隧道澆筑布料機液壓系統設計

石學智

（中鐵一局集團物資工貿有限公司，西安710000）

0 引言

按照鐵道部工廠化、機械化、專業化、信息化的要求，在隧道臺車混凝土澆筑過程中，不需用人工拆管、換管、清洗、接管和固定等，僅需一名操作人員輕松操作控制元件即可實現泵送接口不同位置的變換，實現機械化施工。隧道澆筑布料機由此應運而生[1]。該設備用于隧道臺車上混凝土澆筑，適用于公路、火車等隧道里面臺車的注漿施工，主要由走行裝置、伸縮旋轉對位裝置、管路系統、液壓系統和電氣控制系統組成。管路系統以及伸縮旋轉對位裝置的組合設計，便于改變管路系統中各管道空間關系，實現距離和位置的變化，實現有壓封閉式送料同時對混凝土管路進行清洗，大大提高作業效率，減少現場環境污染[2，3]。液壓系統作為布料機執行機構的動力輸出，其工作性能直接影響混凝土的澆筑質量和澆筑效率，因此，本文對布料機液壓系統進行設計分析，以提高布料機工作效率，滿足現場工況要求。

1 YCSJB10 隧道澆筑布料機結構組成與工作原理

如圖1 所示，隧道澆筑布料機布置在二襯模板臺車的頂層平臺上，布料機工作裝置具有自行走功能，混凝土管路系統有三排注漿口，兩排為側模注漿口，一排為頂模注漿口，兩側模注漿口負責左右側模的注漿，通過側模的窗口可以觀測漿液的高度，判斷澆筑進程。當側模完成注漿后，再進行頂模注漿，頂模注漿口安裝有壓力傳感器，用來檢測頂模漿液是否注滿。隧道澆筑布料機只有一個澆筑對接口，需要在軌道上行走，完成三排注漿口澆筑。

圖1 隧道澆筑布料工作過程

如圖2 所示，隧道澆筑布料機主要由底架總成、行走驅動機構、臂架總成、動力控制系統和混凝土管總成組成。

圖2 隧道澆筑布料機結構組成

底架采用型材矩形管焊接而成，結構牢固、可靠。小車行走由液壓馬達帶動齒輪驅動，小車軌道采用框架式軌道，齒輪與軌道中間齒條進行嚙合傳動，兩側有滑塊進行導向，為了減小隧道澆筑布料機在滑動軌道上的行走阻力，支撐滑塊采用了與鋼材滑摩系數更小的特種材料。隧道澆筑布料機支撐采用U 型滑移結構，能將隧道澆筑布料機牢牢地支撐在底架上，防止傾翻危險。軌道與小車之間可裝接近開關感應，以便準確定位注漿孔。

布料機臂架總成可分為臂架旋轉擺動和臂架伸縮兩個部分。臂架旋轉擺動：臂架旋轉采用液壓馬達+回轉支承控制，旋轉角度為180°（以豎直向上為0°，水平方向左右擺動各90°），用于側膜注漿和頂膜注漿的轉換，小車行走到指定位置后由馬達控制臂架豎直方向擺動進行注漿孔對位。臂架伸縮：臂架伸縮采用液壓油缸控制。臂架擺動到位后，控制油缸進行最后的伸縮對位。注漿管水平方向和豎直方向對接口均采用喇叭口式對位孔，提高對位的準確。臂架伸縮行程200 mm，對接口與臺車注漿口均在伸縮行程范圍之內。

在底架上布置有液壓控制系統，電機提供動力驅動液壓泵，給系統提供高壓油液，驅動小車各執行機構動作。

2 YCSJB10 隧道澆筑布料機液壓系統設計與元件選型

2.1 YCSJB10 隧道澆筑布料機液壓系統設計

根據前述隧道澆筑布料機結構和工作過程，可以設計出隧道澆筑布料機液壓系統如圖3 所示。主要由行走回路、臂架回路和吸油、回油回路3 部分組成。由于齒輪泵結構簡單，性能穩定，維護方便，液壓系統采用齒輪泵作為動力元件。多路換向閥均為M型中位，當各執行機構不動作時，齒輪泵出口油液直接回液壓油箱，液壓泵卸荷，降低系統能耗。

