竖井掘进机回转运动管路的布置方式研究

2022-12-15赵红红苗军克张晓明陈明蔺志泽

矿山机械 2022年12期

赵红红，苗军克，张晓明，陈明，蔺志泽

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室河南洛阳 471039

由中信重工研发生产的竖井掘进机成套装备，主要适用于城市有限作业空间、地下水丰富、传统施工工法支护处理困难的地区竖井的施工。竖井掘进机结构紧凑，水下施工环境复杂，动力头部重复做回转运动，给液压管路的设计和布置提出了更高的要求。笔者从管路设计需要考虑的主要因素分析计算，再借助设计软件对回转运动的管路进行整体分析，设计出了适合竖井掘进机回转运动的管路布置方式，并在施工设备上进行了验证。

1 竖井掘进机机上管路的运动状态

竖井掘进机工作时，整机下水，前端的动力头部采用多刀盘全断面掘进方式，整体绕回转中心做回转运动，左右各回转半圈，整体组成一个圆。动力头上与液压马达和液压缸连接的管路均跟随其做回转运动，如图 1 所示。对于这类跟随机械件回转运动的管子，只能使用软管，起柔性连接和消振的作用，同时能适应一定范围内的长度变化。

图1 管路连接示意Fig.1 Sketch of pipeline connection

2 影响管路设计和布置的因素

2.1 管路设计需要考虑的因素

软管设计时需要考虑的因素有系统压力、压力波动、油液流速、温度、油液黏度及环境条件等，最终反映到软管上就是软管的通径、耐压等级及软管的材质等参数。

管径计算公式[1]为

式中：d为管道内径，mm；Q为管中流量，L/min；v为管中的流速，m/s。

推荐流速[2-3]：吸油管为 0.5～1.5 m/s (一般取 1.0 m/s 以下)；压力管取 2.5～6.0 m/s (压力高，管道短或者液压油黏度小的情况下取大值，反之取小值)；回油管为 1.5～2.0 m/s。

考虑以上因素，竖井掘进机上回转管路最终采用合成橡胶内层，4 层钢丝缠绕增强层，高耐磨合成橡胶外层，耐压等级为 30 MPa 的高压复合软管。

2.2 管路布置需要考虑的因素

布管时需要注意的因素有管路的安装和维修、管路的压力损失、管路的周边环境以及管路的美观性等。在设计之初，总设计师就要综合考虑整体管路的走向并预留一定的布管空间[4]。

3 竖井掘进机上管路设计

3.1 建模分析管路的运动状态

竖井掘进机上的管路跟随液压马达和液压缸做回转运动，以此为基础建立模型，如图 2 所示。软管一端O点固定，另一端从A点绕中心P点在三维空间回转 180°运动，经B、C、D到E点，再从E点绕中心P反方向回转 180°回到A点，完成 1 个周期。

图2 管路回转示意Fig.2 Sketch of pipeline rotation

将软管单独在三维空间做一个运动模拟，以考察软管在旋转运动中的状态，为此，将O点设定到P轴上，即软管围绕OP轴旋转，如图 3 所示。模拟的前提条件：

图3 软管回转状态Fig.3 Sketch of hose rotation

(1) 软管自身不能发生扭转，整体绕着OP轴旋转。其中O点为固定点，不随软管回转。

(2) 在固定点O作一个刻度标识，在软管固定端作一个旋转标识。在 0°位置时，2 个标识在一条刻度线上。

三维模型初始状态如图 3(a) 所示。以 0°位置为初始位置，固定点O的刻度标识和软管固定端的旋转标识重合在一条线上。

驱动软管绕轴OP顺时针旋转 90°，对比固定点O的刻度标识和软管上的旋转标识，发现软管上的旋转标识线相对固定点的标识顺时针旋转了 90°，如图3(b) 所示。继续驱动软管绕OP轴顺时针旋转到 180°位置，再对比固定点O的刻度标识和软管上的旋转标识，发现软管上的旋转标识线相对固定点的标识顺时针旋转了180°，软管上的旋转标识线正好转到了固定点O的刻度标识的正后方，如图 3(c) 所示。

通过模拟可知，在以上条件下做回转运动的软管，移动端旋转的角度顺着管线传递到了固定端。因固定端是固定不动的，最后这些扭转全部加在了软管本体上，会严重降低软管的寿命，甚至导致软管破损[5]。试验表明，将高压软管扭转 5°会减少 70%的使用寿命，扭转 7°能减少 90% 的使用寿命[6]。因此，必须要考虑一种布置方式，以消除软管自身受扭，防止软管失效。

3.2 管路布置设计

从图 2 可以看出，可以将OA、OB、OC、OD和OE管线分解成同一垂直段OO′和不同的水平段O′A、O′B、O′C、O′D、O′E。这样，1 根空间回转运动的软管化解成了固定段OO′和在一个平面内绕点P做平面运动的软管，彻底消除了软管绕轴的扭转力。

采用上述空间软管分解的方法，将所有集成在机架固定板上的软管，下引一段距离到一个合适的固定位置，再以这个固定的位置为平面上一点，向平面上其他的各个点辐射，使所有回转运动的软管转化成在这个位置的同一平面内做平面运动的软管。

竖井掘进机上同一时间段，做同一角度回转运动的管线有十多根，由于回转半径大，同一软管在同一平面上各个运动点处软管两端的直线距离差别很大。而且多根软管做这样的回转运动，不仅要防止软管与其他件的摩擦与干涉，还要考虑软管与软管之间的相互干涉造成软管失效，如外皮磨损，钢丝裸露以及接头拔脱等[7]。笔者采用 S 形回转拖链作为辅助，拖链的 S 形状消除了软管在每个位置的距离差。因安装空间小，软管较多，设计了 2 条并列的 S 形回转拖链。拖链一端固定在外托架上，外托架保持位置固定不变，拖链另一端固定在跟随机械件运动的内托架上。将所有软管装入拖链，以P点为回转中心，将180°的回转运动定义为±90°运动，以中间位置回转角度0°为基础，计算出拖链的长度和布置姿态，然后以回转角度在 0°时的软管长度和状态为依据，最终推算出回转角度在±90°时的软管状态，如图 4 所示。

由图 4 可以看出，拖链不仅主动带着软管运动，隔开了软管与外界的接触，极大地提高了软管运动过程中的安全性，而且拖链能使每根软管之间保持一定间距，避免了相互之间的运动干涉。