非开挖可控冲击矛用传扭胶管的研究设计

王贵

摘 要：在试验基础上，分析了现有多种胶管的传扭能力，并参考国外胶管的结构 应用于非开挖可控冲击矛。

5 [( H1 }. T! @9 Y    关键词：非开挖；可控冲击矛；传扭能力；传扭胶管
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    Design of Torque Transmission Hose for the Controlled Ram Used in Trenchless
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: F4 q( o, n6 S    Zhan Jun, Yin Kun Qu Qingyang (Jilin University , Changchun Jilin 130026,China) Abstract: The torque transimission capacity of several types of hoses is analyzed based on the results of test. The The Torque transmission hoses are designed referring to the struvture of roeign hoses. This kind of hoses can be applied in controlled ram of trenchless. Key words: trenchless; controlled ram; torque transmission capacity; torque transmission hose
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    非开挖冲击矛铺管是非开挖地下管线施工方法 的一种，它是以气动冲击器为动力，实现冲击挤密成 孔，铺设地下管线的施工方法。它具有配套机具简 单，操作、维修、运输、安装方便，施工成本低，铺管速 度快等优点。因此，冲击矛在非开挖地下管线铺设 施工中应用很广，受到众多施工单位的青睐。当前， 世界许多国家都在进行冲击矛的研究，且已基本形 成系列。但是，它在应用中也遇到许多问题，特别是 方向不可控，给施工带来很多麻烦，比如：钻遇软硬 不均地层时，由于各向受力不均，易造成管线孔偏离 设计路线，给施工带来困难；或者在设计管路线上有 障碍物时无法施工等。为解决这些施工中的实际问 题，提出了可控冲击矛的研制。
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    “非开挖可控冲击矛的研制及施工工艺研究” 是国土资源部“九五”重点攻关项目。它包括可控 冲击矛的结构设计及施工工艺的研究，它将在现有 非开挖可控冲击矛的基础上进一步深入研究，从而 实现冲击矛的方向可控，克服冲击矛在实际应用中 遇到的难题，为冲击矛的广泛应用创造有利条件。

: o8 g: E1 Y3 ^% b. c9 o    1 传扭胶管研究的目的及意义

    1．1 研究的目的
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    非开挖可控冲击矛拟采用机械方式控制冲击矛 的方向，其原理如图1所示。

    工作原理为：当冲击矛钻进到需要改变方向位 置时，将胶管向后拉，通过向后打机构的作用，冲击 矛向后退，退回一段距离后，转动冲击矛的心轴，在 一偏心机构的作用下，矛头发生偏向，如图1虚线所 示。并在地面监测仪器指引下，将矛头的锥面转到 预偏转方向，放开风管，在弹簧作用下，冲击矛机构 复位，冲击矛将继续向前打，并在偏心矛头的作用 下，改变方向，从而实现方向可控。
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    从可控冲击矛的工作原理可知，冲击矛方向的 控制必须通过转动心轴来实现。而冲击矛与地表的 唯一连接只有胶管，因此可控冲击矛用的胶管必须 能将地表的扭矩传递到冲击矛的心轴。为此，必须 研究出能传扭的胶管。这就是本研究的目的。

    1．2 研究的意义
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    (1)对现有胶管的传扭能力进行研究，得出胶 管的抗扭值，为其它应用提供参考；
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- `8 N  g# `7 W1 H4 q4 G% Q    (2)通过对不同结构的胶管进行分析研究，得 出传扭胶管应有的结构形式，从而设计出应用于可 控冲击矛的传扭胶管。
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" Q. S' ^& v$ K6 {$ `0 t: l    2 传扭胶管的试验研究

7 _: w) F- j# X3 O    为了试验各种结构对胶管传扭能力的影响，分 析现有各种胶管的传扭能力，我们进行了一系列试验。

    2．1 试验系统

    为了测试胶管的抗扭能力，我们采用了扭力扳 手作为测试工具。整个试验系统装置如图2所示。 扭力扳手用于读取扭矩，连接接头是专门设计 用来连接扭力扳手和被测胶管的，测试胶管为现有 各种类型胶管试样，台钳用于夹持测试胶管的一端 以便固定，连接胶管用于将测试胶管与空压机储气 罐连接起来，空压机为压缩空气动力源，压力表用于 读取压缩空气的压力值。试验时，可通过调节储气 罐上的三通阀来实现不同压力值下胶管的抗扭能力 的测试，其调节范围为0—0．7MPa。

2 R, L$ l2 ?2 |$ Z    2．2试验结果及分析
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+ H: C' {! e3 ?- f( T  Z/ q8 {# m* G7 S    我们对现有几种胶管进行了试验，分别测试出 了它们的抗扭能力值，并进行了分析，抗扭能力值的 读取是指在某一压力情况下，一定长度的胶管在扭 力作用下，某处发生弯曲变形，继续扭动，扭矩不再 上升时的值。

% v4 \9 t' [) B) Y7 w8 x/ I2．2．1 普通风管的抗扭能力
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    试验时，首先选用一根普通风管作为试验对象， 其特征为：内径25mm，外径34mm，长度2．5m，编 织骨料为尼龙布(2层)。试验测得的数据见表1。

