超大直徑盾構(gòu)破碎機(jī)液壓系統(tǒng)瞬變流分析與改善

詹晨菲，李太運(yùn)，羅恒星，丁銀亭

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450016)

0 前言

當(dāng)前，世界社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，大都市內(nèi)部、城市群、地區(qū)中心城市之間逐漸互相聯(lián)通，大盾構(gòu)建設(shè)需求量劇增。超大直徑泥水盾構(gòu)施工在自動(dòng)化作業(yè)、環(huán)境保護(hù)、地表沉降控制、施工效率和安全性等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，是當(dāng)前世界上越江跨海隧道建設(shè)中主要的施工裝備，也是“中國制造2025”綱要中重點(diǎn)支持的高端智能裝備。

破碎機(jī)(圖1)作為大直徑泥水盾構(gòu)的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接決定大直徑盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。泥水盾構(gòu)破碎機(jī)的主要功能是將進(jìn)入氣墊艙內(nèi)、無法經(jīng)格柵直接排出的大粒徑巖石進(jìn)行及時(shí)破碎，經(jīng)排漿系統(tǒng)排出洞外；破碎機(jī)在氣墊倉底部攪拌，防止底部積渣導(dǎo)致堵倉。動(dòng)作過程如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)破碎機(jī)示意

圖2 破碎機(jī)動(dòng)作過程示意

液壓系統(tǒng)管道內(nèi)介質(zhì)流速的突變，會(huì)帶來巨大的瞬態(tài)壓力變化，從而導(dǎo)致管道內(nèi)壓力大幅度降低或提高，形成“水錘”效應(yīng)，在超大流量系統(tǒng)中損害尤其嚴(yán)重。瞬變流不僅影響系統(tǒng)正常工作，降低系統(tǒng)性能，壓力脈動(dòng)還會(huì)誘發(fā)管路劇烈振動(dòng)，降低管路和液壓部件的壽命；嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管壁破裂、管路失效、液壓油泄漏，甚至引起嚴(yán)重的故障。

權(quán)凌霄、桑勇、李艷華等對管路流固耦合振動(dòng)進(jìn)行了研究。周知進(jìn)、徐鑒等人對流體管路的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究。張開順等對盾構(gòu)液壓系統(tǒng)的沖擊進(jìn)行了研究。相關(guān)的研究已較多，但是明顯具有針對性和局限性，對于超大流量管路的研究還很少。因此研究破碎機(jī)液壓系統(tǒng)瞬變流的形成原因及預(yù)防措施，對于現(xiàn)有超大直徑泥水盾構(gòu)破碎機(jī)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性非常重要，同時(shí)對于超大型工程裝備液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文作者對汕頭海灣隧道15.03 m大直徑泥水盾構(gòu)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和使用過程中破碎機(jī)液壓系統(tǒng)大流量瞬變流的產(chǎn)生和危害進(jìn)行分析，優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對大流量瞬變流的安全隱患進(jìn)行提前預(yù)防。

1 大直徑盾構(gòu)破碎機(jī)液壓系統(tǒng)分析

圖3為大直徑盾構(gòu)破碎機(jī)的液壓控制原理，泵源采用力士樂A4VSO250LR2G高壓工業(yè)泵，工作壓力可以達(dá)到35 MPa，在使用時(shí)采用兩級(jí)壓力控制，可以實(shí)現(xiàn)無負(fù)載時(shí)低壓運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)檢測到有負(fù)載時(shí)，可以自動(dòng)切換至高壓模式實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的高壓破碎功能?？紤]到大直徑盾構(gòu)破碎機(jī)油缸尺寸較大，要實(shí)現(xiàn)油缸的快速運(yùn)動(dòng)功能，液壓系統(tǒng)的流量需求較大，因此選用二通插裝閥控制破碎機(jī)油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖3 破碎機(jī)液壓控制原理

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 故障現(xiàn)象

在某項(xiàng)目使用過程中破碎機(jī)回油管路多次出現(xiàn)吸扁、裂紋甚至損壞，主要出現(xiàn)在盾體主回油管路上。

在破碎機(jī)油缸動(dòng)作過程中，破碎機(jī)控制閥塊回油管路出現(xiàn)被吸扁的現(xiàn)象，如圖4所示，并且在破碎機(jī)頻繁的動(dòng)作下，管路反復(fù)吸扁后內(nèi)膠層出現(xiàn)疲勞破損。

