軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)理論研究

　軌跡珥控氣劫穿孔執(zhí)理論研究徐，砰石未德教佝內(nèi)容摘要本文介紹種新型的曲線非開挖鋪管設(shè)備軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)，并在對(duì)特殊結(jié)構(gòu)和施工方法18軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)的研究目的和方法0系列氣動(dòng)穿孔機(jī)是同濟(jì)大學(xué)地下穿孔機(jī)研制組研制成功的非開挖鋪管施工機(jī)械之，適用于鋪設(shè)直徑料5，500圓距離208加的管線。

　　它的施工方法主要有擠壓法和套管法兩種，擠壓法施工1的孔徑般在，40胃以下。在施工前應(yīng)通過有關(guān)技術(shù)資料或管線儀探測(cè)，摸清地下管路情況，以防施工中破壞原有管道和電纜等設(shè)施。施工時(shí)在鋪設(shè)管道的道路兩側(cè)挖掘工作坑和目標(biāo)坑，坑的長度應(yīng)比穿孔機(jī)2長50，寬度以能保證人員施工為宜。穿孔機(jī)的工作壓力為0.6 0.7肘8，可使用普通空壓機(jī)。3是調(diào)整穿孔機(jī)初始位置的底架，瞄準(zhǔn)器1和標(biāo)桿4可對(duì)穿孔機(jī)作精確定位。穿孔機(jī)在穿孔過程中不能自行修正，所以穿孔機(jī)初定位的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到管道孔的直線精度定位完成后，向穿孔機(jī)供高壓空氣，穿孔機(jī)擠壓土壤前進(jìn)，其后留下工作孔。將管道拖入孔內(nèi)，就完成了鋪設(shè)任務(wù)。在整個(gè)施工過程中，交通未中斷，路面未破壞。

　　除此之外，氣動(dòng)穿孔機(jī)還可利用管棚施工技術(shù)建造穿越鐵路或壩體的隧道。施工過程不影響列車運(yùn)行，施工費(fèi)用可降低40左右。施工過程中，穿孔機(jī)沿隧道預(yù)定輪廓密布擊人鋼管穿越路基，鋼管作外支撐，然后兩端通過鋼結(jié)構(gòu)連成體。完成后，挖出中間土壤再進(jìn)行適當(dāng)加工，即可形成穿越鐵路大型施工先例，鑒于我國的現(xiàn)實(shí)國情，相信這種施工方法將有非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　目前，國內(nèi)外較普遍使用的施工曲線孔的設(shè)備是定向鉆，2是定向鉆施工的簡及其主要部件。

　　1.鉆孔頭2.傳感和發(fā)射裝置3.撓性桿4.夾緊接桿裝置5.施轉(zhuǎn)裝置6.推拉機(jī)構(gòu)7.機(jī)架定向鉆由鉆孔頭1撓性桿3夾緊接桿裝置4旋轉(zhuǎn)裝置5推拉機(jī)構(gòu)6和機(jī)架7組成。鉆孔頭前端是斜面結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝有發(fā)射裝置2，可由地面接收裝置測(cè)量鉆孔頭深度及傾斜角，以便進(jìn)行軌跡修正。撓性桿3是分節(jié)的，每節(jié)13叫中間通過螺紋聯(lián)接。

