復合地層頂管機刀盤液壓驅動系統的應用

李光朋，李延民

（1.鄭州大學機械工程學院，河南 鄭州 450001；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450001）

頂管法施工具有不需要開挖地面、開挖速度快、占地面積少、環保、高效等優勢，在施工過程中能最大限度的減小對地面交通和居民正常生活的影響，同時還能獲得較高的工程質量，因此頂管機廣泛用于地下穿越河流、道路、建筑等具有條件限制的管道工程建設中[1-2]。

頂管機在國內的應用地質多數為粉土、砂土、黏土、淤泥等富水的軟土地層[3]，而在軟巖和硬巖交替出現的復合地層條件下應用較少，且常規的電機驅動刀盤的形式在這種復合地層條件下工作，經常會出現超轉矩、卡刀盤等掘不動的情況。采用液壓驅動刀盤能更適應硬巖以及復合地層下掘進，同時閉式液壓系統具有結構緊湊、效率高、調速范圍寬和油液不易污染等優點，適用于大功率的場合，能夠滿足刀盤對扭矩和轉速的需要[4]。

1 工程概況

擬建管道地處于南寧盆地高級階地及盆地邊緣剝蝕丘陵區的壟狀高丘區和剝蝕殘丘谷地區，巖土層種類較多，地形地貌較復雜，性質變化較大。場地巖土層分布自上而下為新近堆積形成素填土、第四系殘坡積形成黏土、下伏石炭系石灰巖，還存在溶洞，地貌外觀如圖1所示，斷面示意圖如圖2所示，各巖土層物理力學指標如表1所示。

圖1 地貌外觀圖

表1 各巖土層物理力學指標

由此復雜的地質結構可以看出，頂管機在施工過程中要適應紅黏土結泥餅糊刀盤的工況，也要適應石灰巖層大沖擊的工況，也要適應多種地質并存時刀盤受力不均勻卡刀盤的工況，也就要求頂管機有脫困、低速、高速3種工作模式來適應復合地層的施工要求。

圖2 管斷面示意圖

2 中心刀盤驅動液壓系統

頂管機施工的地質條件比較復雜，沿線貫穿石灰巖、紅黏土、雜填土等巖層，中間還伴有溶洞，這就要求刀盤具有大扭矩、抗沖擊的能力，而且還要能根據地質的不同調整轉速[5]。根據以上工況要求設計了脫困、低速、高速3種工作模式，驅動方式采用變量馬達-變量泵的閉式液壓系統，系統占用空間小，安裝結構緊湊，大功率工況下效率高，能量損耗就小，而且變量馬達-變量泵系統的調速范圍也比較大，能夠使用復合地層的工況[6]。中心刀盤閉式液壓系統原理如圖3所示。

圖3 刀盤驅動液壓系統原理圖

液壓系統采用2臺電液比例雙向變量柱塞泵（簡稱變量柱塞泵），配合1臺雙速液壓變量馬達（簡稱變量馬達）的驅動方式，速度調節以變量柱塞泵為主，以變量馬達為輔，通過調整變量柱塞泵斜盤擺向和擺角來改變系統油液的方向和流量的大小，從而改變變量馬達的轉向和轉速。2個變量柱塞泵的A口同時出油時，變量馬達正轉，輸入電信號越大轉速越高；相反，變量柱塞泵的B口同時出油時，變量馬達實現反轉。另外，變量柱塞泵后邊還串聯沖洗泵和循環泵。沖洗泵的壓力油通過沖洗控制閥組實現對變量馬達的沖洗和雙速切換控制；循環泵對系統的油液進行過濾，同時給散熱器提供一定流量的油進行散熱；熱交換器中油和水反向對流實現對液壓系統的冷卻；雙速閥用來切換變量馬達的高低速工作模式，電磁鐵ZQ01不得電時，雙速閥處于圖示的右位，變量馬達為低速模式；電磁鐵ZQ01得電時，雙速閥換到左位，變量馬達為高速模式；熱油閥將系統中的熱油流進熱交換器進行散熱，然后流入油箱，同時變量柱塞泵中的補油泵給系統補充一定量冷卻的油液，以維持整個系統的熱平衡。

3 實際應用與分析

對施工地點的地質條件進行分析，根據經驗及其施工工藝分別給出刀盤在脫困、低速、高速3種工作模式下刀盤的轉速和扭矩，具體參數如表2所示。

表2 刀盤的基本參數

根據上述刀盤在脫困、低速和高速3種模式下的轉速和扭矩，以及液壓系統的變量特性和恒功率的控制，經過計算可繪制出刀盤轉速扭矩曲線圖，如圖4所示。

表3是在雜填土和紅黏土等軟巖地質條件下施工時采集的數據。在軟巖地質情況下采用刀盤低速模式施工，此時后邊頂推力比較大，刀盤的切削量也比較大，刀盤的扭矩也就比較大，這樣才能保證頂管的整體掘進速度穩定在一定的范圍。施工在中間地段時，地質由軟巖變成了以石灰巖為主的硬巖地質，在此工況下采用刀盤的高速模式進行施工。這種模式下刀盤扭矩比較小轉速較高，以破碎石灰巖的方式進行掘進，此時總頂推力也相應的減小。表4是在石灰巖地質情況掘進時采集的相關數據。

圖4 刀盤轉速扭矩曲線圖

圖5 18～19號管節刀盤扭矩轉速曲線圖

圖6 33～34號管節刀盤扭矩轉速曲線圖

根據表3和表4中刀盤扭矩和刀盤轉速數據，繪制出曲線如圖5、圖6所示。

分析圖5數據，刀盤扭矩最低為354kN/m、最高為448kN/m，刀盤轉速最低為1.8r/min、最高為2.1r/min，與圖4對比可得在掘進第18～19管節時刀盤處于低速擋，符合刀盤在掘進雜填土和紅黏土等軟巖地質時的工作狀態；分析圖6數據，刀盤扭矩最低為111.9kN/m、最高為352kN/m，刀盤轉速最低為4.4r/min、最高為5.2r/min，與圖4對比可得在掘進第33～34管節時刀盤處于高速擋，符合刀盤掘進以石灰巖為主的硬巖地質時的工作狀態。

4 結 語

表3 軟巖地質情況下掘進數據記錄

表4 石灰巖地質情況下掘進數據記錄

根據實際應用情況來看，采用閉式液壓系統驅動刀盤的方式，能夠滿足復合地層的施工要求，在不同的地質條件下，切換3種工作模式來適應地層的掘進要求，在紅黏土軟巖地層施工時采用刀盤低速模式施工，在石灰巖硬巖地層施工時采用刀盤的高速模式進行掘進，整個掘進過程中沒有出現卡頓和掘不動的情況。