地下頂管用液壓設(shè)備液壓油缸設(shè)計(jì)計(jì)算

宋超，鄒云，杜碧華

(成都紡織高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程學(xué)院，四川成都611731)

地下管道施工采用非開挖施工方法，是最近幾年重點(diǎn)研究的一種新技術(shù)，其特點(diǎn)是:借助液壓設(shè)備的推力在施工坑內(nèi)將管道一節(jié)節(jié)地頂入到預(yù)鋪設(shè)的土層內(nèi)，完成地下管道的鋪設(shè)。因其在作業(yè)中不沿鋪設(shè)路面進(jìn)行地表挖掘，杜絕了對城市建設(shè)物的破壞和道路交通的堵塞，不拆遷、不破壞環(huán)境，施工中不受氣候和環(huán)境的影響;不影響管道的段差變形;省時(shí)、高效、安全、綜合造價(jià)低，因此未來該項(xiàng)技術(shù)一定是管道施工的主流技術(shù)，將被廣泛地應(yīng)用。當(dāng)前此項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)重要核心就是液壓頂推設(shè)備。施工中，液壓頂推設(shè)備的液壓油缸前端依據(jù)被頂入砼管的規(guī)格安裝頂鐵，保護(hù)砼管在外力作用下不受到傷害，由液壓裝置產(chǎn)生所需的推力，通過油缸中活塞桿的伸縮將推力傳遞給砼管，從而將砼管頂入到坑道內(nèi)。因此，頂管用液壓設(shè)備的油缸設(shè)計(jì)對該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施具有非常重要的意義，在設(shè)計(jì)中要求對整個(gè)油缸系統(tǒng)做重點(diǎn)的考慮。

1 油缸設(shè)計(jì)

1.1 工況條件

以排污管線施工為研究對象，施工中對砼管施加的最小正壓力應(yīng)滿足Fg=260 ×9.8 ×103N，砼管公稱尺寸為DN800，混凝土DN800 專用頂管最大承受力Fmax=650 ×9.8 ×103N，推進(jìn)速度v =4.5 mm/s，最大行程s=1 m。

1.2 主頂基本參數(shù)選擇

從使用壽命、加工制造及現(xiàn)場做業(yè)角度考慮，選擇雙作用油缸。初選油缸許用壓力，根據(jù)工況，選擇額定許用壓力pr=28 MPa，正常工作壓力取pn=25 MPa，以1.5 的安全系數(shù)比，最高許用壓力為:

按以上條件、參數(shù)選擇液壓泵為YCY14-1B，該泵基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 YCY14-1B 技術(shù)參數(shù)

1.3 液壓缸徑計(jì)算

工作中缸徑所受實(shí)際壓力由負(fù)載、回程力、慣性力、摩擦力、密封力組成，因采用雙作用油缸，兩缸共同分擔(dān)260 ×9.8 ×103N 的額定工作壓力，考慮工作條件的復(fù)雜性及各方面的阻力影響因素，取單缸工作壓力為F =200 ×9.8 ×103N，按如下公式計(jì)算缸徑:

式中:pr為額定許用壓力，按此式計(jì)算的內(nèi)徑單位為m，計(jì)算結(jié)果要經(jīng)過圓整。

1.4 缸筒壁厚計(jì)算

缸筒壁厚要滿足:

式中:δmin為缸筒最小壁厚，pmax為液壓缸最大許用壓力，σp為缸筒材料的許用壓力，σp=σb/n，σb為缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，n 為安全系數(shù)，通常取n=5。

液壓缸筒底部壁厚:

式中:Dw是缸筒的外徑，σp為缸筒底部材料的許用應(yīng)力。

2 油缸校驗(yàn)

確定缸筒直徑、厚度后，需要對缸筒進(jìn)行壓力、強(qiáng)度的校驗(yàn)，以確定缸筒尺寸的合理性。其校驗(yàn)內(nèi)容為缸筒壁厚承受壓力校驗(yàn)、缸筒塑性變形校驗(yàn)、缸筒徑向變形校驗(yàn)等。

2.1 缸筒壁厚壓力校驗(yàn)

用以檢驗(yàn)缸筒是否能承受缸內(nèi)的工作壓力，其校驗(yàn)計(jì)算式為:

