三臂鑿巖臺車臂架液壓系統設計及試驗

楊 濤

（中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，河南洛陽 471009）

0 引言

隨著我國國家經濟實力的逐步增長，基建設施領域快速發展，國家鐵路網“八縱八橫”網絡逐步建成，高速鐵路及高速公路建設逐漸向西南西北等邊遠地區延伸[1]。我國西南及西北地區山脈較多，鐵路及公路修建橋隧比較高，在個別施工路段橋隧比高達90%以上，修建難度高。我國山嶺隧道施工主要以新奧法施工工法為主，開挖作業為新奧法施工工法的主要作業工序，其決定了施工的安全、效率、質量等多方面因素，對隧道施工起著關鍵作用[2]。三臂鑿巖臺車是隧道開挖的主要施工設備，其具有施工效率高、集成化程度強、安全性能好等突出優點，在山嶺隧道開挖作業中應用廣泛[3]。由于山嶺隧道施工環境差，高熱高濕粉塵等特點突出，極易造成三臂鑿巖臺車液壓系統發熱、故障率高等問題，嚴重制約著隧道施工進度，增加設備維保和使用成本，亟需研究一套適用于隧道開挖的三臂鑿巖臺車臂架液壓系統。

國外對于三臂鑿巖臺車臂架液壓系統的研究起步較早，技術相對成熟，由于隧道施工工況和施工組織與國內反差較大，國外對于三臂鑿巖臺車臂架液壓系統的研究主要集中在液壓參數反饋調節和負載響應方面，國外的三臂鑿巖臺車在國內使用過程中由于作業環境溫度高、濕度大、單次作業時間長，造成臂架液壓系統發熱嚴重、效率較低。國內對于三臂鑿巖臺車臂架液壓系統的研究主要集中在液壓參數匹配上，根據不同鑿巖機使用要求對液壓系統進行參數匹配，以適用于鑿巖作業，并未關注其系統溫度高、效率低、故障多的現象[4]。

為解決三臂鑿巖臺車在隧道掌子面開挖作業時其臂架控制液壓系統存在的功率損失大、發熱嚴重、故障率高等突出問題，本文在已有的國內外對三臂鑿巖臺車臂架液壓系統研究的基礎上，建立整機的Solidworks三維模型，獲取三臂鑿巖臺車相關作業設備的理論參數進行液壓負載理論計算和靜力學仿真分析，總結分析三臂鑿巖臺車臂架液壓系統發熱嚴重的原因，針對性地提出臂架液壓系統散熱方案，重新優化設計臂架液壓系統，通過試驗有效驗證臂架液壓系統的合理性，為三臂鑿巖臺車臂架液壓系統設計與維修維護提供相關參考。

1 臂架結構及鑿巖機參數

三臂鑿巖臺車臂架結構主要包括鑿巖臂和吊籃臂，鑿巖臂用來定位鉆孔位置及鉆孔作業，吊籃臂用來進行炸藥裝填作業，鑿巖臂主要包括鑿巖機、推進梁、翻轉油缸、旋轉油缸、大臂、伸縮臂、定位油缸、底座等部件，其在作業過程中鑿巖機主要消耗液壓能，吊籃臂主要包括吊籃、調平油缸、大臂、伸縮臂、定位油缸、底座等部件，其結構如圖1和2所示[5]。

圖1 三臂鑿巖臺車鑿巖臂結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of rock drilling arm structure of threearmrock drilling jumbo

圖2 三臂鑿巖臺車吊籃臂結構示意圖Fig.2 Structural diagram of hanging basket arm of threearm rock drillingjumbo

為驗證三臂鑿巖臺車臂架液壓系統使用效果，試驗加工制造的三臂鑿巖臺車選用進口某品牌鑿巖機，盡可能降低因鑿巖機故障而對液壓系統使用效果判斷產生偏差，其鑿巖機液壓系統匹配參數如表1所示。

表1 鑿巖機參數Tab.1 Parameters of rock drill

2 液壓系統設計

2.1 負載參數設計（以旋轉油缸為例）

旋轉油缸的主要功能為帶動推進梁安裝架、推進梁及附屬零部件進行旋轉，主要用來克服其帶動部分產生的阻力矩。旋轉油缸帶動部分的質量為1 152 kg，重心距離旋轉油缸中心位置的距離為555.62 mm，其產生的阻力矩為6 408 N·m，選裝旋轉油缸驅動力矩應大于6 408 N·m，以上海華歌液壓擺動缸為例，選擇其ARC280系列51產品，旋轉標準角度為270°，特殊角度為360°，驅動力矩為6 880 N·m（液壓系統壓力為21 MPa時），保持力矩為10 600 N·m，360°其排量為3 206 mL，英制1∕4 G接頭。

