TBM1标主支交叉扩大洞室施工布置方案.docx
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TBM1标主支交叉扩大洞室施工布置方案.docx
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TBM1标主支交叉扩大洞室施工布置方案
TBM1标主支交叉段扩大洞室施工布置
1、工程综述
1.1工程概况
本标段工程主要包含进洞支洞、总干3#隧洞(以下简称“主洞段”)、23#通风支洞和拆卸洞室。
进洞支洞终点里程(SJ5+281.81)交于主洞段起点里程(77+040.90)。
与本次洞内工业广场规划有关的设计参数主要为:
1.1.1主洞进洞支洞:
总长5281m。
SJ0+200~SJ5+5281.81段为TBM施工段。
(1)平面线形:
SJ0+000~SJ4+706.89段为直线段,SJ4+706.89~SJ5+5281.81段总长574.92m为平曲线段,转弯半径R=800m;
(2)竖曲线线形:
SJ0+52.54~SJ4+653.35为下坡段,纵坡坡度为3.857%;SJ4+653.35~SJ4+691.89段为竖曲线段,曲线半径R=1000m;SJ4+691.89~SJ5+5281.81段为平段,与主干隧洞顺接。
(3)结构设计:
SJ0+200~SJ5+281.81段为TBM施工段,具体结构型式同主洞段。
1.1.2总干3#隧洞(以下简称“主洞段”):
里程桩号为:
总干3#洞77+040.90~98+070.20,总长21.029Km,线路纵坡为1/2500(0.04%),洞底高程为997.73m~989.32m。
主洞采用TBM施工,断面为圆形,管片内直径4.3m,管片厚度25cm,管片外直径4.8m,为预制C45混凝土管片拼装式结构,四片管片组成一环,管片型式为六边形蜂窝状结构,管片与围岩之间的空隙,用豆砾石充填并进行回填灌浆。
1.2水文地质概况
1.2.1、水文地质
本次工程水文地质研究范围为以主、支洞交接点前后各1km洞线范围。
根据工程勘察文件相关资料显示,该范围(2Km)隧洞均位于地下水位以上。
1.2.2、分段地质评价
进洞支洞段:
桩号4+307.4~5+007.4地段:
洞身穿过的地层为奥陶系中统下马家沟组中段,地层岩性为灰黑色、暗灰色厚层灰岩夹灰黄色泥灰岩,泥灰岩厚度不大于5m。
隧洞围岩为软~中硬岩。
根据瞬变电磁法物探勘察资料,该段电阻率等值线为低阻异常,推测桩号4+381.9、4+519.4、4+694.4、4+948.4分别存在断层F4、F5、F6、F7,该段处于断层破碎带及影响带内,岩石破碎,岩体完整性差,建议围岩单位弹性抗力系数K=50~100MPa/m,坚固系数f=0.5~1.5,泊松比μ=0.35~0.45,变形模量E=0.05~0.5GPa。
围岩工程地质分类为Ⅴ类,围岩极不稳定,不能自稳,变形破坏严重。
桩号5+007.4~5+281.81地段:
洞身穿过的地层为奥陶系中统下马家沟组段上及中段。
上段地层岩性为灰黑色、暗灰色厚层灰岩,底部为厚度不大于5m灰黄色泥灰岩;中段地层岩性为灰黑色、暗灰色厚层灰岩夹灰黄色泥灰岩,泥灰岩厚度不大于5m。
根据瞬变电磁法物探勘察资料,该段电阻率等值线为低阻异常,且根据钻孔ZK12ZT-1资料,岩芯采取率及RQD值均较小,推测该段岩体完整性较差。
灰岩洞段围岩为中硬岩,建议围岩单位弹性抗力系数K=100~300MPa/m系数f=1~2.5,泊松比μ=0.32~0.35,变形模量E=0.5~2GPa。
围岩工程地质分类为Ⅳ类,围岩不稳定,自稳时间很短,规模较大的各种变形和破坏都可能发生,Ⅳ类围岩约占该段长度的90%。
