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1、1大刀盘土压平衡式顶管机开发与应用技术报告大刀盘土压平衡式顶管机开发与应用技术报告1999 年 1 月我公司承接了泰国北榄污水治理 SC-23 标工程。结合工程 的具体情况，我们自行开发了顶管直径为 2.5 米的大刀盘土压平衡式顶管机。 该机在泰国工程中发挥了较好的作用，圆满完成了 2421 米长的顶管施工任务， 其中包括多种复杂工况下的顶管施工，满足了合同质量，工期的要求，其性能 得到业主和国外同业的承认。充分显示了该机适应性强，驱动能力强，控制性 好，在技术复杂的工程上具有的优势。由于基本性能与国外产品相当，而价格 远低于进口，性价比高，因此在国际市场有一定的竞争能力。现对大刀盘土压 平衡
2、式顶管机的开发与应用技术报告如下：1 1、顶管机总体方案的确定顶管机总体方案的确定 1.1 顶管机型式的确定2500mm 直径管道施工特点：施工场所地处交通十分繁忙的交通主干道路 上，施工场地紧张；顶管穿越的土层分为在-14.5-17.5m 和-4.2-7.2m 之中, - 14.5-17.5m 土层属于中硬至硬土层(有 2031m 顶管),最大含水量 77%,平均含水 量 47-50%,抗剪强度 4.8-5.2t/m2；-4.2-7.2m 土层属于软土层中层(有 398m 顶管), 最大含水量 85%,平均含水量 57%左右,抗剪强度 1.40t/m2；部分线路采用曲线顶 管，并通过较密集的
3、钢筋混凝土桩群，桩的规格和位置资料不全；部分线路管 顶覆盖层浅，并且需要通过河水或沿河边顶进。针对上述具体情况我们确定采用大刀盘土压平衡式顶管机。土压平衡式顶 管机具有排出泥土处理简单，施工占地面积较小的特点；大刀盘土压平衡式顶 管机适应土质范围非常广、施工后地面沉降小、可在浅覆土层中施工，考虑到 部分区域土质较硬及有可遇到的混凝土物体，在刀盘上设计硬质合金刀头。1.2 顶管机档次的定位按合同规定投入该工程的设备要经过业主严格审查认可方能使用，其它标 段都是采用德国、日本生产的顶管机，作为欧美国家的监理人员对中国生产的 设备一般是持怀疑态度的，从工程本身来看施工难度较大、工期紧、工程质量 要求
4、高，设备档次不高显然不能满足要求。为此我们引进消化了国外九十年代 大刀盘土压平衡式顶管机的先进技术。采用全液压动力、可编程控制器为主要 元件、触摸显示屏实现人机对话，主要液压、电器元件采用国际知名产品，使 整机性能在国内处于领先地位，接近、达到国际同类产品的水平。2、顶管机的构造和液压、控制系统的设置顶管机的构造和液压、控制系统的设置 2.1 顶管机工作原理顶管机刀盘旋转切削下来的土被刀盘后面的搅拌棒在土仓中搅拌后由螺旋 取土机取出送入排泥泵，排泥泵将泥土输送至地面，顶管机在总站或中继站千 斤顶的推动下向前顶进。为阻止挖掘面产生塌方或受到压力过高的破坏，应使 泥土仓内的压力与挖掘面的地下水压力
5、和土压力达到平衡，泥土仓内的压力通 过调节总站（中继站）的推进速度或螺旋取土机的取土速度来实现。顶管机的 方向由四组纠偏千斤顶来控制。依据顶管机的工作特点、施工现场工况，参照 国内外同类顶管机的优点开发顶管机。22 . 2 主要技术参数机身： 外壳直径 3010mm前管长 2200mm后管长 3075mm组装长 5543mm刀盘直径 3030mm重量 38000kg刀盘： 形式 六辐条、双向旋转、全断面切削动力 电机功率 110kw、液压传动最大扭距 320kNm最大转速 2rpm纠偏千斤顶： 数量 4 组、每组 2 只、共 8 只顶力 800KN 行程 100mm 螺旋取土机： 动力 电机功