實測旋轉油缸旋轉過程中的速度為5°∕s，所以旋轉油缸流量為2.7 L∕min。選取管道流速為1 m∕s（層流流速1~7 m∕s為預估層流的標準參考），則：

式中：V為系統流量；v為液壓油流速；r為油管內徑的半徑。

則油管內徑為7.6 mm，根據液壓技術手冊選型推薦，結合工程機械實際配置要求（盡可能減少油管規格型號的配置），選取液壓油管內徑6.3 mm。沿程損失為：

式中：λ為常數；l為油管長度；d為油管內徑；ρ為液壓油密度；v為速度。

局部損失為：

式中：ξ為系數，與流動狀態、雷諾數、接頭材質、變徑情況有關，其均小于1，由于計算差別較小，統一選取1。

經計算可得經過彎頭等處的壓力損失為0.007 MPa，國內閥塊的壓差基本在0.3 MPa以下，則系統所需壓力為21+0.76+0.007×5+0.3=22.095 MPa，查詢液壓技術手冊可知，選取系統壓力為22 MPa[6]。

根據旋轉油缸負載理論計算方法，同時結合三臂鑿巖臺車臂架結構尺寸設計需求，通過力學理論計算和仿真分析計算其相關油缸受力和結構強度情況，重點獲取其液壓系統部件參數，相關液壓部件參數如表2所示。

表2 臂架油缸相關參數Tab.2 Boom cylinder related parameters

2.2 液壓泵選型

根據國內外三臂鑿巖臺車相關設計，三臂鑿巖臺車在工作過程中采用電機驅動，其鑿巖沖擊采用單獨油泵供油，鑿巖旋轉采用單獨油泵供油，臂架動作采用單獨油泵供油，即一臺電機驅動三聯串泵工作模式，則鑿巖機沖擊油泵選型計算如下[7]。

鑿巖機最大沖擊壓為20 MPa，沖擊油流量為小于等于118 L∕min。令沖擊油流量為118 L∕min，選取管道流速為4 m∕s，則根據式（1）可得油管內徑為25 mm，根據液壓技術手冊選型推薦，結合工程機械實際配置要求（盡可能減少油管規格型號的配置），選取液壓油管內徑25 mm。沿程損失根據式（2）計算，其中：雷諾數雷諾數計算中，ρ∕μ為液壓油牌號的倒數，選取牌號為46的液壓油，則雷諾數為1 663＜2 000（雷諾數小于2 000為層流狀態，雷諾數大于2 000為紊流狀態）（鐵管的λ計算為，軟管的λ計算為則λ=0.048，則Δpλ=0.16 MPa。

局部損失根據式（3）計算，則經過彎頭等處的壓力損失為0.007 MPa，國內閥塊的壓差基本在0.3 MPa以下，則系統所需壓力為20+0.16+0.007×5+0.3=20.495 MPa，查詢液壓技術手冊可知，選取系統壓力為25 MPa。即需要選取DR柱塞泵的出口壓力為25 MPa，由于電機轉速為1 500 r∕min，則柱塞泵的排量為78.7 mL∕r，考慮沖擊泄漏及高強度巖石工作，選取沖擊油泵排量為100 cc∕r，則沖擊油泵的功率為48 kW[8]。同理，計算獲得旋轉油泵排量為55 cc∕r，功率為26 kW，臂架動作油泵排量為60 cc∕r，功率為21 kW。由于鑿巖機工作和臂架動作為順序動作關系，所以選取主電機功率為75 kW。

2.3 系統高溫現象分析及應對措施

由于三臂鑿巖臺車在隧道施工過程中主要用于掌子面開挖的鉆孔作業，其工作環境主要面臨高溫、粉塵、高濕度、滲水等，特別是較高溫度的作業環境往往會造成臂架液壓系統因作業溫度高而發生故障，散熱系統匹配顯得尤為重要。