圖4 管路吸扁現(xiàn)象

2.2 故障分析

經(jīng)測量，破碎機(jī)回油管路最大峰值壓力為13.5×10Pa，因此管路損傷不是壓力過高造成的。

考慮到破碎機(jī)油缸尺寸較大，油缸動(dòng)作速度較快，回油總流量最高能達(dá)到1 500 L/min。因此破碎機(jī)油缸伸出或回收到停止點(diǎn)時(shí)，油缸突然停止，管道內(nèi)介質(zhì)流速的突然變化，帶來巨大的瞬態(tài)壓力變化，從而導(dǎo)致管道內(nèi)壓力大幅度降低，震蕩由停止點(diǎn)開始在管道內(nèi)傳遞，形成“負(fù)水錘”效應(yīng)。管路吸扁是由于管路內(nèi)的壓力下降至負(fù)壓，由于管壁對外接力的支撐作用較弱，管路在外界大氣壓作用下被壓扁。

大直徑破碎機(jī)由于動(dòng)作頻率較高，在掘進(jìn)的過程中破碎機(jī)油缸的快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)在管路內(nèi)造成局部負(fù)壓，在反復(fù)正負(fù)壓力的交變下，破碎機(jī)回油管路發(fā)生破裂，如圖5所示。

圖5 破碎機(jī)管路破碎

2.3 實(shí)驗(yàn)研究

用液壓萬用表，在工廠測試破碎機(jī)回油管路的瞬變流情況，如圖6、圖7所示。

圖6 正壓傳感器的測量數(shù)據(jù)

圖7 負(fù)壓傳感器的測量數(shù)據(jù)

從圖6可看出：破碎機(jī)回油的最大壓力波峰為10.5×10Pa，小腔回油壓力約1.5×10Pa，大腔回油壓力約為7×10Pa。

從圖7可以得到：最大的波峰壓力為-0.83×10Pa，油缸伸出停止瞬間負(fù)壓為-0.41×10Pa，油缸回收停止瞬間負(fù)壓力為-0.83×10Pa。負(fù)壓出現(xiàn)在破碎機(jī)油缸回收完停止的瞬間或伸出完停止的瞬間，驗(yàn)證了故障分析中得到的“負(fù)水錘”效應(yīng)。

3 液壓管路瞬變流的預(yù)防措施

通過分析瞬變流水錘的原因，可以從改變管路負(fù)壓承壓能力、減小負(fù)水錘波谷幅值、提高波谷數(shù)值等方面，來改善管路的吸扁現(xiàn)象；從改變管路強(qiáng)度、減小負(fù)水錘波谷幅值、減小管路交替震蕩的響應(yīng)壓力幅值等方面來改善管路的破損。綜合考慮后制定了以下3個(gè)措施。

3.1 更換回油軟管材質(zhì)

液壓軟管更換為四層鋼絲編織的高壓液壓軟管，承壓能力更強(qiáng)。

雖然更換承壓能力更強(qiáng)的軟管后，管路承受負(fù)壓的能力增強(qiáng)，吸扁現(xiàn)象有所改善，但是瞬時(shí)負(fù)壓和動(dòng)量變化給系統(tǒng)帶來的危害仍然存在。

3.2 增加回油單向閥

增加回油單向閥，如圖8所示，從而減小負(fù)壓峰值數(shù)值，降低管路內(nèi)外壓差對管路的作用力。

圖8 增加單向閥

現(xiàn)場增加0.35×10Pa單向閥后，采用液壓萬用表對管路的正壓力和負(fù)壓力進(jìn)行測試。圖9正壓力傳感器總回油壓力測試數(shù)據(jù)，圖10為負(fù)壓力傳感器的測試數(shù)據(jù)。

圖9 加單向閥后總回油壓力(正壓力傳感器)

圖10 加單向閥后總回油壓力(負(fù)壓力傳感器)