6、率 45kw、液压驱动内径 350mm最大扭力 20kNm最大转速 30rpm最大出土量 30m3/h 2.3 基本结构顶管机主要由前后段筒体、刀盘机构、纠偏机构、螺旋取土机、液压 油泵组、电源控制箱、操作控制箱、润滑脂自动供给机构等组成，详见图一。顶管机壳体采用两段式，由前后筒体组成，中间设有可调节松紧的橡胶密 封圈防止泥水侵入。筒体前端泥仓隔板上设有人孔装置，必要时可以打开，供 人员到泥仓内检查、工作。在后筒体前端（与前筒体接合处）壳体四周设有四 个润滑用泥浆注入孔。螺旋取土机出土门主油泵组触摸式 控制屏双向纠偏 千斤顶刀盘 动搅拌棒合金刀头减速器电源控制箱密封圈中心刀头静搅拌棒图一: 大
7、刀盘土压平衡式顶管机3泥仓隔板上布置土压传感器六只 、注浆孔四个、注水孔两只。土压传感 器将泥仓内的压力数据传送给程控器和压力显示仪表，依据这些数据控制系统 自动或人工调整螺旋取土机的转速或后方推进速度。 刀盘采用轮辐式，中心轴驱动方式，由两只液压马达经过各自的行星减速 器将动力传递给输出轴与刀盘主轴相联的大减速箱驱动刀盘，可正反转。刀盘 正面设有数十个合金刀头，中心刀头设在刀盘的中心，它不但具有正反转切削 功能，而且具备强劲的破碎能力，刀盘条辐和轮圈装有可正反转切削的刀头， 从而构成可正反转全断面切削刀盘。刀盘背面上的动搅拌棒与泥仓隔板上的静 止搅拌棒构成泥土搅拌机。刀盘外圈刀头设置成单边超
8、切 15mm，使管子外表 面与泥土之间存在间隙，这样就可由注入的润滑泥浆在管子与泥土之间形成泥 浆润滑层。 螺旋取土机前低后高斜置在顶管机内，采用液压马达经行星减速器驱动， 可正反转，取土口设在泥土仓底部。螺旋取土机采用有轴式螺杆，驱动端设有 两只圆锥滚子轴承，轴承前设有防止泥水侵入的 J 形橡胶密封机构，下端（取 土口处）未设轴承为浮动式。螺旋机出口处设有液压油缸驱动的抽插式闸门， 闸门关闭一般由螺旋机的工作情况连锁控制，也可根据需要人工控制。 纠偏机构设置四组纠偏千斤顶，分别布置在前后筒体圆周的 45 度、135 度、 225 度、315 度处，四组纠偏千斤顶通过铰接的形式将前后筒体联接在
9、一起。每 组千斤顶为两只，双作用式。每组千斤顶设有行程传感器，它将千斤顶的行程 数额提供给控制系统和显示仪表，控制系统按设定的数据自动调整千斤顶的行 程。调整千斤顶行程可使前筒体轴线相对后筒体轴线产生任意方向的曲折，从 而改变顶管机的顶进方向。 液压油泵组分主油泵组和付油泵组，设置在顶管机内两侧，共用同一个油 箱，为刀盘、取土机、纠偏等装置提供动力。 润滑脂自动供给机通过分配阀将润滑脂自动供给刀盘驱动机构、螺旋取土 机的轴承，使其得倒良好的润滑。 电源控制箱内设有电源开关及保护电路、控制用继电器。操作控制箱面板 上设有触摸显示屏及备用控制按钮和备用显示仪表， 2.4 顶管机液压系统的设置液压系
10、统良好的运转性和可靠性是顶管机的关键，为排除主要运行机构在 工作时相互干扰，防止因顶管施工环境差造成系统的污染，对顶管机的主要运 行机构刀盘和螺旋取土机液压系统分别采用独立的闭式系统，另设纠偏及取 土机闸门控制液压系统、冷却和辅助控制系统，见图二、图三、图四、图五。 液压系统的主要元器件选择国际知名厂家生产的产品，见表一，其它元件 用质量过硬的国产元件（因液压油泵、马达中内藏有控制所需的大多数元件， 其它元件用量很少） 。顶管机内设备的动力由主、付油泵组提供， 主泵组由一台电动机驱动同 轴的主油泵、补油泵及两台冷却油泵，主油泵、补油泵与两台刀盘驱动液压马 达构成闭式刀盘液压系统，冷却油泵将油箱
11、内的液压油泵送至冷却器循环冷却 构成冷却系统，付油泵组由一台电动机驱动同轴的付油泵、补油泵、纠偏油泵， 付油泵、付油泵与驱动螺旋取土机的液压马达构成闭式取土机液压系统，纠偏 油泵为纠偏千斤顶及取土机出土闸门控制千斤顶提供动力构成纠偏及闸门控制 液压系统。4主要液压元器件一览表 （表一） 名称用途形式生产厂家 油泵刀盘系统轴向变量柱塞泵萨澳-桑斯川特 油泵取土机系统轴向变量柱塞泵萨澳-桑斯川特 油泵纠偏系统齿轮泵萨澳-桑斯川特 油泵冷却系统齿轮泵萨澳-桑斯川特 马达刀盘系统轴向定量柱塞马达萨澳-桑斯川特 马达取土机系统轴向定量柱塞马达萨澳-桑斯川特 换向阀纠偏系统换向、溢流、液锁阀组美国威士格
