轨迹可控气动穿孔机理论研究

　轨迹珥控气劫穿孔执理论研究徐，砰石未德教佝内容摘要本文介绍种新型的曲线非开挖铺管设备轨迹可控气动穿孔机，并在对特殊结构和施工方法18轨迹可控气动穿孔机的研究目的和方法0系列气动穿孔机是同济大学地下穿孔机研制组研制成功的非开挖铺管施工机械之，适用于铺设直径料5，500圆距离208加的管线。

　　它的施工方法主要有挤压法和套管法两种，挤压法施工1的孔径般在，40胃以下。在施工前应通过有关技术资料或管线仪探测，摸清地下管路情况，以防施工中破坏原有管道和电缆等设施。施工时在铺设管道的道路两侧挖掘工作坑和目标坑，坑的长度应比穿孔机2长50，宽度以能保证人员施工为宜。穿孔机的工作压力为0.6 0.7肘8，可使用普通空压机。3是调整穿孔机初始位置的底架，瞄准器1和标杆4可对穿孔机作精确定位。穿孔机在穿孔过程中不能自行修正，所以穿孔机初定位的准确性直接关系到管道孔的直线精度定位完成后，向穿孔机供高压空气，穿孔机挤压土壤前进，其后留下工作孔。将管道拖入孔内，就完成了铺设任务。在整个施工过程中，交通未中断，路面未破坏。

　　除此之外，气动穿孔机还可利用管棚施工技术建造穿越铁路或坝体的隧道。施工过程不影响列车运行，施工费用可降低40左右。施工过程中，穿孔机沿隧道预定轮廓密布击人钢管穿越路基，钢管作外支撑，然后两端通过钢结构连成体。完成后，挖出中间土壤再进行适当加工，即可形成穿越铁路大型施工先例，鉴于我国的现实国情，相信这种施工方法将有非常广阔的应用前景。

　　目前，国内外较普遍使用的施工曲线孔的设备是定向钻，2是定向钻施工的简及其主要部件。

　　1.钻孔头2.传感和发射装置3.挠性杆4.夹紧接杆装置5.施转装置6.推拉机构7.机架定向钻由钻孔头1挠性杆3夹紧接杆装置4旋转装置5推拉机构6和机架7组成。钻孔头前端是斜面结构，内装有发射装置2，可由地面接收装置测量钻孔头深度及倾斜角，以便进行轨迹修正。挠性杆3是分节的，每节13叫中间通过螺纹联接。

　　挠性杆由特殊材料制造，具有定强度和挠度最小建筑机械20013曲率半径般为412543.装置5夹紧挠性杆3，既可产生较大旋转力矩，也可通过推拉机构对钻杆产生推拉力。4和5联合动作完成接杆，机架7起支承作用，上有滑道及传动装置，供装置5驱动挠性杆向前运动。如果钻孔头1在装置5和6驱动下处于旋转加推进工况时，就作直线推进；如果装置5和6只推进而不旋转，钻孔头就将作曲线运行。具体钻头朝何方向运动主要取决于钻孔头斜面的位置，当斜面朝上时，钻孔头就将向上运动。定向钻是借助土壤的迎面阻力在垂直方向上的分力作曲线运行，在地下形成长孔的。另外，定向钻有泥浆循环系统，通过烧性杆把护壁泥浆输入到钻孔头前部，既冲软土壤又润滑工作头，减少摩擦，并使传感器降温。

　　定向钻以静推力加旋转的方式工作，其推力约1.双稳头2.传感和发射装置3.穿孔机主体4.挠性杆5.机架6.压紧轮7.夹紧旋转推进装置8.压气管9.空压机10.接收器。显装置lOOkN，旋转力矩达lOOOkN，mD但是，定向钻的结构比较复杂，后座力较大，对挠性杆要求较。而前述3是我们正在研制的适用于曲线施工的30170轨迹可控气动穿孔机，主体直径0=70胃，穿孔距离1=3090，曲率半径7，515叫3是气动穿孔机主体，结构与，穿孔机类似，内部有冲击活塞，在气压作用下使穿孔机产生前进冲击力。1是安装在穿孔机前端的锥形双稳头，其后部斜面的结构使其具有对称和斜面两种位置。2是安装在头部的传感和发射装置，通过地面接收器可测量出穿孔机在地下确切的位置和姿态，检，是否与预定轨迹符合，以便调节双稳头1的转角位置，修正穿孔机实际运行轨迹。简易导向机架5上有使烧性杆4旋转的装置7可用液压马达驱动和压紧轮6.挠性杆4通过特定机构和穿孔机主体固定，挠性杆通常是多节的，每节约l2m，节间通过特殊快速接头连接。8是压软管，向穿孔机供应高压空气，压力约0.60.7，穿孔机排气是通过压软管和挠性杆之间的间隙来完成的。是显装置，能显双稳头1的转角位置及深度参数，以便修正穿孔机轨48迹。

