适用于高海拔低气压的掘进机加压油箱系统设计

中铁工程装备集团有限公司 河南郑州 450000

隧 道掘进机是应用于地下工程开发的高端、智能装备。由于液压系统具有功率密度大、传递距离远、易于实现自动控制[1]等优点，常用作掘进机执行机构的动力系统。掘进机液压系统动力主要由液压泵站输出，包括各执行机构的电动机泵组、循环过滤系统、加热系统、液压油箱等。液压油箱是液压系统中最大的辅助元件之一，其作用主要是用来储存液压油，保证液压系统的正常运行，并具有降低油液温度、维持泵吸口压力正常等作用[2]。而在高海拔、低气压、低温的极端环境下，气温达到 -35 ℃，海拔 3 500～ 4 000 m，此时原有的液压泵站系统设计已无法适应。气温过低会造成油箱内液压油黏度过高，无法满足液压泵冷启动的条件；高海拔会造成大气压过低，导致油箱内压力过低，无法满足液压泵启动条件。目前针对液压油箱的设计主要集中在温度智能控制[3]、制造工艺[4]、结构优化设计[5]等方面，笔者针对掘进机在极端环境下施工，液压泵无法启动，掘进机液压系统无法正常工作的问题，提出了掘进机加压油箱系统设计，保证掘进机液压系统在高海拔、低气压、低温环境下正常运行。

1 掘进机加压油箱简介

掘进机加压油箱系统主要包括气体加压系统和液压油加热系统，如图 1 所示。油箱顶部设置有预压式呼吸器和加压装置，并配有冷干机以及干燥空气进口，构成油箱气体加压系统；油箱上设置多个加热器，构成液压油加热系统。依据所处的环境温度、油液设定温度及加热时间，可以计算出加热器的功率及数量。

图1 加压油箱系统Fig.1 Pressurized oil tank system

2 油箱加压系统设计

在高海拔环境下，油箱加压系统为液压油箱提供稳定的压力，满足液压泵所需的吸油压力，保证液压泵正常运转。液压油箱加压系统采用气体增压，加压气体来自于掘进机上配置的空气压缩机，经过过滤和减压后进入液压油箱。

2.1 海拔高度对大气参数的影响

海拔高度对大气压力会产生影响，一般情况下，大气压力随海拔高度的增加而减小。大气压力与海拔高度的关系为[6]

式中：p为当地平均大气压，Pa；p0为海平面处的大气压，取 101 325 Pa；M为空气的摩尔质量，取 29 kg/kmol；h为当地海拔高度，m；R0为通用气体常数，取 8 314 J/(kmol·K)；T为空气温度，取 293 K。

依据式 (1) 可得到不同海拔高度处的空气压力[7]，如表 1 所列。

表1 大气参数随海拔变化Tab.1 Variation of atmospheric parameters with altitude

2.2 油箱加压系统设计

由于隧道掘进机执行机构所需工作压力较高，故液压系统配置有高压轴向柱塞变量泵 A10VSO，其参数如表 2 所列。

表2 柱塞泵性能参数Tab.2 Performance parameters of hydraulic pump

柱塞泵吸油口的最低压力为绝对压力 0.08 MPa，当工况为 4 000 m 海拔高度时，大气压约为 0.063 MPa。液压泵吸油压力过低，不仅会降低泵的工作效率，而且易产生气蚀现象，降低油液的流动性，增大泵的噪声和振动，影响液压系统的正常运行。加压系统通过给油箱通入加压空气，使油箱内液压泵吸油口的压力达到所需要的压力。

油箱加压系统包括加压装置、预压式呼吸器、加压油箱、压力传感器等，如图 2 所示。

图2 油箱加压系统原理Fig.2 Principle of pressurized system for oil tank

在隧道掘进机上，加压空气来自于掘进机上配置的空气压缩机。空气压缩机的出口压力通常为 0.60～0.80 MPa，而油箱加压系统所需压力仅为 0.02 MPa，二者相差较大，故加压系统需要进行二级减压，减压原理如图 3 所示。

