周遠(yuǎn)航,李劍雄,李大偉

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽，471009)

隧道建設(shè)是鐵路、公路、引水工程等工程建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，往往是一個(gè)工程項(xiàng)目的控制性工程[1]，決定這項(xiàng)目的工期進(jìn)展。我國山嶺隧道大多采用鉆爆法施工[2]，其具有成本低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，錨護(hù)作業(yè)是鉆爆法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]，對隧道施工質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。錨桿臺(tái)車是錨護(hù)作業(yè)施工的主要設(shè)備，其具有自動(dòng)化程度高、安全性強(qiáng)、施工迅速等特點(diǎn)[4]，在許多鉆爆法施工的隧道中得以推廣應(yīng)用。鉆爆法施工的隧道施工環(huán)境較差，錨桿臺(tái)車存在爬坡困難、易打滑、轉(zhuǎn)向動(dòng)力不足、剎車不靈敏等缺點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決隧道錨桿臺(tái)車爬坡動(dòng)力不足、轉(zhuǎn)向困難、剎車性能差等問題，根據(jù)整機(jī)重量及載荷情況，采用邊界條件輸入和類比的方法設(shè)計(jì)一種隧道錨桿臺(tái)車行走系統(tǒng)，對隧道錨桿臺(tái)車行走系統(tǒng)中的輪胎選型、車橋校核、行走阻力、運(yùn)行功率、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件及子系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算和校核，獲得各零部件及子系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)參數(shù)加工制造隧道錨桿臺(tái)車行走系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，行走系統(tǒng)關(guān)鍵零部件及子系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)合理，性能可靠。

1 隧道錨桿臺(tái)車整機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

一種新型自走式隧道錨桿臺(tái)車，該臺(tái)車主要由工作臂、工作平臺(tái)、底盤行走系統(tǒng)、鑿巖系統(tǒng)、錨桿安裝系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空壓機(jī)、水泵等組成，可以一次完成鉆孔、清孔、拌漿、注漿、錨桿安裝等工序，錨桿臺(tái)車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其行走系統(tǒng)依靠發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，主要包括行走、爬坡、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等功能，其主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

1.注漿機(jī) 2.水管卷盤 3.柴油箱 4.水泵 5.液壓油箱 6.電纜卷盤 7.發(fā)動(dòng)機(jī) 8.空壓機(jī) 9.電控柜 10.主電機(jī) 11.鉆臂 12.工作平臺(tái) 13.前支腿油缸 14.主操控臺(tái) 15.駕駛室頂棚 16.車橋 17.后支腿油缸圖1 新型隧道錨桿臺(tái)車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of new type tunnel anchor rig

表1 底盤主要計(jì)算參數(shù)

2 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)底盤主要計(jì)算參數(shù)對隧道錨桿臺(tái)車行走系統(tǒng)中的輪胎選型、車橋校核、行走阻力、運(yùn)行功率、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件及子系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算和校核，獲得各零部件及子系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。

2.1 輪胎選型設(shè)計(jì)

錨桿臺(tái)車整機(jī)自重22000kg，考慮前車輪胎偏載、臺(tái)車操作人員重量及部分負(fù)載，取安全系數(shù)為1.3，臺(tái)車在行走過程中具有振動(dòng)及沖擊，考慮運(yùn)行沖擊系數(shù)，取沖擊安全系數(shù)為1.1，則前輪最大承載力N為：

(1)

式中：G為整機(jī)重力

根據(jù)前輪大承載力N=77.1kN，選用輪胎型號為14.00R24(有內(nèi)胎)，單臺(tái)最大負(fù)荷為85kN，小于前輪大承載力，輪胎直徑為1355mm。

2.2 車橋選型設(shè)計(jì)

錨桿臺(tái)車整機(jī)重量及行走時(shí)的情況與ZL50裝載機(jī)較為類似，因此錨桿臺(tái)車前橋選用ZF AP-412/HK，后橋選用ZF AP-410/HK，相關(guān)參數(shù)見表2。根據(jù)表2可知，前后橋的最大動(dòng)載荷和最大靜載荷的和均大于錨桿臺(tái)車行走時(shí)的最大動(dòng)載荷和最大靜載荷，符合選用條件。

表2 車橋參數(shù)表

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)計(jì)算

錨桿臺(tái)車在行走過程中的運(yùn)行阻力由滾動(dòng)阻力、坡道阻力、加速阻力構(gòu)成[5]，則運(yùn)行阻力F：

F=Ff+Fp+Fg

(2)

式中：Ff為滾動(dòng)阻力，kN；Fp為坡道阻力，kN；Fg為加速阻力，kN。

滾動(dòng)阻力Ff：

Ff=mgfcosα

(3)

式中：m為機(jī)械運(yùn)行質(zhì)量，kg；α為道路坡度角，度；g為重力加速度，取9.8；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.036。

