛分装置与推土机连接系统

细土筛分装置与推土机的连接系统主要由液压动力后输出系统和推杆架组成（见图3），主要实现液压动力源的引出和推土机机械的连接。

图3 推土机后输出系统连接及推杆架设计

（1）推土机后输出系统的连接主要由三联泵、钟罩、轴承座、轴承和连接轴等组成。细土筛分装置后输出轴系统与推土机齿轮箱的后输出轴连接，通过新增加的后输出轴将动力引出至三联泵，再分配给上料系统、土块筛分系统、输送带、推杆，细土筛分装置后输出轴系统在整个动力传送过程中起着承上启下的作用。

（2）细土筛分输送装置推杆架。推杆架主要由推杆、推杆油缸、斜支撑架和铰轴等组成。筛分系统的筛分机架通过铰轴、螺栓分别与推杆、斜支撑架连接，推杆与推土机相连。细土筛分输送装置推杆架的主要作用是连接细土筛分系统和推土机。

2.2 细土筛分输送装置的上料系统

（1）上料系统的结构与功能。上料系统的主要功能是将沿管沟堆放的土块旋挖至土块筛分系统。上料系统主要由上料滚筒、上料轴、上料架和上料马达等组成。上料滚筒由3个独立的滚筒组成，3个独立的滚筒分别安装在上料轴上，上料滚筒整体地安装在上料架上，两端分别通过轴端法兰进行定位。上料马达安装在上料轴内，在上料马达的驱动下，3个独立滚筒一起旋转，从而完成土块上料工作。滚筒上料系统装配图见图4。

（2）上料系统的计算。

图4 滚筒上料系统装配图

式中：ρ421为线密度，kg/m；m421为滚筒内泥土的有效质量，kg；D411为滚筒外径，mm；D412为滚筒内径，mm。

式中：M421为单滚筒力矩，kN·m，g为重力加速度，m/s2。

式中：P421为滚筒驱动功率，kW；n421为每分钟滚筒需要转动的圈数，r/min。

2.3 细土筛分输送装置土块筛分系统

2.3.1 筛分系统结构与功能

土块筛分系统的主要功能是将上料传送来的物料进行筛分，直径20 mm以下的土块直接穿过筛分叶片间空隙筛分漏到输送带上，直径20 mm以上的土块经过筛分轴的同向运动输送到筛分架后侧。土块筛分系统主要由齿轮组箱、过渡箱、联轴器箱、筛分辊齿、筛分机架（含支撑横梁）、筛分马达等组成[3]。土块筛分系统的底部安装两个地轮，具有支撑和行走作用。筛分系统设计图及装配图见图5。

图5 筛分系统设计图及装配图

第一，齿轮组箱：齿轮组箱主要由齿轮箱体、上排齿轮、下排齿轮、上排齿轮轴、下排齿轮轴、上排齿轮轴承、下排齿轮轴承、密封圈等组成。第二，过渡箱：过渡箱主要由上限位板、定位板、下限位板等组成。第三，联轴器箱：联轴器箱主要由联轴器箱体、半联轴器、弹性件和紧定螺钉等组成，半联轴器、弹性件和紧定螺钉构成一个弹性联轴器，主要连接下排齿轮轴和筛分半轴、联轴。第四，筛分辊齿：筛分辊齿由筛分半轴、筛分半轴固定座、辊齿、筛分轴等组成，筛分半轴用于与筛分轴连接，安装在筛分半轴固定座上，辊齿通过平键与筛分轴连接，更换辊齿时，只需要将筛分半轴固定座打开，拿出筛分轴即可。第五，筛分机架：筛分机架主要由筛分半轴固定座、支撑横梁、挡土条、导土板、机架等组成。筛分机构辊齿、齿轮箱、联轴器箱主要部件见图6。

2.3.2 筛分系统主要设计计算

（1）每小时筛分质量计算。

式中：Q21为每小时筛分质量，kg/h；ρ11为土壤密度，kg/m3；D21为筛分轮大径，mm；D22为筛分轮小径，mm；L21为筛分轴长度，m；n21为筛分轴转速，r/min；m21为筛分轴数量；η21为筛分系数。

取 ρ11=2 500 kg/m3，D21=150 mm，D22=120 mm，L21=1.3 mm，n21=120 r/min，m21=7，η21=0.4，通过式（4） 计算得出，Q21=416.82×103kg/h，符合设计值每小时筛分质量m11=300×103kg/h的设计要求。

（2）筛分功率计算。

先计算半边剪切驱动扭矩：

式中：M221为半边剪切驱动扭矩，kN·m；τ为土壤抗剪强度，MPa；φ为剪切系数；A222为单轴切割总面积，m2。

由半边剪切驱动扭矩可以计算出筛分总功率：

式中：P222为筛分总功率，kW。

2.4 输送回填系统

2.4.1 输送回填系统的结构与功能

输送带系统的主要功能是承接细土筛分输送装置筛漏下来的物料并传输到管沟。输送带系统主要由输送带架、侧支架、上托辊、下托辊、输送带、轴承座、调节螺丝、主动滚筒、从动滚筒、输送带马达等组成。输送架伸出的长度可以根据管沟情况的不同进行调节，通过人机界面设置好伸出距离，可自动调节。输送带设计图及装配图见图7。

图7 输送带设计图及装配图

2.4.2 输送系统设计计算

（1） 输送带设计相关参数。其相关参数见表2。

表2 输送带设计相关参数

（2）输送系统设计计算。

输送带理论带宽B621：

式中：B621为理论输送带宽，m；k612为载断面因数；V614为胶带运行速度，m/s；c613为皮带机倾角因素。

输送带每小时输送量Q615：

式中：Q615为胶带每小时输送量，kg/h；B611为目标值输送带宽，m。

式中：M645为输送带驱动扭矩，N·m；W644为输送带驱动功率，W；D641为驱动轮直径，mm；V642为输送带运行速度，m/s。

式中：N645为输送带单位驱动扭矩，N·m/MPa；P646为液压系统压力，MPa。

式中：V648为马达排量，mL/r；D641为驱动轮直径，mm；W644为输送带驱动功率，kW；P646为液压系统压力，MPa；V642为输送带运行速度，m/s。

