液壓驅動技術在土壓平衡頂管機中的應用

鹿業勃

（德州職業技術學院，山東德州 253000）

0 引言

頂管掘進機又稱頂管機，其作為鋪設地下管道工程的重要設備，它集機械、液壓、電氣、測量、控制、排土等于一體，在燃氣熱力、排污管道及電力通信等工程中被廣泛應用。本文將土壓平衡頂管機為探究對象，針對其運行方便、土壓平衡頂管施工需水量相對較少，具有裝備及工藝成本低的優勢，較適用于水源匱乏、施工地面積較小的頂管項目。

1 土壓平衡頂管機工況分析

土壓平衡頂管機的作業通常在多種土質土層中進行，作業土質一般有黏土、軟土、沙土、砂礫土和硬土等。根據作業土質的區別，設備的受力情況也存在差異，總體上來看頂管機頂進作業、完成管道鋪設工程存在的阻力有以下4 種：①刀盤切削過程中受到的土壤切削阻力；②頂進作業中刀盤截面受到的土壤壓力與地下水壓力；③糾偏過程中遇到的糾偏阻力；④頂進作業過程中機體外表面與土壤的摩擦力。

在設備的主頂系統中，主頂油缸的頂推力能夠用來克服來自土壤、摩擦等外部帶來的阻力，從而維持系統的正常運行。此外，在設備土倉的內部與外部都存在著一定壓力，輸土系統可以對這些壓力給予良好的平衡，而糾偏阻力與刀盤切削阻力則分別由各自糾偏系統中的糾偏油缸維持系統運行的平衡。

2 土壓平衡頂管機液壓驅動系統設計

土壓平衡頂管機的機型在設計上也大有很大區別，在系統的設置方面，不同的機型區別主要體現在趨同系統的形式與功率方面，當前運用最廣泛、最常見的為直徑頂管機系統。本文以直徑為2200 mm 的系統為研究對象，對液壓驅動系統展開詳細研究，從而為頂管機的外觀設計、系統設置、投入使用等提供科學參考。

液壓驅動是土壓平衡頂管機的重要驅動方式，具有成本低、安裝尺寸小及適應劇變工況等優勢。刀盤、主頂、糾偏、輸土液壓驅動系統是液壓驅動系統的主要組成系統，在這4 個系統的共同協助下，驅動系統能夠正常地運轉與生產工作。圖1 所示的土壓平衡頂管機液壓驅動運行系統主要由主頂液壓虹、頂帖、液壓系統等構成：在液壓泵電機的作用下系統進行輸油工作；單向閥的作用是防止系統負載脈沖較大時對泵產生損害以及高壓油液的回沖。

圖1 主頂液壓系統工作原理

當系統作業中產生較大的壓力，而處于二位二通閥上位的溢流閥則可以對壓力進行有效調節，最終實現泵卸荷的目的。在系統運行過程中，一般情況下伸縮液壓缸使用1#～8#主頂液壓缸，使用的數量與使用的大小要綜合考慮頂推力及頂管直徑二者的具體需求來選擇。并且液壓缸組要具有良好的同步性，電磁換向閥可對主頂液壓缸伸縮方向進行調節，位移傳感器用于測量主頂液壓缸的行程。

當前我國頂管機注定系統類型繁多、種類多樣，可根據頂管工程的具體需要進行調整與選擇，選擇余地較大。同時，該系統的液壓驅動系統相關技術也趨于成熟，完全能夠滿足頂管工程的工作運行需要。由于主頂系統液壓驅動一般放置于地面或井下，且內部系統是獨立存在的，因此本文不再對其進行闡述。

2.1 刀盤液壓驅動系統

刀盤液壓驅動在當前被廣泛運用，并得到普遍的認可，主要得益于其以下3 個優勢。

（1）系統運行穩定，各項指令也能夠迅速且準確的反應，頂管機的轉速在調整上也無需過多的等待時間。

（2）刀盤液壓驅動系統占據內存小，在攜帶以及保養維護上都比較便捷，對于復雜的作業環境也能夠很好的適應。

（3）刀盤液壓驅動系統中的液壓元件在獲取上難度較小，因此當驅動系統需要保養與檢修的時候不會耗費太大的精力。一般情況下，閉式和開式容積調速回路液壓驅動刀盤液壓驅動系統在應用的過程中有兩個方案可供選擇。兩種方案在性能的適用性上，在土壓平衡頂管機中都適用。但相對而言，開式系統溢流量大，對油箱的容量要求高，工作效率較低。相對而言，閉式容積調速回路液壓驅動刀盤液壓驅動系統更適用于頂管機機內空間。從圖2 可知，系統在運行的過程中，由一臺二驅變量液壓馬達，通過液壓馬達驅動刀盤的旋轉、轉速調整泵與馬達的排量。進而在溢流閥調定，在將換向閥進行改變最終實現刀盤正反轉與限位的功能，雙液控單向閥來保證系統停機時的壓，同時通過將換向閥與溢流閥的組合達到抑制系統壓力波動的結果。