# n9 D8 Z; ^+ z+ \. \) }    表1 普通风管抗扭能力值 N•m 从表1可以看出：

# F. B, x( v0 c, X3 O    (1)普通风管抗扭能力值不大，在长度较长时 几乎可以认为普通风管不抗扭。
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    (2)风管在充压气的情况下，抗扭能力值上升。 这说明胶管在充压条件下，抗扭能力增强，充压对提 高胶管抗扭能力有利。
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  {* {* o6 T# h# q% X! r) Q    (3)风管越长抗扭能力越差。分析原因是，胶 管传扭首先必须克服胶管本身弹性变形产生的扭 矩，胶管越长，所需的扭矩越大，越易使胶管扭曲。

    2．2．2 钢编胶管的抗扭能力
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    基于普通风管的试验，我们又选用了一根钢丝 编织胶管进行试验，该胶管的特征为：内径30mm， 外径46mm，长度2m，编织骨料为0．2mm钢丝， 编织方式为网格式，编织层数3层。试验测得的数 据见表2。
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    表2 钢丝绸织胶管的抗扭能力值 N•m

: A% j1 h1 E  t7 k9 b; V. x; ]    从表2可以看出：
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8 n1 d2 J) u2 h5 p    (1)钢丝编织胶管与普通风管相比，抗扭能力 值明显增强。主要是因为编织骨料钢丝的强度增 加，使整个胶管的刚度增加，提高了胶管的抗扭能 力。从力学角度分析，网格编织的编织方向与胶管 轴线成45。，正好与扭转产生的剪力方向一致，这也 有利于提高胶管的抗扭能力。

    (2)随着压气压力升高，胶管抗扭能力值上升， 但与普通风管相比，上升较缓慢。说明压气起到一 定的作用，但对刚性大的胶管，作用明显减小。
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% K6 u9 r7 e. t* K( _    2．2．3 销装胶管的抗扭能力

    再次试验选用了销装胶管作为试验对象，胶管 的特征为：内径25mm，外径37mm，长度6m，编织 骨料为0．2一钢丝，编织方式为束状网格，每束 10根，编织层数3层。试验结果见表3。

( X4 V0 }% J& H4 I: B9 r    表3 销装胶管的抗扭能力值 ／N．m
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5 n2 }' J0 c. G1 K% C0 x: w    从表3可以看出：
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3 G, U9 U3 W4 a) o' H, M. m- U    (1)销装胶管的抗扭能力值提高很大。分析原 因为：其结构为束状编织，更有利于提高其刚度，更 有利于抗剪。
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    (2)长度对胶管抗扭能力影响较大。 但试验中发现，铠装胶管当在某一处发生多次 扭曲变形后，胶管抗扭能力几乎完全丧失。分析认 为胶管结构已破坏，编织钢丝与橡胶发生分层脱离， 破坏了胶管的整体性，使得抗扭能力丧失。

. t* A$ U, Z, i2 ]    2．3 试验结论

% l0 K( t8 _, @5 k/ f/ a& u    (1）现有各种胶管都不能直接用于非开挖可控 冲击矛，需研制一种新型胶管以满足非开挖可控冲 击矛的应用。

     (2)胶管的编织骨料强度越大，胶管的刚度越 大，抗扭能力值越高。
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    (3)如果胶管的编织结构与受力相一致时，胶 管的抗扭能力增强。
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4 |2 E6 d4 V- n4 c: m    3 国外传扭胶管的分析

    根据资料显示，国外有一种应用于冲击矛的胶 管，它可以传递较小的扭矩，用来控制冲击矛的向前 或向后打。其结构见图3。

    图3 国外传扭胶管结构图 从图3我们可以看出，胶管的编织骨料采用2 种结构。内层采用销装钢丝编织，外层采用网格状 粗钢丝编织。根据试验获得的结论，这一结构非常 有利于传递扭矩。

$ I- T; W# h! G: y3 r3 q    4 传扭胶管的设计

! n# c' J2 `* u3 ?/ @    根据试验得出的结论和对国外传扭胶管的分 析，我们设计了一种新型传扭胶管，其结构见图4。

2 ~0 S! D1 l; F" j% D# m* Z    胶管采用3层骨料，内层为铠装编织，共分3 层；中间层采用粗钢丝螺旋缠绕；外层采用2层尼龙 布编织。

    内层销装编织是整个胶管的主体，主要承担胶 管的传扭；中间螺旋钢丝结构相似于软轴的结构，是 为加强胶管的传扭能力而设计的；外层的尼龙布具 有较好的整体性，有利于维护胶管的完整性，防止胶 管的结构破坏。

    5 结语

    研制的传扭胶管已经加工了样品，并应用到非 开挖可控冲击矛样机的试验中，经过几轮试验证明， 传扭胶管能很好地传递所需的扭矩，完全满足了可 控冲击矛的要求，达到研制的目的。
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0 H( R! [6 K5 M! z1 Q  Q参考文献：
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     [1] 詹军．非开挖可控冲击矛可控机构的研究设计[D]．长春：长 春科技大学，1996．