（3） 校核与选型计算。取m11=300×103kg/h；k612=0.127；ρ11=2 500 kg/m3；V614=1.25 m/s；c613=1，由式（7）计算得出B621=0.818 m，目标值输送带宽B611=0.85 m，因此满足皮带宽度的要求。

取 k612=0.127；B611=0.85 m；ρ11=2 500 kg/m3；V614=1.25 m/s；c613=1，由式（8）计算得出，Q615=1×106kg/h=1 000 t/h＞200 t/h，满足皮带运量的要求。

由表2得，D641=250 mm；V642=1.6 m/s；W644=7.5 kW；P646=16 Pa，由式（9）、（10）、（11）计算得出输送带马达所需扭矩M645=585.938 N·m，马达所需单位扭矩N645=36.82 N·m/MPa，马达排量V648=230.097 mL/r。根据马达样本，选择型号为ASK1-250液压马达，其相关参数见表3。

表3 筛分马达相关参数

2.5 细土筛分输送装置的液压系统动力分配

2.5.1 液压系统的结构

液压系统由油箱、三联泵、溢流阀组、电液换向阀组、上料马达、筛分马达、输送带马达、左推杆油缸、右推杆油缸组成[4]。其结构示意见图8。

图8 基于推土机的细土筛分输送装置的液压系统

2.5.2 液压系统设计计算

根据单筛分马达排量V511，泵的压力P511，应用下列算式计算出单筛分每分钟所需流量Q511、液压泵的功率W511。

式中：Q511为单筛分每分钟所需流量，L/min；V511为单筛分马达排量，mL/r；n21为筛分轴转速，r/min。

式中：W511为液压泵的功率，kW；P511为泵的压力，MPa。

3 控制系统设计

3.1 控制系统结构框架

细土筛分输送装置的控制系统，主要由PLC、数字输入输出模块、模拟量输入输出模块、各种开关、电磁阀、速度传感器、距离传感器、人机界面组成。系统控制框架见图9。

控制系统通过各种位置开关、各种电磁阀、速度、距离、压力传感器实现对上料系统、筛分系统、输送回填系统进行控制。

PLC控制器是控制系统的核心，采用一种小型的可编程序控制器，型号为西门子S7-200SM ART，可以作为各种工业环境中自动化系统的核心控制单元[5-13]。

图9 控制系统框架示意

控制系统预留了网络接口，PLC通过网络模块可以接入到无线网中，可以把单台或者多台装置的施工数据通过3G或者GPRS网络实时传送到指定的网址或者多个项目管理服务器，项目管理员也能够及时掌握施工情况。

3.2 上料滚筒转速与推土机行进速度匹配控制

上料滚筒转速与推土机行进速度匹配控制属于闭环控制（其原理见图10），控制系统根据设定的上料量的数值，实时采集到上料滚筒转速以及推土机的行进速度，计算出与之的匹配的上料滚筒速度。通过A/D转换器输出模拟量到电液比例阀来驱动上料马达，使其转速达到匹配的速度[14]。

图10 上料滚筒转速与推土机行进速度匹配控制原理

3.3 人机界面

控制系统采用昆仑通态研发的人机界面TPC7062KS，可在实时多任务嵌入式操作系统Windows CE环境中运行，采用MCGS嵌入式组态软件组态。

产品技术参数：7 in（1 in=25.4 mm） 高亮度TFT液晶显示屏（分辨率800×480），四线电阻式触摸屏。CPU主板采用ARM结构嵌入式低功耗CPU，主频400MHz，64 M存储空间。触摸屏通过COM口直接与输送站的PLC（PORT 1） 的编程口连接。所使用的通讯线采用西门子PC-PPI电缆，PC-PPI电缆把RS232转为RS485。

人机界面上设置了6个控制按钮，其中有两个按钮控制总电源。“启动”键按下时，总电源打开，同时按钮上的颜色变成红色。其他四个旋钮分别控制上料马达、筛分马达、输送带马达、伸出油缸。四个仪表盘分别显示推土机的行进速度、上料转速、筛分转速和输送速度。同时系统工作压力、上料量、筛分量、输送量、输送带伸出距离也显示在界面上。根据不同的管沟宽度，也可以在界面上设定所需伸出的距离。人机界面显示见图11。

图11 人机界面显示

4 结束语

基于推土机的细土筛分回填装置研制完成后，经测试各项指标均符合设计需求。请中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司对该装置进行了整机主要参数和工作参数检测，结果合格。

在神渭管道二标段的线路管道建设中，中油管道二公司机组采用该装置在桩号YL2P035—YL2P100间进行细土筛分回填作业，共计6.7 km，回填细土总计约7 800 m3，有效工时为108工时，回填速度平均72 m3/h，随机测量筛分出的细土粒径，均小于20 mm，符合施工规范要求。相比传统的细土回填方式，节省1个人工、1台挖掘机，每100 m3土方细土筛分回填可节约2 022元。筛分细土极大地减少了人员的劳动强度，有效避免了因回填土粒径不合格而返工的问题，保证了回填的质量及回填效率。

同时，该装置的成功研制也将在管道施工管沟细土回填土筛分设备方面形成关键装备及配套技术，对提升管道建设施工技术水平和提高企业经济效益有很好的促进作用，该装置具有良好的应用前景。