铰接技术在矩形顶管上的应用

铰接技术在矩形顶管上的应用

周彬

上海隧道工程有限公司盾构分公司，上海200030

摘要：由于城市建设的飞速发展，交通堵塞、生活需要占地面积增大等问题突出，因此对地下空间的开发利用的需求越来越大。而断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点的矩形顶管机，被应用于地下城市的建设中，为了保证顶管掘进精度，在顶管掘进过程中必须对顶管进行及时准确的纠偏控制。文章基于这一实际工程问题，依托上海轨道交通 10号线三门路站矩形顶管项目，重点对电控系统的设计和应用进行论述。

关键词：铰接技术；矩形顶管

引言

本工程掘进始发井位于闸殷路东侧，接收井位于闸殷路西侧。通道坡度为3‰，主要穿越土层为砂质粉土、淤泥质粘土。沿线建（构）筑物地下管线众多，本工程包含二条下立交隧道，其中下立交隧道东西线长度均约为163m，地形复杂掘进距离短，采用矩形顶管工法施工；在掘进过程中需对其姿态进行调节，因此设计本铰接系统。

1. 总体设计方案

1.1铰接结构：主要由壳体结构件、铰接系统、液压系统和电气控制系统等组成。

1.2铰接结构件：依据管节图纸、铰接壳体图纸进行重新设计，对施工过程中可能出现的密封漏浆等现象进行了优化。

1.3液压系统：由液压阀组、油缸和动力台，铰接油缸的分布为20组单根油缸，和已经制造的三门路顶管铰接装置油缸布置一致。

1.4电气系统：独立电气控制柜，编写PLC程序、触摸屏程序，使铰接胸痛成为一套独立系统。

2. 铰接系统组成
   1. 铰接系统主要由两类组件组成：铰接油缸及油缸座、铰接密封圈及密封圈压板。铰接油缸两端的油缸座分别与前后壳体相连接。在前后壳体的搭接处安装有三道齿形密封圈，用压板固定，最大压密量可达到21mm，背面需加注集中润滑油脂，以防止泥水倒灌。密封压板共有四道，其中第二道压板高于其他压板，与前壳体尾板的间隙最小，当铰接油缸纠偏时，该道压板将起到定位支点的作用，以保证密封圈变形均匀，不会产生偏压。
   2. 油缸装置：采用20支双作用油缸，分成8个区间（如下图一），根据掘进姿态需要对各区油缸伸缩长度进行调整，以满足在掘进过程中顶管机的姿态

