CN109248766B - 一种液压冲击胀管器及地下管道非开挖更换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压冲击胀管器及地下管道非开挖更换系统。本发明利用胀管法原理来完成对地下管道中的旧管的替换，可将可将濒临于失效的内直径为300～500mm旧铸铁、塑料、混凝土或其他脆性材料管道，替换为相同或者略大一些内径的可靠性更高、寿命更久的新管道。该系统具有更好的效率、平稳性、精确性和工作可靠性。

Description

一种液压冲击胀管器及地下管道非开挖更换系统

技术领域

本发明属于非开挖施工领域，具体涉及一种液压冲击胀管器及地下管道非开挖更换系统。

背景技术

现代非开挖工程学开始于上世纪七十年代，在20世纪80年代中期逐渐被发达国家认可。日本、英国和美国分别结合自身国情开发了小口径顶管法、软衬法和内衬法，定向钻进和导向钻进法。目前在西方发达国家中，非开挖管道工程施工量占全部地下管线工程施工总量的十分之一，非开挖技术将继续在全球范围内发展。

非开挖施工技术和非开挖设备的研发在我国起步较晚。我国在非开挖施工的工程应用方面已经起步同时也取得了不小的发展，但仍然面临着以下几个问题：(1)品种少、能力弱、难以满足施工需要；(2)液压化程度不高，仅有控制系统以及部分压力机构使用液压传动，导致结构不紧凑，操作不灵活，工程适应性差；(3)方向识别系统产品稀缺，地下管道施工方向易引偏，不易达到初始精度设计要求。

目前，我国非开挖技术在顶管、扩管、定向钻和内衬技术等方面均有所研究，顶管直径和顶进长度近年来也均有所突破。但国产非开挖设备仍存在问题，难以满足施工要求，尤其是基于胀管法的地下管道非开挖更换装备基本上依赖进口，导致成本偏高，难以大规模应用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种液压冲击胀管器及地下管道非开挖更换系统。本发明利用胀管法原理来完成对地下管道中的旧管的替换，可将可将濒临于失效的内直径为300～500mm旧铸铁、塑料、混凝土或其他脆性材料管道，替换为相同或者略大一些内径的可靠性更高、寿命更久的新管道。该系统具有更好的效率、平稳性、精确性和工作可靠性。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种液压冲击胀管器，包括液压冲击器和膨胀头，所述膨胀头包括后支架、侧壁和前椎体，所述侧壁整体围成椎体结构，包括前段和后段，侧壁的后段为双层结构，其内层由若干个第一内层胀片围成，外层由若干个第一外层胀片围成，使处于膨胀状态时，第一内层胀片和第一外层胀片交替排列；侧壁的前段侧壁为双层结构，其内层由若干个第二内层胀片围成，外层由若干个第二外层胀片围成，使处于膨胀状态时，第二内层胀片和第二外层胀片交替排列；第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量相同，且均为弧形弹性胀片；

第一内层胀片的一端与后支架铰接，另一端与第二内层胀片的一端铰接，第二内层胀片的另一端与活动件铰接，所述活动件与前锥体之间连接有弹簧；

第一外层胀片的一端与后支架铰接，另一端与第二外层胀片的一端铰接，第二外层胀片的另一端与所述前椎体铰接；

所述液压冲击器通过固定件与所述后支架固定连接，液压冲击器与膨胀连杆连接，膨胀连杆对膨胀头的侧壁施加作用力，使膨胀头膨胀或收缩。

由于旧管道中含有大量的砂石、水，且旧管道在破碎过程中会产生大量的碎片，膨胀头在膨胀过程中若密封效果不好，会有大量的砂石、碎片进入膨胀头内，会严重损害膨胀头，使膨胀头的难以继续进行。

所以，设计了本发明的膨胀头密封结构，该密封结构为双层胀片弹力贴合结构，膨胀头膨胀时，膨胀头的曲率半径增大，第一内层胀片和第二内层胀片之间产生缝隙，第一外层胀片和第二外层胀片可以将内层胀片之间的缝隙密封盖合，实现膨胀头侧壁的密封。

第二内层胀片与前锥体之间连接有弹簧，膨胀过程中，内层胀片膨胀挤压外层胀片，弹簧的柔性调整特性可以保证外层胀片紧贴在内层胀片上且不发生结构内部应力过大的情况。收缩过程中，内层胀片为主动收缩，而弹簧提供的压力会作用于外层胀片连接环，使之随内层胀片协调运动，保证收缩过程中外层胀片依旧紧贴在内层胀片上，确保了密封性。

优选的，第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量为3-6，优选为4或5，更优选为4。

优选的，所述第一外层胀片和第二外层胀片的侧面加工一定坡度，使膨胀头处于收缩状态时，相邻两外层胀片之间形成夹角。

由于旧管道中含有大量的砂石、水，且旧管道在破碎过程中会产生大量的碎片，膨胀头收缩过程中，外层胀片收缩，外层胀片很容易对杂物形成夹持力，对外层胀片的收缩产生阻碍，破坏膨胀头的整体结构。在外层胀片的侧面设计坡度，外层胀片收缩时，侧面的法向力会在径向提供一个向外的力，从而减少外层胀片被碎片或砂石卡死的可能性。

