適用于高海拔低氣壓的掘進機加壓油箱系統設計

中鐵工程裝備集團有限公司 河南鄭州 450000

隧 道掘進機是應用于地下工程開發的高端、智能裝備。由于液壓系統具有功率密度大、傳遞距離遠、易于實現自動控制[1]等優點，常用作掘進機執行機構的動力系統。掘進機液壓系統動力主要由液壓泵站輸出，包括各執行機構的電動機泵組、循環過濾系統、加熱系統、液壓油箱等。液壓油箱是液壓系統中最大的輔助元件之一，其作用主要是用來儲存液壓油，保證液壓系統的正常運行，并具有降低油液溫度、維持泵吸口壓力正常等作用[2]。而在高海拔、低氣壓、低溫的極端環境下，氣溫達到 -35 ℃，海拔 3 500～ 4 000 m，此時原有的液壓泵站系統設計已無法適應。氣溫過低會造成油箱內液壓油黏度過高，無法滿足液壓泵冷啟動的條件；高海拔會造成大氣壓過低，導致油箱內壓力過低，無法滿足液壓泵啟動條件。目前針對液壓油箱的設計主要集中在溫度智能控制[3]、制造工藝[4]、結構優化設計[5]等方面，筆者針對掘進機在極端環境下施工，液壓泵無法啟動，掘進機液壓系統無法正常工作的問題，提出了掘進機加壓油箱系統設計，保證掘進機液壓系統在高海拔、低氣壓、低溫環境下正常運行。

1 掘進機加壓油箱簡介

掘進機加壓油箱系統主要包括氣體加壓系統和液壓油加熱系統，如圖 1 所示。油箱頂部設置有預壓式呼吸器和加壓裝置，并配有冷干機以及干燥空氣進口，構成油箱氣體加壓系統；油箱上設置多個加熱器，構成液壓油加熱系統。依據所處的環境溫度、油液設定溫度及加熱時間，可以計算出加熱器的功率及數量。

圖1 加壓油箱系統Fig.1 Pressurized oil tank system

2 油箱加壓系統設計

在高海拔環境下，油箱加壓系統為液壓油箱提供穩定的壓力，滿足液壓泵所需的吸油壓力，保證液壓泵正常運轉。液壓油箱加壓系統采用氣體增壓，加壓氣體來自于掘進機上配置的空氣壓縮機，經過過濾和減壓后進入液壓油箱。

2.1 海拔高度對大氣參數的影響

海拔高度對大氣壓力會產生影響，一般情況下，大氣壓力隨海拔高度的增加而減小。大氣壓力與海拔高度的關系為[6]

式中：p為當地平均大氣壓，Pa；p0為海平面處的大氣壓，取 101 325 Pa；M為空氣的摩爾質量，取 29 kg/kmol；h為當地海拔高度，m；R0為通用氣體常數，取 8 314 J/(kmol·K)；T為空氣溫度，取 293 K。

依據式 (1) 可得到不同海拔高度處的空氣壓力[7]，如表 1 所列。

表1 大氣參數隨海拔變化Tab.1 Variation of atmospheric parameters with altitude

2.2 油箱加壓系統設計

由于隧道掘進機執行機構所需工作壓力較高，故液壓系統配置有高壓軸向柱塞變量泵 A10VSO，其參數如表 2 所列。

表2 柱塞泵性能參數Tab.2 Performance parameters of hydraulic pump

柱塞泵吸油口的最低壓力為絕對壓力 0.08 MPa，當工況為 4 000 m 海拔高度時，大氣壓約為 0.063 MPa。液壓泵吸油壓力過低，不僅會降低泵的工作效率，而且易產生氣蝕現象，降低油液的流動性，增大泵的噪聲和振動，影響液壓系統的正常運行。加壓系統通過給油箱通入加壓空氣，使油箱內液壓泵吸油口的壓力達到所需要的壓力。

油箱加壓系統包括加壓裝置、預壓式呼吸器、加壓油箱、壓力傳感器等，如圖 2 所示。

圖2 油箱加壓系統原理Fig.2 Principle of pressurized system for oil tank

在隧道掘進機上，加壓空氣來自于掘進機上配置的空氣壓縮機。空氣壓縮機的出口壓力通常為 0.60～0.80 MPa，而油箱加壓系統所需壓力僅為 0.02 MPa，二者相差較大，故加壓系統需要進行二級減壓，減壓原理如圖 3 所示。

