PAGEPAGE1ANSYS軟件對(duì)管道受力進(jìn)行分析摘要目前，排水管道所選用的材質(zhì)多為混凝土或鋼筋混凝土。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中管道會(huì)老化破損或內(nèi)壁堵塞，所以應(yīng)定期檢測(cè)維修。但是，如果采用傳統(tǒng)開挖的方式進(jìn)行更換，會(huì)影響路面交通、破壞周邊建筑物以及影響臨近管道安全，而運(yùn)用非開挖技術(shù)對(duì)破損管道進(jìn)行更換可解決這些問(wèn)題。本文主要設(shè)計(jì)一種適用于DN300混凝土管更換的非開挖液動(dòng)脹管器，以液壓為動(dòng)力，通過(guò)連桿將液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成撐開板的圓周運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到脹破混凝土管的目的。對(duì)液動(dòng)脹管器主要零部件如脹管器外殼、撐開板、連桿、連桿連接塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)受力分析對(duì)液壓缸進(jìn)行了選型。同時(shí)對(duì)脹管器連接部分用的銷和螺栓進(jìn)行校核，計(jì)算結(jié)果表明其強(qiáng)度滿足要求。本文所設(shè)計(jì)脹管器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、安全可靠，為脹管器的相關(guān)研究提供了新的思路，豐富了非開挖脹管技術(shù)，可用于實(shí)際工程。關(guān)鍵詞：非開挖技術(shù)；液壓脹管法；液動(dòng)脹管器ABSTRACTAtpresent,mostofthematerialsusedfordrainagepipesareconcreteorreinforcedconcrete.Intheprocessoflong-termuse,thepipelinewillbedamagedortheinnerwallwillbeblocked,soitshouldbecheckedandrepairedregularly.However,ifthetraditionalexcavationmethodisusedforreplacement,itwillaffectroadtraffic,damagesurroundingbuildingsandaffectthesafetyofadjacentpipelines,andtheuseoftrenchlesstechnologytoreplacethedamagedpipelinecansolvetheseproblems.Thisarticlemainlydesignsanon-excavationhydraulicexpandersuitableforDN300concretepipereplacement.Ituseshydraulicpressureasthepowertoturnthereciprocatingmotionofthehydrauliccylinderintothecircularmotionoftheexpansionplatethroughtheconnectingrod,soastoachievetheexpansionoftheconcretepipe.thegoalof.Themaincomponentsofthehydraulicexpandersuchastheexpandershell,spreaderplate,connectingrod,connectingrodconnectingblock,etc.aredesigned,andthehydrauliccylinderisselectedbasedontheforceanalysis.Atthesametime,thepinsandboltsusedintheconnectingpartoftheexpanderarechecked,andthecalculationresultsshowthattheirstrengthmeetstherequirements.Thetubeexpanderdesignedinthispaperhassimplestructure,highstability,safetyandreliability,whichprovidesanewideafortherelatedresearchoftheexpander,enrichesthetrenchlessexpandertechnology,andcanbeusedinactualprojects.Keywords:Trenchlesstechnology;hydraulictubeexpansionmethod;hydraulictubeexpander.