进一步优选的，所述夹角为20-40°，优选为25-35°。

进一步优选的，所述第一外层胀片和第二外层胀片的靠近外表面的棱上加工倒角。加工倒角结构可在不影响外层胀片强度的情况下增加防卡塞的效果。

优选的，所述膨胀头为锥形胀头，锥形胀头的内部设置有圆台体活塞，圆台体活塞的大径端通过所述杆体与液压冲击器连接，圆台体活塞的小径端的直径大于膨胀头前端的内径。

液压冲击器通过杆体带动圆台体活塞产生冲击作用，圆台体活塞向前运动，运动至膨胀头前端时，圆台体活塞对侧壁的内层胀片产生均匀的冲击力，使内层胀片膨胀变形，可以提高膨胀头膨胀的稳定性。

优选的，所述膨胀头为连杆式扩张机构，所述杆体末端活动连接有若干个连杆，每个连杆分别与一个第一内层胀片活动连接，或分别与一个地儿内层胀片活动连接，或分别与第一内层胀片和第二内层胀片的连接处活动连接。

液压冲击器通过杆体对每个连杆提供冲击力，并通过连接将冲击力传递到每个内层胀片上，使内层胀片同步膨胀。

优选的，所述膨胀头的直径为300mm、400mm或500mm。

优选的，所述液压冲击器为位移反馈式的二位三通套阀式结构。

进一步优选的，所述液压冲击器包括缸体、阀套和配流阀，所述缸体为一端开口的筒形结构，活动件活动安装于筒形结构内部，配流阀通过底座安装在筒形结构的开口端；

所述阀套为一端开口的筒体结构，其开口端靠近缸体的开口端，阀套靠近缸体底部的一端外周设置第一环形套，其靠近缸体开口端的外周设置第二环形套，第一环形套和第二环形套与缸体内壁之间紧密贴合，使阀套与缸体之间留有环形通道，第一环形套上沿轴向开设有纵向孔，所述阀套靠近第二环形套的位置开设有径向孔；

所述配流阀为中空结构，其一端开口，且延伸出缸体，另一端密封，靠近密封端的内壁上设置若干个配流阀孔，配流阀上套合有第三环形套，第三环形套与活动件的内壁紧密贴合；

所述缓冲后座上开设有排液孔。

优选的，所述液压冲击胀管器还包括液压单杆活塞缸，液压单杆活塞缸的活塞杆与液压冲击器的缸体固定联接。液压单杆活塞缸的活塞杆运动时即同时带动液压冲击器(整体)一起运动。液压冲击器的配流阀与液压冲击器的缸体也是固定联接，液压冲击器内部的阀套是唯一可以与缸体之间存在相对运动的部件。

一种地下管道非开挖更换系统，包括所述液压冲击胀管器、牵引装置、液压系统和控制器，所述液压冲击胀管器的膨胀头端部与所述牵引装置连接，液压系统与液压冲击胀管器的液压冲击器连接，控制系统分别与液压系统和牵引装置连接。

其工作过程如下：

在扩张过程中，首先通过工作井将液压冲击胀管器放置进入旧管道中，同时另一端设置牵引装置，并用钢丝绳连接牵引装置和液压冲击胀管器的膨胀头端部，首先液压单杆活塞缸开始将液压冲击装置向前推，同时液压冲击装置产生较大的冲击瞬时力，通过连杆结构或圆台体活塞将双层胀片顶起，对旧管进行破碎。液压冲击的产生为循环，根据土壤情况以及旧管道情况可以设定在一次扩张过程中冲击力所施加的次数，这个调节的实现依靠对液压冲击器的节流调速阀与伸缩系统的节流调速阀的调整实现，液压冲击器为位移反馈式结构只需输入输出单向液流即可，扩张的时间也可以通过节流阀的调整实现。

扩张过程完成之后，液压电磁阀根据设定的时间进行通电，液压电磁阀换向，开始收缩过程。电磁阀是一个三位六通阀，实现了伸缩杆的缩回过程，在缩回工程中，由于单向阀的限制原因，液压冲击器停止工作避免对回收工作造成阻碍。与此同时连杆运动，带动胀片完成收缩运动。在液压伸缩杆回到最底端时，系统完成收缩动作。

收缩之后，液压冲击胀管器需要靠前端牵引力牵引向前，牵引机构为卷扬机，异步电动机通过联轴器与提升机构相连，该联轴器为电磁联轴器，可以通过电磁线圈的通电断电控制摩擦片是否接触，进而控制扭矩的传递与否。在扩张与收缩过程中，联轴器断开不传递扭矩，通过蜗轮蜗杆自锁防止液压胀管器后退。在设定时间到了之后，扩张和收缩过程都完成以后，控制中心发出信号，关闭液压系统，联轴器的电磁线圈供电，摩擦片相互接触传递扭矩，液压胀管器先前运动。当设定时间到的时候，控制中心再次发出指令，断开联轴器，结束液压胀管器向前的运动，同时再次打开液压系统，开始扩张收缩向前的下一个循环。

