豎井掘進機回轉運動管路的布置方式研究

趙紅紅，苗軍克，張曉明，陳明，藺志澤

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

由 中信重工研發生產的豎井掘進機成套裝備，主要適用于城市有限作業空間、地下水豐富、傳統施工工法支護處理困難的地區豎井的施工。豎井掘進機結構緊湊，水下施工環境復雜，動力頭部重復做回轉運動，給液壓管路的設計和布置提出了更高的要求。筆者從管路設計需要考慮的主要因素分析計算，再借助設計軟件對回轉運動的管路進行整體分析，設計出了適合豎井掘進機回轉運動的管路布置方式，并在施工設備上進行了驗證。

1 豎井掘進機機上管路的運動狀態

豎井掘進機工作時，整機下水，前端的動力頭部采用多刀盤全斷面掘進方式，整體繞回轉中心做回轉運動，左右各回轉半圈，整體組成一個圓。動力頭上與液壓馬達和液壓缸連接的管路均跟隨其做回轉運動，如圖 1 所示。對于這類跟隨機械件回轉運動的管子，只能使用軟管，起柔性連接和消振的作用，同時能適應一定范圍內的長度變化。

圖1 管路連接示意Fig.1 Sketch of pipeline connection

2 影響管路設計和布置的因素

2.1 管路設計需要考慮的因素

軟管設計時需要考慮的因素有系統壓力、壓力波動、油液流速、溫度、油液黏度及環境條件等，最終反映到軟管上就是軟管的通徑、耐壓等級及軟管的材質等參數。

管徑計算公式[1]為

式中：d為管道內徑，mm；Q為管中流量，L/min；v為管中的流速，m/s。

推薦流速[2-3]：吸油管為 0.5～1.5 m/s (一般取 1.0 m/s 以下)；壓力管取 2.5～6.0 m/s (壓力高，管道短或者液壓油黏度小的情況下取大值，反之取小值)；回油管為 1.5～2.0 m/s。

考慮以上因素，豎井掘進機上回轉管路最終采用合成橡膠內層，4 層鋼絲纏繞增強層，高耐磨合成橡膠外層，耐壓等級為 30 MPa 的高壓復合軟管。

2.2 管路布置需要考慮的因素

布管時需要注意的因素有管路的安裝和維修、管路的壓力損失、管路的周邊環境以及管路的美觀性等。在設計之初，總設計師就要綜合考慮整體管路的走向并預留一定的布管空間[4]。

3 豎井掘進機上管路設計

3.1 建模分析管路的運動狀態

豎井掘進機上的管路跟隨液壓馬達和液壓缸做回轉運動，以此為基礎建立模型，如圖 2 所示。軟管一端O點固定，另一端從A點繞中心P點在三維空間回轉 180°運動，經B、C、D到E點，再從E點繞中心P反方向回轉 180°回到A點，完成 1 個周期。

圖2 管路回轉示意Fig.2 Sketch of pipeline rotation

將軟管單獨在三維空間做一個運動模擬，以考察軟管在旋轉運動中的狀態，為此，將O點設定到P軸上，即軟管圍繞OP軸旋轉，如圖 3 所示。模擬的前提條件：

圖3 軟管回轉狀態Fig.3 Sketch of hose rotation

(1) 軟管自身不能發生扭轉，整體繞著OP軸旋轉。其中O點為固定點，不隨軟管回轉。

(2) 在固定點O作一個刻度標識，在軟管固定端作一個旋轉標識。在 0°位置時，2 個標識在一條刻度線上。

三維模型初始狀態如圖 3(a) 所示。以 0°位置為初始位置，固定點O的刻度標識和軟管固定端的旋轉標識重合在一條線上。

驅動軟管繞軸OP順時針旋轉 90°，對比固定點O的刻度標識和軟管上的旋轉標識，發現軟管上的旋轉標識線相對固定點的標識順時針旋轉了 90°，如圖3(b) 所示。繼續驅動軟管繞OP軸順時針旋轉到 180°位置，再對比固定點O的刻度標識和軟管上的旋轉標識，發現軟管上的旋轉標識線相對固定點的標識順時針旋轉了180°，軟管上的旋轉標識線正好轉到了固定點O的刻度標識的正后方，如圖 3(c) 所示。

通過模擬可知，在以上條件下做回轉運動的軟管，移動端旋轉的角度順著管線傳遞到了固定端。因固定端是固定不動的，最后這些扭轉全部加在了軟管本體上，會嚴重降低軟管的壽命，甚至導致軟管破損[5]。試驗表明，將高壓軟管扭轉 5°會減少 70%的使用壽命，扭轉 7°能減少 90% 的使用壽命[6]。因此，必須要考慮一種布置方式，以消除軟管自身受扭，防止軟管失效。

3.2 管路布置設計

從圖 2 可以看出，可以將OA、OB、OC、OD和OE管線分解成同一垂直段OO′和不同的水平段O′A、O′B、O′C、O′D、O′E。這樣，1 根空間回轉運動的軟管化解成了固定段OO′和在一個平面內繞點P做平面運動的軟管，徹底消除了軟管繞軸的扭轉力。

采用上述空間軟管分解的方法，將所有集成在機架固定板上的軟管，下引一段距離到一個合適的固定位置，再以這個固定的位置為平面上一點，向平面上其他的各個點輻射，使所有回轉運動的軟管轉化成在這個位置的同一平面內做平面運動的軟管。

豎井掘進機上同一時間段，做同一角度回轉運動的管線有十多根，由于回轉半徑大，同一軟管在同一平面上各個運動點處軟管兩端的直線距離差別很大。而且多根軟管做這樣的回轉運動，不僅要防止軟管與其他件的摩擦與干涉，還要考慮軟管與軟管之間的相互干涉造成軟管失效，如外皮磨損，鋼絲裸露以及接頭拔脫等[7]。筆者采用 S 形回轉拖鏈作為輔助，拖鏈的 S 形狀消除了軟管在每個位置的距離差。因安裝空間小，軟管較多，設計了 2 條并列的 S 形回轉拖鏈。拖鏈一端固定在外托架上，外托架保持位置固定不變，拖鏈另一端固定在跟隨機械件運動的內托架上。將所有軟管裝入拖鏈，以P點為回轉中心，將180°的回轉運動定義為±90°運動，以中間位置回轉角度0°為基礎，計算出拖鏈的長度和布置姿態，然后以回轉角度在 0°時的軟管長度和狀態為依據，最終推算出回轉角度在±90°時的軟管狀態，如圖 4 所示。

由圖 4 可以看出，拖鏈不僅主動帶著軟管運動，隔開了軟管與外界的接觸，極大地提高了軟管運動過程中的安全性，而且拖鏈能使每根軟管之間保持一定間距，避免了相互之間的運動干涉。

圖4 軟管狀態Fig.4 Hose state

4 結語

通過對豎井掘進機管路的分析，得出了一種有回轉運動時的布管方式，解決了原軟管在回轉運動時不可避免產生的扭曲。采用回轉拖鏈的布管方式，使整體布管緊湊整潔，可以很好地應用在其他的有相似運動的在工程機械設備上。