泥灰岩洞段围岩为软~较软岩,建议围岩单位弹性抗力系数K=50~100MPa/m,坚固系数f=0.5~1.5,泊松比μ=0.35~0.45,变形模量E=0.05~0.5GPa。
围岩工程地质分类为Ⅴ类,围岩极不稳定,不能自稳,变形破坏严重,Ⅴ类围岩约占该段长度的10%。
主洞段:
桩号77+040.9~78+032.7地段:
地面高程1252~1368m,洞底埋深250~365m。
洞身穿过的地层为奥陶系中统下马家沟组上段,地层岩性为灰黑色、暗灰色厚层灰岩,底部为厚度不大于5m灰黄色泥灰岩。
岩溶地下水位位于洞底以下,可能存在层间水。
隧洞开挖时有遇到溶洞的可能。
根据人工源大地电磁法物探勘察,该段电阻率洞身处电阻率相对较低,等值线弯曲;且在桩号77+040.9处布置一钻孔,根据钻孔资料,该处岩芯采取率及RQD值均较小,推断该处岩体破碎,施工时应引起注意,必要时可加强支护。
灰岩洞段围岩为中硬岩,建议围岩岩体单位弹性抗力系数K0=100~300MPa/m,坚固系数fk=1~2.5,泊松比μ=0.32~0.35,变形模量E=0.5~2GPa。
围岩工程地质分类为Ⅳ类,约占该段长度的95%。
泥灰岩洞段围岩为软~较软岩,建议围岩单位弹性抗力系数K0=50~100MPa/m,坚固系数fk=0.5~1.5,泊松比μ=0.35~0.45,变形模量E=0.05~0.5GPa。
围岩工程地质分类为Ⅴ类,约占该段长度的5%。
1.2.3、围岩分类
洞段
桩号
Ⅴ类
Ⅳ类
Ⅲ类
起点
终点
长度(m)
长度(m)
长度(m)
进洞支洞
4+307.40
5+007.40
700.0
5+007.40
5+281.81
27.441
246.969
主洞段
77+040.9
78+032.7
49.6
942.2
1.3编组列车设计概况
根据总体进度要求及机车特性,支洞编组列车3列,主洞编组列车7列。
因支洞与主洞工况差异大,列车设计运行速度、机车型号选择等均不一,具体如下所述。
1.3.1、主洞段
每列车基本编组为:
1节平板车+1节牵引机车+1节人车+8节12m3渣车+1节6.2m3豆砾石运输车+2节平板车+4节管片车,每列编组长度113m。
1.3.2、支洞段
支洞段列车编组为(支洞出渣系统采用连续皮带机):
1节平板车+1节牵引机车+1节人车+1节6.2m3豆砾石运输车+2节平板车+4节管片车,每列编组长度为54.79m。
1.3.3、编组列车对净空尺寸的要求
编制列车的最大断面高度为1.8m(自轨面开始计算),最大断面宽度为1.4m。
以其中一个断面为例,如下图所示。
1.4施工08标概况
福建省水利水电工程局有限公司中标承建山西省中部引黄工程08标,其施工洞段与本标段主洞起点(里程:
总77+040.90,洞底高程997.73)相连接。
TBM1标主、支洞洞内工业广场需向08标段延伸。
2、主支交叉扩大洞室需要规划的功能
2.1、转渣场地
由于主、支洞的工况特性差异大,主洞出渣采用编组列车,支洞采用皮带机。
因此,该工业广场将作为主、支洞间渣土转运场,必须具备快速转运渣土的能力,以不影响TBM施工。
转渣场的规划设计要求不仅能满足翻渣机的布设,满足倒渣需要,而且还要满足主、支洞编组列车之间的组、解编组需要,维持整个运输系统编组列车的正常运转。
2.2、机车维保场地
当TBM进入主洞施工后,由于坡度变缓且随着隧道施工长度的增加,物资设备的运输及出渣功效高低将直接决定TBM的施工效率。
为此,需从方案上就如何保证TBM在主洞施工功效进行着重研究。
为提高编组列车的可靠度稳定性,拟在该洞内工业广场预留一定的空间作为机车编组维保区,要求该区域能停下主洞内所有的总计7列编组列车。
2.3、调度指挥中心
