窄體混凝土輸送泵液壓系統設計

雷 鳴，陳義得，周遠航，沈桂麗

（中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，河南洛陽 471009）

0 引言

基建行業蓬勃發展，鐵路作為基建行業的主要業務之一，近年來一直處于高速發展狀態，且鐵路行業關乎國家經濟命脈和民生需求，國內普速鐵路和高速鐵路建設里程屢創新高［1］。近年來隨著國家鐵路“八縱八橫”主干線路建設，中西部地區鐵路建設日益增多，中西部地區鐵路建設橋隧較多［2］，鐵路隧道出現較多的單線隧道（包括橫通道、平導、先導等輔助坑道）。鐵路隧道建設多以鉆爆法施工方式進行，混凝土輸送泵是其配套機械化施工的主要設備之一，單線鐵路隧道斷面較小，二襯之后的隧道斷面寬度要同時滿足混凝土輸送泵停放和出渣設備通行，現隧道施工使用的雙缸60混凝土輸送泵寬度在2 m左右，不能滿足單線鐵路隧道二襯之后的斷面輸送混凝土和出渣設備同時并存，需要開挖避車洞，影響施工進度和增加施工成本［3］。

基于此，研制單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵，設計了與之相匹配的液壓系統，根據外界負載情況設計了液壓系統的參數，經試驗機況良好，液壓系統運行平穩。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

隨著國內鐵路單線隧道建設的日益增多，隧道建設成為道路建設的關鍵工程，根據國內單線鐵路隧道設計標準和施工現狀，設計一種單線鐵路隧道雙缸混凝土輸送泵，滿足二襯混凝土輸送要求，且可以實現不開挖避車洞也能與出渣工序同步進行［4］。該單線鐵路隧道窄體混凝土輸送泵主要由液壓系統、泵送油缸、機架、側翻門、散熱風機、料斗、輸送彎管、后門、車軸、輪胎等組成，能夠完成高壓力、大流量、遠距離混凝土的泵送工作。

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵結構組成如圖1所示，表1所示為單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵的主要參數。該機通過由隧道內可以自行行走的設備牽引移動，工作時依靠電能。

圖1 窄體雙缸混凝土輸送泵結構示意圖

表1 輸送泵的主要參數

1.2 工作原理

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵工作時，混凝土攪拌罐車將混凝土攪拌站預制好的商品混凝土運送至混凝土輸送泵處，通過混凝土攪拌罐車翻轉，將混凝土傾卸至混凝土輸送泵的料斗內，混凝土輸送泵料斗內的攪拌裝置工作，防止混凝土在料斗內出現凝固或石子析出，混凝土輸送泵輸送混凝土時，兩個輸送缸與擺動缸配合工作，兩個混凝土輸送缸處于相反的工作狀態［5］，即一根輸送缸處于吸料狀態則另外一根缸處于送料狀態，當一根油缸處于吸料狀態，則與之配合的擺動缸帶動切口環將此根缸混凝土輸送管與料斗連通，對應的另外一根缸處于送料狀態，與之配合的擺動缸帶動切口環將此根缸混凝土輸送管與料斗切斷，當送料缸運動至頂端時吸料缸正好運動至相反的頂端，觸發傳感器，傳感器將信號傳輸至控制器，控制器根據信號反饋控制相應的電磁閥工作，吸料缸轉變工作狀態處于送料狀態，送料缸處于吸料狀態，擺動缸轉換工位，與兩根輸送缸進行配合工作［6］。如此反復工作，可以實現將混凝土連續地輸送至二襯模板臺車。

2 液壓系統設計

2.1 液壓系統負載計算

隧道內二襯模板臺車距離混凝土輸送泵距離在150 m左右，根據實際工作需要及考慮混凝土在管道內由于彎折處出現的渦流和紊流現象產生的阻力，按照水平泵送距離300 m設計，由于模板臺車注入混凝土的接口部分處于模板臺車的頂端，單線隧道高度在10 m左右，按照垂直泵送高度20 m設計，查詢相關資料可知，混凝土與無縫熱軋鋼管的摩擦因數約為0.7，由于混凝土在豎直方向產生的重力造成的摩擦力較小，泵送壓力產生的摩擦力較大，在設計液壓系統外界負載時，只考慮泵送壓力產生的摩擦力，混凝土泵輸送缸橫截面直徑為20 mm，輸送管道橫截面直徑為16 mm［7］。