12、减速器刀盘系统行星减速器意大利 BREVINI 减速器取土机系统行星减速器意大利 BREVINI刀盘液压系统（见图二） 。因油泵内集成了过滤器、溢流阀、补油阀、单 向阀、电控调速阀、伺服油缸马达内集成了梭形阀、溢流阀等元件，二者结合 即组成了完整的可调速、换向的刀盘液压系统，基本无需外加元件。电控调速 器控制电控阀动作，电控阀的控制油控制液控阀的开度大小及开关，经过液控 阀的压力油使伺服油缸带动油泵的变量斜盘摆动，油泵实现变量和换向，液压 马达实现无级调速和正反转运行。油马达两端的压力差使梭形阀动作，保证油 马达回油一侧的于溢流阀接通，使回油的一部分经溢流阀进入油马达和油泵壳 体，对油马达和油
13、泵进行冷却。为确保系统的清洁度，除油泵自带的过滤器外， 系统中另设置多个过滤器。图二： 刀盘液压系统取土机液压系统（见图三） 。因元器件的选型基本相同，仅油泵的规格小一 些，驱动油马达采用一台，其运行原理和设置与刀盘液压系统相同。1 电动机 2 变量油泵 3 伺服油缸 4 液控阀 5 电控阀 6 补油泵7 滤油器 8 溢流阀 9 单向阀 10 截止阀 11 压力传感器 12 压力表 13 梭状阀 14 油马达 15 减速器 16 油箱 17 压力继电器 81617D12397121110451314减减155图三: 取土机液压系统纠偏及闸门控制液压系统（见图四） 。纠偏油泵采用齿轮泵的形式，设
14、置 为开式系统。泵出口单向阀前设置电控卸荷阀，纠偏油缸和闸门控制油缸不工 作时，电控卸荷阀可自动卸载，使油泵空载运行。纠偏油缸为双作用式，每组图四: 纠偏及闸门控制液压系21716101211D减15141357 948131 电动机 2 变量油泵 3 伺服油缸 4 液控阀 5 电控阀 6 补油泵7 滤油器 8 溢流阀 9 单向阀 10 截止阀 11 压力传感器 12 压力表 13 梭状阀 14 油马达 15 减速器 16 油箱 17 压力继电器 12345678910111 油箱 2 油泵 3 单向阀 4 电控卸荷阀 5 压力传感器6 压力表 7 电磁阀 8 液控单向阀 9 溢流阀10 纠偏
15、油缸 11 闸门控制油缸6油缸都设置液压控制阀组一套，其中包括溢流阀两只、液控单向阀两只、电磁 式三位四通换向阀一只；调整溢流阀设置系统安全压力，两只液控单向阀组成 的液压锁将油缸活塞杆锁定在任何位置上，电磁式三位四通换向阀控制油缸的 伸缩。冷却和辅助控制系统（见图五） 。为了保证液压系统正常工作，系统专门设 置油温冷却系统。系统中设置两台齿轮式油泵，串接在主泵的通轴上，主泵工 作时冷却油泵同时工作，将油箱中的油加压经过单向阀、溢流阀、过滤器、冷 却器回到油箱，冷却器中有冷水对油进行冷却。过滤器设有报警装置，滤芯阻 塞时会自动报警，压力传感器和温度表用来显示液压油的压力和温度。油箱上 设置液位
16、控制器、油标、回油滤油器、空器滤清器、泄放阀等装置，保证液压 系统正常工作。图五: 冷却和辅助控制系统2.5 顶管机电器控制系统的设置为提高控制系统的自动化程度和可靠性能，压缩控制元件在顶管机中占用 的空间，系统中采用 FX 型可编程控制器及相应的控制模块及实现人机对话的 触摸显示屏。实现了对顶管机内设备各功能的连锁控制，按设顶的要求自动进 行纠偏、取土、驱动刀盘，对驱动功率自动调整、限制，自动检测设备故障并 报警，记录存储顶管机运行的各项数据，触摸显示屏显示顶管机的运行状况， 并通过其输入、设定操作指令。由于采用先进的、操作、控制元件及控制系统， 稍加改动可实现顶管机的地面遥控操作。设置的备用操作装置，当触摸显示