由于主洞起点距离洞外长达5.28km,且机车运行为爬坡路段。
为此,为保证主洞段快速正常施工,且能针对突发情况迅速做出应对措施,拟在该工业广场设计一调度指挥中心,以形成洞外场地——洞内调度中心——TBM施工作业区的三点指挥系统,为洞外物资准备、TBM施工两区域做好纽带服务作用。
2.4、应急物资储备
根据工程地质勘查资料显示,在主洞段大里程段,隧洞位于地下水位以下,且分布有5条断层带。
为此,为在突发情况发生时,能做到迅速响应,应急物资,如水泥、钢管等材料能迅速到位,拟在该工业中心预留一应急物资堆放区。
2.5、反坡排水调蓄水池
由于本工程TBM均为反坡施工,且施工距离长,隧洞埋深大。
因此,反坡施工排水及应急排水就将作为本工程的必须重点研究的内容着重考虑。
拟在该洞内工业广场内设计一排水调蓄池,一方面用于施工废水及应急产生的突涌水的调蓄所需,另一方面用于大功率排水泵的安装所需。
2.6、工具库房
由于在对机车编组以及皮带维保过程中,预计需要使用到的工器具数量、种类较多,其中不乏体积、重量均较大的工器具。
为此,拟在该洞内工业广场布置一工器具房。
2.7、变压器配电站
由于洞内施工距离长,且施工排水、照明、翻渣机等用电量大,拟在该洞内工业广场划出专门位置,供变压器、配电柜的安装。
3、扩大洞室施工布置
3.1扩大洞室施工布置原则
根据施工项目、施工方案和周围环境,本着“因地制宜,节约用地,施工必需”的原则进行临时工程布设。
并注意环境保护和水土保持工作。
(1)设计能力满足TBM最高效率要求;
(2)TBM进度指标:
最高日进尺67.2m,最高月进尺1680m,平均月进尺750m;
(3)满足施工调度需求;
(4)满足主洞采用机车运输出渣,洞内翻渣转料,支洞采用连续皮带机出渣的功能需求;
(5)满足材料运输主、支洞全部采用机车运输的调度需求;
(6)满足渣斗车长期处于洞内,针对轮对轴承的润滑、保养和更换需求;
(7)满足洞内调蓄集中排水的需求;
(8)满足应急物资临时存放的需求;
(9)尽可能减少扩大洞室施工对主洞TBM的施工干扰;
(10)扩大洞室的施工工程量应优化到最小;
(11)满足TBM部分备件的临时存放;
(12)满足隧洞通风需求;
(13)满足场区物资装卸和设备、材料吊装的需求;
(14)满足翻渣机洞内组装、检修和拆卸的需要;
(15)满足装载皮带机安装、维护和拆卸的需要;
(16)满足施工调度和作业人员安全通道需求;
3.2、扩大洞室施工布置说明
(1)根据列车编组调度需求,洞内需要布置翻渣(包括空车停放)、回车、进洞编组和出洞编组4条线路;
(2)主洞列车编组长度113m,因此进洞编组线路的长度应不少于120m(不包括道岔);
(3)考虑到翻渣对隧洞交通的干扰因素降低到最小,翻渣的线路长度应不小于120m(不包括道岔);
(4)翻渣后空渣车的临时存放线路长度应不小于65m(不包括道岔);
(5)道岔转弯半径按50m考虑;
(6)翻渣台按长度×宽度=15.16×6.0m考虑,轨道以上按3.5m考虑,翻渣坑深度按4.6m考虑;
(7)扒渣设备(按扒渣机和反铲挖掘机比较分析论证后确定)布置通道按3.0m考虑,转渣能力必须满足施工调度需求;
(8)转渣采用2条皮带机,出渣能力与支洞皮带机(600t/h)相匹配;
(9)排水泵站水池按150m3能力设计;
(10)洞内调度中心面积按40m2考虑;
(11)物资存放平台按300m2考虑;
(12)洞内不设置油库,机车统一到洞外加油;
(13)备件库按40m2考虑;
(14)列车编组之间的间距:
出洞编组与洞壁之间按1.0m考虑,出洞编组与进洞编组之间按0.2m考虑,进洞编组与回车编组之间按1.0m考虑,回车编组与翻渣机之间按0.6m考虑;