本发明的地下管道非开挖更换系统可将濒临于失效的内直径为300～500mm的旧铸铁、塑料、混凝土或其它脆性材料管道替换为相同或更大一些内径的新管道。相较于现有静压式液压胀管设备，本设计采用新型液压冲击器产生冲击力推动液压胀头扩张和前进，在液压胀头扩张与位移相同的情况下，冲击力消耗的能量与所用时间都远远小于传统的采用液压静力扩张与拖拽的系统，在降低系统功率要求的同时使施工节拍提高一倍以上，并以较低的液压管路负荷实现较大的胀管力输出，使系统油压由40～85MPa降至35MPa以下，延长整机使用寿命。此外，本设计采用双层胀片弹力贴合密封结构，可以更好地防止旧管道碎片或者砂石导致胀管器收缩过程受阻而破坏机构，使胀管系统工作具有更高的可靠性、平稳性和精确性。

本发明的有益效果为：

本设计在现有液压胀管器原理的基础上，对张力提供形式、张开机构、密封机构、液压力提供装置、牵引力提升控制系统等方面进行了优化与改进。具有以下优点：

(1)将传统的液压静力扩张改换为液压冲击力扩张，可以进一步加快施工速度，更加高效。经计算达到相同压力本设计所需压强仅为传统方案的1/5。

下图为计算得出的液压冲击力扩张相比传统静压扩张瞬时压强的提高量。

(2)通过前述的密封结构设计，系统的密封性相对于同类产品得到很大提升。胀片的防卡死设计进一步提升了可靠性与稳定性。

(3)对于液压系统与牵引系统也进行了配套设计，模拟得到了液压响应时间，在此基础上计算得到液压节拍。并最终得到施工速度为170米/天，对比现有设备120米/天的速度有显著的提高。其计算过程列于附录3。

(4)本设计具有更高的自动化程度。单片机对牵引提升装置节拍的控制极大地减轻了工人的操作负担。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的地下管道非开挖更换系统的结构示意图；

图2是本发明的胀管器的原理示意图；

图3为本发明的锥形胀头式扩张机构的工作原理示意图，其中，(a)为收缩状态，(b)为膨胀状态；

图4为本发明的液压冲击器的结构示意图；

图5中，(a)液压冲击器膨胀状态下的结构示意图，(b)为液压冲击器收缩状态下的示意图；

图6为连杆式膨胀头的动作原理图；

图7为液压冲击器的结构示意图；

图8为液压冲击器的三种工作状态示意图，其中，(a)为前腔与油相相通示意图，但与后腔隔绝，(b)密封段示意图，此时排液腔和前后腔完全隔绝，(c)前后腔相通示意图，此时前后腔与油相隔绝；

图9为膨胀头侧壁的结构示意图；

图10为前置弹簧的安装示意图；

图11为牵引装置节拍控制流程图；

图12为外侧胀片卡住杂物示意图；

图13为外侧胀片卡住杂物放大示意图；

图14为管道与胀管器的连接示意图；

图15为计算得出的液压冲击力扩张与传统静压扩张瞬时压强提高对比；

图16为胀管器受力示意图；

图17为胀管器内部连杆收缩状态受力简图；

图18为胀管器内部连杆膨胀状态受力简图；

图19为液压冲击器的前端牵引受力示意图。

其中，1、牵引装置，2、膨胀头，3、液压冲击器，4、液压单杆活塞缸，5、单向阀，6、节流调速阀，7、内部扩张机构，8、胀片，9、铰链，10、弹簧，11、膨胀连杆，12、阀套，13、缸体，14、缓冲后座，15、配流阀，16、排液孔，17、径向孔，18、环形通道，19、纵向孔，20、新管道，21、卡箍，22、橡胶垫，23、紧固装置，24、胀管器，25、连接管道卡槽，26、新管道卡槽，27、配流阀孔，A1、排液腔，A2、后腔，A3、前腔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图2、图4、图5、图9和图10所示，一种液压冲击胀管器，包括液压冲击器3和膨胀头2，所述膨胀头的直径为300mm、400mm或500mm，所述膨胀头2包括后支架、侧壁和前椎体，所述侧壁整体围成椎体结构，包括前段和后段，侧壁的后段为双层结构，其内层由若干个第一内层胀片围成，外层由若干个第一外层胀片围成，使处于膨胀状态时，第一内层胀片和第一外层胀片交替排列；侧壁的前段侧壁为双层结构，其内层由若干个第二内层胀片围成，外层由若干个第二外层胀片围成，使处于膨胀状态时，第二内层胀片和第二外层胀片交替排列；第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量相同，且均为弧形弹性胀片8；