目錄1緒論 41.1研究背景 41.2研究目的及意義 51.3本章小結(jié) 52非開挖脹管技術(shù)概述 62.1非開挖管道更換技術(shù) 62.1.1非開挖管道更換技術(shù)優(yōu)勢(shì) 62.1.2非開挖管道更換技術(shù)分類 62.2非開挖液壓脹管法 82.3非開挖液壓脹管法施工過(guò)程 92.4本章小結(jié) 93DN300液動(dòng)脹管器設(shè)計(jì) 103.1DN300液動(dòng)脹管器的設(shè)計(jì)條件 103.1.1DN300混凝土管 103.1.2設(shè)計(jì)條件 103.2液動(dòng)脹管器工作原理及總體方案設(shè)計(jì) 113.3DN300液動(dòng)脹管器主要零部件選型 123.3.1液壓缸的選型 133.3.2銷的選型 153.3.3螺栓的選型 163.4DN300液動(dòng)脹管器主要零部件的設(shè)計(jì) 163.5本章小結(jié) 184DN300液動(dòng)脹管器的分析校核 204.1引言 204.1對(duì)管道進(jìn)行有限元分析 204.2銷的校核 214.3螺栓的校核 234.3.1液壓缸與法蘭盤之間的螺栓校核 234.3.2底座與法蘭盤之間的螺栓校核 244.4本章小結(jié) 245結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 271緒論1.1研究背景隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)不斷完善，城市地下管道系統(tǒng)數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大。因此，為了保持城市整潔的環(huán)境，更有效地利用城市地表，除了傳統(tǒng)的地下水污水管道外，各種能源動(dòng)力媒體的輸送管道設(shè)施和信息傳輸設(shè)施也埋在地下。這種做法不僅充分利用了地下資源同時(shí)保持地上建筑環(huán)境干凈整潔，有利于城市建設(shè)的規(guī)劃和美化，還節(jié)省了地面空間。但是，由于地下管線規(guī)劃建設(shè)的前瞻性和管理水平還不足。供水、排水、燃?xì)?、熱力、電力、電信、廣播電視、工業(yè)等管道錯(cuò)綜復(fù)雜，新舊管網(wǎng)交錯(cuò)，存在一定的安全隱患。近年來(lái)，各地由地管道堵塞引發(fā)的城市內(nèi)澇、管道破損滲漏造成路面塌陷、污染地下水源、管線爆裂等事故呈高發(fā)態(tài)勢(shì)。因此，對(duì)城市地下管線實(shí)施有效檢查并探測(cè)管道問(wèn)題，同時(shí)采取相應(yīng)修復(fù)更新措施已經(jīng)迫在眉睫。長(zhǎng)期使用混凝土或鋼筋混凝土管道作為污水管道的弊端已逐漸顯現(xiàn)。由于管道鋪設(shè)時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)大量管道鋪設(shè)的施工工藝和管道材料良莠不齊，一些管道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因地面沉降或動(dòng)載荷過(guò)大而遭受結(jié)構(gòu)性損壞。究其原因，由于使用時(shí)間長(zhǎng)，一些管道因而老化而損壞。其他情況一般是由物理，化學(xué)，電化學(xué)或生物效應(yīng)引起的，管道內(nèi)壁將逐漸形成管道垢，隨著使用時(shí)間的增加，它將變得越來(lái)越厚。這將導(dǎo)致管道內(nèi)壁溢流性能差，運(yùn)輸能力下降，導(dǎo)致污水泄漏或地下水滲入管道內(nèi)降水和結(jié)垢，堵塞污水排放。而對(duì)污水管道實(shí)施傳統(tǒng)開挖施工是不利于人們?nèi)粘３鲂械摹Ｓ捎谖鬯艿酪话闶锹裨O(shè)最深的地下管道，所以一般情況下開挖難度大。開挖施工一般是先開挖地面，再進(jìn)行管道更換，最后掩埋開挖出來(lái)的溝槽。對(duì)周圍已投入使用的管線容易造成傷害加之施工費(fèi)用高昂，對(duì)道路交通會(huì)造成巨大的影響，嚴(yán)重影響車輛行人的出行，對(duì)社會(huì)造成極大不便，也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。非開挖工程技術(shù)就是在這樣的背景下發(fā)展起來(lái)的,它不需要開挖面層,能穿越地面構(gòu)筑物和地下管線及公路、鐵路、河道,節(jié)省大量投資和時(shí)間,對(duì)城區(qū)的交通、噪聲、粉塵的危害和影響大大降低，是一種比較環(huán)保的施工技術(shù)。隨著城市建設(shè)的不斷完善，非開挖管道鋪設(shè)、修復(fù)和更換技術(shù)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。因?yàn)樗伖芩俣瓤臁⒉黄茐沫h(huán)境、不造成影響交通、效率高和不對(duì)社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成影響。1.2研究目的及意義目前，老化泄漏的地下污水管道會(huì)造成許多嚴(yán)重的事故，如城市內(nèi)澇、路面塌陷、污染地下水源等，因此對(duì)于老化管道迫切需要更換新的污水管道。但是，由于城市地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜且城市規(guī)模增大，人口密集。許多居民區(qū)、商業(yè)設(shè)施和運(yùn)輸線地下都掩埋著密集的管道。如果采用全部開挖的方式，人們的生活和社會(huì)秩序都會(huì)紊亂。漫長(zhǎng)而又繁復(fù)的管道更換工作也會(huì)嚴(yán)重影響著緊張有序的社會(huì)。傳統(tǒng)開挖施工對(duì)居民正常生活的干擾較大，還會(huì)破壞對(duì)交通及周邊建筑物基礎(chǔ)，對(duì)社會(huì)造成有害影響。