圖3 二級減壓原理Fig.3 Principle of secondary decompression

壓縮空氣經過濾器以及第 1 道減壓閥，壓力減至 0.069 MPa，再經過第 2 道精密減壓閥，其壓力減至 0.021 MPa，進入加壓油箱。加壓油箱外界的大氣壓為 0.063 MPa (絕對壓力)，在壓力為 0.021 MPa 的壓縮空氣的作用下，油箱中液壓油表面的壓力可達0.084 MPa (絕對壓力)，滿足柱塞泵吸油口壓力要求。加壓裝置如圖 4 所示。

圖4 加壓裝置Fig.4 Pressurized device

液壓泵的吸油口布置于油箱的底部，因掘進機執行機構液壓缸多且規格大，因此在進行吸油口壓力核算時，需要考慮油箱內液位變化對壓力的影響。

掘進機液壓缸完全伸出時，此時油箱液位最低，吸油口處絕對壓力pS=0.084 MPa。

掘進機液壓缸完全回縮時，此時油箱液位最高，油箱內空氣通過預壓式呼吸器排出，液壓泵吸油口距離液壓油液面近 1 m，吸油口處絕對壓力

式中：p為當地大氣壓，p=0.063 MPa；pY為預壓式呼吸器壓力，pY=0.035 MPa；ph為液位差壓力，ph=0.01 MPa。

計算得pS=0.108 4 MPa。

無論是液壓油箱內液位如何變化，均能保證液壓泵吸油口處的絕對壓力滿足液壓泵正常工作要求。

3 掘進機加壓油箱結構設計及仿真

3.1 加壓油箱結構設計

常規掘進機油箱通過呼吸器來保證油箱內外壓力相等，而加壓油箱則需要根據空氣加壓系統的壓力值對油箱進行針對性設計。

加壓油箱如圖 5 所示。油箱上安裝有空氣呼吸器、回油過濾器、液位開關和溫度傳感器等輔助元件。油箱容積為 4 000 L，箱體采用 8 mm 厚的 304 不銹鋼拼焊而成，內部焊有加強肋，底板采取中間高兩邊低的結構形式，其與水平方向的夾角約為 2°。油箱的中間設置有隔離板，將吸油區和回油區分開，隔離板高度為油箱內部高度的 2/3，并在隔板上開有 U形槽，方便油液流通。各吸油口均設置在吸油區域的底部。回油過濾器、回油管設置在回油區域，并且保證管口在最低液位以下，避免油液沖濺形成氣泡。油箱前部設有清洗蓋，方便進行油箱內部清洗。油箱兩側分別裝有液位計，用于觀察油箱內的液位高度。吸油區域一側安裝有液位傳感器與溫度傳感器，液位傳感器設置有高液位、報警液位和停機液位；溫度傳感器主要用于檢測油溫，確保符合液壓泵啟動條件。在油箱四角裝有油箱吊耳，方便油箱吊裝。

圖5 加壓油箱Fig.5 Pressurized oil tank

3.2 加壓油箱仿真分析

為判斷所設計加壓油箱的強度能否滿足極端加壓工況要求，對油箱進行仿真分析。通過加壓裝置對油箱加壓 0.02 MPa，當掘進機液壓缸完全回收時，油箱內液壓油位上升，油箱內壓力值為預壓式呼吸器的設定值 0.035 MPa。參考壓力容器的測試標準，油箱內部做氣密性試驗時所加氣壓為 1.4 倍的呼吸器設定值，即 0.049 MPa。

對油箱加壓 0.05 MPa 時，箱體變形情況如圖 6 所示，在油箱表面各個開孔處的變形量明顯高于其他部位，其中油箱頂部放置加壓裝置的區域變形量最大，為 2 mm，但該變形量對于液壓系統的運行基本無影響，故所設計的加壓油箱可滿足極端工況下的使用要求。

圖6 加壓后油箱仿真結果Fig.6 Simulation results of oil tank after pressurization

4 結語

針對在高海拔、低氣壓、低溫的極端環境下，油箱內的溫度、壓力難以滿足掘進機液壓系統的正常運行條件，設計了一種加壓油箱，其加熱系統可保證油箱內的油液溫度達到柱塞泵啟動條件。經過加壓之后，油箱內的最低壓力為 0.084 MPa，在任何液位下均能達到柱塞泵的最低啟動壓力。通過仿真分析，在加壓過程中，油箱最大變形量發生在油箱頂部，為 2 mm，滿足極端條件下的工作要求，為隧道掘進機在高海拔、低氣壓、低溫的環境下作業提供了可靠保障。