第一内层胀片的一端与后支架通过铰链9铰接，另一端与第二内层胀片的一端通过铰链9铰接，第二内层胀片的另一端与活动件铰接，所述活动件与前锥体之间连接有弹簧10；

第一外层胀片的一端与后支架通过铰链9铰接，另一端与第二外层胀片的一端通过铰链9铰接，第二外层胀片的另一端与所述前椎体通过铰链9铰接；

所述液压冲击器通过固定件与所述后支架固定连接，液压冲击器与膨胀连杆11连接，膨胀连杆11对膨胀头2的侧壁施加作用力，使膨胀头2膨胀或收缩。

胀片的密封结构设计为双层胀片弹力贴合的结构。其密封原理在于当曲率半径变大时，可以用外层的胀片来掩盖内层产生的缺隙。为了保证内层与外层始终保持紧密的线接触，采用弹簧作为柔性调整机构，在不同情况下通过前端弹簧10弹力的储存与释放防止两层胀片之间产生缝隙。膨胀过程中，内层胀片膨胀挤压外层胀片，弹簧10的柔性调整特性可以保证外层胀片紧贴在内层胀片上且不发生结构内部应力过大的情况。收缩过程中，内层胀片为主动收缩，而弹簧10提供的压力会作用于外层胀片连接环，使之随内层胀片协调运动，保证收缩过程中外层胀片依旧紧贴在内层胀片上，确保了密封性。

第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量为3-6，优选为4或5，更优选为4。

如图12和图13所示，所述第一外层胀片和第二外层胀片的侧面加工一定坡度，使膨胀头处于收缩状态时，相邻两外层胀片之间形成夹角，夹角为20-40°，优选为25-35°。并在第一外层胀片和第二外层胀片的靠近外表面的棱上加工倒角。

由于旧管道中含有大量的砂石、水，且旧管道在破碎过程中会产生大量的碎片，膨胀头收缩过程中，外层胀片收缩，若外侧胀片均为整弧形侧边完全贴合的结构，外层胀片很容易对杂物形成夹持力，对外层胀片的收缩产生阻碍，则容易发生卡死现象，破坏膨胀头的整体结构。在外层胀片的侧面设计坡度，外层胀片收缩时，侧面的法向力会在径向提供一个向外的力，从而减少外层胀片被碎片或砂石卡死的可能性。加工倒角结构可在不影响外层胀片强度的情况下增加防卡塞的效果。

如图3所示，作为一种具体的实施方式，所述膨胀头2为锥形胀头，锥形胀头的内部设置有圆台体活塞(内部扩张机构7)，圆台体活塞的大径端通过所述杆体与液压冲击器连接，圆台体活塞的小径端的直径大于膨胀头前端的内径。液压冲击器3通过杆体带动圆台体活塞产生冲击作用，圆台体活塞向前运动，运动至膨胀头前端时，圆台体活塞对侧壁的内层胀片8产生均匀的冲击力，使内层胀片膨胀变形，可以提高膨胀头膨胀的稳定性。

如图6所示，作为一种具体的实施方式，所述膨胀头2为连杆式扩张机构，所述杆体末端活动连接有若干个连杆，每个连杆分别与一个第一内层胀片活动连接，或分别与一个地儿内层胀片活动连接，或分别与第一内层胀片和第二内层胀片的连接处活动连接。液压冲击器3通过杆体对每个连杆提供冲击力，并通过连接将冲击力传递到每个内层胀片上，使内层胀片同步膨胀。

膨胀头可采用锥形胀头或连杆式扩张机构。下图为锥形胀头式扩张机构原理图，优点是膨胀可以均匀作用在胀片上，避免了压杆的不稳定性。图6中，(a)图为胀头收缩状态，(b)图为胀头扩张状态。

膨胀时，3号连杆受到来自杆4的作用力，在逆时针转动的同时克服B点所受来自土壤与碎裂管道的压力，将1连杆与2连杆的转动副向上顶起；膨胀动作完成之后，杆4受到来自液压系统的拉力进行回收，带动连杆3顺时针旋转，B点下沉，胀管器恢复收缩状态。

如图7所示，所述液压冲击器3为位移反馈式的二位三通套阀式结构，具体包括缸体13、阀套12和配流阀15，所述缸体13为一端开口的筒形结构，阀套12活动安装于筒形结构内部，配流阀15通过底座安装在筒形结构的开口端；

所述阀套12为一端开口的筒体结构，其开口端靠近缸体15的开口端，阀套12靠近缸体底部的一端外周设置第一环形套，其靠近缸体13开口端的外周设置第二环形套，第一环形套和第二环形套与缸体内壁之间紧密贴合，使阀套12与缸体之间留有环形通道18，第一环形套上沿轴向开设有纵向孔19，所述阀套12靠近第二环形套的位置开设有径向孔17；

所述配流阀15为中空结构，其一端开口，且延伸出缸体13，另一端密封，靠近密封端的内壁上设置若干个配流阀孔27，配流阀15上套合有第三环形套，第三环形套与活动件的内壁紧密贴合；