图3 二级减压原理Fig.3 Principle of secondary decompression

压缩空气经过滤器以及第 1 道减压阀，压力减至 0.069 MPa，再经过第 2 道精密减压阀，其压力减至 0.021 MPa，进入加压油箱。加压油箱外界的大气压为 0.063 MPa (绝对压力)，在压力为 0.021 MPa 的压缩空气的作用下，油箱中液压油表面的压力可达0.084 MPa (绝对压力)，满足柱塞泵吸油口压力要求。加压装置如图 4 所示。

图4 加压装置Fig.4 Pressurized device

液压泵的吸油口布置于油箱的底部，因掘进机执行机构液压缸多且规格大，因此在进行吸油口压力核算时，需要考虑油箱内液位变化对压力的影响。

掘进机液压缸完全伸出时，此时油箱液位最低，吸油口处绝对压力pS=0.084 MPa。

掘进机液压缸完全回缩时，此时油箱液位最高，油箱内空气通过预压式呼吸器排出，液压泵吸油口距离液压油液面近 1 m，吸油口处绝对压力

式中：p为当地大气压，p=0.063 MPa；pY为预压式呼吸器压力，pY=0.035 MPa；ph为液位差压力，ph=0.01 MPa。

计算得pS=0.108 4 MPa。

无论是液压油箱内液位如何变化，均能保证液压泵吸油口处的绝对压力满足液压泵正常工作要求。

3 掘进机加压油箱结构设计及仿真

3.1 加压油箱结构设计

常规掘进机油箱通过呼吸器来保证油箱内外压力相等，而加压油箱则需要根据空气加压系统的压力值对油箱进行针对性设计。

加压油箱如图 5 所示。油箱上安装有空气呼吸器、回油过滤器、液位开关和温度传感器等辅助元件。油箱容积为 4 000 L，箱体采用 8 mm 厚的 304 不锈钢拼焊而成，内部焊有加强肋，底板采取中间高两边低的结构形式，其与水平方向的夹角约为 2°。油箱的中间设置有隔离板，将吸油区和回油区分开，隔离板高度为油箱内部高度的 2/3，并在隔板上开有 U形槽，方便油液流通。各吸油口均设置在吸油区域的底部。回油过滤器、回油管设置在回油区域，并且保证管口在最低液位以下，避免油液冲溅形成气泡。油箱前部设有清洗盖，方便进行油箱内部清洗。油箱两侧分别装有液位计，用于观察油箱内的液位高度。吸油区域一侧安装有液位传感器与温度传感器，液位传感器设置有高液位、报警液位和停机液位；温度传感器主要用于检测油温，确保符合液压泵启动条件。在油箱四角装有油箱吊耳，方便油箱吊装。

图5 加压油箱Fig.5 Pressurized oil tank

3.2 加压油箱仿真分析

为判断所设计加压油箱的强度能否满足极端加压工况要求，对油箱进行仿真分析。通过加压装置对油箱加压 0.02 MPa，当掘进机液压缸完全回收时，油箱内液压油位上升，油箱内压力值为预压式呼吸器的设定值 0.035 MPa。参考压力容器的测试标准，油箱内部做气密性试验时所加气压为 1.4 倍的呼吸器设定值，即 0.049 MPa。

对油箱加压 0.05 MPa 时，箱体变形情况如图 6 所示，在油箱表面各个开孔处的变形量明显高于其他部位，其中油箱顶部放置加压装置的区域变形量最大，为 2 mm，但该变形量对于液压系统的运行基本无影响，故所设计的加压油箱可满足极端工况下的使用要求。

图6 加压后油箱仿真结果Fig.6 Simulation results of oil tank after pressurization

4 结语

针对在高海拔、低气压、低温的极端环境下，油箱内的温度、压力难以满足掘进机液压系统的正常运行条件，设计了一种加压油箱，其加热系统可保证油箱内的油液温度达到柱塞泵启动条件。经过加压之后，油箱内的最低压力为 0.084 MPa，在任何液位下均能达到柱塞泵的最低启动压力。通过仿真分析，在加压过程中，油箱最大变形量发生在油箱顶部，为 2 mm，满足极端条件下的工作要求，为隧道掘进机在高海拔、低气压、低温的环境下作业提供了可靠保障。