液压驱动技术在土压平衡顶管机中的应用

鹿业勃

（德州职业技术学院，山东德州 253000）

0 引言

顶管掘进机又称顶管机，其作为铺设地下管道工程的重要设备，它集机械、液压、电气、测量、控制、排土等于一体，在燃气热力、排污管道及电力通信等工程中被广泛应用。本文将土压平衡顶管机为探究对象，针对其运行方便、土压平衡顶管施工需水量相对较少，具有装备及工艺成本低的优势，较适用于水源匮乏、施工地面积较小的顶管项目。

1 土压平衡顶管机工况分析

土压平衡顶管机的作业通常在多种土质土层中进行，作业土质一般有黏土、软土、沙土、砂砾土和硬土等。根据作业土质的区别，设备的受力情况也存在差异，总体上来看顶管机顶进作业、完成管道铺设工程存在的阻力有以下4 种：①刀盘切削过程中受到的土壤切削阻力；②顶进作业中刀盘截面受到的土壤压力与地下水压力；③纠偏过程中遇到的纠偏阻力；④顶进作业过程中机体外表面与土壤的摩擦力。

在设备的主顶系统中，主顶油缸的顶推力能够用来克服来自土壤、摩擦等外部带来的阻力，从而维持系统的正常运行。此外，在设备土仓的内部与外部都存在着一定压力，输土系统可以对这些压力给予良好的平衡，而纠偏阻力与刀盘切削阻力则分别由各自纠偏系统中的纠偏油缸维持系统运行的平衡。

2 土压平衡顶管机液压驱动系统设计

土压平衡顶管机的机型在设计上也大有很大区别，在系统的设置方面，不同的机型区别主要体现在趋同系统的形式与功率方面，当前运用最广泛、最常见的为直径顶管机系统。本文以直径为2200 mm 的系统为研究对象，对液压驱动系统展开详细研究，从而为顶管机的外观设计、系统设置、投入使用等提供科学参考。

液压驱动是土压平衡顶管机的重要驱动方式，具有成本低、安装尺寸小及适应剧变工况等优势。刀盘、主顶、纠偏、输土液压驱动系统是液压驱动系统的主要组成系统，在这4 个系统的共同协助下，驱动系统能够正常地运转与生产工作。图1 所示的土压平衡顶管机液压驱动运行系统主要由主顶液压虹、顶帖、液压系统等构成：在液压泵电机的作用下系统进行输油工作；单向阀的作用是防止系统负载脉冲较大时对泵产生损害以及高压油液的回冲。

图1 主顶液压系统工作原理

当系统作业中产生较大的压力，而处于二位二通阀上位的溢流阀则可以对压力进行有效调节，最终实现泵卸荷的目的。在系统运行过程中，一般情况下伸缩液压缸使用1#～8#主顶液压缸，使用的数量与使用的大小要综合考虑顶推力及顶管直径二者的具体需求来选择。并且液压缸组要具有良好的同步性，电磁换向阀可对主顶液压缸伸缩方向进行调节，位移传感器用于测量主顶液压缸的行程。

当前我国顶管机注定系统类型繁多、种类多样，可根据顶管工程的具体需要进行调整与选择，选择余地较大。同时，该系统的液压驱动系统相关技术也趋于成熟，完全能够满足顶管工程的工作运行需要。由于主顶系统液压驱动一般放置于地面或井下，且内部系统是独立存在的，因此本文不再对其进行阐述。

2.1 刀盘液压驱动系统

刀盘液压驱动在当前被广泛运用，并得到普遍的认可，主要得益于其以下3 个优势。

（1）系统运行稳定，各项指令也能够迅速且准确的反应，顶管机的转速在调整上也无需过多的等待时间。

（2）刀盘液压驱动系统占据内存小，在携带以及保养维护上都比较便捷，对于复杂的作业环境也能够很好的适应。

（3）刀盘液压驱动系统中的液压元件在获取上难度较小，因此当驱动系统需要保养与检修的时候不会耗费太大的精力。一般情况下，闭式和开式容积调速回路液压驱动刀盘液压驱动系统在应用的过程中有两个方案可供选择。两种方案在性能的适用性上，在土压平衡顶管机中都适用。但相对而言，开式系统溢流量大，对油箱的容量要求高，工作效率较低。相对而言，闭式容积调速回路液压驱动刀盘液压驱动系统更适用于顶管机机内空间。从图2 可知，系统在运行的过程中，由一台二驱变量液压马达，通过液压马达驱动刀盘的旋转、转速调整泵与马达的排量。进而在溢流阀调定，在将换向阀进行改变最终实现刀盘正反转与限位的功能，双液控单向阀来保证系统停机时的压，同时通过将换向阀与溢流阀的组合达到抑制系统压力波动的结果。