所述缓冲后座14上开设有排液孔。

如图8所示，在阀套12向前运动时，来自液压系统的液流，直接经过配流阀15中心孔进入后腔A2，此时前腔A3通过阀套纵向孔19，环形通道18，阀套径向孔17以及排液孔16与油箱相通，压强极低，阀套12在前后液压差的作用下快速向前窜动，主动力是不断补给的液流，此时阀套12的加速度较大，但是随着配流阀15的逐渐向前运动，阀套径向孔17逐渐被配流阀15所封闭，前腔A3内液流体积变小，压力变大，但是由于配流阀15中心孔仍然在进油，阀套12仍然继续向前，但是阀套12的加速度变小。此后配流阀径向孔17越过密封段，前腔与后腔相通，然而前腔的容积仍然在不断的减小，压力很快升高，但是这时阀套12撞击在缸体13上，速度依旧很高，产生冲击力做冲击功，完成冲击动作。

返回时，随着撞击，阀套12速度降低到0，前腔A3和后腔A2的压力大致相同，但是前腔A3的受压面积大于后腔A2的受压面积，阀套12开始反向进行加速，进行位移与冲击相反的过程，当行到密封段时，前腔没有液流流入，反向加速度逐渐减小，阀套12继续向后运动脱离密封段后，前腔再次通过阀套纵向孔19，环形通道18，阀套径向孔17以及排液孔16与油箱相通，开始排气并做减速运动，直到速度为零完成第一次循环冲击。此时后腔A2的压力再次大于前腔A3，开始下一次的冲击过程。

如图4所示，所述液压冲击胀管器还包括液压单杆活塞缸4，液压单杆活塞缸的活塞杆与液压冲击器的缸体固定联接，液压单杆活塞缸的活塞杆运动时即同时带动液压冲击器(整体)一起运动。液压冲击器的配流阀与液压冲击器的缸体也是固定联接，液压冲击器内部的阀套是唯一可以与缸体之间存在相对运动的部件。

如图1所示，一种地下管道非开挖更换系统，包括所述液压冲击胀管器、牵引装置1、液压系统和控制器，所述液压冲击胀管器的膨胀头端部与所述牵引装置连接，液压系统与液压冲击胀管器的液压冲击器连接，控制系统分别与液压系统和牵引装置连接。

控制系统由液压控制系统与电子系统组成。液压控制系统由一个三位四通阀，两个单向阀与两个节流控制阀组成，三位四通阀用于控制整体的扩张收缩，两个单向阀为了限制液压冲击系统在收缩过程中的冲击阻作用，节流阀用以限制冲击器流量与伸缩活塞的流量分配。以上器件可以选用标准件进行工序的完成，但是为了工作的稳定运行，设计固定架将阀体排列，并在系统中置入单片机等电路系统，设置工作操作面板。电子控制系统主要由单片机作为控制中心，通过一系列硬件电路进行电磁阀的控制。

为了配合液压胀管器的扩张和收缩，需要对电机输出轴与减速器输入轴的传动进行断续控制，采用电磁离合器完成此工作。当液压胀管器进行动态的收缩与扩张之时，电磁离合器断开，电机不提供力给牵引装置，当液压扩张器完全收缩需要向前牵引时，电磁铁通电。电磁铁离合器由单片机进行控制，其控制流程图如图11所示。

其工作过程如下：

在扩张过程中，首先通过工作井将液压冲击胀管器放置进入旧管道中，同时另一端设置牵引装置，并用钢丝绳连接牵引装置和液压冲击胀管器的膨胀头端部，首先液压单杆活塞缸4开始将液压冲击装置3向前推，同时液压冲击装置3产生较大的冲击瞬时力，通过连杆结构或圆台体活塞将双层胀片8顶起，对旧管进行破碎。液压冲击的产生为循环，根据土壤情况以及旧管道情况可以设定在一次扩张过程中冲击力所施加的次数，这个调节的实现依靠对液压冲击器的节流调速阀6与伸缩系统的节流调速阀的调整实现，液压冲击器为位移反馈式结构只需输入输出单向液流即可，扩张的时间也可以通过节流阀的调整实现。

扩张过程完成之后，液压电磁阀根据设定的时间进行通电，液压电磁阀换向，开始收缩过程。电磁阀是一个三位六通阀，实现了伸缩杆的缩回过程，在缩回工程中，由于单向阀5的限制原因，液压冲击器3停止工作避免对回收工作造成阻碍。与此同时连杆运动，带动胀片8完成收缩运动。在液压伸缩杆回到最底端时，系统完成收缩动作。

