液动穿孔机的研究

液 动 穿 孔 机 的 研 究 吕 强，徐宝富 (同济大学 机械工程系，上海 200092) 试 验 研 究 [摘要]本文介绍了一种新型非开挖施工机械——液动穿孔机。通过运用现代控制理论对其进行深入分析、 仿真、优化，得出最优的结论和参数选择。 [关键词】非开挖；液动；穿孔机；仿真 [中图分类号]TH137．9 [文献标识码]A [文章编号]1001．554x(2O03)o4．0021．04 Study of hydraulic perforator LU Qiang．XU Bao-fu (Mechanical Engineering Department of Ton~i University，Shanghai 200092，China) Ahs~aet：This paper describes a non—excavating construction machine—hydraulic perforator．It analyzes，emulates and optimizes the machine paI砌 eters based on modem control theory and gets the optimal results． Key w0“b：non-excauating； hydraulic；perforator； ernulation 1 液动穿孔机的研究目的 在管线工程中传统的开挖铺管法的弊端逐渐暴 露出来 ，很多场合下甚至无法进行施工 ，这就使得 非开挖施工技术在城市的应用成为必然。为了适应 这一要求 ，地下管道的非开挖施工方法及相应的施 工机械也在不断发展。非开挖施工方法已有多种 ， 地下穿孔机法为其中之一 ，这种施工方法简单、易 用 ，施工成本较低 ，所需作业空间较小 ，只需工作 坑和目标坑即可进行施工。 现有的地下穿孔机一般为气动形式 ，这种形式 机器本身结构比较简单。然而对于大直径的管道， 如果采用气动形式 ，则整个穿孔机的外部尺寸、重 量较大，同时要求配备大型的空气压缩机。而且， 由于要克服土壤阻力以及高压气流流经输气管时所 受局部阻力和延程阻力的限制，施工长度较短，一 般仅为几十米。施工运输都很麻烦，降低了施工效 率。 如果地下穿孔机采用液动形式，则许多难以解 决的问题便可迎刃而解。实际上，不管是气动还是 液动的地下穿孔机，它们的能量输出方式和对土壤 的作用原理都是一样 的。 液动穿孔机与气动穿孔机相 比有许多优点 ： (1)输出功率大，液压系统的工作压力可达 21～32 a，比气动工作压力 (1MPa)高得 多， 因而液压冲击装置输出的功率比气动冲击装置大， 效率也高，而且机械装置尺寸小、重量轻； (2)能量利用率高，输出特性容易调节； (3)噪声降低 ，且消除了对人体敏感、危害较 大的低频噪声 ，从而改善 了劳动条件； (4)结构简单、运行可靠、润滑性好，磨损 小、使用寿命长 ； (5)适宜在特殊作业环境下工作 ； (6)气动穿孔机在含水量较大的地层工作时 ， 因回气压力太大而无法工作 ，液动穿孔机则避免了 这一问题。 2 液动穿孔机的结构和施工形式 本文研究的液动穿孔机采用三通阀一活塞后腔 回油的外阀式液压冲击器的结构形式，这样便于冲 击活塞和控制阀的布置 (冲击活塞和控制阀分别在 各自的油腔中运动)，结构简单、工艺性较好，整 个穿孔机的抗冲击性能、机械性能较高，适用于较 大冲击功。液动穿孔机主要用于过公路、铁路等铺 设管道 。 [收稿 日期]2002—09—02 [通讯地址]吕强，上海市四平路 1239号同济大学 68号信箱 21 维普资讯 http://www.cqvip.com 试 验 r,-71：究 液动穿孔机主要包括以下几个部分。 (1)控制阀 它是一个差动的二位三通阀，其小面积端常通 高压 ，大面积端的压力受随动阀控制在高压和回油 之间切换，通过自身的运动使冲击活塞大腔的压力 在高压和回油之间切换。 (2)随动阀 将冲击活塞的位移信号反馈给控制阀，通过改 变控制阀大面积端的压力，使其在两个位置之间切 换。 (3)冲击活塞 它实际上是一个差动液压缸 ，小腔常通高压， 大腔的压力受控制阀控制在高压和回油之间切换以 产生连续往复运动。 (4)高压蓄能器 用于系统流量增大时释放能量 、系统流量减小 时吸收能量，并有平稳压力波动、缓冲液压冲击的 作用。 本文研究 的液 动穿孔机 的冲击 功 W ：5100 N·m，具体结构和相对位置关系见图 1。 冲击头 圈 1．控制阀 2．随动阀 3．冲击活塞 图 1 液动穿孔机 系统结构图 由于液动穿孔机具有低频、大冲击功的特点， 因此适于夯管法施工，主要用于较大直径、短距离 的管道辅设，如图2所示，将待铺设的钢管沿设计 路线直接夯人地层，实现非开挖穿越铺管。液动穿 孔机只能进行直线施工，施工过程中方向不可控， 精度主要依靠初定位来保证。施工时，液动穿孔机 的冲击力直接作用在钢管的后端，克服土层与管体 之间的摩擦力使钢管不断进人土层。随着钢管的前 进，被切削的土芯进人钢管 内，待钢管全部夯人 后 ，可用压气 、高压水射流或螺旋钻杆等方法将其 排出。由于施工过程中钢管要承受较大的冲击力 ， 因此一般使用无缝钢管，而且壁厚要满足一定的要 求。钢管直径较大时，为减少钢管与土层之间的摩 擦阻力 ，可在管顶部面焊一根小钢管 ，随钢管的 夯人 ，注人水或泥浆 ，以润滑钢管的内外表面。 图 2 液动穿孔机施工示意图 3 液动穿孔机的理论分析和系统仿真 3．1 液动穿孔机的理论分析 通过对冲击活塞、随动阀、控制阀以及蓄能器 的分析，建立起了冲击活塞和控制阀的运动方程和 流量方程 、蓄能器的压一容方程，从而得到系统的 状态方程。由于冲击活塞、随动阀和控制阀的流量 方程中缝隙节流存在非线性因素，而且蓄能器的压 力和容积的关系也是非线性的，所以这个系统是一 个非线性系统。又由于随着时间 (位移)的变化， 运动方程 中的粘性阻力系数、流量方程中的各容积 腔的大小 、各流量分量 中的节流 口在不停地变化， 所以这个系统同时又是一个时变系统。 考虑到系统的状态方程是非齐次的，且参数较 多，若用数值积分的方法 (如欧拉法、龙格一库塔 法)计算，工作量很大。本文采用增广矩阵法，虚 拟系统的状态变量 ，把原来的非齐次方程变成齐次 方程。 由于本系统是一个时变系统 ，其状态方程中的 系数矩阵的元素不是常数 ，而是随时间变化的函 数。若用龙格一库塔法解这个非线性方程组 ，需在 每一步求龙格一库塔系数之前，先将系数矩阵的所 有元素都重新计算一遍，这几乎是重复整个计算过 程。所以在此采用求解时变系统方程的离散相似 法，直接将原有的连续时间状态方程离散化。 3．2 系统模型仿真 根据系统数学模型编制程序来进行数字仿真 ， 模拟冲击活塞和控制阀的运动过程 ，从而掌握冲击 活塞的运动变化规律 ，以及各腔室压力 的变化情 况，寻求各参数之间的影响关系。根据仿真所得结 维普资讯 http://www.cqvip.com 果 ，将数据处理成图 3～5。 试 验 研 究 I＼ ＼ ＼ ＼ · 一 、 ＼ 、 ＼ 图 3 系统工作压力和冲击行程的关 系 图6 冲击活塞大、小腔面积比和冲击行程的关系 ： ： ／ ／ i ／ 7。 ／ -／一 ／ ／ ／ ／ ／ ． ． ， 图 4 系统工作压力和冲击频率的关系 图 7 冲击活塞大、小腔面积 比和冲击频率的关 系 图 5 系统工作压力和平均流量的关系 3．2．1 系统工作压力对性能的影响 可以看出，液动穿孔机的冲击频率随工作压力 的增大而增大 ，成近似线性关系；系统工作压力和 其它几个重要参数也在一定范围内成线性关系，这 些参数对工作压力的变化都比较敏感 ，因此调整机 器性能参数应先考虑系统工作压力。 3．2．2 冲击活塞大、小腔面积比对性能的影响 由图 6～8可以看出，冲击活塞大、小腔面积 比对液动穿孑L机的工作性能影响很大。在系统工作 压力不变的情况下 ，可以通过调整冲击活塞大、小 腔面积比来改变机器的性能。 3．2．3 系统参数优化 t筑机械 2oo3 l4l · l＼ ＼ · ＼ 、 图 8 冲击活塞大、小腔面积比和平均流量的关系 由仿真结构分析得出如下结论 ： (1)系统工作压力太低，则冲击行程较大，穿 孑L机的总体尺寸变大，同时冲击频率较小，影响穿 孑L机工作速度 ；系统工作压力太高 ，则对穿孑L机各 部件性能要求过高，如密封性等，同时冲击频率较 大，冲击效果变差。 (2)冲击活塞速 比太小，则冲击行程较大，穿 孑L机的总体尺寸较大，同时冲击频率较低，影响穿 孑L机工作速度 ，而且平均流量也随速比的减小而增 大；冲击活塞速比太大，则冲击频率太高，冲击效 果变差。 维普资讯 http://www.cqvip.com 试 验 研 究 此外，还要考虑冲击频率对施工的影响： (1)冲击作用时间太短，不能使破碎挤压过程 充分发展，因而不能得到高效率的推进； (2)当冲击频率太高时，被冲击的土壤来不及 向四周挤压，有着缓冲垫的作用，吸收下一次的冲 击能量 ，因而施工的效率也不高； (3)土壤在高频载荷的作用下 ，会出现液化现 象，使施工无法进行。 通过对液动穿孔机结构参数、仿真结果进行综 合分析 ，可得出： 对于冲击功 5100N·m的液动穿孔机，系统工 作压力选 择 16 a，冲击活塞 速 比选择 3．25～ 3．35，机器性能达到最优。 在对液动穿孔机进行优化之后，确定其主要参 数为：冲击功 W =5100N·m，冲击活塞质量为 880kg，系统工作压 力 P=16MPa，冲击 活塞大、 小腔面积比选 3．3。据此 ，可以求解出有关液动穿 孔机的所有参数，如表 1。 表 1 系统 活塞 冲击 冲击 冲击功 冲击 平均 压力 质量 行程 速度 N ·m 频率 流量 kg mnl m,Is 次／min L／min 16 880 166 3．407 5107．37 183．39 117．79 由此可以根据计算机仿真程序得出各状态参数 变化曲线 (图9～12)。 4 结论 根据优化结果，试制样机 ，并进行 了大量试 验 ，包括将液动穿孔机放置在水平试验台架上的试 图 9 冲击活塞位移一时间曲线 ! 。 l＼ 0 ‘ ： ＼： ． ． ⋯ t／s 图 1O 冲击活塞速度一 时间曲线 ⋯ | r· ： ： ． ／． ‘●-^ 图 11 流量一时间曲线 图 12 控制阀位移一时间曲线 验以及针对不同类型土壤、工况和不同直径管道的 现场试验。从试验台架上的试验测得的数据与理论 分析得出的结果基本一致。同时 ，现场试验也取得 了令人满意的结果 ，反映出液动穿孔机具有 良好的 工艺性、可靠性、可控性 、冲击性能和较高的施工 效率。 [责任编辑 ：雒泽华】 维普资讯 http://www.cqvip.com