從圖9可以得到：破碎機(jī)回油的最大壓力波峰為13.5×10Pa，小腔回油壓力約2×10Pa，大腔回油壓力約為5×10Pa。

從圖10可以得到：破碎機(jī)油缸伸出到停止位的負(fù)壓為-0.1×10Pa，油缸回收到停止位的負(fù)壓力為-0.57×10Pa。負(fù)壓最大波峰從-0.83×10Pa降為-0.57×10Pa。

對比圖6、圖7可以得出：加裝單向閥消除了約0.26×10Pa的負(fù)壓峰值幅值，可以在一定程度上緩解管路吸扁的現(xiàn)象。瞬變流造成的最大正向壓力沖擊峰值也增大了3×10Pa，而且壓力變化引起的壓力最大幅值差值并沒有減小，反而有所增大。

3.3 在回油管路增加蓄能器平衡“負(fù)水錘”效應(yīng)

在回油管路增加蓄能器用于消除“負(fù)水錘”效應(yīng)。安裝蓄能器主要起到吸收瞬變流壓力沖擊、消除回油管路壓力波峰幅值的作用。

根據(jù)現(xiàn)場情況，多為1.5～2 m的管路在“水錘”效應(yīng)的作用下被吸扁。根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出需要加裝的蓄能器在0.5 s內(nèi)有效供油量約為9.07 L，因此選用35 L的蓄能器，充氮壓力為0.5×10Pa，可提供最大的供油量為18 L。

增加蓄能器后，現(xiàn)場采用液壓萬用表對管路的瞬變流響應(yīng)情況進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 加蓄能器后總回油壓力(正壓力傳感器)

圖12 加蓄能器后總回油壓力(負(fù)壓力傳感器)

從圖11可以得到：破碎機(jī)回油的最大壓力波峰為9×10Pa，小腔回油壓力約2×10Pa，大腔回油壓力約為4×10Pa。

從圖12可以得到：破碎機(jī)負(fù)壓最大波峰為-0.3×10Pa，油缸伸出到停止位瞬間最大壓為0.2×10Pa，油缸回收到停止位瞬間產(chǎn)生負(fù)壓力為-0.3×10Pa，持續(xù)時(shí)間0.3 s，其他基本都為0以上的正壓力。負(fù)壓最大波峰從-0.83×10Pa降為-0.3×10Pa。

對比圖6、圖7可以得出：加裝蓄能器消除了約0.53×10Pa的負(fù)壓峰值幅值，可以大部分緩解管路吸扁的現(xiàn)象。瞬變流造成的最大正向壓力沖擊峰值也減小了1.5×10Pa。而且壓力變化引起的最大幅值差值也從11.33×10Pa減小到9.3×10Pa，減小了約2×10Pa。

通過上述分析，采取以上所列第3種辦法，經(jīng)過現(xiàn)場測試，觀察回油軟管沒有再出現(xiàn)被吸扁的現(xiàn)象，問題得到有效解決。

4 結(jié)論

(1)大尺寸執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作，例如油缸伸出或回收時(shí)，由于瞬時(shí)流量較大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然動(dòng)作或停止時(shí)，管道內(nèi)介質(zhì)流速的突然變化，會(huì)帶來巨大的瞬態(tài)壓力變化，從而導(dǎo)致管道內(nèi)壓力大幅度降低或提高，震蕩由停止點(diǎn)開始在管道內(nèi)傳遞，形成“水錘”效應(yīng)。

(2)針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然停止的“負(fù)水錘”效應(yīng)，在回油管路加裝單向閥，可以減小負(fù)壓峰值幅值，在一定程度上緩解管路負(fù)壓。但是瞬變流造成的最大正向壓力沖擊峰值也隨之增大，而且壓力最大幅值差值并沒有減小。

(3)針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然停止的“負(fù)水錘”效應(yīng)，在回油管路加裝蓄能器，可以減小管路中負(fù)壓峰值幅值，能有效緩解管路被吸扁的現(xiàn)象。瞬變流造成的最大正向壓力沖擊峰值也隨之減小，而且壓力變化引起的最大幅值差值也有一定程度減小。在對控制要求不高的場合，增加蓄能器是3種方法中最有效解決管路瞬變流帶來影響的辦法。