式中:σs為缸筒材料屈服強(qiáng)度，pn為選定的液壓泵提供的額定壓力，計(jì)算結(jié)果一定要大于pn。

2.2 缸筒塑性變形校驗(yàn)

正常工作中要保證缸筒不發(fā)生塑性變形，因一旦發(fā)生塑性變形，形變就無法回復(fù)，缸筒就失效了。保證缸筒不發(fā)生塑性變形要使額定壓力滿足如下關(guān)系式:

式中:prL為缸筒發(fā)生完全塑性變形的壓力。

2.3 缸筒徑向變形校驗(yàn)

缸筒徑向形變會(huì)影響到活塞與缸筒間的密封，造成壓力的不穩(wěn)定或無法達(dá)到預(yù)定壓力，因此缸筒的徑向壓力形變?chǔ) 要小于密封圈給予變形的補(bǔ)償值ε。ΔD 的計(jì)算式為:

式中:E 為彈性模量，ν 為泊松比。

3 各組件設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足工作要求，并達(dá)到易于加工、易于使用維護(hù)的目的，油缸整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1，由缸體、活塞、活塞桿、導(dǎo)向套及一組密封組成，缸體底部通過焊接的方式與缸體連接達(dá)到良好的連接強(qiáng)度及密封要求。

圖1 油缸結(jié)構(gòu)圖

活塞按整體式設(shè)計(jì)，材料選擇45 鋼已達(dá)到經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用性目的，活塞與活塞桿通過螺紋方式連接，密封結(jié)構(gòu)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。為達(dá)到良好加工性及負(fù)荷能力強(qiáng)，活塞桿設(shè)計(jì)成實(shí)心的，材料可選擇常用的45 鋼。導(dǎo)向套用端蓋加導(dǎo)向環(huán)結(jié)構(gòu)形式，能獲得好的安裝位，在長活塞桿中這種結(jié)構(gòu)非常重要。

3.2 活塞桿設(shè)計(jì)及校驗(yàn)

活塞桿是液壓缸向外傳遞推力的重要零件，它承受拉力、壓力、彎曲力和振動(dòng)沖擊等多種作用力，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，因此雙作用單邊活塞桿液壓缸活塞桿直徑d 要滿足下式:

式中:d 為活塞桿直徑，D 為缸筒內(nèi)徑，ψ 為速比，按額定壓力選取。計(jì)算后應(yīng)對結(jié)果進(jìn)行圓整。

對于該類活塞桿，因工作行程較大，需要進(jìn)行危險(xiǎn)截面強(qiáng)度校核及彎曲穩(wěn)定性強(qiáng)度校驗(yàn)。危險(xiǎn)截面通過應(yīng)力計(jì)算后與許用應(yīng)力比較獲得校驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算過程簡單。對于頂桿油缸來說主要受軸向力，因此根據(jù)如下公式校驗(yàn)彎曲穩(wěn)定性:

式中:Fk為活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓力，nk為安全系數(shù)，通常取3.5 ～6。而Fk按下式計(jì)算:

式中:E 為實(shí)際彈性模數(shù)，K 為液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，I 為活塞桿橫切面慣性矩。E1= E/(1 + a)(1 +b)，a 為材料組織缺陷系數(shù)，b 為活塞桿截面不均勻系數(shù)，由此就可確定活塞桿的彎曲穩(wěn)定性。

對于導(dǎo)向套來說，主要是針對密封劑安裝、工作穩(wěn)定性角度設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)及精度要求，在工作中導(dǎo)向套受力較小，不需進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)。

4 結(jié)論

從油缸實(shí)際應(yīng)用與理論設(shè)計(jì)相結(jié)合的角度出發(fā)，詳細(xì)研究了用于地下頂推設(shè)備油缸的設(shè)計(jì)過程，從滿足要求的結(jié)構(gòu)尺寸、到強(qiáng)度校驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，形成了一整套科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法。依據(jù)此過程可以合理地完成地下頂推用液壓油缸的各參數(shù)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)過程對各類油缸的設(shè)計(jì)都有較好的普適性，對油缸設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義，該研究為提高該類裝備的設(shè)計(jì)水平提供了有力的技術(shù)保障。

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