收缩之后，液压冲击胀管器需要靠前端牵引力牵引向前，牵引机构为卷扬机，异步电动机通过联轴器与提升机构相连，该联轴器为电磁联轴器，可以通过电磁线圈的通电断电控制摩擦片是否接触，进而控制扭矩的传递与否。在扩张与收缩过程中，联轴器断开不传递扭矩，通过蜗轮蜗杆自锁防止液压胀管器后退。在设定时间到了之后，扩张和收缩过程都完成以后，控制中心发出信号，关闭液压系统，联轴器的电磁线圈供电，摩擦片相互接触传递扭矩，液压胀管器先前运动。当设定时间到的时候，控制中心再次发出指令，断开联轴器，结束液压胀管器向前的运动，同时再次打开液压系统，开始扩张收缩向前的下一个循环。

本发明的地下管道非开挖更换系统可将濒临于失效的内直径为300～500mm的旧铸铁、塑料、混凝土或其它脆性材料管道替换为相同或更大一些内径的新管道。相较于现有静压式液压胀管设备，本设计采用新型液压冲击器产生冲击力推动液压胀头扩张和前进，在液压胀头扩张与位移相同的情况下，冲击力消耗的能量与所用时间都远远小于传统的采用液压静力扩张与拖拽的系统，在降低系统功率要求的同时使施工节拍提高一倍以上，并以较低的液压管路负荷实现较大的胀管力输出，使系统油压由40～85MPa降至35MPa以下，延长整机使用寿命。此外，本设计采用双层胀片弹力贴合密封结构，可以更好地防止旧管道碎片或者砂石导致胀管器收缩过程受阻而破坏机构，使胀管系统工作具有更高的可靠性、平稳性和精确性。

采用刚性卡箍21连接，利用滚槽机在管道和液压胀管器上加工对应的槽，在联接时可以进行有效的固定，在施工完毕之后方便拆卸，较为精细的部分可由标准件的制造完成，对工人的要求低，可靠性较高，如图14所示。

下面采用具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

工作井的水平距离与连接新管材料的选取

由于计算过程中将管道长度设置为100m，依此确定了提升机需要的牵引力，所以两个工作井之间的的距离最大为100m。此外，根据现有施工经验，100m是非常大的工作井水平距离，一般旧有待更换管道的一段长度为17m左右，待更换长度一般在70m左右。新管道的材料一般为聚乙烯，黏土或者GRP玻璃钢，PE管等，标准长度为80m，故100m是较为合适的工作井水平距离。

HPDE管道是新管的最常见的类型，58.8％的供水项目上安装了HDPE管道，72％在下水道项目，100％在雨水管道项目上，90％在横向管道。多年来，HDPE管材一直是替代管材的唯一选择，因为它可以熔合在与被替换的管道长度相同的连续管柱中。综上所述，新管道材料宜选择为HDPE管道。

根据理论与计算结果，本专利提出一套新型的膨胀式地下管道非开挖更换系统设计。

其整体方案原理可表示如图1所示：

其工作过程如下：

在扩张过程中，首先通过工作井将液压胀管器防止进入旧管道中，同时另一端设置牵引装置并将钢丝绳连接完毕，按图1所示布置成功后便可进入正常的工作，首先液压单杆活塞缸开始将这个冲击装置向前推，同时液压冲击装置产生较大的冲击瞬时力，通过连杆结构将双层胀片顶起，对旧管进行破碎，液压冲击的产生为循环，根据土壤情况以及旧管道情况可以设定在一次扩张过程中冲击力所施加的次数，这个调节的实现依靠对液压冲击器的节流调速阀与伸缩系统的节流调速阀的调整实现，液压冲击器为位移反馈式结构只需输入输出单向液流即可，扩张的时间也可以通过节流阀的调整实现。

扩张过程完成之后，液压电磁阀根据设定的时间进行通电，液压电磁阀换向，开始收缩过程。电磁阀是一个三位六通阀，实现了伸缩杆的缩回过程，在缩回工程中，由于单向阀的限制原因，液压冲击器停止工作避免对回收工作造成阻碍。与此同时连杆运动，带动胀片完成收缩运动。在液压伸缩杆回到最底端时，系统完成收缩动作。

收缩之后，胀管器需要靠前端牵引力牵引向前，牵引机构为卷扬机，异步电动机通过联轴器与提升机构相连，该联轴器为电磁联轴器，可以通过电磁线圈的通电断电控制摩擦片是否接触，进而控制扭矩的传递与否。在扩张与收缩过程中，联轴器断开不传递扭矩，通过蜗轮蜗杆自锁防止液压胀管器后退。在设定时间到了之后，扩张和收缩过程都完成以后，控制中心发出信号，关闭液压系统，联轴器的电磁线圈供电，摩擦片相互接触传递扭矩，液压胀管器先前运动。当设定时间到的时候，控制中心再次发出指令，断开联轴器，结束液压胀管器向前的运动，同时再次打开液压系统，开始扩张收缩向前的下一个循环。