而非開挖技術(shù)解決了管道埋設(shè)更換施工造成交通堵塞和對(duì)城市周圍建筑物造成破壞等問(wèn)題，這對(duì)人口稠密、交通繁忙、地面建筑眾多、地下管線縱橫交錯(cuò)的城市非常有利，其在環(huán)境保護(hù)和維持土層穩(wěn)定等方面也有突出優(yōu)勢(shì)。在相同的可比條件下，非開挖管道的鋪設(shè)，更換和修理費(fèi)用低于挖掘施工的費(fèi)用。本文對(duì)非開挖管道更換方式中的重要工具—液動(dòng)脹管器進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和校核，保證了液動(dòng)脹管器的可行性、可靠性及安全性，提供了一種可靠的非開挖管道更換工具。針對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)基本現(xiàn)狀，非開挖脹管法雖不能完全取代傳統(tǒng)的開挖方法，但作為一種逐步成熟的管道更換技術(shù)你會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)有利于非開挖脹管法更好的應(yīng)用于實(shí)際的城市建設(shè)之中。1.3本章小結(jié)本章主要介紹了DN300液動(dòng)脹管器的設(shè)計(jì)這一課題的研究背景，研究目的及意義。分析了我國(guó)目前下水管道更換的施工環(huán)境，介紹了開挖施工的缺點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)了非開挖施工的意義和重要性。說(shuō)明非開挖管道施工對(duì)城市建設(shè)有著積極的作用，進(jìn)而強(qiáng)調(diào)對(duì)脹管器的研究有巨大的價(jià)值。

2非開挖脹管技術(shù)概述2.1非開挖管道更換技術(shù)非開挖技術(shù)是指以最少的開挖量或不開挖的條件下鋪設(shè)、更換或修復(fù)各種地下管線的一種施工新技術(shù)，已被聯(lián)合國(guó)環(huán)境保護(hù)署認(rèn)定為環(huán)境友好的施工新技術(shù)。非開挖管更換技術(shù)中，舊管道起導(dǎo)向作用，當(dāng)其被脹破時(shí)，連接在其后方的新管會(huì)被拉入或就地頂起。新管道可以同舊管等直徑或略大于其直徑。該過(guò)程包括初步脹裂，進(jìn)而破碎舊管道，碎片被擠壓到四周的土壤中為新管道提供保護(hù)，同時(shí)安裝接于脹管工具后方用于替換的新管。2.1.1非開挖管道更換技術(shù)優(yōu)勢(shì)非開挖管道更換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用;（2）非開挖脹管工具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;（3）采用的液壓驅(qū)動(dòng)裝置噪聲低，對(duì)環(huán)境的污染較小;（4）采用非開挖形式施工工期短，效率高。（5）明顯的經(jīng)濟(jì)效益;（6）安全性和可靠性高。2.1.2非開挖管道更換技術(shù)分類（1）管道爆裂技術(shù)管道爆裂技術(shù)涉及使用氣動(dòng)爆破，液壓膨脹或靜態(tài)牽引技術(shù)破壞現(xiàn)有管道并將其置換至周圍地面，同時(shí)在所產(chǎn)生的空隙中安裝替換管道，更換管道的同時(shí)被拉到所謂的脹管器或爆破頭后面。使用這種方法，通常會(huì)將管道的直徑增大到100%或大于現(xiàn)有管道的直徑，但這取決于土壤條件、其它現(xiàn)有設(shè)施或結(jié)構(gòu)的鄰近程度以及覆蓋深度。為避免新管道在拉入時(shí)承受過(guò)大的應(yīng)力，可在施工管道內(nèi)安裝一個(gè)拉伸載荷測(cè)量裝置。在目前的大多數(shù)情況下，使用對(duì)接熔接的PE管，以便用于更換的管道是一個(gè)連續(xù)的長(zhǎng)管。管道爆裂技術(shù)用于替換如粘土，鑄鐵，鋼和球墨鑄鐵脆性和非脆性材料的管道。然而，在本文中，管道爆裂被認(rèn)為適用于脆性管材（見(jiàn)管道脫開）。管道爆裂在非開挖式管道更換方法中的應(yīng)用較為廣泛。（2）管道脫開技術(shù)管道脫開技術(shù)使用各種分割工具設(shè)計(jì)，包括單個(gè)切割刀片，多個(gè)切割刀片或最常見(jiàn)的多個(gè)滾軸切割輪裝置來(lái)切割現(xiàn)有管道。滾軸切割器刀片通過(guò)鋼絲繩或最常見(jiàn)的鋼錐/拉桿穿過(guò)現(xiàn)有管道。管道脫開系統(tǒng)用于更換非脆性管材料，如塑料，鋼和球墨鑄鐵管（除非球墨鑄鐵已降解到可以使用常規(guī)爆破的程度）。該技術(shù)與管道爆裂技術(shù)較為相似。（3）管道的腐蝕和更換技術(shù)管道的腐蝕和更換技術(shù)使用微型隧道掘進(jìn)機(jī)，通過(guò)用偏心運(yùn)動(dòng)圓錐破碎機(jī)破碎現(xiàn)有管道來(lái)移除現(xiàn)有管道，同時(shí)頂進(jìn)后面的新管道。將缺陷的管道可先灌入水泥漿，進(jìn)而可提高盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)向性能。該技術(shù)可應(yīng)用于傳統(tǒng)剛性管的替換，例如由混凝土和粘土制成的管，通過(guò)使用真空或泥漿泵系統(tǒng)去清除管道碎片。