　　撓性桿由特殊材料制造，具有定強(qiáng)度和撓度最小建筑機(jī)械20013曲率半徑般為412543.裝置5夾緊撓性桿3，既可產(chǎn)生較大旋轉(zhuǎn)力矩，也可通過推拉機(jī)構(gòu)對(duì)鉆桿產(chǎn)生推拉力。4和5聯(lián)合動(dòng)作完成接桿，機(jī)架7起支承作用，上有滑道及傳動(dòng)裝置，供裝置5驅(qū)動(dòng)撓性桿向前運(yùn)動(dòng)。如果鉆孔頭1在裝置5和6驅(qū)動(dòng)下處于旋轉(zhuǎn)加推進(jìn)工況時(shí)，就作直線推進(jìn)；如果裝置5和6只推進(jìn)而不旋轉(zhuǎn)，鉆孔頭就將作曲線運(yùn)行。具體鉆頭朝何方向運(yùn)動(dòng)主要取決于鉆孔頭斜面的位置，當(dāng)斜面朝上時(shí)，鉆孔頭就將向上運(yùn)動(dòng)。定向鉆是借助土壤的迎面阻力在垂直方向上的分力作曲線運(yùn)行，在地下形成長孔的。另外，定向鉆有泥漿循環(huán)系統(tǒng)，通過燒性桿把護(hù)壁泥漿輸入到鉆孔頭前部，既沖軟土壤又潤滑工作頭，減少摩擦，并使傳感器降溫。

　　定向鉆以靜推力加旋轉(zhuǎn)的方式工作，其推力約1.雙穩(wěn)頭2.傳感和發(fā)射裝置3.穿孔機(jī)主體4.撓性桿5.機(jī)架6.壓緊輪7.夾緊旋轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置8.壓氣管9.空壓機(jī)10.接收器。顯裝置lOOkN，旋轉(zhuǎn)力矩達(dá)lOOOkN，mD但是，定向鉆的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，后座力較大，對(duì)撓性桿要求較。而前述3是我們正在研制的適用于曲線施工的30170軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)，主體直徑0=70胃，穿孔距離1=3090，曲率半徑7，515叫3是氣動(dòng)穿孔機(jī)主體，結(jié)構(gòu)與，穿孔機(jī)類似，內(nèi)部有沖擊活塞，在氣壓作用下使穿孔機(jī)產(chǎn)生前進(jìn)沖擊力。1是安裝在穿孔機(jī)前端的錐形雙穩(wěn)頭，其后部斜面的結(jié)構(gòu)使其具有對(duì)稱和斜面兩種位置。2是安裝在頭部的傳感和發(fā)射裝置，通過地面接收器可測(cè)量出穿孔機(jī)在地下確切的位置和姿態(tài)，檢，是否與預(yù)定軌跡符合，以便調(diào)節(jié)雙穩(wěn)頭1的轉(zhuǎn)角位置，修正穿孔機(jī)實(shí)際運(yùn)行軌跡。簡易導(dǎo)向機(jī)架5上有使燒性桿4旋轉(zhuǎn)的裝置7可用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和壓緊輪6.撓性桿4通過特定機(jī)構(gòu)和穿孔機(jī)主體固定，撓性桿通常是多節(jié)的，每節(jié)約l2m，節(jié)間通過特殊快速接頭連接。8是壓軟管，向穿孔機(jī)供應(yīng)高壓空氣，壓力約0.60.7，穿孔機(jī)排氣是通過壓軟管和撓性桿之間的間隙來完成的。是顯裝置，能顯雙穩(wěn)頭1的轉(zhuǎn)角位置及深度參數(shù)，以便修正穿孔機(jī)軌48跡。