其膨胀与收缩的工作状态可用软件SLIDWORKS进行模拟：

通过液压冲击力扩张完成破碎所需的液压力：

首先对胀管器整个系统采取受力分析，胀管器受到的力主要有旧管道的压力、土壤压力、前进受到的摩擦力、前进所受牵引力和自身重力等五个力，受力分析如图17所示。

胀管器自身所产生冲击力主要为抵抗旧管道的压力与土壤压力，并对旧管道进行破坏，旧管道破坏之后，胀管器便只受土壤压力，所以在计算径向压力时，采用土壤压力与旧管道压力的叠加即压力最大点进行计算。本设计系统的摩擦力主要来源是系统自重及土壤压力造成的接触摩擦力，必须使提升系统提供的牵引力大于胀管器所受摩擦力，工作才能正常进行。用公式表示即：

在径向应满足条件：F_e≥F_sc+F_b

为保证绝对性，引入对应各项系数：φ_PF_e≥α_γ(c_scF_sc+c_bF_b) (3-8)

同理，在轴向应满足条件：F_p≥F_f

引入对应各项系数：φ_pF_p≥α_γc_fF_f (3-9)

φ_p-拉力不确定因素，使能力下降10％，取0.9；

α_r-负荷不确定因素，增大10％负荷，取1.1

C_f-摩擦力修正系数

C_b-胀破力修正系数

C_sc-土壤挤压力修正系数

土壤挤压力F_SC的计算公式如下：

旧管壁所需胀压力计算公式如下：

F_b＝σ₁f_nbt_ef_b1t_e/1000² (3-11)

前行时土壤摩擦力计算公式如下：

带入计算分别得：

F_sc＝49.23kN

F_b＝28.125kN

F_f＝7.688kN

式中各项含义及所取经验数值如下所示：

μ_sp-摩擦系数

P_s-土壤的压应力，kN/m²

d_on-新管的外径，mm

L_p-管段长度m

W_p-单位长度新管的质量，kg/m

θ_h-胀管头的角度，°

σ₁-MPa

f_nb-旧管碎片数量系数

t_e-旧管壁厚，mm

f_b1-破裂阻力长度系数

f_sc1-土壤塑性变形系数

L_os-胀管头与新管直径差值的半数，mm

Δx-旧管碎片的长度，mm

ψ-土壤回填对管道压力系数

d_oe-旧管的外径，mm

根据上述计算结果得：

系统提供最小径向压力取值F_e≥113.454kN；

前端牵引力取值F_p≥9.396kN。

为了完成进一步的计算与校核，在已知外部对系统压力的情况下，分析系统内部各零件的受力情况就至关重要。画出初始状态受力简图如图18所示，由于前端连接胀片近似自由，故它受的力较小，在受力简图中简化省略。

显而易见内部连杆与水平方向的夹角随着水平方向的位移发生变化，夹角由小变大，必须取一特定位置进行分析。可以发现，若水平冲击力不变，则垂直分量F1Y＝F_scosβsinβ先变大，再变小，为了使径向分量始终大于外界最大压力，而且胀管器刚开始工作的时候并未触及就管道壁产生最大压力，所以取β＝80°时为临界条件，若当此工况下满足径向受力最低要求，就认为在整个工作过程中径向受力始终满足要求。

如图19所示，当β＝80°时，液压胀管器的底部膨胀瓣处于与水平方向保持一较小正角度的状态，在此状态下，由于β角处于较大的张开状态，从而获得冲击力分量较低，而此时旧管道发生微小的弹性形变，产生较大的向内发作用力，这是胀管系统最易发生冲击力欠缺的地方，在此进行受力分析。

途中两杆由于两端转动自由，且负荷只作用在两端，皆为二力杆所以得到受力方程：

X方向受力平衡F₀cosα＝F₁cosβ

Y方向受力平衡F₀sinα+F_e＝F₁sinβ

解得

带入β＝80°，α＝5°，F_e＝113.454kN解得F₁＝117.009kN＝，F₀＝20.396kN

取液压冲击器部分进行受力分析，受力简图如图19所示：

由于胀片采取内四片外四片的双层胀片弹力贴合形式，故径向受力相互抵消，故冲击力只需提供水平分力即可，轴向满足：

4F₁cosβ＝F_SC

解得F_C＝81.274kN即液压冲击器提供的最小冲击力为100kN左右。

通过液压静力扩张完成破碎所需的液压力：

液压伸缩缸活塞杆伸出：F_push＝η_mp_pushA_push＝85.408kN

液压伸缩缸活塞杆回收：F_pull＝η_mp_pullA_pull＝25.835kN

式中：

p_pull＝5Mpa

p_push＝5Mpa

η_m-机械效率，取值0.85

对比相同的液压产生的液压冲击力与液压静力之比，F_cs＝5F_push，达到相同的压力所需压强为当前压强的5倍，即60Mpa，由此可见液压冲击器的设计可大幅度降低系统静压负荷。

工作速度计算：

冲程与回程的响应时间主要由于液压管道的长度，内径与内表面的粗糙度相关，对相关参数按照系统进行设置，以两工作井之间的水平距离仍为100m做输油管长度标定，输油管的长度为200mm，管路内径为10mm，内部的粗糙度为10um，进油管与出油采取相同的设置。