（4）鉆機(jī)定向擴(kuò)管技術(shù)用鉆機(jī)定向擴(kuò)管與用于安裝新管道的技術(shù)基本相似，不同之處在于它使用特殊設(shè)計(jì)的擴(kuò)孔工藝變形來(lái)將現(xiàn)有管道破碎然后拉入新管道來(lái)替換舊管。碎片懸浮在鉆井液中，并通過(guò)現(xiàn)有管道進(jìn)入檢修孔或回收坑。（5）管道頂出和抽出技術(shù)管道頂出和抽出技術(shù)（主要用于鉛管抽取和更換）涉及將現(xiàn)有管道完全從地下移除，方法是將其推向或拉向接收井，在那里它被破壞并移除。同時(shí)將新管裝入空隙中。（6）其它技術(shù)控制管線和等級(jí)（CLG）系統(tǒng)和內(nèi)爆（管道破碎）方法。①在CLG系統(tǒng)中，鋼桿對(duì)準(zhǔn)所需的坡度，并在張力下錨定。然后泵入輕質(zhì)水泥漿以填充管道及其周圍的任何開口空隙。一旦泥漿固化，就將一個(gè)爆破頭和更換管連接到鋼桿的一端。然后拉出桿牽引后面的新管道?？赡苄枰驖?rùn)土潤(rùn)滑劑來(lái)降低操作期間的拉力。②內(nèi)爆（管道破碎）技術(shù)是從內(nèi)部使現(xiàn)管道破裂，鋼錐向外推動(dòng)管道碎片，并將接于脹管工具后的新管道拉入以更換舊管道。破碎頭是圓柱形的并且比現(xiàn)有的管略大。牽引過(guò)程通過(guò)桿組件完成。2.2非開挖液壓脹管法本文主要研究方向是管道爆裂中的液壓脹管法。顧名思義，這是利用液壓作為動(dòng)力源運(yùn)用特殊的工具脹裂舊管來(lái)達(dá)到更換新管目的的一種非開挖管道施工方式。液壓脹管法以液壓缸作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，通過(guò)其拉力來(lái)牽引管道更換工具和脹管頭，新管接在脹管頭上，當(dāng)脹管器破壞舊管線時(shí)，舊管線的碎片被擠壓到四周的泥土中，以鋪設(shè)新的管線。該技術(shù)可以節(jié)省土地征收和拆遷的大量費(fèi)用，減少環(huán)境污染和道路擁堵的情況，并具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該技術(shù)的好處是：不需挖開地面，不影響周圍環(huán)境，不損壞地面建筑物，不會(huì)被管差異及變形影響。省時(shí)、安全、高效，綜合成本低。該技術(shù)非常受歡迎，因?yàn)橐簤好浌芊ń鉀Q了更換塑料管材的問(wèn)題，這是相比于脹管方法的顯著優(yōu)勢(shì)，是唯一可行的用于小直徑塑料管更換的非開挖方法。在液壓脹管系統(tǒng)中，液壓脹管頭順管道與鋼絲繩連接。脹管器間歇張開以破壞管道并迫使碎屑進(jìn)入土壤。脹管器的張力是垂直于管道的，因此強(qiáng)于其他系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常用于污水管或更大管徑的污水管道更換因?yàn)榉情_挖施工需要在地面下進(jìn)行一定程度的挖掘工作。例如，施工直接觀察性差，技術(shù)要求較高，建設(shè)單位有潛在建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，為了避免這些缺點(diǎn)，在非開挖更換管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮土壤條件，管道直徑膨脹度和管道深度等因素。2.3非開挖液壓脹管法施工過(guò)程圖2.1非開挖脹管系統(tǒng)施工方案圖先建好發(fā)射井和接收井，然后將推桿推入舊管道內(nèi)，柔性導(dǎo)向桿到達(dá)入發(fā)射井底部后，卸下導(dǎo)向桿。連接脹管器、拉管器及替換管，連接好后慢慢回拉，注意管道拉入狀況，確保脹管器準(zhǔn)確入位，密切觀察動(dòng)力站上壓力表的數(shù)值變化，控制回拉力，防止新管被拉斷及受力土體隆起等情況。拉管器拖帶新管在設(shè)備坑出露到設(shè)計(jì)位置后，新管置換就位。拆卸脹管器和拉管器，設(shè)備掉換方向，再向反方向操作，將對(duì)向的管道進(jìn)行置換。拆卸設(shè)備液壓管路，清洗設(shè)備，吊裝出坑，填埋土方，恢復(fù)原有地貌。2.4本章小結(jié)本章首先介紹了非開挖管道更換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，講述了非開挖管道更換技術(shù)分為管道爆裂技術(shù)、管道脫開技術(shù)、管道的腐蝕和更換技術(shù)、鉆機(jī)定向擴(kuò)管技術(shù)、管道頂出和抽出技術(shù)、其它技術(shù)幾類。還對(duì)非開挖液壓脹管法做出了解釋說(shuō)明，介紹其工作原理。脹管法其原理是通過(guò)前置破管工具撐開、破碎已存在的舊管并由脹管器將破碎后的舊管道碎片擠壓進(jìn)土壤后擴(kuò)徑形成新的空間，同時(shí)帶入一根相同的管徑或者略大一級(jí)的HDPE管，達(dá)到對(duì)現(xiàn)有管線置換或者擴(kuò)徑的目的。最后介紹了非開挖液壓脹管法的實(shí)際施工過(guò)程，明確了液壓脹管器在施工時(shí)的作用。