圖2 閉式容積調速回路液壓驅動系統

在系統中，雙向變量液壓泵將改變泵的轉向、排量及速度，進而通過兩個單向閥為定量泵補油。工作中通過溢流閥進行調節，同時將換向閥與溢流閥的配合，為系統過載提供及時的保護，從而及時排出系統熱油，而限定補油回路的工作壓力則由于溢流閥保證。

2.2 糾偏液壓驅動系統

由于是地下施工，在具體的施工過程中頂管機集體偏離是常見現象且不容易規避，如果在偏離的正常范圍內不會影響施工效果。但是如果偏移超出合理的范圍，則會導致頂管機的頂推力以及刀盤驅動系統負載產生巨大的波動，對施工會產生不利影響。

偏離情況的糾偏也需要根據實際情況選擇具體的方法，對于頂管機機體旋轉產生的偏移，可以通過與土層間的摩擦阻力糾偏；對于其他方向的偏離，可以利用糾偏系統進行糾偏。

糾偏油缸是糾偏系統執行的元件系統，鉸鏈位置在頂管機后殼體連接的方位。在糾偏工作開展過程中，通過利用糾偏油缸元件的伸縮作用，對機頭的角度展開糾偏的工作。糾偏的效率與結果與具體情況有著密不可分的關系，主要有頂管深度、糾偏油缸布置方式等因素的影響。

糾偏液壓系統由糾偏油缸、液壓泵站、控制閥以及管路等所共同構成。其中液壓泵需要使用高壓小流量柱塞泵，其具備運行穩定、壽命長的特點，可以保證糾偏更為平穩，油缸進油方向可通過電磁換向閥組進行控制，使用液控單向閥組作為液壓鎖，進而有效確保未作業的油缸的可靠限位，利用單向調速閥對同組液壓缸的性能進行有效的保障，對液壓系統的工作壓力通過溢流閥進行調節與控制。

為了防止當油缸壓力突然升高狀態下工作出現壓力波動造成損壞，使用溢流閥組避免其發生。同時，在液壓系統中，閥安裝的安裝采用疊加式，使系統安裝更為簡捷，液壓系統占用的空間得到了節省，在后續工作中的檢修中也更加的方便。在糾偏油缸使用過程中，是將兩支分為一組，在糾偏工作開展中，控制臺上的電器控制電磁轉向閥，進而完成整個糾偏的流程。其中在糾偏工作油缸組的選擇上，要考慮到油缸組在頂管機內的安裝形式，進而根據具體的情況選擇糾偏油缸的安裝方式。

2.3 輸土液壓驅動系統

在設備的運行中，刀盤在切削中會產生泥土，而泥土則會降低系統工作效率，因此將泥土及時的清理和排出至關重要，而輸土液驅動系統就是起到排土的作用，讓土壓倉內土壓維持到正常的標準，從而保障在施工挖掘過程中土壓與水壓的平衡，進而保證工作的正常開展。在本次研究設計中，選擇的頂管機輸土系統元件為螺旋輸送機，切削的土體在輸送上采取螺旋葉片，通過土塞對螺旋輸送機轉速不斷調整，從而確保土倉壓力保持在正常的范圍內。所以說，頂管機整機工作的穩定性以及施工質量與輸土系統運作質量具有密不可分的關系，輸土系統要具備不同土質的適應能力以及輸土速度的快速調整能力。

輸土液壓驅動系統的組成如圖3 所示，在變量液壓泵的作用下系統形成驅動，進而在確保的范圍內調節變量液壓泵排量及液壓馬達轉速，最終實現調速控制。使用電磁換向閥調節液壓馬達的轉向，并采取溢流閥對系統總工作壓力作出調整，螺旋輸送機出泥口閘門開合度則通過液壓缸進行調節，充分發揮調節出土速度及泥土流動狀態的作用，從而保證泥土在螺旋輸送機內達到密封的效果，避免泥土飛濺，讓泥土艙內泥土的壓力保持在正常水平。位移傳感器檢測泥口閘門的位置，液壓鎖可限定泥口閘門位置，而閘口油缸的極限位置由行程開關組限定，借助比例電磁閥及時調節閘口油缸的運動速度及方向，讓主回路油減壓閥后流入閘口油缸回路，減壓閥調定閘口油缸回路工作壓力，從而保證在系統忽然斷電的條件下借助蓄能器緊急關閉泥口閘門。系統運行正常時，電磁換向閥處于上位狀態，蓄能器不工作。當油液在經過單向閥后向蓄能器充油，在系統斷電狀態下電磁換向閥處于下位工作狀態，蓄能器回路導通后泥口閘門關閉，使用節流閥調節關閉速率，螺旋輸送機停轉出土，并采用溢流閥控制蓄能器充油壓力。

圖3 輸土液壓系工作原理

3 結束語

綜上所述，頂管機集多項技術于一體，與電機驅動相比，液壓驅動系統對掘進環境適應性更好，能夠應對劇烈變化所帶來的負載和頻繁沖擊。基于液壓驅動系統的性能優勢和應用特點，本文對液壓驅動技術在土壓平衡頂管機中的應用進行論述，為相關研究提供參考。