泥水盾構(gòu)破碎機(jī)油缸的優(yōu)化改進(jìn)

司馬少坤，王又增

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

泥水盾構(gòu)是利用泥漿循環(huán)系統(tǒng)將刀盤開挖的渣土、砂石等排至洞外。通常氣墊平衡式泥水盾構(gòu)氣墊倉底部，排漿管的前部設(shè)置有破碎機(jī)，對(duì)刀盤開挖下的巖石等進(jìn)行破碎，以滿足排漿泵抽漿粒徑需求。

破碎機(jī)主要有兩個(gè)功能，一是破碎功能（圖1），對(duì)較大渣石進(jìn)行破碎至需要粒徑；二是攪拌功能，對(duì)氣墊倉底部渣漿進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，防止渣漿在氣墊倉底部淤積沉淀。

圖1 破碎機(jī)工作狀態(tài)示例圖

若破碎機(jī)出現(xiàn)故障，刀盤開挖的大塊巖石不能滿足出渣要求，而且渣漿在氣墊倉底部淤積風(fēng)險(xiǎn)較大，強(qiáng)行推進(jìn)或者破碎機(jī)故障沒有被發(fā)現(xiàn)的話，就會(huì)造成排漿管進(jìn)口堵塞或者排漿泵葉輪損壞，致使整個(gè)環(huán)流系統(tǒng)癱瘓，盾構(gòu)被迫停機(jī)。

對(duì)于巖石地層或者上軟下硬地層區(qū)間段，沒有破碎機(jī)的破碎，盾構(gòu)很難推進(jìn)。破碎機(jī)主要由油缸、鄂板、油管等組成。在實(shí)際工況中，破碎機(jī)油缸易出現(xiàn)問題，而且修復(fù)比較困難。

破碎機(jī)油缸在環(huán)流系統(tǒng)或整個(gè)泥水盾構(gòu)中具有舉足輕重的地位。

1 工況介紹

氣墊倉顎式破碎機(jī)安裝在氣墊倉底部（圖2），泥水盾構(gòu)在施工時(shí)氣墊倉為半倉壓縮空氣半倉渣漿，顎式破碎機(jī)包括油缸長期浸泡在泥漿及砂礫中（圖3），破碎機(jī)油缸長期在這種惡劣工況中伸縮擺動(dòng)。正常工作時(shí)，破碎機(jī)油缸每分鐘連續(xù)伸縮2～3 次；若是渣土礫石堆積，則會(huì)增加破碎機(jī)油缸伸縮的阻力，渣土礫石的蠕動(dòng)或者長期浸沒在渣土礫石堆中伸縮，破碎機(jī)油缸很容易被外部介質(zhì)劃傷，影響油缸的密封（圖4），進(jìn)而導(dǎo)致油缸密封失效漏油和液壓油的污染，加劇整個(gè)破碎機(jī)系統(tǒng)失效，導(dǎo)致整個(gè)施工掘進(jìn)癱瘓。

圖2 破碎機(jī)布置圖

圖3 破碎機(jī)油缸工況

圖4 破碎機(jī)油缸失效（劃傷，漏油）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和隧道建設(shè)的需求，超長距離、超高硬度巖石等復(fù)雜隧道逐步呈現(xiàn)，破碎機(jī)油缸的工況也更加惡劣，在現(xiàn)有1～3km 標(biāo)段已經(jīng)出現(xiàn)破碎機(jī)失效的情況，嚴(yán)重制約了泥水盾構(gòu)的施工進(jìn)度。

2 現(xiàn)有技術(shù)

破碎機(jī)油缸由于長期工作在特殊工況下，油缸的壽命和可靠性對(duì)施工進(jìn)度影響很大?，F(xiàn)階段，處理破碎機(jī)油缸故障[3～4]和延長破碎機(jī)壽命技術(shù)措施和手段有限。