3DN300液動(dòng)脹管器設(shè)計(jì)3.1DN300液動(dòng)脹管器的設(shè)計(jì)條件3.1.1DN300混凝土管本文所采用的混凝土管數(shù)據(jù)來(lái)自GB/T11836-2009混凝土和鋼筋混凝土排水管。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了混凝土和鋼筋混凝土排水管的分類、原材料、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存和產(chǎn)品出廠證明書等內(nèi)容。混凝土管與鋼筋混凝土管不同的是，其管壁內(nèi)沒(méi)有鋼筋，一般用于污水管道。目前廣泛應(yīng)用的混凝土管道，會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，管道易發(fā)生老化和破裂。普通混凝土管道接口數(shù)較多，每段的長(zhǎng)度一般為2~4m?；炷凉艿慕涌诓牧贤ǔ樗嗌皾{和橡膠圈等，剛性接口一般用水泥砂漿，特別用于開槽埋管，地基又未經(jīng)加固、夯實(shí)處理，則易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致接口開裂或橡膠圈脫落引起接口松開。一般用于制管的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C30（30MPa）。DN300混凝土管是指公稱內(nèi)徑為300mm的混凝土管。3.1.2設(shè)計(jì)條件原來(lái)舊管DN300混凝土管的公稱內(nèi)徑300mm，壁厚30mm，外徑360mm，埋深4米，管長(zhǎng)2米。所需更換的HDPE新管為DN355，管的公稱外徑355mm。依照國(guó)家2006年頒布的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，規(guī)定污水和雨水合流管道檢查井根據(jù)管徑大小不同，間距不一：最小管徑的間距在40米至50米一個(gè)，中等管徑的間距在60米至90米，大管徑間距在120米。本文假定接收井和發(fā)射井之間距離為75m。3.2液動(dòng)脹管器工作原理及總體方案設(shè)計(jì)圖3.1DN300液動(dòng)脹管器常態(tài)三維圖圖3.2DN300液動(dòng)脹管器撐開態(tài)三維圖液壓脹管器的工作原理是脹管器在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下破碎舊管線，同時(shí)擠壓舊管線碎片融入周圍土壤，新管線緊隨其后。當(dāng)脹管器與舊管管壁相接觸時(shí)，液壓缸在管匯的控制下，帶動(dòng)連桿連接塊軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，隨之撐開板與舊管管壁接觸產(chǎn)生徑向力，當(dāng)其高于舊管材料的斷裂極限應(yīng)力時(shí)，舊管破碎，碎片被擠壓進(jìn)入周圍土壤中，方便后面新管的進(jìn)入。在脹破一部分管道之后，依靠鋼絲繩提供拉力牽引脹管器向前運(yùn)動(dòng)繼續(xù)脹管，新管線隨脹管器的移動(dòng)到達(dá)舊管道原有位置。往復(fù)循環(huán)，直至完成整個(gè)管線的替換工作。如圖3.3所示，液壓脹管器由牽引器、端蓋、外殼、撐開板、銷軸、連桿、連桿連接塊、液壓缸、液壓桿、底部端蓋和螺栓螺母組成。脹管器頭部采用直徑為20mm的螺栓以及M20螺母使得牽引器與端蓋相連接。端蓋與外殼之間采用6*M8螺栓連接。底座與外殼之間采用8*M10螺栓連接。脹管器外殼與撐開板之間采用銷軸連接。撐開板與連桿連接塊之間通過(guò)銷軸和連桿進(jìn)行連接。連桿連接塊與液壓桿通過(guò)液壓桿頭部的螺紋進(jìn)行連接。液壓缸缸體與法蘭盤通過(guò)6*M20螺栓進(jìn)行連接。本文脹管器材料選取45號(hào)鋼，σb為600MPa，σ圖3.3DN300液動(dòng)脹管器零件示意圖3.3DN300液動(dòng)脹管器主要零部件選型液動(dòng)脹管器受力分析如圖3.4所示。由于一開始撐開板與混凝土管接觸，將其脹破。故可認(rèn)為在開始狀態(tài)時(shí)整個(gè)脹管器所承受的力最大。對(duì)六瓣中的一瓣的工作過(guò)程進(jìn)行分析，液壓缸工作時(shí)，液壓缸產(chǎn)生一個(gè)向左的拉力F0，對(duì)于其中一瓣來(lái)說(shuō)所受到液壓缸的拉力F1。通過(guò)連桿從而給撐開板產(chǎn)生一個(gè)沿連桿方向的推力FAB即對(duì)于脹管器來(lái)說(shuō)要受到管對(duì)它的反作用力F2。當(dāng)破壞300mm管徑混凝土管時(shí)，假設(shè)起始接觸長(zhǎng)度為l=1mm，相對(duì)與整個(gè)脹管器長(zhǎng)度，可認(rèn)為初始為點(diǎn)接觸，接觸面積為S，則產(chǎn)生的接觸應(yīng)力為σ。當(dāng)σ>Cσ1(混凝土管的強(qiáng)度30圖3.4液動(dòng)脹管器受力分析圖S=πdl*30°360°=π*300*1/12=78.54mm2F2=σ*C*S=30*2*78.54=4712.39NFAB=F2/cosF1=FABcosF0=6FF3=FAB3.3.1液壓缸的選型液壓系統(tǒng)原理如圖3.5所示。1.油箱2.液壓缸3.活塞4.換向閥5.節(jié)流閥6.開停閥7.溢流閥8.液壓泵9.濾油器圖3.5液壓系統(tǒng)原理圖表3.1液壓缸尺寸標(biāo)準(zhǔn)名稱公稱尺寸系列（部分）液壓缸的公稱壓力10.016.020.025.031.5液壓缸活塞行程255080100125液壓缸內(nèi)徑尺寸80100125160200液壓缸活塞桿外徑尺寸708090100110如表3.1所示，初步選擇液壓缸內(nèi)徑d=160mm，工作壓力20MPa。