　　SDH70轨迹可控气动穿孔机的工作原理简述如下。调整底架5使穿孔机获得个合适的入射角，再将双稳头1转至对称位置，用压紧轮6以适当力压紧挠性杆4，然后向穿孔机供气。此时，穿孔机内冲击柱塞在缸筒内作往复冲击运动，驱动穿孔机克服土壤阻力前进。双稳头处于对称位置，挤压土壤形成的阻力在圆周方向上是对称的，在垂直于穿孔机运行方向的平面上的力是平衡的，使穿孔机作直线运动。若要穿孔机作曲线运动，则可通过旋转装置7使烧性杆4相对双稳头1转动180，使其处于非对称斜面位置。由于双稳头在垂直于运行方向的平面上受到不平衡阻力的作用，使其作曲线运动。通过接收器10和显器，即可确定穿孔机在地下的实际位置，与理论轨迹比较后，再决定是否应当进行方向修正。当段挠性杆进入土壤后，可将套在软管8上的另节挠性杆4接入并继续推进，直到穿孔机钻出地面。形成原始孔后，反拉欲铺设从以上分析可知，采用SDH轨迹可控穿孔机进行曲线施工，与定向钻相比有两大显著的优点穿孔机前进靠冲击力，挠性杆只承受很小轴建筑机械2001向力和相对小的扭矩，因而受力状态大为改善。

　　由于前进靠穿孔机的冲击力，导向机架结构简单，尺寸小，重量很轻。

　　2双稳头结构与理论分析双稳头是5070轨迹可控气动穿孔机最关键的部件，其曲线运行的原理基于独特的双稳头结构，具有对称和非对称两种工作状态，4和5.由知可知，双稳头是个锥体结构，锥头后部有个叫角斜面，锥体半角为要求1=2叫。

　　后部的圆柱体嵌入穿孔机主体，起转动支承之用。

　　两者在斜面上各有90扇形凸块中未，以限制两者转角为180=.锥头两侧有大叶片1和小叶片2，两者均沿锥体轴线布置，其切削角分别为2和。

　　双稳头有两个稳定装置对称位置和斜面位置。穿孔机冲击柱塞产生前向冲击力7由冲击柱塞在3.54.58.穿孔机除了要克服摩擦阻力外，还要克服土壤前向阻力2圮，它与穿孔机前进迎面面积和土质有关。当双稳头处于对称位置4时，挤压在双稳头锥体上的正压力在圆周上是对称相等的，其径向分力户1和轴向分力71也相等，所以在垂直方向上合力等于零但此时，由于大小叶片有切角，2和3，前进时会产生前向阻力和，所以产生顺时针转矩於+PLj式中，P4垂直于叶片的分力；L3，L4分力至旋转中心的垂直距离。

　　4向，向建筑机械20013财1通过斜面上的90限位块，欲使挠性杆顺时针旋转，但由于压轮6的作用使其不能旋转，因此财1就成了双稳头处于对称位置的稳定力矩。只要杆被夹紧不动，双稳头就处于对称位置，穿孔机就沿直线运行。若通过旋转机构7驱动挠性杆逆时针旋转1805，由于叶片插人土壤，锥头不动，使双稳头处于斜面位置，其受力5.由于锥头形成斜面，所受垂直于轴线的反力搡大叶片所受垂直于轴线的反力尸5小叶片所受垂直于轴线的反力户6向阻力，双稳头大小叶片与轴线的夹角。心尸5心均推动穿孔机向上运动，即促使穿孔机作曲线运行。5和1中，如在大小叶片受力中略去叶片切角的影响，垂直力尸5和心都是使双稳头转动的力，产生稳定力矩财25M2转力矩，由斜面的两个限位块来承受。当挠性杆夹紧时，限位块限制双稳头旋转，因此，穿孔机双稳头在前进时是稳定的。

　　穿孔机可有直线和曲线两种运行方式。为实现双稳头的两种特定工况，合理选择锥体角大小叶片的宽度和切角就显得非常重要。设计时应充分注意如下几点双稳头斜面角，等于锥体角的分之，越大，前进阻力使穿孔机曲线运行的力就越小。锥体结构越短，对在软土中运行是不利的，同时也难以处理叶片布置。般叫取10左右较合适。

　　大小叶片的作用是稳定双稳头，也是对挠性杆施加旋转外力矩。叶片的切角不能太大，过大会影响挠性杆的最小曲率半径；太小，土壤松软时，稳定力矩太小，不能达到稳定作用。

　　在结构设计上，双稳头和穿孔机主体之间应转动自由，斜面要有防水功能，以免进水影响转动。

　　挠性杆既要有烧性，又要有定的扭转刚度和强度。

　　4因挠性杆双向传递力矩，快速接杆不能采用螺纹联接，要采用特殊快速接杆形式，接头间要有密封功能，以防进水。

　　3传感及发射装置特别值得注意的是，为随时了解曲线穿孔机在地下的位置及姿态，必须在曲线穿孔机头部装有传感和发射装置，通常有以下两部分双稳头转角位置传感器。它主要显双稳头具体处于的那个位置，以便调节修正，般采用重力式装置或其他方式。

　　深度发射器。主要用于确定穿孔机头部所处的实际位置，以便与预定轨迹比较，般采用电磁波发射器，由地面接收器接收。

　　由于册70穿孔机是振动冲击机械，所以要求这两个微型传感仪器都应具有定的抗冲击性能。

　　3070轨迹可控气动穿孔机吸收了0系列气动穿孔机和定向钻机两方面的优点，采用双稳头结构和振动冲击相结合的方式，解决了非开挖施工中铺设曲线管线的问，为非开挖技术的发展开辟了块新天地。

　　1徐宝富。00系列气动穿孔机简介。同济大学学报，1997 2张伟，陈星庆。美国的非开挖地下管线施工技术。探矿工4高乃喜，张小姝。顶管技术。中国建筑工业出版社，1984 5朱百里，沈珠江等。计算土力学。上海科技出版社，1990徐宝富姚晔石来，陆敏恂，同济大学机械工程系，200092上海市平路收稿日期200010 26编辑杨晓光建筑机械2001