　　SDH70軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)的工作原理簡述如下。調(diào)整底架5使穿孔機(jī)獲得個(gè)合適的入射角，再將雙穩(wěn)頭1轉(zhuǎn)至對(duì)稱位置，用壓緊輪6以適當(dāng)力壓緊撓性桿4，然后向穿孔機(jī)供氣。此時(shí)，穿孔機(jī)內(nèi)沖擊柱塞在缸筒內(nèi)作往復(fù)沖擊運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)穿孔機(jī)克服土壤阻力前進(jìn)。雙穩(wěn)頭處于對(duì)稱位置，擠壓土壤形成的阻力在圓周方向上是對(duì)稱的，在垂直于穿孔機(jī)運(yùn)行方向的平面上的力是平衡的，使穿孔機(jī)作直線運(yùn)動(dòng)。若要穿孔機(jī)作曲線運(yùn)動(dòng)，則可通過旋轉(zhuǎn)裝置7使燒性桿4相對(duì)雙穩(wěn)頭1轉(zhuǎn)動(dòng)180，使其處于非對(duì)稱斜面位置。由于雙穩(wěn)頭在垂直于運(yùn)行方向的平面上受到不平衡阻力的作用，使其作曲線運(yùn)動(dòng)。通過接收器10和顯器，即可確定穿孔機(jī)在地下的實(shí)際位置，與理論軌跡比較后，再?zèng)Q定是否應(yīng)當(dāng)進(jìn)行方向修正。當(dāng)段撓性桿進(jìn)入土壤后，可將套在軟管8上的另節(jié)撓性桿4接入并繼續(xù)推進(jìn)，直到穿孔機(jī)鉆出地面。形成原始孔后，反拉欲鋪設(shè)從以上分析可知，采用SDH軌跡可控穿孔機(jī)進(jìn)行曲線施工，與定向鉆相比有兩大顯著的優(yōu)點(diǎn)穿孔機(jī)前進(jìn)靠沖擊力，撓性桿只承受很小軸建筑機(jī)械2001向力和相對(duì)小的扭矩，因而受力狀態(tài)大為改善。

　　由于前進(jìn)靠穿孔機(jī)的沖擊力，導(dǎo)向機(jī)架結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量很輕。

　　2雙穩(wěn)頭結(jié)構(gòu)與理論分析雙穩(wěn)頭是5070軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)最關(guān)鍵的部件，其曲線運(yùn)行的原理基于獨(dú)特的雙穩(wěn)頭結(jié)構(gòu)，具有對(duì)稱和非對(duì)稱兩種工作狀態(tài)，4和5.由知可知，雙穩(wěn)頭是個(gè)錐體結(jié)構(gòu)，錐頭后部有個(gè)叫角斜面，錐體半角為要求1=2叫。

　　后部的圓柱體嵌入穿孔機(jī)主體，起轉(zhuǎn)動(dòng)支承之用。

　　兩者在斜面上各有90扇形凸塊中未，以限制兩者轉(zhuǎn)角為180=.錐頭兩側(cè)有大葉片1和小葉片2，兩者均沿錐體軸線布置，其切削角分別為2和。

　　雙穩(wěn)頭有兩個(gè)穩(wěn)定裝置對(duì)稱位置和斜面位置。穿孔機(jī)沖擊柱塞產(chǎn)生前向沖擊力7由沖擊柱塞在3.54.58.穿孔機(jī)除了要克服摩擦阻力外，還要克服土壤前向阻力2圮，它與穿孔機(jī)前進(jìn)迎面面積和土質(zhì)有關(guān)。當(dāng)雙穩(wěn)頭處于對(duì)稱位置4時(shí)，擠壓在雙穩(wěn)頭錐體上的正壓力在圓周上是對(duì)稱相等的，其徑向分力戶1和軸向分力71也相等，所以在垂直方向上合力等于零但此時(shí)，由于大小葉片有切角，2和3，前進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生前向阻力和，所以產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)矩於+PLj式中，P4垂直于葉片的分力；L3，L4分力至旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離。

　　4向，向建筑機(jī)械20013財(cái)1通過斜面上的90限位塊，欲使撓性桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但由于壓輪6的作用使其不能旋轉(zhuǎn)，因此財(cái)1就成了雙穩(wěn)頭處于對(duì)稱位置的穩(wěn)定力矩。只要桿被夾緊不動(dòng)，雙穩(wěn)頭就處于對(duì)稱位置，穿孔機(jī)就沿直線運(yùn)行。若通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7驅(qū)動(dòng)撓性桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)1805，由于葉片插人土壤，錐頭不動(dòng)，使雙穩(wěn)頭處于斜面位置，其受力5.由于錐頭形成斜面，所受垂直于軸線的反力搡大葉片所受垂直于軸線的反力尸5小葉片所受垂直于軸線的反力戶6向阻力，雙穩(wěn)頭大小葉片與軸線的夾角。心尸5心均推動(dòng)穿孔機(jī)向上運(yùn)動(dòng)，即促使穿孔機(jī)作曲線運(yùn)行。5和1中，如在大小葉片受力中略去葉片切角的影響，垂直力尸5和心都是使雙穩(wěn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)的力，產(chǎn)生穩(wěn)定力矩財(cái)25M2轉(zhuǎn)力矩，由斜面的兩個(gè)限位塊來承受。當(dāng)撓性桿夾緊時(shí)，限位塊限制雙穩(wěn)頭旋轉(zhuǎn)，因此，穿孔機(jī)雙穩(wěn)頭在前進(jìn)時(shí)是穩(wěn)定的。