图一为油缸分区布置图

2.3.液压装置：主要由油马达、换向阀和管路组成，根据换向阀的控制来控制油缸伸缩，通过控制电机转速来调节油压，用来控制油缸伸缩速度。

2.4.密封装置：矩形顶管前后结合处装有密封圈，防止地下泥水侵入。 两道铰接密封圈之间可注入油脂，一可以提高密封效果，二可以延长铰接密封圈的使用寿命。

2.5.传感器装置：压力传感器检测铰接时总供油回路压力，防止油缸憋压。行程传感器，一检测油缸行程，二防止对角行程差过大损坏机械装置。

2.6.电气控制装置：由PLC和触摸屏组成的控制系统，

3. 集中油脂系统的设计
   1. 油脂集中润滑系统由气动油脂泵、电动油脂泵、递进式分配器组成。气动油脂泵将油脂输送到电动油脂泵内，再由电动油脂泵输送到递进式分配器，递进式分配器按要求将油脂均匀分配到各个润滑点。
4. 液压系统的设计
   1. 液压系统采用原有的铰接系统液压阀组、油缸和动力台，控制模式沿用原设计。所有油缸的控制阀采用三位四通电磁换向阀，每个油缸可独立控制伸、缩两个方向上的动作。同时每个油缸配置有平衡阀组，保证油缸伸缩的平稳。
5. 铰接系统工艺流程
   1. 铰接系统：采用20支双作用铰接油缸，铰接油缸行程200mm，单根油缸推力为3000kN，总推力为60000kN。
   2. 铰接能力：纠偏角度为上下1.8°，左右1.1°。
   3. 铰接模式：在铰接工况下有 8种方向模式（上、下、左、右、左上、左下、右上、右下）可供选择，系统检测是否满足当前选择铰接模式（对角行程差大于170mm），满足可铰接条件时候，系统允许选择铰接方向，选择需要的铰接方向，系统对20组油缸的换向阀进行自动换向控制（一半伸，一半缩），点击加载，使加载阀处于打开状态，油泵输出高压液流推动油缸进行铰接作业。当达到需要的铰接状态时，选择停止加载，加载阀关闭；取消方向选择，油缸换向阀关闭。
   4. 复位模式：设置初始复位油缸伸出长度，启动铰接复位模式，系统自动检测油缸行程是否为设置的初始长度，对20组油缸行程进行检测，当检测到油缸当前行程不等于初始设置长度时，打开油缸换向阀，并进行自动加载。当油缸初始行程大于初始设置长度，系统自动打开油缸换向阀到伸出接通状态，油缸伸出至初始设置长度，换向阀回到初始状态，油缸停止动作。当油缸初始长度小于初始设置长度时，系统自动打开油缸换向阀到缩回接通状态，油缸缩回至初始设置长度，换向阀回到初始状态，油缸停止动作。当所有油缸停止动作时，停止加载；复位完成。
6. 电气系统的程序编写
   1. 铰接控制系统集成在主站PLC内，主站为独立三菱PLC系统，以满足铰接作为一套独立的系统需要。
   2. 下图为1# 油缸伸程序指令

M31为手/自动切换命令，M51,M54,M55,M57后分别为上铰，右铰，左上铰，右上铰信号判断，M31为自动模式下，当M51、M54、M55、M57当其有任意一个信号判定满足时，1#油缸开始进行伸动作， M120为上油缸和其对角油缸之间的行程差判定，当其判定大于设定行程差时，M120接通，结束1#油缸伸动作，M99为急停判断，当点击急停时M99处于接通状态，停止1#油缸伸动作。M34为自动复位命令判定，当程序判断处于自动初始化复位状态时，M34接通，1#油缸开始伸动作，当程序判断1#油缸初始化完成时M34处于断开状态，同时1#油缸伸动作停止。1#油缸伸的同时，对数字寄存器D300进行赋值为数字1的命令，同时触摸屏监测到D300为1时，将会动画显示1#油缸处于伸状态。M31为手动模式时，当M140接通时，人工手动对1#油缸进行伸动作。M130断开时，1#油缸伸动作停止。

6.3.下图为8个区油缸复位结束指令

寄存器
D330为触摸屏人工设置油缸初始复位长度，D170,D171分别为右区油缸行程、上右区油缸行程，实际行程与设置行程做对比，当实际行程回缩到小于D330设置行程，再进行伸出动作时，D330与D170或D171的对比有效，当设置复位行程（D330）大于实际行程（D170或D171）时，当下区域复位结束，当8个分区全部结束时，M79接通；复位命令结束。

6.4.下图为电机转速调整指令

M90，M91分别为电机频率的加、减指令，当点击M90时利用脉冲指令对D269进行加一命令，当长按M90时利用时间脉冲SM411(0.2秒)，每0.2S对D269进行加十命令，直到松开M90，结束加法指令。同样点击或者长按M91是利用脉冲指令对D269进行减法命令，知道松开M91，结束减法命令。

7. 采购清单 （利用原中州大道设备及材料清单）

7.1.重新采购、加工设备及材料清单

备注：电缆和管路需根据实际情况配置。

参考文献：

[1]三菱公司 编程软件GX Work2的使用

[2]三菱GT Designer3的应用.工控网.

[3] PLC使用手册  三菱公司

[4]周力. 人机界面的发展史和未来 ,2007,

[5]李成. 人机界面有关问题研究. ,2007, (2):7-11

[6]周文波.盾构法施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004