沉管水下液压定位机结构及液压系统设计

【摘 要】隧道施工过程中，海底沉管隧道的施工常常被沉放区域的海浪以及恶劣的环境影响。为了解决沉管沉放工作时空间的有限性、沉管定位与再调整难等现实问题，研究出了沉管水下液压定位机，它能在液压系统的操作下，实现沉管的体外定位。本文叙述了沉管体外定位系统的施工工艺和工法，重点介绍沉管定位机的结构和特点，并详细的分析了液压控制系统。

【关键词】沉管水下液压定位机；沉管体外定位；液压系统；应力分析

近年来，隧道施工技术快速发展，许多沉管隧道的施工运用沉管体外定位系统解决了沉管操作空间受限、定位难、不易调整等难题，获得了突破性的进展。比如，连接欧亚大陆的土耳其马尔马拉海海峡隧道和韩国釜山―巨济连线隧道，连接丹麦和德国两国的长达19 km的公铁连线――FEMERN隧道也计划于2018 年竣工[1]。

港珠澳大桥工程是目前我国投资金额最高、施工难度最大的项目，是我国继南水北调、西气东输、三峡工程、青藏铁路、京沪高铁之后，又一重大基础建设，对香港、澳门、珠海三地一体化有着深远意义，富有经济价值与社会影响力，是具有国家战略意义的世界级跨海通道，建成后将成为全世界最长的跨海连线工程。港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道预计于2016年竣工，其设计施工均采用最新的技术。为了能解决沉放区域的海浪、气象以及空间受限等问题，我们需引进沉管体外定位系统[2]。沉管体外定位系统就是针对上述工程难点，在对施工方案优化的基础上采用的一种新的施工工艺和工法。

1.沉管水下液压定位机结构分析

如图1所示，沉管水下液压定位机由底座、伸缩支腿、横臂、横议机构以及腋下系统等10个关键部分组成。

图1 沉管水下液压定位机结构分析图

1.下平台支撑 2.关节轴承 3.升降油缸 4.下横移油缸 5.支撑腿

6.摆腿油缸 7.拔销油缸 8.上横移油缸 9.吊具 10.横臂

机械结构的设计好坏对产品的质量有着直接且显著的影响，因此，对沉管水下液压定位机进行关键结构的应力分析是必不可少的。本研究运用Solidworks2010软件中的COSMOSXpress工具，针对沉管水下液压定位机的横臂进行了应力分析，过程及结果如下。

（1）设置约束：将横梁底部转轴面设置为约束面。

（2）施加载荷：横梁在工作过程中受到液压缸的推力及吊索的牵引力作用，为横梁施加工作载荷，液压缸的推力大小为 104kN，吊索的牵引力分别为800 kN 和 600kN。

（3） 定义零件材料：零件的反应取决于其材料属性，利用 COSMOSXpress 进行应力分析时，必须清楚零件材料的弹性属性，可从材料库中挑选材料或手动输入材料属性。指定横臂材料为AISI1045钢，其杨氏模量为2.05×10?MPa（n=5），屈服强度为5.3×10?MPa。

（4） 划分网格及分析零件：先对网格进行划分，划分网格后，可对零件进行应力分析。

（5） 输出分析结果：标尺所对应的应力数值及颜色反映了零件内部应力的分布情况，颜色的变化反映了零件各部分在载荷作用下产生应变大小的分布情况。最终得出横梁所受应力的最大值为2.22MPa，横梁产生应变的最大值为3.46mm。

2.液压控制系统分析

沉管在对接过程中的所有动作，在施工中使用人工辅助的工序较少，基本都依靠所属的液压系统驱动各液压缸来完成。为了便于现场施工，尤其是沉管对接操作，除了操纵室集中控制外，同时增设了遥控装置，极大程度的满足了现场施工的需要。

定位机液压系统主要由液压站、液压缸及控制油路等组成[3]： 摆腿油缸4个和升降油缸2个，于左右两侧对称分布，与沉管顶部的沉放吊索相配合，负责调整沉管的作业高度，以及在纵坡上的水平状态。还包括横移油缸6个，于左右两侧对称分布，且每侧2个在底部，1个在上部，负责沉管的横向移动。拔销油缸用于在沉管对接完成后，自动拔出吊具销子。

目前，工程机械领域常用的普通多路阀 + 定量泵液压控制系统技术采用溢流阀溢流，系统的功率损耗较大。为了使耗能减少，使控制精度提高，节约能量，定位机采用了比例多路阀 + 负载敏感泵液压控制系统技术[4]。该技术可使流量和压力与系统所需达到最佳匹配要求，使系统的功率损耗得以降低，可以使处在同步运作中的几个执行元件在运动时互不干扰，可靠性高。

定位机负载敏感泵液压系统采用单泵控制方案，它功率恒定、负载敏感、利用压力切断。

（1）当执行元件的负载较小时，定位机的执行元件具有稳定的推进速度，且其推进速度具有压力与流量负载敏感特性。

（2）当执行元件负载增加达到泵的输出功率时，定位机具有恒功率特性，即定位机各个液压缸的推进速度与执行元件负载呈负比，执行元件负载增加则定位机各个液压缸的推进速度减小，执行元件负载减小则定位机各个液压缸的推进速度增加。

（3）当执行元件压力达到泵的设定压力时，泵实现压力切断，泵无流量输出，实现了定位机的过载保护。

该液压系统各执行元件的流量由比例多路换向阀设定，因此，其执行元件具有恒定的最大流量，各执行元件的流量变化，与阀芯位移成比例的变化。由于沉管需要同时完成升降和横移两个动作，因此，需要在多路阀升降和横移控制回路中采用二通负载敏感阀，进行分流控制。

定位机液压系统在采用负载敏感控制，即负载敏感比例多路阀和负载敏感泵后具有的特点[5]：（1） 利用负载敏感比例多路阀的流量分配特性，可以用单一的油泵为定位机升降、横移及其他执行元件供油。（2） 泵的输出压力及输出流量随着负载需要的变化而变化，系统具有高效率、发热量小、功率损耗较小等特点。 （3） 调速控制方便。通过负载敏感比例多路阀可以对定位机的升降和横移速度进行无级调速。（4） 具有优良调速性能。定位机可以在长时间较低的推进速度下定稳定、正常地工作。

结束语

工程实践应用证明，为了克服海底沉管隧道施工过程中海浪及气象条件复杂等困难，解决沉管沉放工作空间受限、沉管定位和再调整难等工程难题而研发的沉管体外定位系统，在海底沉管隧道施工过程中具有明显优势，能有效克服沉放区域诸多不稳定因素的影响。沉管水下液压定位机的应用将使国内沉管隧道的施工技术达到一个新的境界，并推动沉管法隧道施工技术的发展[6]。

【参考文献】

[1]马建，孙守增，赵文义，等.中国隧道工程学术研究综述・2015[J].中国公路学报，2015（05）：1-65.

[2]尹海卿.港珠澳大桥岛隧工程设计施工关键技术[J].隧道建设，2014（01）：60-66.

[3]陈大成.关于液压与气动伺服系统的研究[J].科技信息，2011（18）：602-603.

[4]于彩新，赵川，薛典永，等.新型负载敏感系统工作原理及其应用[J].液压气动与密封，2012，32（ 8） ： 46-49.

[5]王振德，刘文东，张锋，等.负载敏感在采煤机液压系统中的应用[J].煤矿机械，2011，32（ 9）：188-190.

[6]俞啸.港珠澳大桥岛隧工程――沉管预制[J].建筑机械化，2015（04）：19-23.