　　穿孔機(jī)可有直線和曲線兩種運(yùn)行方式。為實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)頭的兩種特定工況，合理選擇錐體角大小葉片的寬度和切角就顯得非常重要。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意如下幾點(diǎn)雙穩(wěn)頭斜面角，等于錐體角的分之，越大，前進(jìn)阻力使穿孔機(jī)曲線運(yùn)行的力就越小。錐體結(jié)構(gòu)越短，對(duì)在軟土中運(yùn)行是不利的，同時(shí)也難以處理葉片布置。般叫取10左右較合適。

　　大小葉片的作用是穩(wěn)定雙穩(wěn)頭，也是對(duì)撓性桿施加旋轉(zhuǎn)外力矩。葉片的切角不能太大，過大會(huì)影響撓性桿的最小曲率半徑；太小，土壤松軟時(shí)，穩(wěn)定力矩太小，不能達(dá)到穩(wěn)定作用。

　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，雙穩(wěn)頭和穿孔機(jī)主體之間應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)自由，斜面要有防水功能，以免進(jìn)水影響轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　撓性桿既要有燒性，又要有定的扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度。

　　4因撓性桿雙向傳遞力矩，快速接桿不能采用螺紋聯(lián)接，要采用特殊快速接桿形式，接頭間要有密封功能，以防進(jìn)水。

　　3傳感及發(fā)射裝置特別值得注意的是，為隨時(shí)了解曲線穿孔機(jī)在地下的位置及姿態(tài)，必須在曲線穿孔機(jī)頭部裝有傳感和發(fā)射裝置，通常有以下兩部分雙穩(wěn)頭轉(zhuǎn)角位置傳感器。它主要顯雙穩(wěn)頭具體處于的那個(gè)位置，以便調(diào)節(jié)修正，般采用重力式裝置或其他方式。

　　深度發(fā)射器。主要用于確定穿孔機(jī)頭部所處的實(shí)際位置，以便與預(yù)定軌跡比較，般采用電磁波發(fā)射器，由地面接收器接收。

　　由于冊(cè)70穿孔機(jī)是振動(dòng)沖擊機(jī)械，所以要求這兩個(gè)微型傳感儀器都應(yīng)具有定的抗沖擊性能。

　　3070軌跡可控氣動(dòng)穿孔機(jī)吸收了0系列氣動(dòng)穿孔機(jī)和定向鉆機(jī)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，采用雙穩(wěn)頭結(jié)構(gòu)和振動(dòng)沖擊相結(jié)合的方式，解決了非開挖施工中鋪設(shè)曲線管線的問，為非開挖技術(shù)的發(fā)展開辟了塊新天地。

　　1徐寶富。00系列氣動(dòng)穿孔機(jī)簡介。同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997 2張偉，陳星慶。美國的非開挖地下管線施工技術(shù)。探礦工4高乃喜，張小姝。頂管技術(shù)。中國建筑工業(yè)出版社，1984 5朱百里，沈珠江等。計(jì)算土力學(xué)。上海科技出版社，1990徐寶富姚曄石來，陸敏恂，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程系，200092上海市平路收稿日期200010 26編輯楊曉光建筑機(jī)械2001