图2 闭式容积调速回路液压驱动系统

在系统中，双向变量液压泵将改变泵的转向、排量及速度，进而通过两个单向阀为定量泵补油。工作中通过溢流阀进行调节，同时将换向阀与溢流阀的配合，为系统过载提供及时的保护，从而及时排出系统热油，而限定补油回路的工作压力则由于溢流阀保证。

2.2 纠偏液压驱动系统

由于是地下施工，在具体的施工过程中顶管机集体偏离是常见现象且不容易规避，如果在偏离的正常范围内不会影响施工效果。但是如果偏移超出合理的范围，则会导致顶管机的顶推力以及刀盘驱动系统负载产生巨大的波动，对施工会产生不利影响。

偏离情况的纠偏也需要根据实际情况选择具体的方法，对于顶管机机体旋转产生的偏移，可以通过与土层间的摩擦阻力纠偏；对于其他方向的偏离，可以利用纠偏系统进行纠偏。

纠偏油缸是纠偏系统执行的元件系统，铰链位置在顶管机后壳体连接的方位。在纠偏工作开展过程中，通过利用纠偏油缸元件的伸缩作用，对机头的角度展开纠偏的工作。纠偏的效率与结果与具体情况有着密不可分的关系，主要有顶管深度、纠偏油缸布置方式等因素的影响。

纠偏液压系统由纠偏油缸、液压泵站、控制阀以及管路等所共同构成。其中液压泵需要使用高压小流量柱塞泵，其具备运行稳定、寿命长的特点，可以保证纠偏更为平稳，油缸进油方向可通过电磁换向阀组进行控制，使用液控单向阀组作为液压锁，进而有效确保未作业的油缸的可靠限位，利用单向调速阀对同组液压缸的性能进行有效的保障，对液压系统的工作压力通过溢流阀进行调节与控制。

为了防止当油缸压力突然升高状态下工作出现压力波动造成损坏，使用溢流阀组避免其发生。同时，在液压系统中，阀安装的安装采用叠加式，使系统安装更为简捷，液压系统占用的空间得到了节省，在后续工作中的检修中也更加的方便。在纠偏油缸使用过程中，是将两支分为一组，在纠偏工作开展中，控制台上的电器控制电磁转向阀，进而完成整个纠偏的流程。其中在纠偏工作油缸组的选择上，要考虑到油缸组在顶管机内的安装形式，进而根据具体的情况选择纠偏油缸的安装方式。

2.3 输土液压驱动系统

在设备的运行中，刀盘在切削中会产生泥土，而泥土则会降低系统工作效率，因此将泥土及时的清理和排出至关重要，而输土液驱动系统就是起到排土的作用，让土压仓内土压维持到正常的标准，从而保障在施工挖掘过程中土压与水压的平衡，进而保证工作的正常开展。在本次研究设计中，选择的顶管机输土系统元件为螺旋输送机，切削的土体在输送上采取螺旋叶片，通过土塞对螺旋输送机转速不断调整，从而确保土仓压力保持在正常的范围内。所以说，顶管机整机工作的稳定性以及施工质量与输土系统运作质量具有密不可分的关系，输土系统要具备不同土质的适应能力以及输土速度的快速调整能力。

输土液压驱动系统的组成如图3 所示，在变量液压泵的作用下系统形成驱动，进而在确保的范围内调节变量液压泵排量及液压马达转速，最终实现调速控制。使用电磁换向阀调节液压马达的转向，并采取溢流阀对系统总工作压力作出调整，螺旋输送机出泥口闸门开合度则通过液压缸进行调节，充分发挥调节出土速度及泥土流动状态的作用，从而保证泥土在螺旋输送机内达到密封的效果，避免泥土飞溅，让泥土舱内泥土的压力保持在正常水平。位移传感器检测泥口闸门的位置，液压锁可限定泥口闸门位置，而闸口油缸的极限位置由行程开关组限定，借助比例电磁阀及时调节闸口油缸的运动速度及方向，让主回路油减压阀后流入闸口油缸回路，减压阀调定闸口油缸回路工作压力，从而保证在系统忽然断电的条件下借助蓄能器紧急关闭泥口闸门。系统运行正常时，电磁换向阀处于上位状态，蓄能器不工作。当油液在经过单向阀后向蓄能器充油，在系统断电状态下电磁换向阀处于下位工作状态，蓄能器回路导通后泥口闸门关闭，使用节流阀调节关闭速率，螺旋输送机停转出土，并采用溢流阀控制蓄能器充油压力。

图3 输土液压系工作原理

3 结束语

综上所述，顶管机集多项技术于一体，与电机驱动相比，液压驱动系统对掘进环境适应性更好，能够应对剧烈变化所带来的负载和频繁冲击。基于液压驱动系统的性能优势和应用特点，本文对液压驱动技术在土压平衡顶管机中的应用进行论述，为相关研究提供参考。