(15)转渣皮带机每侧的人行通道按0.6m考虑;
4、方案比选
4.1、方案一(转渣和车辆调度全部在扩大洞内完成)
扩大洞室长度达到288m,宽度达到16m;见附图
优点:
(1)转渣和车辆调度全部在扩大洞室内完成,调度比较方便;
(2)扩大洞室两端不需要加工布置错车平台;
缺点:
(1)扩大洞室施工工程量偏大;
(2)扩大洞室跨度大,洞室开挖长,施工难度大;
(3)转渣皮带机长度较长;
4.2、方案二(扩大洞室仅完成转渣任务)
扩大洞室长度达到235m,宽度达到12m,见附图
优点:
(1)扩大洞室施工工程量较小;
(2)扩大洞室跨度较小,洞室开挖长度缩短,施工难度减小;
缺点:
(1)车辆调度需要在扩大洞室两端错车平台和扩大洞室之间进行,调度相对复杂;
(2)需要额外加工布置2座错车平台。
4.3、方案三(绕洞施工方案)
优点:
(1)扩大洞室施工工程量较小;
(2)扩大洞室跨度较小,洞室开挖长度缩短,施工难度减小;
(3)钻爆法施工阶段对主洞的干扰最小;
缺点:
(1)车辆调度需要在扩大洞室两端错车平台和扩大洞室之间进行,调度相对复杂;
(2)需要额外加工布置2座错车平台;
(3)绕行布置,使皮带机的布置难度增加。
4.4、造价分析
TBM1标主支交叉扩大洞室施工布置方案造价分析表
序
号
项目名称
规格型号
单位
数量
单价
(元)
总价
(元)
一
方案一
1
建筑工程
1.1
石方洞挖
m3
1.2
喷射混凝土
C20
m3
1.3
型钢拱架
H250
t
1.4
系统锚杆
φ28,L=5m
根
1.5
锁脚锚杆
φ28,L=3m
根
1.6
超前锚杆
φ28,L=5m
根
1.7
C30混凝土
m3
1.8
钢筋
t
1.9
预埋件
t
1.10
调度室
m2
2
安装工程
2.1
1#转渣皮带机
宽800m,出渣能力500t/h
台
1
2.2
1#转渣皮带机
宽800m,出渣能力500t/h
台
1
2.3
翻渣机
台
1
2.4
电动单梁悬挂式起重机
10t
台
1
2.5
电动葫芦
10t
台
2
2.6
箱式变电站
KGS-630KVA/10KV/0.4KV
台
1
2.7
排水泵
台
2
2.8
道岔
套
6
2.9
轨道
t
合计(元)
二
方案二
1
建筑工程
1.1
石方洞挖
m3
1.2
喷射混凝土
C20
m3
1.3
型钢拱架
H250
t
1.4
系统锚杆
φ28,L=5m
根
1.5
锁脚锚杆
φ28,L=3m
根
1.6
超前锚杆
φ28,L=5m
根
1.7
C30混凝土
m3
1.8
钢筋
t
1.9
预埋件
t
1.10
调度室
m2
2
安装工程
2.1
1#转渣皮带机
宽800m,出渣能力500t/h
台
1
2.2
1#转渣皮带机
宽800m,出渣能力500t/h
台
1
2.3
翻渣机
台
1
2.4
电动单梁悬挂式起重机
10t
台
1
2.5
电动葫芦
10t
台
2
2.6
箱式变电站
KGS-630KVA/10KV/0.4KV
台
1
2.7
排水泵
台
2
2.8
道岔
套
6
2.9
轨道
t
2.10
1#错车平台
长190m
套
2.11
2#错车平台
长130m
套
合计(元)
5、出渣系统选型
5.1、可供选择的转渣方案
(1)转渣方案一
采用扒渣机与位移式(滑移式)装载机配合装渣,转载皮带机转渣到支洞皮带机;
(2)转渣方案二
采用短臂挖掘机装渣,转载皮带机转渣到支洞皮带机;
(3)转渣方案三
翻渣坑采用地笼设计,通过卸料门出渣,转渣皮带机转渣到支洞皮带机;
5.2、转渣方案比选
目前仅仅从功能上进行比选,方案的确定需要在设备选型完成后磁能最终确定。
