盾构系列油缸中的推进油缸设计

盾构系列油缸中的推进油缸设计

李状

山西高行液压股份有限公司山西晋中030600

摘要：盾构系列油缸中的推进油缸缸径最大、行程最长、工作压力最高、各项技术性能要求最严格，是系列液压缸的主要品种，在结构设计、密封形式、支撑形式、零件材料选用等方面有着特殊的要求；该文就这些问题在油缸的加工、装配和试验等方面进行了阐述。

关键词：盾构系列；推进油缸；设计

随着国民经济的快速发展，交通能源环保等基础设施建设项目是目前我国基本建设的重点。在基础设施建设中，需要修建越来越多的地铁、山体、越江、铁路、公路、市政管道、水工等隧道工程。盾构机是实现掘进、岩渣装运、洞壁支护等一次开挖成洞的最为关键的施工设备，而盾构机系列液压缸是盾构机液压系统的主要部件，是盾构机的重要组成部分。盾构依靠多支双偏心液压缸驱动，其工作压力、流量、刀盘的转速转角、扭矩及功率等参数用相应的传感器及工业控制计算机实时监控；装有传感器的液压缸实现了监测数据的实时采集与分析。盾构机系列液压缸按盾构机刀盘直径大小由近十种规格几十支液压缸组成，液压缸缸筒直径φ40～φ300mm，行程20～2200mm。各种液压缸分别用于机组掘进过程中刀盘和机组整体的纵向移动、隧道管片形状保持、混凝土衬砌夹紧等。其中推进油缸数量最多，缸径最大、行程最长、工作压力最高、各项技术性能要求最严格，是系列液压缸的主要品种。

1生产工艺

由于盾构系列液压缸中的推进油缸运行中始终处于31MPa高压状态下，而盾构机系列液压缸在隧道内频繁连续运转，作业环境恶劣，其更换、维修非常困难，维护费用高。因此，零件的加工尤为重要。

1.1缸筒

缸筒是推进油缸的主要零件，是保证推进油缸的密封可靠、运动平稳，减小密封件磨损关键零件。推进油缸缸筒内径大（φ300mm），长度长（2760mm），材料特殊（27SiMn），一般加工方法难以保证质量要求。为此，我们采用了缸筒内孔粗拉镗-精拉镗-滚压一次成型精密加工工艺，在设备上，研制开发、制作了粗、精镗孔+钢球滚压一次成型组合刀具、适用φ300内孔的组合加工专用机床，同时考虑到27SiMn缸筒材料的加工工艺性，对刀具的选材、切削余量、滚压余量进行研究，并在其他管材上试验，最终确定合适的刀具和余量。

1.2杆外表面尺寸镀硬铬工艺

推进油缸在使用过程中，在洞壁下部位的油缸会浸泡在泥浆水中，使用工况恶劣，为确保油缸的性能要求，活塞杆的质量显得尤为重要，活塞杆的强度、电镀层的硬度及耐腐蚀性要求均大大高于一般的活塞杆，传统的活塞杆加工已难以满足质量要求，同时效率低。为此革新传统的活塞杆表面粗磨-镀硬铬（留余量）-精磨工艺，改用活塞杆表面精磨-抛光-镀硬铬（尺寸到位）-抛光工艺，以减少加工工序、缩短生产周期、降低镀层消耗、节约能源的目的，同时在电镀前、后活塞杆的抛光、清洗、电镀时的电流、时间、电镀液的浓度等进行了反复试验，确定了合理的电镀工艺要求，详见下表，有效提高了镀层的致密性，使电镀层的硬度、结合力、耐腐蚀性能达到工况要求。

2油缸设计

（1）双偏心距液压缸结构设计

预制混凝土管片是直接紧贴筒壁安装，根据刀盘推进力的要求和安装空间，设计、确定了液压缸的整体结构要求和双偏心距，同时在活塞杆头部处采用球面连接形式，以确保油缸推进时，能始终顶住管片。

（2）内置位移传感器

利用位移传感器使液压缸的往复动作通过数字模拟传递使其控制液压缸行程技术。

（3）零件材料的设计

盾构机系统的工作压力应为31MPa，在缸筒设计时，由于重量和安装位置的限制，为确保缸筒使用的安全性要求，设计时缸筒材料采用27SiMn，保证缸筒有足够的强度和刚度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形，能承受活塞侧向力而不致产生弯曲。同时作为盾构机刀盘推进油缸，油缸工作行程达到2200mm，活塞杆需要有足够的强度和良好的机械性能，设计时活塞杆、杆头材料选用40Cr，并进行调质处理。而导向套作为活塞杆的限位和导向元件，根据其受力情况选用42CrMo锻造而成。

（4）创新支承形式设计

该盾构机依靠多支双偏心液压缸驱动，活塞杆伸出时的最大偏载力为87.6kN，为确保液压缸在使用过程中密封系统可靠、在偏心载荷的工况下绝无泄漏发生，因此采用可靠的支承尤为重要，需进行这方面研究。本次设计所有支承材料均选用德国宝色霞板公司的产品，在活塞两端和导向套上增加了用PTFE材料制作的纳污环，以确保密封件的使用寿命，其它均采用C380材料的支承环，以加强支承力，根据偏心载荷的工况，合理确定支承长度，使油缸运行可靠。

（5）独特的机械防松装置设计

螺纹连接时，为防止螺纹连接松动，一般要加装防松装置。而推进油缸螺纹的防松结构采用在缸筒外圆上开一径向槽，使端面边上形成一圈状的簿片，再在导向套上开数只槽，待两件连接后，将圈状簿片的一部分压入被连接件的槽中，可有效控制螺纹连接不松，这种防松装置简单而又非常可靠。

总结：

推进油缸作为盾构系列液压缸中的最主要的油缸产品，是运用现代加工工艺和装配技术，结合多年研制生产液压缸所积累的经验，在制造工艺、装配试验等方面有其独到之处。推进油缸作为盾构系列液压缸中的最主要的油缸产品，是运用现代液压技术、密封技术，结合对国际同类先进产品技术参数与结构的研究来进行的，其结构设计、密封形式、支撑形式等方面有其独到之处，独特的高压密封系统，可有效防止外漏和内泻，并可长时间保压；独特的杆密封系统以保证高压、低压都不泄漏。盾构系列液压缸中的推进油缸的研制和开发成功，填补了我省隧道行业的液压缸设计制造及应用的空白，具有明显的经济和社会效益。随着国民经济的快速发展，盾构机这种施工设备必将在基础设施建设中广泛采用，盾构系列液压缸得到广泛应用。

参考文献：

[1]雷天觉.新编液压工程手册.北京：北京理工大学出版社.1998.

[2]秦文强.液压缸设计计算与生产制造、装配修理实务全书[M].北京：北方工业出版社，2007.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.