在較長距離盾構(gòu)段施工時(shí)，要分階段或者根據(jù)盾構(gòu)段地質(zhì)的復(fù)雜程度定期進(jìn)入氣墊倉進(jìn)行破碎機(jī)油缸檢修或維護(hù)，常用處理方法是工人進(jìn)倉維修或者在倉內(nèi)更換油缸，甚至需要專業(yè)人員進(jìn)入充斥有壓縮空氣的氣墊倉進(jìn)行檢修和維保作業(yè)，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

國內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)泥水盾構(gòu)破碎機(jī)油缸改進(jìn)提出很多改進(jìn)措施。例如，張寧川等人改變倉內(nèi)破碎機(jī)油缸布置并增加油缸連桿，意在減少油缸與濃渣漿接觸；楊愛軍等人設(shè)計(jì)一種泥水盾構(gòu)破碎機(jī)，改變破碎機(jī)的工作方式，采用單油缸設(shè)計(jì)并且油管外置；程永亮等人設(shè)計(jì)一種泥水盾構(gòu)碎石裝置，把缸套和油管置在倉外，油缸桿置于倉內(nèi)。上述這些設(shè)計(jì)和改進(jìn)在一定程度上改善了破碎機(jī)的工況，提高了破碎機(jī)系統(tǒng)工作的可靠性，但是沒有改善油缸桿浸沒氣墊倉渣漿的工況，另外受空間和結(jié)構(gòu)限制，實(shí)現(xiàn)難度大，而且實(shí)現(xiàn)成本較高。

3 改進(jìn)措施

3.1 增加防護(hù)套

破碎機(jī)油缸主要由油桿和缸套組成，油缸桿和缸套的移動(dòng)副在渣漿環(huán)境中工作，油缸桿表面易出現(xiàn)劃痕、密封易出現(xiàn)劃傷。針對(duì)這種失效，在缸套外面設(shè)計(jì)防護(hù)套（圖5），缸套外表面進(jìn)行精加工、鍍鉻硬化表面處理，達(dá)到油缸桿同等表面效果。防護(hù)套設(shè)計(jì)有高承壓油缸密封，防護(hù)套及密封和原有缸套形成新的移動(dòng)副。防護(hù)套的存在，避免惡劣工況直接和油缸桿接觸，提高了油缸的工作壽命。

圖5 防護(hù)套改進(jìn)示例圖

防護(hù)套及密封和缸套形成的移動(dòng)副作為油缸桿的防護(hù)，即使缸套外表面劃傷或新移動(dòng)副密封損傷，外界渣石也不會(huì)直接接觸油缸桿，原有油缸密封劃傷失效的概率較低。

3.2 倉外監(jiān)測

通常油缸密封監(jiān)測很難，很多油缸密封失效后，無法高壓工作，至此才得知油缸密封失效，無法做到提前預(yù)判。

防護(hù)套及密封和缸套形成一個(gè)密閉腔體，在油缸上設(shè)計(jì)通氣孔并通過管道連接至倉外（圖6）。在定期維修保養(yǎng)中，往密閉腔體通入壓縮空氣并進(jìn)行保壓測試，通過壓降值可以直觀判斷密封的密閉程度，有利于做到提前監(jiān)測，事前預(yù)判。

圖6 密閉性監(jiān)測原理圖

4 改進(jìn)效果

此優(yōu)化改進(jìn)僅增加油缸防護(hù)套、密封及部分監(jiān)測管路，占用的空間很小，在現(xiàn)有盾構(gòu)設(shè)備和新設(shè)計(jì)盾構(gòu)中容易實(shí)現(xiàn)，成本較低。

增加防護(hù)套、密封等舉措，有效防止油缸桿劃傷及密封失效，此優(yōu)化改進(jìn)比普通破碎機(jī)油缸延壽至少1 倍以上，降低了破碎機(jī)故障概率和維保的頻率。在同等地質(zhì)盾構(gòu)段，減少了帶壓工作的時(shí)間，減輕了作業(yè)人員帶壓工作的強(qiáng)度，提高了泥水盾構(gòu)施工的效率，降低了帶壓維修設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)和次生風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)保障施工的高效性和安全性具有重要意義。