軌跡可控氣動穿孔機理論研究

　軌跡珥控氣劫穿孔執理論研究徐，砰石未德教佝內容摘要本文介紹種新型的曲線非開挖鋪管設備軌跡可控氣動穿孔機，并在對特殊結構和施工方法18軌跡可控氣動穿孔機的研究目的和方法0系列氣動穿孔機是同濟大學地下穿孔機研制組研制成功的非開挖鋪管施工機械之，適用于鋪設直徑料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。在施工前應通過有關技術資料或管線儀探測，摸清地下管路情況，以防施工中破壞原有管道和電纜等設施。施工時在鋪設管道的道路兩側挖掘工作坑和目標坑，坑的長度應比穿孔機2長50，寬度以能保證人員施工為宜。穿孔機的工作壓力為0.6 0.7肘8，可使用普通空壓機。3是調整穿孔機初始位置的底架，瞄準器1和標桿4可對穿孔機作精確定位。穿孔機在穿孔過程中不能自行修正，所以穿孔機初定位的準確性直接關系到管道孔的直線精度定位完成后，向穿孔機供高壓空氣，穿孔機擠壓土壤前進，其后留下工作孔。將管道拖入孔內，就完成了鋪設任務。在整個施工過程中，交通未中斷，路面未破壞。

　　除此之外，氣動穿孔機還可利用管棚施工技術建造穿越鐵路或壩體的隧道。施工過程不影響列車運行，施工費用可降低40左右。施工過程中，穿孔機沿隧道預定輪廓密布擊人鋼管穿越路基，鋼管作外支撐，然后兩端通過鋼結構連成體。完成后，挖出中間土壤再進行適當加工，即可形成穿越鐵路大型施工先例，鑒于我國的現實國情，相信這種施工方法將有非常廣闊的應用前景。

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

　　1.鉆孔頭2.傳感和發射裝置3.撓性桿4.夾緊接桿裝置5.施轉裝置6.推拉機構7.機架定向鉆由鉆孔頭1撓性桿3夾緊接桿裝置4旋轉裝置5推拉機構6和機架7組成。鉆孔頭前端是斜面結構，內裝有發射裝置2，可由地面接收裝置測量鉆孔頭深度及傾斜角，以便進行軌跡修正。撓性桿3是分節的，每節13叫中間通過螺紋聯接。

　　撓性桿由特殊材料制造，具有定強度和撓度最小建筑機械20013曲率半徑般為412543.裝置5夾緊撓性桿3，既可產生較大旋轉力矩，也可通過推拉機構對鉆桿產生推拉力。4和5聯合動作完成接桿，機架7起支承作用，上有滑道及傳動裝置，供裝置5驅動撓性桿向前運動。如果鉆孔頭1在裝置5和6驅動下處于旋轉加推進工況時，就作直線推進；如果裝置5和6只推進而不旋轉，鉆孔頭就將作曲線運行。具體鉆頭朝何方向運動主要取決于鉆孔頭斜面的位置，當斜面朝上時，鉆孔頭就將向上運動。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行，在地下形成長孔的。另外，定向鉆有泥漿循環系統，通過燒性桿把護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的方式工作，其推力約1.雙穩頭2.傳感和發射裝置3.穿孔機主體4.撓性桿5.機架6.壓緊輪7.夾緊旋轉推進裝置8.壓氣管9.空壓機10.接收器。顯裝置lOOkN，旋轉力矩達lOOOkN，mD但是，定向鉆的結構比較復雜，后座力較大，對撓性桿要求較。而前述3是我們正在研制的適用于曲線施工的30170軌跡可控氣動穿孔機，主體直徑0=70胃，穿孔距離1=3090，曲率半徑7，515叫3是氣動穿孔機主體，結構與，穿孔機類似，內部有沖擊活塞，在氣壓作用下使穿孔機產生前進沖擊力。1是安裝在穿孔機前端的錐形雙穩頭，其后部斜面的結構使其具有對稱和斜面兩種位置。2是安裝在頭部的傳感和發射裝置，通過地面接收器可測量出穿孔機在地下確切的位置和姿態，檢，是否與預定軌跡符合，以便調節雙穩頭1的轉角位置，修正穿孔機實際運行軌跡。簡易導向機架5上有使燒性桿4旋轉的裝置7可用液壓馬達驅動和壓緊輪6.撓性桿4通過特定機構和穿孔機主體固定，撓性桿通常是多節的，每節約l2m，節間通過特殊快速接頭連接。8是壓軟管，向穿孔機供應高壓空氣，壓力約0.60.7，穿孔機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，能顯雙穩頭1的轉角位置及深度參數，以便修正穿孔機軌48跡。