(1)转渣方案一需要两台设备才能完成装渣,而且耙渣机需要改造,以适应前后移动转渣到转渣皮带机接料斗;扒渣机为电驱动,洞室内不造成二次污染,位移式装载机(内燃机驱动)为配合使用,功率小且使用时间短,给隧洞通风造成的压力较小;
(2)转渣方案二采用短臂挖掘机装渣需要充分考虑回转半径与装载能力的匹配,需要在进一步与设备厂家沟通,短臂挖掘机(内燃机驱动)长期使用对洞室通风压力较大;挖掘机尾部需要的回转空间较大,导致洞室局部断面加大;
(3)转渣方案三翻渣坑采用地笼设计,通过卸料门卸料到转渣皮带机转渣到支洞皮带机,对洞室没有污染,但地笼结构复杂,渣料的流动性差,块径级差大,堵仓门事件会频繁发生,一旦料门故障又会压死转渣皮带机,造成地笼清理困难。
6、设备选型
6.1、转渣设备选型
6.1.1扒渣机选型
6.1.1.1扒渣机优点:
(1)轻巧灵活
扒渣机身可四轮驱动胶轮胎或履带,前后移动行走自如,左右转向比较灵活。
耙斗机机前后行走自身没有动力电源,必须靠绞车和电瓶车等外部牵引而在轨道上运行,速度较慢,经常出现掉道现象,处理上轨道比较困难。
(2)扒货阻力小
扒渣机出货是靠前臂将挖斗上下升降进行扒货,前后行程较短,阻力较小。
耙斗机出货是靠钢丝绳牵引耙子自重下砸兜货,行程8~24米,阻力较大,经常出现断绳、夹绳、打齿或烧毁电机等。
(3)出货干净
扒渣机出货不留死角,挖斗大臂左右各能回转73°角,任何角落的货都能扒到,铲板能平整底板的浮货,当班的货都能及时出净,场子面一班一利索。
耙斗机出货耙子是靠钢丝绳牵引直线运行,经常出现两帮夹一沟,场子面始终有存货并有死角,不利于人员行走和运送设备配件、工具等。
(4)装车速度快
扒渣机挖斗行程比较短,挖斗扒货装车比较快。
耙斗机耙子行程8—24米,比较长,是扒渣机挖斗行程的4—13倍,装车较慢,效率低。
(5)装车比较满
扒渣机挖斗扒货,皮带运货,皮带尾高度自身油缸可调升降,加机身前后自动行走移动,装货可超出车沿隆起,货装的比较满。
耙斗机耙子兜货在固定尺寸下料口下放货,机身固定不能移动,装货时矿车四角凹、中间凸,平均也就是平车,装货不满。
(6)功率小、节能省电
扒渣机总功率小,效率高,用电时间短,消耗小。
耙斗机干同样工作用电长,消耗是扒渣机的6倍。
(7)易损部件少
扒渣机是由电动系统和液压系统两大部分组成,由于扒货阻力小,电动系统和液压系统操作稳定不易损坏,机械事故率很低。
耙斗机是靠钢丝绳牵引耙子往返出货,阻力较大,造成耙齿与货或底板往返多次摩擦,钢丝绳和导向轮互相摩擦,经常出现齿折、轮坏、绳断,甚至造成电机过负荷烧毁等。
机械故障频繁发生,事故率很高。
更换或维修时间较长,影响正常生产。
(8)安全系数高
扒渣机由于身轻体积小,扒货和运货集于一体,在使用过程中操作灵活、方便可靠,高度靠液压系统可自身升降,无需对高度的稳定性进行保护。
耙斗机由于身高体重,各种安全保护比较多,比如支腿、道卡、护栏等,尤其是在装货过程中,耙子与尾槽是撞击过程,稳定性较差,每缺一项都是隐患点,都不利于安全生产。
(9)可分装岩渣
扒渣机出货比较干净,工作面不留余货。
可进行岩渣分装,能更多地回收利用掘进有用渣料。
耙斗机出货不净,工作面始终有余货,岩渣还是掺进原有巷道的余货之内,很难做到岩渣分装。
耙斗机只能进行岩渣混装,不回收,丢失部分掘进有用岩渣,要回收岩渣又增加了废弃岩渣成分。
耙斗机在渣料回收利用巷道使用很不经济。
(10)减轻劳动强度
使用扒渣机出货可减轻工人劳动强度,减员提效、省时省力,是劳动力投入较大机械的替代机械设备。
6.1.1.2操作工要注意的事项:
(1)不适应起坡巷道
扒渣机机体长,只能适用于平坡定向巷道,不适于起坡巷道,一次变方位转角不应超过30°角。
耙斗机相对来说适应性较强,不管定向不定向、也不管起坡不起坡,都能适用。
(2)拆装比较困难
