李智剛

摘 要 為加快國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家加大投入基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，作為交通命脈的鐵路和公路近年來進(jìn)入了大規(guī)模建設(shè)期，重點(diǎn)工程由東到西、從南到北全面展開。由于我國南方大多為丘陵或山區(qū)地形，建設(shè)過程中隧道施工數(shù)量眾多，因此迫切需要隧道快速施工設(shè)備。

現(xiàn)階段，雖然已經(jīng)將TMB列為大型隧道施工的重要設(shè)備，但是，鉆爆法仍然是隧道施工的重要技術(shù)。實(shí)踐證明，在鉆爆法實(shí)施中裝碴運(yùn)輸工序是隧道施工中占用工期最長的工序，對整個(gè)工程的進(jìn)度有直接影響，為了保證施工進(jìn)度，施工單位在出碴工序都配有較多的機(jī)械化出碴設(shè)備，對于空間小的隧道裝碴快速、高效，適合場地狹小空間狹矮作業(yè)的隧道挖裝機(jī)得到了充分的展示【1】。

與此同時(shí)，鐵路、公路隧道的大量修建，斜井、聯(lián)絡(luò)通道等小斷面、長距離輔助坑道數(shù)量增多；城市地下空間的開發(fā)，淺埋暗挖法的普遍實(shí)施，對隧道挖裝機(jī)這種出碴設(shè)備的需求也將增大。開發(fā)、生產(chǎn)出性能優(yōu)越，可靠性高的國產(chǎn)隧道挖裝機(jī)，對降低施工成本，促進(jìn)施工企業(yè)又好又快發(fā)展具有非常重要的意義。

針對隧道施工工況對隧道挖裝機(jī)的裝碴要求，文章對我公司研制的普通型隧道挖裝機(jī)的裝載系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)匹配性及穩(wěn)定性等技術(shù)研究，以提高其在隧道中作業(yè)時(shí)的碴料裝載效率。

關(guān)鍵詞 隧道挖裝機(jī) 裝載系統(tǒng) 技術(shù)研究

前 言

隧道挖裝機(jī)又叫扒碴機(jī)、挖斗裝載機(jī)、巖巷掘進(jìn)機(jī)。常用于鐵路、公路、礦業(yè)、水利水電等小斷面隧道巖巷的挖掘裝運(yùn)施工。適合在空間狹窄、大型機(jī)械難以到位施工的隧道、礦洞、巷道、斜巷斜井、涵洞等進(jìn)行施工。

隧道挖裝機(jī)集扒、挖、裝、運(yùn)、卸、行走于一體，集成了行走、挖掘、采集、輸送、裝車、場地平整等六種功能。改變了過去隧道施工的半機(jī)械化狀態(tài)隧道挖裝機(jī)按動力系統(tǒng)分為：內(nèi)燃型、電動型和內(nèi)燃——電動混合動力型。小型隧道挖裝機(jī)多采用單一的內(nèi)燃型或電動型。內(nèi)燃型機(jī)動性好，但污染大，常用于小斷面、短距、無防爆要求的巷道施工；電動型常用于小型、長距礦井，在瓦斯等有安全要求的環(huán)境下可采用具有隔爆功能的電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。中型和大型常采用內(nèi)燃——電動混合動力型，適用于非瓦斯的長大隧道工作環(huán)境。

隧道挖裝機(jī)按行走結(jié)構(gòu)形式分為：輪胎式、履帶式、軌道式、履帶——軌道復(fù)合式。小型隧道挖裝機(jī)多采用輪胎式結(jié)構(gòu)，中型和大型隧道挖裝機(jī)常采用履帶式結(jié)構(gòu)，為方便地下井巷及隧道施工還專門設(shè)計(jì)了有軌道式隧道挖裝機(jī)。同時(shí)，為了方便長大隧道施工，大型隧道挖裝機(jī)常加裝軌道行走機(jī)構(gòu)。

按刮板驅(qū)動形式分為單鏈及單驅(qū)動、單鏈及雙驅(qū)動、雙鏈及單驅(qū)動和雙鏈及雙驅(qū)動等四種形式。

按爬坡能力分為普通型和大坡度型。

上世紀(jì)80年代，中國中鐵開始引進(jìn)日本隧道挖裝機(jī)，并用于南昆鐵路米花嶺隧道的施工，由此開始了隧道挖裝機(jī)在國內(nèi)隧道施工中的應(yīng)用。上世紀(jì)90年代，為了提高隧道施工效率，我國利用德國無息貸款大量引進(jìn)德國夏夫公司生產(chǎn)的隧道挖裝機(jī)，從此，大型隧道挖裝機(jī)在我國隧道機(jī)械化施工中開始大范圍應(yīng)用。隨后，國內(nèi)也涌現(xiàn)了多家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的隧道挖裝機(jī)專業(yè)廠家。因此，開發(fā)、生產(chǎn)出性能優(yōu)越，可靠性高的國產(chǎn)隧道挖裝機(jī)，對降低施工成本，促進(jìn)施工企業(yè)又好又快發(fā)展具有非常重要的意義。