一般安裝方式分三種法蘭安裝、鉸支安裝和腳架安裝，本文選用后法蘭安裝。液壓缸所能產(chǎn)生的最大拉力F液F液=P故選用液壓缸內(nèi)徑d=160mm，液壓桿桿徑d=90mm，工作壓力為20MPa的液壓缸。經(jīng)過(guò)選區(qū)后選用星宇液壓科技有限公司的50噸高壓缸，類型為工程液壓油缸，型號(hào)169*90（FA），壓力范圍20MPa，速度范圍8-300m/s，缸外徑190mm，缸內(nèi)徑160mm，液壓桿桿徑90mm，行程50mm，最大壓力32MPa，總重66kg，常態(tài)320mm。圖3.6液壓缸尺寸3.3.2銷的選型根據(jù)國(guó)標(biāo)119-86，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公稱直徑d=0.6-50mm，A型(dm6)、B型(dh8)、C型(dh11)和D型(du8)四種不同規(guī)格的圓柱銷。圖3.7圓柱銷規(guī)格表3.2圓柱銷尺寸尺寸81012d（C型）Min7.9789.9111.89Max81012l公稱14～8518～10020～160本文所設(shè)計(jì)的DN300液動(dòng)脹管器主要選取C型圓柱銷，材料為40Cr，熱處理之后硬度為40-50HRC。脹管器需要銷連接的部位有連桿與連桿連接塊之間的連接銷1，連桿與撐開板之間的連接銷2和撐開板與外殼之間的連接銷3。本文所選取的圓柱銷規(guī)格為銷1GB119-86C12ⅹ50，銷2GB119-86C12ⅹ40和銷3GB119-86C10x40。3.3.3螺栓的選型DN300液動(dòng)脹管器外殼與端蓋的連接選用6個(gè)M10螺栓，液壓缸與法蘭盤的連接選用6個(gè)M20螺栓連接，法蘭盤與底盤之間選用6個(gè)M16螺栓連接，底盤與外殼之間采用6個(gè)M12螺栓進(jìn)行連接。所有螺栓材質(zhì)均為不銹鋼，強(qiáng)度等級(jí)為10.9級(jí)。3.4DN300液動(dòng)脹管器主要零部件的設(shè)計(jì)（1）DN300液動(dòng)脹管器外殼圖3.8DN300液動(dòng)脹管器外殼三維圖DN300液動(dòng)脹管器外殼材料為45號(hào)鋼，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。總長(zhǎng)530mm，壁厚20mm，最大直徑420mm，最小直徑277.6mm，外殼錐度8°，頭部6個(gè)M10的螺紋孔均勻分布，尾部6個(gè)M12螺紋孔均勻分布，沿外殼切向均勻分布6個(gè)直徑為10mm的通孔。（2）DN300液動(dòng)脹管器撐開板圖3.9DN300液動(dòng)脹管器撐開板三維圖DN300液動(dòng)脹管器撐開板材料為45號(hào)鋼，整個(gè)板沿中線對(duì)稱，總長(zhǎng)475.25mm，最大壁厚34.97mm，最小壁厚21.04mm。尾部通孔10mm長(zhǎng)度20mm。頭部?jī)赏?2mm，長(zhǎng)度10mm，距離20mm。最大寬度110mm，邊線角度4°。撐開板頭部與撐開板上表面垂直，防止板在撐開過(guò)程中與脹管器外殼發(fā)生干涉。（3）DN300液動(dòng)脹管器連桿連接塊圖3.10DN300液動(dòng)脹管器連桿連接塊三維圖DN300液動(dòng)脹管器連桿連接塊材料45號(hào)鋼，中心螺紋孔M80，與液壓桿配合。厚度20mm，外圓直徑169mm，6個(gè)直徑為10mm的通孔沿切向均勻分布，通孔距圓心72.5mm，中間槽深20mm，寬20mm。（4）DN300液動(dòng)脹管器連桿圖3.11DN300液動(dòng)脹管器連桿三維圖DN300液動(dòng)脹管器連桿材料45號(hào)鋼，總長(zhǎng)82.5mm，一端外圓10mm，通孔直徑12mm，另一端外圓10mm，通孔直徑12mm，壁厚20mm，兩通孔圓心連線62.5mm。（5）DN300液動(dòng)脹管器端蓋圖3.12DN300液動(dòng)脹管器端蓋三維圖DN300液動(dòng)脹管器端蓋材料45號(hào)鋼，外圓直徑277.51mm，壁厚15mm，最外圈6個(gè)M10螺紋通孔均勻分布。有兩個(gè)直徑30mm通孔對(duì)稱分布，作用是通過(guò)液壓管線。中間孔為M20螺紋孔通過(guò)螺栓與牽引器相連。（6）DN300液動(dòng)脹管器底盤圖3.13DN300液動(dòng)脹管器底盤三維圖DN300液動(dòng)脹管器底盤材料45號(hào)鋼，外圓直徑220mm，壁厚15mm，最外圈6個(gè)M12螺紋通孔沿直徑400的圓切向均勻分布，將通過(guò)螺釘與外殼相連。6個(gè)M16螺紋通孔沿直徑340的圓切向均勻分布，將通過(guò)螺釘與法蘭盤相連。3.5本章小結(jié)本章介紹了DN300液動(dòng)脹管器的總體方案。首先介紹設(shè)計(jì)條件，說(shuō)明DN300混凝土管的公稱直徑、壁厚、埋深和破壞強(qiáng)度。接著介紹液壓脹管器的設(shè)計(jì)思路，敘述其工作原理，展示脹管器三維圖，表達(dá)其常態(tài)和撐開狀態(tài)。由整體到部分，分析脹管器主體部分的受力情況，根據(jù)受力并查閱液壓缸相關(guān)國(guó)標(biāo)對(duì)液壓缸進(jìn)行選型，最終選定了星宇液壓科技有限公司的液壓缸。還查閱了銷和螺栓的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)脹管器的連接部分進(jìn)行了選型。最后介紹了脹管器的各個(gè)零件圖，配合三維圖說(shuō)明其尺寸參數(shù)，二維圖見(jiàn)附表。