圖3 隧道澆筑布料機液壓控制系統

行走回路由液壓馬達、換向閥、平衡閥等組成。齒輪泵供油給液壓馬達，馬達帶動小齒輪與軌道上的固定齒條嚙合傳動實現小車在滑動軌道上行走。操縱換向閥，可以改變液壓馬達進油、回油方向，實現小齒輪的正反轉，從而完成小車的前進與后退動作。平衡閥可以保證小車可以穩定地停靠在任意行程范圍內，同時具有剎車制動的功能[4]。

臂架回路由換向閥、伸縮油缸、擺動馬達組成。操縱換向閥，實現油缸（馬達）的伸縮（旋轉），從而實現臂架擺動、臂架伸縮等動作。平衡閥可以實現臂架穩定可靠地?？吭诠ぷ魑恢?。伸縮油缸回路安裝有單向節流閥，可以控制伸縮油缸活塞桿速度，方便與臺車側模、頂模上的澆筑口精準對位，提升施工作業效率，當伸縮油缸活塞桿到位后，布料機澆筑對接口和臺車上的注漿口頂死，實現帶壓注漿[5，6]。

吸油回路設置了吸油過濾器，回油回路設置了油冷器及回油過濾器，確保液壓系統工作溫度工作在60 ℃左右，并保證了液壓系統的清潔度，從而保證液壓系統工作可靠性[7，8]。

2.2 YCSJB10 隧道澆筑布料機液壓元件選型

隧道澆筑布料機行走最大驅動力計算

式中：p工為系統最大工作壓力，V行為行走馬達排量，r行為齒輪半徑。

隧道澆筑布料機行走最大行走速度計算

式中：V齒為齒輪泵排量，η行為行走馬達工作效率，n 為電機轉速。

臂架擺動最大驅動力矩計算

式中：V擺為臂架擺動馬達排量。

臂架擺動最大轉速計算

式中：i減為減速機速比，η行為泵的工作效率。

臂架伸縮油缸最大驅動力計算

式中：A抻為伸縮油缸無桿腔作用面積。

臂架伸縮油缸最大伸出速度計算

式中：A縮為伸縮油缸有桿腔作用面積。

根據隧道澆筑布料機重量，行走速度和臂架伸縮油缸壓緊力等工作性能參數要求，初步選定系統最大工作壓力為10 MPa，并對主要液壓元件進行選型，如表1 所示。計算得出隧道澆筑布料機最大驅動力約為10 000 N，小車前進、后退速度為2 m/min；臂架擺動最大驅動力矩約為20 000 N·m，臂架擺動最大轉速未0.25 r/min；臂架伸縮油缸最大驅動力約為30 000 N，最大伸出速度為5 m/min，最大縮回速度為7 m/min。

表1 隧道澆筑布料機液壓系統主要液壓元件型號

3 現場應用

如圖4 所示，將設計生產的隧道澆筑布料機應用在廣西河池市永順隧道，現場使用表明，小車行走平順，臂架動作靈活，澆筑口對位準確，可以實現帶壓注漿，保證澆筑質量，避免混凝土離析，減少空洞現象，相比以前的人工注漿，顯著提高了澆筑效率。

圖4 隧道澆筑布料機現場應用

4 結束語

隧道澆筑隧道澆筑布料機是用于隧道臺車上混凝土澆筑的專用設備，本文根據澆筑小車的結構組成和工作原理，設計出液壓控制系統，包括行走控制回路、臂架控制回路和吸油回油控制回路三部分。該系統具有低壓卸荷和帶壓注漿特點，非注漿工作狀態下的待機能耗可降低87.5%，混凝土密實度約提高20%。同時，對液壓系統主要元件進行初步選型，確定小車行走速度、臂架擺動力矩和伸出驅動力等主要工作性能參數。通過現場應用發現，小車行走平順，臂架動作靈活，澆筑口對位準確，注漿效率高，滿足現場施工要求，為進一步推廣應用奠定了基礎。