文章所述為我公司研制的履帶式普通型隧道挖裝機(jī)，由挖掘系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)組成，如圖1所示。文章僅針對隧道挖裝機(jī)的裝載系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)研究。

1.裝載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

裝載系統(tǒng)是隧道挖裝機(jī)的重要組成部分，主要承載著在隧道施工中礦石土料的傳送和裝載，但是，在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多設(shè)計(jì)問題，影響了實(shí)際出碴裝碴的連續(xù)性。該裝載系統(tǒng)主要由運(yùn)輸槽、傳送裝置、液壓系統(tǒng)等三部分組成，如圖2所示。

運(yùn)輸槽結(jié)構(gòu)改變了以往的中斷圓弧變角度整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而采用了多節(jié)制直長式便于拆卸的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由進(jìn)料槽、前段槽、防撞過渡槽、連接槽、尾槽、右積碴板、左積碴板等焊接件組成，如圖4所示。

1.2.1 運(yùn)輸槽節(jié)段聯(lián)接

以往運(yùn)輸槽的節(jié)段聯(lián)接裝配多采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，運(yùn)輸槽在出碴裝碴時(shí)需承載礦石土料，且尾部會產(chǎn)生一定的彎矩，使得單一的高強(qiáng)度螺栓承載了更大的剪切力和拉伸載荷。通過技術(shù)理論分析，在節(jié)段聯(lián)接的兩塊連接板增加限位槽，安裝限位板主要承載剪切力和拉伸載荷，提高高強(qiáng)度螺栓的抗剪切和抗拉伸能力，如圖5所示。

1.2.2 傳送裝置的傳動鏈壓條的改進(jìn)

傳送裝置含有雙排滾子傳動鏈，刮板介于雙鏈之間，采用鏈銷聯(lián)接，在鏈條的正上方設(shè)計(jì)了壓條，液壓馬達(dá)直接驅(qū)動主動鏈輪軸，實(shí)現(xiàn)碴料傳送裝載。在實(shí)際使用過程中，傳動鏈與壓條由于擠壓作用，磨損十分嚴(yán)重，需更換壓條，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重的鏈下翻碴和卡鏈現(xiàn)象1.2.3 主動鏈輪機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

對國內(nèi)外同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了引進(jìn)、消化，吸收，再創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)的焊接式整體主動輪支架和通軸式主動軸，研制了具有高可靠性和高維護(hù)性的可拆卸式主動鏈輪機(jī)構(gòu)。

由于主動鏈輪機(jī)構(gòu)是易損件需更換，原結(jié)構(gòu)更換時(shí)需整體拆卸主動機(jī)構(gòu)，耗時(shí)長且勞動強(qiáng)度大。通過對整體結(jié)構(gòu)的合理分析和驗(yàn)證，將主動軸設(shè)計(jì)為可拆式多零件組合，采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，形成了剛性結(jié)構(gòu)，有利于易損零件的維修或更換，大大提高了拆裝效率，有效降低了維修成本。

2.液壓系統(tǒng)的技術(shù)研究

目前，國內(nèi)同行業(yè)產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)采用的是最為簡單的節(jié)流調(diào)速控制方式，會造成大量的功率損失。近年來，負(fù)載敏感控制系統(tǒng)是在我國工程機(jī)械或船舶機(jī)械領(lǐng)域獲得廣泛推廣和應(yīng)用的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)合我公司研制的隧道挖裝機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，采用恒功率負(fù)載敏感控制系統(tǒng)。負(fù)載敏感控制系統(tǒng)是指將壓力、流量和功率變化信號向閥或泵進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)控制功能。采用負(fù)載敏感控制系統(tǒng)可降低液壓系統(tǒng)能耗，提高生產(chǎn)效率。

負(fù)載敏感控制技術(shù)利用負(fù)載變化引起的壓力變化去調(diào)節(jié)變量泵的壓力與流量以滿足系統(tǒng)的實(shí)際工作需求。

從其液壓原理可知，變量液壓缸的控制柱塞的運(yùn)動受負(fù)載敏感閥芯3的控制，它決定泵的排量。負(fù)載敏感控制過程分為壓力適應(yīng)、功率適應(yīng)和流量適應(yīng)三個(gè)過程。