4DN300液動(dòng)脹管器的分析校核4.1引言隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，三維模擬技術(shù)越發(fā)成熟，也越接近于實(shí)際工程。數(shù)值模擬常要借助不同的有限元軟件或編程，如ANSYS、ABAQUS、FLAC3D等。本章通過(guò)對(duì)混凝土管，脹管器的三維有限元模型的建立，分析脹管器作用時(shí)管道的受力情況，研究分析脹管器的承受能力，并計(jì)算校核銷和螺栓強(qiáng)度。4.1對(duì)管道進(jìn)行有限元分析有限元方法的原理，主要思想和解決問(wèn)題的順序主要是創(chuàng)建一個(gè)積分方程。根據(jù)變分法的原理或方程的其余部分的正交化原理和環(huán)函數(shù)，創(chuàng)建積分表達(dá)式，其等效于微分方程的初始邊界值，這是有限元法的起點(diǎn)。ANSYS中StaticStructure前處理分析過(guò)程主要包括：幾何模型建立；材料屬性建立；邊界條件設(shè)定；網(wǎng)格劃分。然后進(jìn)行后處理。建立DN300混凝土管的幾何模型（300*2000）；建立材料屬性：添加混凝土材料；設(shè)定邊界條件：假定管道一端固定，另一端為加載端；網(wǎng)格劃分：用6000多個(gè)四面體網(wǎng)格劃分管道。模擬在液壓缸工作壓力為20MPa的時(shí)候產(chǎn)生的力對(duì)混凝土管的影響。需要添加與管道軸向呈82°的力。F1'=F液/6=F2'=F1'故對(duì)管道所施加的力大小為36.907kN。將其分解，則所施加的載荷為x方向5.137kN，y方向36.552kN的應(yīng)力，且考慮周圍土壤條件在管道表面添加土壤壓應(yīng)力70kN/m。進(jìn)行EquivalentStress后處理分析得到結(jié)果如圖所示。圖4.1DN300混凝土管道的應(yīng)力分析云圖由ANSYS分析產(chǎn)生的應(yīng)力和形變圖可以看出，最大應(yīng)力297MPa，遠(yuǎn)大于DN300混凝土管道的破壞強(qiáng)度30MPa。說(shuō)明脹管器在工作負(fù)載情況下，能破壞管道，從而達(dá)到脹破管道，并將碎片其擠入土壤的目的。4.2銷的校核銷的強(qiáng)度校核主要包括銷的抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。本文所設(shè)計(jì)的DN300液動(dòng)脹管器所采用的銷的材料為40Cr，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，該材料的抗拉強(qiáng)度極限σb=735MPa，許用剪切應(yīng)力圖4.2銷受力分析圖圖4.3銷位置圖（1）連桿連接塊與連桿相連接的銷的校核其中a=10銷的剪切應(yīng)力達(dá)到安全極限時(shí)的拉力F剪τ=F剪(2*F故連桿連接塊與連桿相連接的銷滿足銷的剪切強(qiáng)度校核要求。（2）撐開板與連桿相連接的銷的校核其中a=10銷的剪切應(yīng)力達(dá)到安全極限時(shí)的拉力F剪τF故撐開板與連桿相連接的銷滿足銷的剪切強(qiáng)度校核要求。（3）撐開板與外殼相連接的銷的校核其中a=15銷的剪切應(yīng)力達(dá)到安全極限時(shí)的拉力F剪τF故撐開板與外殼相連接的銷滿足銷的剪切強(qiáng)度校核要求。4.3螺栓的校核在螺栓強(qiáng)度計(jì)算中螺栓螺紋部分危險(xiǎn)截面面積要用計(jì)算直徑dcdc=d1-H式中，d1H-螺紋牙型的三角形高度，對(duì)于普通螺紋，DN300液動(dòng)脹管器的螺栓連接為受拉松螺栓聯(lián)接，該聯(lián)接只受靜載荷。螺栓強(qiáng)度等級(jí)是根據(jù)力學(xué)性能劃分的。本文選用性能等級(jí)為10.9級(jí)的螺栓，螺栓材質(zhì)公稱抗拉強(qiáng)度達(dá)900MPa級(jí)；螺栓材質(zhì)的屈強(qiáng)比值為0.8；螺栓材質(zhì)的公稱屈服強(qiáng)度達(dá)1000×0.9=900MPa級(jí)。4.3.1液壓缸與法蘭盤之間的螺栓校核載荷通過(guò)螺栓組形心，各螺栓分擔(dān)的工作載荷相等。螺栓個(gè)數(shù)為z=6個(gè)，則F=FQz(46xM20其螺紋連接部分的強(qiáng)度條件4Fπdc2≤σσ=σs[Ss]=300式中，σ-不受預(yù)緊力時(shí)，[Ss]取值如下表，表4.1螺栓安全系數(shù)材料M6~M16M16~M30M30~M60碳素鋼5~44~2.52.5~2合金鋼5.7~55~3.43.4~3σ=4F液/6π故液壓缸與法蘭盤之間的螺栓滿足強(qiáng)度校核要求。4.3.2底座與法蘭盤之間的螺栓校核載荷通過(guò)螺栓組形心，各螺栓分擔(dān)的工作載荷相等。螺栓個(gè)數(shù)為z=6個(gè)，則F=6xM16其螺紋連接部分的強(qiáng)度條件4σ式中，σ-不受預(yù)緊力時(shí)，[Ss]取值如表4.1，[σ故底座與法蘭盤之間的螺栓滿足強(qiáng)度校核要求。4.4本章小結(jié)本章介紹了DN300液動(dòng)脹管器的分析校核過(guò)程。