　　SDH70軌跡可控氣動穿孔機的工作原理簡述如下。調整底架5使穿孔機獲得個合適的入射角，再將雙穩頭1轉至對稱位置，用壓緊輪6以適當力壓緊撓性桿4，然后向穿孔機供氣。此時，穿孔機內沖擊柱塞在缸筒內作往復沖擊運動，驅動穿孔機克服土壤阻力前進。雙穩頭處于對稱位置，擠壓土壤形成的阻力在圓周方向上是對稱的，在垂直于穿孔機運行方向的平面上的力是平衡的，使穿孔機作直線運動。若要穿孔機作曲線運動，則可通過旋轉裝置7使燒性桿4相對雙穩頭1轉動180，使其處于非對稱斜面位置。由于雙穩頭在垂直于運行方向的平面上受到不平衡阻力的作用，使其作曲線運動。通過接收器10和顯器，即可確定穿孔機在地下的實際位置，與理論軌跡比較后，再決定是否應當進行方向修正。當段撓性桿進入土壤后，可將套在軟管8上的另節撓性桿4接入并繼續推進，直到穿孔機鉆出地面。形成原始孔后，反拉欲鋪設從以上分析可知，采用SDH軌跡可控穿孔機進行曲線施工，與定向鉆相比有兩大顯著的優點穿孔機前進靠沖擊力，撓性桿只承受很小軸建筑機械2001向力和相對小的扭矩，因而受力狀態大為改善。

　　由于前進靠穿孔機的沖擊力，導向機架結構簡單，尺寸小，重量很輕。

　　2雙穩頭結構與理論分析雙穩頭是5070軌跡可控氣動穿孔機最關鍵的部件，其曲線運行的原理基于獨特的雙穩頭結構，具有對稱和非對稱兩種工作狀態，4和5.由知可知，雙穩頭是個錐體結構，錐頭后部有個叫角斜面，錐體半角為要求1=2叫。

　　后部的圓柱體嵌入穿孔機主體，起轉動支承之用。

　　兩者在斜面上各有90扇形凸塊中未，以限制兩者轉角為180=.錐頭兩側有大葉片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。

　　雙穩頭有兩個穩定裝置對稱位置和斜面位置。穿孔機沖擊柱塞產生前向沖擊力7由沖擊柱塞在3.54.58.穿孔機除了要克服摩擦阻力外，還要克服土壤前向阻力2圮，它與穿孔機前進迎面面積和土質有關。當雙穩頭處于對稱位置4時，擠壓在雙穩頭錐體上的正壓力在圓周上是對稱相等的，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，由于大小葉片有切角，2和3，前進時會產生前向阻力和，所以產生順時針轉矩於+PLj式中，P4垂直于葉片的分力；L3，L4分力至旋轉中心的垂直距離。

　　4向，向建筑機械20013財1通過斜面上的90限位塊，欲使撓性桿順時針旋轉，但由于壓輪6的作用使其不能旋轉，因此財1就成了雙穩頭處于對稱位置的穩定力矩。只要桿被夾緊不動，雙穩頭就處于對稱位置，穿孔機就沿直線運行。若通過旋轉機構7驅動撓性桿逆時針旋轉1805，由于葉片插人土壤，錐頭不動，使雙穩頭處于斜面位置，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，雙穩頭大小葉片與軸線的夾角。心尸5心均推動穿孔機向上運動，即促使穿孔機作曲線運行。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和心都是使雙穩頭轉動的力，產生穩定力矩財25M2轉力矩，由斜面的兩個限位塊來承受。當撓性桿夾緊時，限位塊限制雙穩頭旋轉，因此，穿孔機雙穩頭在前進時是穩定的。

　　穿孔機可有直線和曲線兩種運行方式。為實現雙穩頭的兩種特定工況，合理選擇錐體角大小葉片的寬度和切角就顯得非常重要。設計時應充分注意如下幾點雙穩頭斜面角，等于錐體角的分之，越大，前進阻力使穿孔機曲線運行的力就越小。錐體結構越短，對在軟土中運行是不利的，同時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定雙穩頭，也是對撓性桿施加旋轉外力矩。葉片的切角不能太大，過大會影響撓性桿的最小曲率半徑；太小，土壤松軟時，穩定力矩太小，不能達到穩定作用。

　　在結構設計上，雙穩頭和穿孔機主體之間應轉動自由，斜面要有防水功能，以免進水影響轉動。

　　撓性桿既要有燒性，又要有定的扭轉剛度和強度。

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

　　3傳感及發射裝置特別值得注意的是，為隨時了解曲線穿孔機在地下的位置及姿態，必須在曲線穿孔機頭部裝有傳感和發射裝置，通常有以下兩部分雙穩頭轉角位置傳感器。它主要顯雙穩頭具體處于的那個位置，以便調節修正，般采用重力式裝置或其他方式。

　　深度發射器。主要用于確定穿孔機頭部所處的實際位置，以便與預定軌跡比較，般采用電磁波發射器，由地面接收器接收。

　　由于冊70穿孔機是振動沖擊機械，所以要求這兩個微型傳感儀器都應具有定的抗沖擊性能。

　　3070軌跡可控氣動穿孔機吸收了0系列氣動穿孔機和定向鉆機兩方面的優點，采用雙穩頭結構和振動沖擊相結合的方式，解決了非開挖施工中鋪設曲線管線的問，為非開挖技術的發展開辟了塊新天地。

　　1徐寶富。00系列氣動穿孔機簡介。同濟大學學報，1997 2張偉，陳星慶。美國的非開挖地下管線施工技術。探礦工4高乃喜，張小姝。頂管技術。中國建筑工業出版社，1984 5朱百里，沈珠江等。計算土力學。上海科技出版社，1990徐寶富姚曄石來，陸敏恂，同濟大學機械工程系，200092上海市平路收稿日期200010 26編輯楊曉光建筑機械2001