在壓力適應(yīng)過程中，泵的輸出壓力自動跟隨負(fù)載壓力的變化而變化，其間流量保持穩(wěn)定，在此工況下負(fù)載敏感閥3右端作用著彈簧力和節(jié)流閥5的出口壓力，左端作用著泵的出口壓力，即節(jié)流閥的進(jìn)口壓力，節(jié)流閥的進(jìn)出口壓力差由彈簧力設(shè)定；因此在壓力切斷閥4不工作時(shí)，節(jié)流閥5流量變化引起壓降的變化將使閥芯運(yùn)動，從而控制柱塞的運(yùn)動，以改變泵的排量，維持泵的輸出流量為設(shè)定值。

2.3 系統(tǒng)的基本類型

根據(jù)壓力補(bǔ)償閥在液壓回路中的位置，可以將負(fù)載敏感控制系統(tǒng)分為閥前補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)LS和閥后補(bǔ)償?shù)呢?fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)。

2.3.1 閥前補(bǔ)償

閥前補(bǔ)償是負(fù)載敏感系統(tǒng)較為傳統(tǒng)的壓力補(bǔ)償方法。壓力補(bǔ)償閥位于主閥節(jié)流口之前，將主閥口后的負(fù)載壓力引入壓力補(bǔ)償閥，且補(bǔ)償閥彈簧腔引入的壓力是本回路的負(fù)載壓力。工作時(shí)，壓力補(bǔ)償閥通過其內(nèi)部截流口開度的變化來調(diào)整主閥口前的壓力，使主閥口前后的壓差為常值，這樣主閥芯控制截流面積的變化來控制并分配流量，流量大小就只與該閥口的開度有關(guān)，而不受負(fù)載壓力的影響，提高了閥的控制性能。

2.3.2 閥后補(bǔ)償

閥后補(bǔ)償具有抗飽和功能的負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)，則是把壓力補(bǔ)償閥設(shè)在主閥節(jié)流口之后，并以負(fù)載最高壓力來控制泵和壓力補(bǔ)償閥

即使泵的流量小于系統(tǒng)復(fù)合運(yùn)動所需的流量，系統(tǒng)也會按比例將流量分配給各執(zhí)行元件，而不是流向負(fù)載壓力低的執(zhí)行元。這樣各個(gè)動作的相對速度就不會發(fā)生變化，從而保證了動作的協(xié)調(diào)性，避免沖擊。

2.4 負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)工作原理

當(dāng)通過所有的閥截留面的流量小于泵所能提供的流量時(shí)，主閥節(jié)流口兩端的壓差近似地等于變量泵流量控制器（即壓差調(diào)節(jié)閥）的設(shè)定壓差，壓力損失時(shí)在泵到節(jié)流口的油路上。

負(fù)載最高壓力通過負(fù)載敏感油路傳遞到負(fù)載壓力低的壓力補(bǔ)償閥彈簧腔內(nèi)，其控制閥節(jié)流口后的壓力也等于負(fù)載壓力。

兩個(gè)控制閥節(jié)流口兩端的壓差為 。

總之，各個(gè)執(zhí)行器的控制閥節(jié)流口兩端的壓差始終相同，但是其值不是定值，而是和負(fù)載壓力相關(guān)的，由此實(shí)現(xiàn)了流量的比例分配。隨著不飽和度的增加，泵的壓力減小，控制閥節(jié)流口兩端的壓差以及流量都要減小，各個(gè)執(zhí)行器按照各自控制閥節(jié)流口的開度為比例降低速度。即使在飽和的情況下，高負(fù)載的執(zhí)行器也不會立即停止。

3.對開發(fā)國產(chǎn)隧道挖裝機(jī)的幾點(diǎn)思考

（1） 要保證質(zhì)量和可靠性。國產(chǎn)隧道挖裝機(jī)開發(fā)要堅(jiān)持高起點(diǎn)、高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)、高性價(jià)比。

（2） 要緊密結(jié)合施工。鑒于國內(nèi)隧道施工實(shí)際情況，使用隧道挖裝機(jī)不可避免地要進(jìn)行找頂或清底作業(yè)，當(dāng)巖石較硬時(shí)，對個(gè)工作機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度就有了更高的要求，在挖掘裝置強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有一定的富裕。

（3） 綜合國內(nèi)隧道鉆爆法施工出碴裝碴特點(diǎn)。由于隧道狹小空間，嚴(yán)重制約了大型機(jī)械設(shè)備的到位，最好該機(jī)能集成集鑿巖、出碴裝碴兩種功能。

（4） 挖掘系統(tǒng)應(yīng)留有選裝液壓破碎錘、橫向切削裝置（銑挖頭）等等的接口，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，最大限度的發(fā)揮設(shè)備效益。

（5） 要堅(jiān)持學(xué)習(xí)借鑒與自主創(chuàng)新相結(jié)合。引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，元器件注重國產(chǎn)化，以便于維修。

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