隧道浇筑布料机液压系统设计

石学智

（中铁一局集团物资工贸有限公司，西安710000）

0 引言

按照铁道部工厂化、机械化、专业化、信息化的要求，在隧道台车混凝土浇筑过程中，不需用人工拆管、换管、清洗、接管和固定等，仅需一名操作人员轻松操作控制元件即可实现泵送接口不同位置的变换，实现机械化施工。隧道浇筑布料机由此应运而生[1]。该设备用于隧道台车上混凝土浇筑，适用于公路、火车等隧道里面台车的注浆施工，主要由走行装置、伸缩旋转对位装置、管路系统、液压系统和电气控制系统组成。管路系统以及伸缩旋转对位装置的组合设计，便于改变管路系统中各管道空间关系，实现距离和位置的变化，实现有压封闭式送料同时对混凝土管路进行清洗，大大提高作业效率，减少现场环境污染[2，3]。液压系统作为布料机执行机构的动力输出，其工作性能直接影响混凝土的浇筑质量和浇筑效率，因此，本文对布料机液压系统进行设计分析，以提高布料机工作效率，满足现场工况要求。

1 YCSJB10 隧道浇筑布料机结构组成与工作原理

如图1 所示，隧道浇筑布料机布置在二衬模板台车的顶层平台上，布料机工作装置具有自行走功能，混凝土管路系统有三排注浆口，两排为侧模注浆口，一排为顶模注浆口，两侧模注浆口负责左右侧模的注浆，通过侧模的窗口可以观测浆液的高度，判断浇筑进程。当侧模完成注浆后，再进行顶模注浆，顶模注浆口安装有压力传感器，用来检测顶模浆液是否注满。隧道浇筑布料机只有一个浇筑对接口，需要在轨道上行走，完成三排注浆口浇筑。

图1 隧道浇筑布料工作过程

如图2 所示，隧道浇筑布料机主要由底架总成、行走驱动机构、臂架总成、动力控制系统和混凝土管总成组成。

图2 隧道浇筑布料机结构组成

底架采用型材矩形管焊接而成，结构牢固、可靠。小车行走由液压马达带动齿轮驱动，小车轨道采用框架式轨道，齿轮与轨道中间齿条进行啮合传动，两侧有滑块进行导向，为了减小隧道浇筑布料机在滑动轨道上的行走阻力，支撑滑块采用了与钢材滑摩系数更小的特种材料。隧道浇筑布料机支撑采用U 型滑移结构，能将隧道浇筑布料机牢牢地支撑在底架上，防止倾翻危险。轨道与小车之间可装接近开关感应，以便准确定位注浆孔。

布料机臂架总成可分为臂架旋转摆动和臂架伸缩两个部分。臂架旋转摆动：臂架旋转采用液压马达+回转支承控制，旋转角度为180°（以竖直向上为0°，水平方向左右摆动各90°），用于侧膜注浆和顶膜注浆的转换，小车行走到指定位置后由马达控制臂架竖直方向摆动进行注浆孔对位。臂架伸缩：臂架伸缩采用液压油缸控制。臂架摆动到位后，控制油缸进行最后的伸缩对位。注浆管水平方向和竖直方向对接口均采用喇叭口式对位孔，提高对位的准确。臂架伸缩行程200 mm，对接口与台车注浆口均在伸缩行程范围之内。

在底架上布置有液压控制系统，电机提供动力驱动液压泵，给系统提供高压油液，驱动小车各执行机构动作。

2 YCSJB10 隧道浇筑布料机液压系统设计与元件选型

2.1 YCSJB10 隧道浇筑布料机液压系统设计

根据前述隧道浇筑布料机结构和工作过程，可以设计出隧道浇筑布料机液压系统如图3 所示。主要由行走回路、臂架回路和吸油、回油回路3 部分组成。由于齿轮泵结构简单，性能稳定，维护方便，液压系统采用齿轮泵作为动力元件。多路换向阀均为M型中位，当各执行机构不动作时，齿轮泵出口油液直接回液压油箱，液压泵卸荷，降低系统能耗。