扒渣机是由电动系统和液压系统组成,分解或组装部件较多,拆装比较困难,时间也比较长,不便整机升井和下井。
(3)电缆随机移动
扒渣机前后移动需电动系统完成,电缆也随机前后移动,为避免电缆落地或挤压,需另设人员随机拿电缆,同时还必须戴防高压绝缘手套,不便人员操作。
(4)液压系统部件需保护
工作面放炮期间,需将扒渣机整机移到警戒线以外,液压系统部分胶管加盖,防炮崩皮带加以保护。
(5)岩体不宜过大
扒渣机挖斗是处于扒货状态,岩石块过大、阻力也较大,有时扒不动,使用扒渣机扒货岩石块径不准大于400mm为宜。
6.1.2位移式装载机(滑移式装载机)选型
小型多功能工程机械常用的三种底盘中,微型挖掘机的动力大多在20kW以下,整机质量1000~3000kg、采用履带行走机构,行走速度不足5km/h,多用于农场、园林等小规模的土方作业。
由于其机型偏小,造价较高,目前在国内尚难以普及;挖掘装载机的动力多在30~60kW 机重较大,质量约在5000~8000kg之间,挖掘能力较强,多采用轮式行走机构,全轮驱动,利用转向驱动桥或铰接转向,车速较高,达20km/h以上,国外大量用于农场、基建、道路维修等工程的土石方作业和大型施工现场的辅助性作业。
该机型外形较大,灵活性较差,一般难以适应狭小场地的作业;滑移式装载机亦称多功能工程车,是一种利用两侧车轮线速度差而实现车辆转向的轮式通用底盘,采用轮式行走机构,全轮驱动,滑移转向,可于作业现场随机快速更换或挂接各种工作装置,以适应不同的工作环境和作业内容。
滑移式装载机的动力一般为20~50kW,主机质量2000~4000kg,车速为10~15km/h左右。
其主要是用于作业场地狭小,地面起伏不平,作业内容变换频繁的场合,同时为大型工程机械施工机械辅助设备使用。
6.1.2.1滑移装载机结构特点
滑移式装载机的主机泵系一台前端式装载机,无一例外地被设计为短轴距、短后悬,动臂支承点在车辆后上方。
驾驶室位于两侧动臂间,司机须跨越工作装置才能进入驾驶室内。
仪表盘分置司机左、右侧或布置在前上方。
发动机后置,纵向或横向布置。
不设前后桥,四个驱动轮各自独立悬挂在传动箱(车架)上。
由于轴距短,各轮均为刚性悬挂,车辆高速行驶时,容易发生跳动。
除松土器可固定装设在车辆后部以外,几乎所有的工作装置均系挂接在动臂前端。
挂接方式一般有两种形式,少数如反铲挖掘装置,直接挂接在动臂前端,而绝达多数的工作装置则是公共快换装置与动臂相接。
至于挂接工作装置的快换装置的结构形式,随生产厂家而各异,各有千秋,难分高下。
主机动臂多采用箱形截面结构,借以提高其扭转刚度。
为整机布置所限,动臂提升只能采用双液压缸的形式。
转斗液压缸通常设置在动臂前端,为解决在动臂提升过程种的“铲斗平移”问题,部分机型如ZLY10W采用四连杆结构,以减少动臂提升过程中铲斗的后翻角度,但却有碍司机视野。
即便如此,也依然无法实现动臂下降时的“铲斗自动放平”。
其原型机UNC060别出心裁在动臂后短装设一对补偿缸,使其与转斗缸同向并联,上述“铲斗平移”和“铲斗自动放平”的问题有所改善的同时,巧妙地利用铲斗载荷力矩的作用,增大了动臂提升过程中的提升力。
滑移式装载机的工作装置采用液压传动,其行走驱动系统,除极个别采用皮带传动或链条传动的机型外,滑移式装载机几乎均采用全液压方案,双回路闭式系统、斜盘式双向变量泵、斜轴式高速马达。
由于行走液压回路封闭,车辆停车即制动,不须另设行车制动装置,为消除由于车辆惯性力而产生的过大冲击,液压马达进出处加设限压阀。
液压件多是该回路的特色:
两个行走变量柱塞泵+补油泵,一个工作
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