邱 健 陳 亮 李樹茂

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

管片機(jī)作為盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分之一，在推進(jìn)完成后，要將提前制作好的管片拼裝到隧道表面，以支撐剛剛開(kāi)挖的隧道表面。管片吊機(jī)將管片吊裝到管片輸送小車上，由管片輸送小車將管片運(yùn)到管片機(jī)下方，最后由管片機(jī)通過(guò)一系列動(dòng)作將管片安裝到預(yù)定位置，形成襯砌環(huán)。管片機(jī)液壓系統(tǒng)完成了從抓取管片到管片安裝成型的一系列動(dòng)作，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到工程的施工進(jìn)度。

1 管片機(jī)工作原理

管片機(jī)用于完成管片從管片輸送小車起吊到拼裝成環(huán)，管片機(jī)的六個(gè)運(yùn)動(dòng)方向（六個(gè)自由度）確保了管片的拼裝。

管片機(jī)的前后運(yùn)動(dòng)：由托梁上軸向移動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)；管片機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)架來(lái)實(shí)現(xiàn)；管片機(jī)的提升運(yùn)動(dòng)：由回轉(zhuǎn)架兩側(cè)的油缸實(shí)現(xiàn)；用于調(diào)整管片姿態(tài)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)（擺動(dòng)、抓持及回轉(zhuǎn)）：由抓舉頭上的擺動(dòng)油缸、抓持油缸及回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)。

圖1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)液壓原理圖

2 管片機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)

在管片機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)壓力由泵出口調(diào)壓模塊上的溢流閥設(shè)定，液壓油經(jīng)減壓閥后通過(guò)控制電液比例多路閥。為保證多路閥進(jìn)出口壓差恒定，使通過(guò)換向閥閥口的流量與輸入信號(hào)成正比，與負(fù)載無(wú)關(guān)，為此選取的電液比例多路閥帶有進(jìn)口壓力補(bǔ)償器。預(yù)留的梭閥引出最高壓力反饋到泵源的接口，形成負(fù)載敏感泵。電液比例方向閥出口大部分液壓油進(jìn)入馬達(dá)平衡閥塊，只有一小部分經(jīng)過(guò)梭閥，然后通過(guò)三通減壓閥控制液壓馬達(dá)制動(dòng)油缸，調(diào)節(jié)馬達(dá)擺角的大小。

馬達(dá)平衡閥塊設(shè)置平衡閥，可以有效防止旋轉(zhuǎn)過(guò)程中由慣性引起的沖擊，還可以有效防止由于膠管爆裂、管片失控等意外事故的發(fā)生。其具有性能優(yōu)良，體積小、功能完善、工作平穩(wěn)可靠等特點(diǎn)，且集合了馬達(dá)的制動(dòng)控制、平衡控制和安全保護(hù)控制等多項(xiàng)功能，是比較理想的馬達(dá)平衡閥塊。除設(shè)置平衡控制模塊外，兩個(gè)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處還設(shè)置了機(jī)械制動(dòng)，從而進(jìn)一步提高了管片機(jī)的安全性。

3 主要元器件選型計(jì)算

管片機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)：管片機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍是0-1.8r/min，最大扭矩是270kN·m，減速器齒輪齒數(shù)為16，管片回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)齒圈齒數(shù)為259，減速器速比為72。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的數(shù)量為2個(gè)。

3.1 液壓馬達(dá)的計(jì)算與選型

已知管片機(jī)的最大轉(zhuǎn)速Nmax為1.8r/min，則減速機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)速為：

式中，Z1為管片回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)齒圈齒數(shù)259；Z2為減速器齒輪齒數(shù)16。

因?yàn)楣芷瑱C(jī)的最大扭矩Tmax為270kN·m，則減速機(jī)的最大輸出扭矩T減可根據(jù)以下公式得出：

再求出馬達(dá)馬達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)矩Tt和最大輸出轉(zhuǎn)速Nt，根據(jù)公式得：

式中，Tm為馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；Nt為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速；Tt為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩；V為馬達(dá)排量。

由公式（1）可知，馬達(dá)功率一定時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)速成反比，綜合考慮轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、排量三方面因素，查閱力士樂(lè)產(chǎn)品手冊(cè)，選擇型號(hào)為A2FM80/61W的馬達(dá)，該馬達(dá)為定量馬達(dá)，排量為80cm3/r，最大轉(zhuǎn)速為4500r/min，最大扭矩為448N·m，各項(xiàng)參數(shù)均符合使用要求。

3.2 液壓泵的計(jì)算與選型

將泵的額定轉(zhuǎn)速預(yù)選為1475r/min。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速不可能總維持在最高轉(zhuǎn)速2095r/min，將馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)為1200r/min，由公式：

式中，Qv是馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)中的流量；N為馬達(dá)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，為1500r/min；V是馬達(dá)的排量；Z為馬達(dá)的個(gè)數(shù)2。

再由公式：

=192÷0.95÷1475=137（/r）式中，Qv為馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的流量，Nd為液壓泵預(yù)選額定轉(zhuǎn)速，V泵為馬達(dá)正常工作時(shí)液壓泵的排量，ηm為液壓泵容積效率。

查閱力士樂(lè)產(chǎn)品手冊(cè)，選擇型號(hào)為A10VO140DFLR/31R的變量泵，該泵的排量為140cm3/r，符合馬達(dá)正常工作的使用要求。

3.3 電液比例多路閥的選擇

由于整個(gè)管片機(jī)液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元器件較多，為實(shí)現(xiàn)油缸動(dòng)作的同一及順序性要求，在此基礎(chǔ)上，還要考慮比例閥與變量泵組合壓力流量與負(fù)載的匹配性，因此，選用了電液比例多路閥。

具有結(jié)構(gòu)緊湊，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度等特點(diǎn)的HAWE PSV系列電液比例多路閥，實(shí)現(xiàn)多個(gè)執(zhí)行元件互相獨(dú)立、同時(shí)以不同的壓力和速度動(dòng)作，直到所需流量總和與泵的總排量相等為止。系統(tǒng)中所選擇的PSV系列帶負(fù)載壓力補(bǔ)償?shù)碾娨罕壤嗦烽y能夠較好地滿足管片機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)工況要求，而且現(xiàn)場(chǎng)使用、運(yùn)行效果良好。

多路換向閥一般由換向閥、連接塊以及終端塊構(gòu)成。與油箱和泵源連接的連接塊，主要作用是為定量泵系統(tǒng)提供低壓卸荷為以及系統(tǒng)提供卸荷安全保護(hù)等。設(shè)置在多路閥末端的終端塊，連接整個(gè)閥組，為下組閥連接做好準(zhǔn)備。系統(tǒng)所采用的PSV系列電液比例多路換向閥模塊由三聯(lián)換向閥組成，其中，包括安全閥、減壓閥、壓力補(bǔ)償閥等，安全閥可調(diào)定系統(tǒng)壓力，減壓閥為換向閥提供控制油，壓力補(bǔ)償閥作壓力補(bǔ)償用，使通過(guò)換向閥口的流量與輸入信號(hào)成正比，而與負(fù)載無(wú)關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單分析了管片機(jī)的六個(gè)自由度及其工作原理，分析了管片機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)液壓原理，最后簡(jiǎn)單介紹了管片機(jī)馬達(dá)以及管片機(jī)泵的選型計(jì)算，并對(duì)多路閥及馬達(dá)平衡閥塊做了介紹。