图3 隧道浇筑布料机液压控制系统

行走回路由液压马达、换向阀、平衡阀等组成。齿轮泵供油给液压马达，马达带动小齿轮与轨道上的固定齿条啮合传动实现小车在滑动轨道上行走。操纵换向阀，可以改变液压马达进油、回油方向，实现小齿轮的正反转，从而完成小车的前进与后退动作。平衡阀可以保证小车可以稳定地停靠在任意行程范围内，同时具有刹车制动的功能[4]。

臂架回路由换向阀、伸缩油缸、摆动马达组成。操纵换向阀，实现油缸（马达）的伸缩（旋转），从而实现臂架摆动、臂架伸缩等动作。平衡阀可以实现臂架稳定可靠地停靠在工作位置。伸缩油缸回路安装有单向节流阀，可以控制伸缩油缸活塞杆速度，方便与台车侧模、顶模上的浇筑口精准对位，提升施工作业效率，当伸缩油缸活塞杆到位后，布料机浇筑对接口和台车上的注浆口顶死，实现带压注浆[5，6]。

吸油回路设置了吸油过滤器，回油回路设置了油冷器及回油过滤器，确保液压系统工作温度工作在60 ℃左右，并保证了液压系统的清洁度，从而保证液压系统工作可靠性[7，8]。

2.2 YCSJB10 隧道浇筑布料机液压元件选型

隧道浇筑布料机行走最大驱动力计算

式中：p工为系统最大工作压力，V行为行走马达排量，r行为齿轮半径。

隧道浇筑布料机行走最大行走速度计算

式中：V齿为齿轮泵排量，η行为行走马达工作效率，n 为电机转速。

臂架摆动最大驱动力矩计算

式中：V摆为臂架摆动马达排量。

臂架摆动最大转速计算

式中：i减为减速机速比，η行为泵的工作效率。

臂架伸缩油缸最大驱动力计算

式中：A抻为伸缩油缸无杆腔作用面积。

臂架伸缩油缸最大伸出速度计算

式中：A缩为伸缩油缸有杆腔作用面积。

根据隧道浇筑布料机重量，行走速度和臂架伸缩油缸压紧力等工作性能参数要求，初步选定系统最大工作压力为10 MPa，并对主要液压元件进行选型，如表1 所示。计算得出隧道浇筑布料机最大驱动力约为10 000 N，小车前进、后退速度为2 m/min；臂架摆动最大驱动力矩约为20 000 N·m，臂架摆动最大转速未0.25 r/min；臂架伸缩油缸最大驱动力约为30 000 N，最大伸出速度为5 m/min，最大缩回速度为7 m/min。

表1 隧道浇筑布料机液压系统主要液压元件型号

3 现场应用

如图4 所示，将设计生产的隧道浇筑布料机应用在广西河池市永顺隧道，现场使用表明，小车行走平顺，臂架动作灵活，浇筑口对位准确，可以实现带压注浆，保证浇筑质量，避免混凝土离析，减少空洞现象，相比以前的人工注浆，显著提高了浇筑效率。

图4 隧道浇筑布料机现场应用

4 结束语

隧道浇筑隧道浇筑布料机是用于隧道台车上混凝土浇筑的专用设备，本文根据浇筑小车的结构组成和工作原理，设计出液压控制系统，包括行走控制回路、臂架控制回路和吸油回油控制回路三部分。该系统具有低压卸荷和带压注浆特点，非注浆工作状态下的待机能耗可降低87.5%，混凝土密实度约提高20%。同时，对液压系统主要元件进行初步选型，确定小车行走速度、臂架摆动力矩和伸出驱动力等主要工作性能参数。通过现场应用发现，小车行走平顺，臂架动作灵活，浇筑口对位准确，注浆效率高，满足现场施工要求，为进一步推广应用奠定了基础。