為了保證混凝土由混凝土輸送泵輸出，到達模板臺車后速度基本為0（為了盡量減小對模板臺車的沖擊，防止模板臺車發生變形或由于沖擊造成模板臺車振動而造成定位誤差），混凝土輸送泵輸送混凝土，只需克服混凝土在管道運輸過程中產生的摩擦力和由于豎直輸送克服的重力，則輸送缸所需提供的推力為：

F ＝ 2（μgρSl1＋ gρSl2）

式中：l1為水平輸送距離；l2為垂直輸送距離；S為混凝土輸送管道剖面面積；μ為混凝土與輸送管道之間的摩擦因數；ρ為混凝土密度；g為重力加速度；2為安全系數。

輸送缸所需提供的推力為22 187 N。輸送缸工作時，選用的油缸缸筒內徑為63 mm，缸桿直徑為32 mm，由于送料時油缸缸桿伸出，無桿腔為高壓，則輸送缸液壓系統壓力為：

PS＝F

式中：P為液壓系統壓力；S為油缸無桿腔橫截面積；F為輸送缸所需提供的推力。

液壓系統壓力為7.1 MPa，根據液壓設計手冊及設計經驗，選取系統壓力為12 MPa，由于攪拌和擺動所需系統壓力小于輸送壓力，即選取系統壓力為12 MPa。

2.2 液壓系統原理及圖紙設計

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵液壓系統由變量泵、主油路溢流閥、攪拌馬達控制閥、攪拌馬達支路調壓閥、攪拌馬達、擺動油缸支路調壓閥、擺動油缸控制閥、擺動油缸、泵送油缸支路調壓閥、泵送油缸控制閥、泵送油缸、單向閥等組成，根據單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵工作原理及液壓系統負載計算，液壓原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統原理圖

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵液壓系統，泵源選用定壓調速泵，泵頭壓力設置為13 MPa，油泵加載后保持高壓運行狀態，溢流閥壓力設置為13 MPa，在主路上設置單向閥，防止由于沖擊效應產生液壓油回流現象，損壞液壓油泵，通過三通分為3條支路，每條支路設置限壓閥，根據支路負載情況調節支路壓力，每條支路均通過三位四通電磁閥進行正反向調節，攪拌馬達正轉為泵送狀態，防止凝固或析出，反轉為清洗狀態；擺動油缸為控制泵送缸與料斗之間的開啟或關閉，電磁閥的控制與泵送油缸工作狀態相關，存在邏輯關系；泵送油缸無桿腔處于串聯狀態，一根油缸有桿腔接進油管，另外一根油缸有桿腔接回油管，可以保證兩根泵送油缸處于相反的工作狀態。

3 結束語

本文介紹了一種適用于單線鐵路隧道的窄體雙缸混凝土輸送泵液壓系統，計算了混凝土輸送泵外界負載，根據外界負載配套設計了混凝與輸送泵液壓系統的壓力和流量，根據壓力和流量參數可以對液壓系統涉及到的元器件進行選型。單線鐵路隧道雙缸混凝土輸送泵在新建麗香鐵路站前二標中義隧道進行使用，累計輸送混凝土超過5萬m3，整體使用性能良好，液壓系統運行平穩，沖擊性低，發熱量低，混凝土輸送泵液壓系統通過使用證明，在泵送混凝土的過程中，混凝土流動性良好，在模板臺車出口位置基本運行速度很小，對模板臺車無沖擊作用，有效地保證了模板臺車的工作性能，二襯作業空窗效應減少。在工業性試驗過程中，二襯之后的隧道斷面可以滿足項目任何車輛通過，使用良好。