通过SIMULATIONX软件对本系统的响应时间进行模拟，得到控制信号的时间约有1s的跳变过程，设置每一冲击力的提供过程为1.5s。在一次扩张过程中，为保证冲击力的充分作用破碎旧管片，每一次扩张过程设置二十四冲击，则扩张过程的持续时间为36s，初定液压缸伸缩杆的伸出时间为36s。则伸缩液压缸输出速度T₁＝36s，l_out＝80mm。

根据现有液压胀管器设计，确定有效破碎长度设置此为牵引机构每次的提升长度，提升时间，为工作周期的第三阶段。

又以上计算得知，每次工作周期为68s，施工距离为0.4m，即21.176m/h，每天工时为8h的话，则每天前进量170m。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种液压冲击胀管器，其特征在于：包括液压冲击器和膨胀头，所述膨胀头包括后支架、侧壁和前椎体，所述侧壁整体围成椎体结构，包括前段和后段，侧壁的后段为双层结构，其内层由若干个第一内层胀片围成，外层由若干个第一外层胀片围成，使处于膨胀状态时，第一内层胀片和第一外层胀片交替排列；侧壁的前段侧壁为双层结构，其内层由若干个第二内层胀片围成，外层由若干个第二外层胀片围成，使处于膨胀状态时，第二内层胀片和第二外层胀片交替排列；第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量相同，且均为弧形弹性胀片；

第一内层胀片的一端与后支架铰接，另一端与第二内层胀片的一端铰接，第二内层胀片的另一端与活动件铰接，所述活动件与前锥体之间连接有弹簧；

第一外层胀片的一端与后支架铰接，另一端与第二外层胀片的一端铰接，第二外层胀片的另一端与所述前椎体铰接；

所述液压冲击器通过固定件与所述后支架固定连接，液压冲击器与膨胀连杆连接，膨胀连杆通过支撑件对膨胀头的侧壁施加作用力，使膨胀头膨胀或收缩；

所述第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量为3-6；

所述第一外层胀片和第二外层胀片的侧面加工一定坡度，使膨胀头处于收缩状态时，相邻两外层胀片之间形成夹角；

所述膨胀头为锥形胀头，锥形胀头的内部设置有圆台体活塞，圆台体活塞的大径端通过所述膨胀连杆与液压冲击器连接，圆台体活塞的小径端的直径大于膨胀头前端的内径。

2.根据权利要求1所述的液压冲击胀管器，其特征在于：第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量为5。

3.根据权利要求1所述的液压冲击胀管器，其特征在于：第一内层胀片、第一外层胀片、第二内层胀片和第二外层胀片的数量为4。

4.根据权利要求1所述的液压冲击胀管器，其特征在于：所述夹角为20-40°。

5.根据权利要求1所述的液压冲击胀管器，其特征在于：所述夹角为25-35°。

6.根据权利要求1所述的液压冲击胀管器，其特征在于：所述第一外层胀片和第二外层胀片的靠近外表面的棱上加工倒角。

7.根据权利要求1所述的液压冲击胀管器，其特征在于：所述膨胀头为连杆式扩张机构，所述膨胀连杆末端活动连接有若干个连杆，每个连杆分别与一个第一内层胀片活动连接，或分别与一个第二内层胀片活动连接，或分别与第一内层胀片和第二内层胀片的连接处活动连接。

8.根据权利要求1所述的液压冲击胀管器，其特征在于：所述液压冲击器为位移反馈式的二位三通套阀式结构。

9.根据权利要求8所述的液压冲击胀管器，其特征在于：所述液压冲击器包括缸体、阀套和配流阀，所述缸体为一端开口的筒形结构，阀套活动安装于筒形结构内部，配流阀通过底座安装在筒形结构的开口端；

所述阀套为一端开口的筒体结构，其开口端靠近缸体的开口端，阀套靠近缸体底部的一端外周设置第一环形套，其靠近缸体开口端的外周设置第二环形套，第一环形套和第二环形套与缸体内壁之间紧密贴合，使阀套与缸体之间留有环形通道，第一环形套上沿轴向开设有纵向孔，所述活动件靠近第二环形套的位置开设有径向孔；

所述配流阀为中空结构，其一端开口，且延伸出缸体，另一端密封，靠近密封端的内壁上设置若干个配流阀孔，配流阀上套合有第三环形套，第三环形套与活动件的内壁紧密贴合；

所述液压冲击器的缓冲后座上开设有排液孔。

10.根据权利要求8所述的液压冲击胀管器，其特征在于：所述液压冲击胀管器还包括液压单杆活塞缸，液压单杆活塞缸的活塞杆与液压冲击器的缸体固定联接。

11.一种地下管道非开挖更换系统，其特征在于：包括权利要求1-10任一所述液压冲击胀管器，还包括牵引装置、液压系统和控制器，所述液压冲击胀管器的膨胀头端部与所述牵引装置连接，液压系统与液压冲击胀管器的液压冲击器连接，控制系统分别与液压系统和牵引装置连接。