以往三臂鑿巖臺車液壓系統匹配往往采用散熱器散熱功率取電機功率的40%，直接選用相關參數的水冷散熱器，在液壓系統回油管道處設置溫控閥，當系統溫度超過40~50℃時（每個廠家設置的溫控閥溫度參數不一致，一般在40~50℃之間），臂架液壓系統回油液壓油經過水冷散熱器降溫后流回油箱，當系統溫度低于40~50℃時，臂架液壓系統回油液壓油直接流回油箱，依靠油箱進行散熱[9]。這種設置的主要弊端為在使用過程中，溫控閥一般為機械式開閉，對溫度敏感程度不夠，液壓系統油溫低時，系統運轉正常，當液壓系統油溫高時，水冷散熱器散熱功率低于液壓系統發熱功率[10]，散熱速度低于產熱速，在長時間運轉（一般運轉時間超過2 h即會產生高溫現象，鑿巖作業時間一般在4 h以上）后，液壓系統溫度升高，液壓油黏度降低，相關液壓部件泄漏量增加，特別是鑿巖機液壓馬達和液壓系統齒輪油泵泄漏量增加，會明顯降低液壓系統作業效率，變相加速液壓系統升溫[11]。

為了降低液壓系統作業溫度，提升液壓系統作業效率，對以往三臂鑿巖臺車液壓系統散熱匹配進行重新設計，取消臂架液壓系統回油溫控閥的設計，直接將回油管路增加三通，一路直接回油箱，一路連接水冷散熱器，冷卻后回油箱，每路管路上設置手動球閥，根據作業需求開啟相關油路，當在隧道內施工時，開啟連接水冷散熱器油路，關閉直接回油箱油路，在臂架系統作業時直接進行水冷卻。同時在控制系統采集液壓油箱油溫，當油箱油溫超過50℃時，使用電瓶啟動發動機驅動的風冷散熱器，使用風冷散熱器對液壓系統進行降溫處理。

3 試驗與結果分析

根據三維建模理論計算，結合現場三臂鑿巖臺車臂架液壓系統發熱原因分析，設計了新的三臂鑿巖臺車臂架液壓系統并匹配相關散熱系統，搭載在自制的三臂鑿巖臺車上在鄭萬高鐵項目9標興山隧道進行試驗，用于隧道掌子面開挖鉆孔作業，隧道斷面為高鐵雙線隧道，單個掌子面配備2臺三臂鑿巖臺車，其中一臺為試驗樣機，另外一臺為某品牌進口三臂鑿巖臺車。經現場實驗室測量數據，試驗期間開挖隧道巖石最高強度和平均強度分別為123 MPa和89MPa，開挖掌子面環境溫度最高值和平均值分別為44℃和40℃，雙作業面作業連續運轉時間為9 h（其中不包括轉場的1 h），試驗總計統計作業時長為3 000 h。試驗過程中，自制的三臂鑿巖臺車臂架液壓系統監測的最高作業溫度為58℃，對比同時作業的進口三臂鑿巖臺車液壓系統，其作業溫度低3℃，系統運行平穩，無故障現象。

通過現場開挖試驗，三臂鑿巖臺車臂架液壓系統各項指標參數正常，液壓系統無故障發生，液壓系統最高運轉溫度為58℃，低于設備運轉報警溫度65℃[12]，液壓系統泄漏量較小，系統運轉效率較高，在一定程度上延長了設備使用壽命，降低了系統故障，基本符合設計預期，為同類產品液壓系統設計及修理提供參考。

4 結束語

本文采用理論計算及分析總結的方法設計并校核了一種三臂鑿巖臺車臂架液壓系統，對鑿巖臺車液壓系統關鍵零部件選型參數進行計算，并加工制造三臂鑿巖臺車臂架液壓系統在鄭萬鐵路進行試驗。試驗結果表明，三臂鑿巖臺車臂架液壓系統在試驗過程中各項指標參數正常，液壓系統無故障發生，運行溫度較低，整體性能穩定可靠。

（1）通過三臂鑿巖臺車液壓系統試驗結果分析，表明液壓系統相關參數選型理論計算的合理性，為三臂鑿巖臺車液壓系統設計改進及相關工程機械設備液壓系統選型計算提供參考。

（2）三臂鑿巖臺車臂架液壓系統在運行過程中系統油溫最高為58℃，表明對原三臂鑿巖臺車臂架液壓系統散熱系統分析的合理性，同時表明根據現場作業環境對散熱系統的改進設計的合理性，為隧道施工設備液壓散熱裝置設計提供思路與參考。