首先介紹了有限元分析的原理，對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行了介紹。利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)DN300混凝土管道的受力過(guò)程進(jìn)行分析，不僅添加脹管器對(duì)管道的作用力，還添加了土壤的壓應(yīng)力，是得對(duì)管道情況的分析更加全面，驗(yàn)證了脹管器在正常工作情況下能破壞管道這一結(jié)論。還運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)脹管器的主要連接部分所用的銷和螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，其結(jié)果滿足強(qiáng)度要求，保證了脹管器的安全可靠。

5結(jié)論隨著城市的發(fā)展，地下市政管網(wǎng)不斷擴(kuò)大，許多排水管道出現(xiàn)破損，急待修復(fù)和更換。傳統(tǒng)的開挖方式已不適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，現(xiàn)代非開挖管道更換技術(shù)將逐步成為地下管道修復(fù)和替換的主流。本文基于非開挖技術(shù)，主要設(shè)計(jì)一種適用于DN300混凝土管液動(dòng)脹管器。以液壓為動(dòng)力，通過(guò)連桿將液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成撐開板的圓周運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到脹破混凝土管的目的。對(duì)液動(dòng)脹管器主要零部件如脹管器外殼、撐開板、連桿、連桿連接塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)受力分析對(duì)液壓缸進(jìn)行了選型。用ANSYS軟件對(duì)管道受力進(jìn)行分析，驗(yàn)證脹管器能破壞混凝土管這一結(jié)論，同時(shí)對(duì)脹管器連接部分用的銷和螺栓進(jìn)行校核，計(jì)算結(jié)果表明其強(qiáng)度滿足要求。本設(shè)計(jì)為脹管器的相關(guān)研究提供了新的思路，有利于非開挖脹管法應(yīng)用于工程實(shí)際。所設(shè)計(jì)脹管器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、安全可靠、重量較輕，能滿足使用需求。另外，運(yùn)用相同的工作原理還可以設(shè)計(jì)出針對(duì)不同管規(guī)格的脹管器。參考文獻(xiàn)[1]陳家駿.非開挖技術(shù)在排水工程中的應(yīng)用研究[D].同濟(jì)大學(xué),2008.[2]牽引管在實(shí)際工程中應(yīng)用淺析[J].徐英姿,畢明光.科技資訊.2007(29).[3]市政排水管道工程施工質(zhì)量通病分析及預(yù)防措施[J].梁明新,楊利真.廣東建材.2007(09).[4]汪菲茜.市政排水管道施工、損壞與檢測(cè)方法[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(14):90.[5]周慧青.淺談市政工程非開挖施工技術(shù)[J].建材與裝飾,2017(27):17-18.[6]張付生.非開挖技術(shù)在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(35):128-129.[7]曹建華,于勇.非開挖技術(shù)在給排水管道施工及修復(fù)中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2008(08):170-171.[8]沙永柏.JFK-15型非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)的研制及其液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真研究[D].吉林大學(xué),2007.[9]靳學(xué)峰.脹管法在管線更換方面的應(yīng)用[A].中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)(ChinaSocietyforTrenchlessTechnology).2006非開挖技術(shù)會(huì)議論文專輯[C].中國(guó)非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)(ChinaSocietyforTrenchlessTechnology):非開挖技術(shù)雜志,2006:5.[10]胡冰.定向鉆施工中對(duì)地下管線損壞的預(yù)防措施[J].上海煤氣,2005(04):5-7.[11]顏純文.我國(guó)非開挖行業(yè)現(xiàn)狀與展望[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(10):56-60.[12]伍曉龍,董向宇,王舒婷.液壓裂管技術(shù)在污水管道原位置換中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(09):77-80.[13]D.N.Chapman,P.C.F.N