平坡時(shí)的滾動(dòng)阻力Ff1為

Ff1=mgfcosα=22000×9.8×0.036×1=7761.6N

(4)

25°坡時(shí)的滾動(dòng)阻力Ff2為

Ff2=mgfcosα=22000×9.8×0.036×0.906=7032.01N

(5)

坡道阻力Fp：

Fp=mgsinα

(6)

25°坡時(shí)的坡道阻力Fp為

FP=mgsinα=22000×9.8×0.423=91198.8N

(7)

加速阻力Fg：

(8)

(9)

式中：im為傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比，取值1.5；J2為變矩器渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值100kg·m2；ηm為傳動(dòng)系的總效率，取值0.72；rr為驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑，rr=εr0，r0為車輪的自由半徑1368mm；ε為變形系數(shù)，低壓胎取0.93～0.95，高壓胎取0.945～0.95。

將公式(9)代入公式(8)得到加速阻力Fg=32340N。

將公式(4)、(7)、(8)代入公式(2)計(jì)算得到25°坡道啟動(dòng)時(shí)的阻力Fa為131217N，將公式(5)、(7)代入公式(2)計(jì)算得到25°坡道爬坡時(shí)的阻力Fb為98150N。

25°坡道啟動(dòng)時(shí)阻力矩為

Ta=Far=131217×0.65=85291N·m

(10)

25°坡道爬坡時(shí)阻力矩為

Tb=Fbr=98150×0.65=63787.5N·m

(11)

2.4 運(yùn)行功率計(jì)算及發(fā)動(dòng)機(jī)選型

內(nèi)燃機(jī)式輪胎行走機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)功率一般按照運(yùn)行功率工況確定[6]，計(jì)算錨桿臺(tái)車在25°坡道上啟動(dòng)所需功率，然后按低速爬行最大坡度進(jìn)行校核，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇相應(yīng)功率的發(fā)動(dòng)機(jī)。錨桿臺(tái)車行走速度較低，在計(jì)算過程中不考慮風(fēng)載荷[7]。

錨桿臺(tái)車在25°坡度上啟動(dòng)，功率P為

(12)

式中：Fa為運(yùn)行阻力，N；Vmin為臺(tái)車前進(jìn)一檔速度，取為1km/h；傳動(dòng)系的總效率ηm為0.72，效率η為0.75，代入數(shù)據(jù)可得錨桿臺(tái)車在25°坡度上啟動(dòng)，功率P為67.5kW，對應(yīng)的扭矩為852.8N·m。

根據(jù)公式(12)同理可以計(jì)算得到錨桿臺(tái)車低速爬越最大坡度時(shí)的功率和扭矩分別為50.5kW和638N·m；錨桿臺(tái)車平坡最大速度運(yùn)行時(shí)的功率和扭矩分別為79.8kW和50.4N·m；考慮轉(zhuǎn)向、照明、發(fā)熱等因素，取安全系數(shù)為1.5，則發(fā)動(dòng)機(jī)最小功率為119.7kW，選擇東風(fēng)康明斯型號為QSB5.9-C180的發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定功率為132kW，最大扭矩為800N·m，符合要求。

2.5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)計(jì)算

鉸接底盤轉(zhuǎn)向時(shí)，其轉(zhuǎn)向力矩計(jì)算公式[8]為

(13)

式中：M為前后車輪組相對于鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩，N·m；B為前輪輪距，2.3m；G1為前輪偏轉(zhuǎn)時(shí)的載荷，14000N；r為鉸接點(diǎn)與前橋之間的距離，2m；μ為輪胎與路面的綜合阻力系數(shù)，一般μ=0.1～0.15。μ是綜合滾動(dòng)及滑動(dòng)兩種成分的阻力系數(shù)，鉸點(diǎn)離前軸線愈遠(yuǎn)，應(yīng)選用較大值。

代入數(shù)據(jù)可得轉(zhuǎn)向阻力矩M為48448N·m。

錨桿臺(tái)車底盤轉(zhuǎn)向采用轉(zhuǎn)向油缸拖拉轉(zhuǎn)向的方式，油缸工作壓力為16MPa，缸徑選擇100mm，桿徑選擇55mm，行程為375mm，安裝距離為678mm，則一根油缸的頂拉力和頂推力分別為87.6kN和125.6kN，轉(zhuǎn)向時(shí)可以提供的轉(zhuǎn)向力矩為70916N·m，大于轉(zhuǎn)向阻力矩M，滿足使用要求。

2.6 剎車系統(tǒng)類比選型

錨桿臺(tái)車底盤選用的是柳工CLG856H裝載機(jī)底盤[9]，該設(shè)備滿載重量22.8t，行駛速度為0～37Km/h,而錨桿臺(tái)車設(shè)計(jì)自重約22t，行駛速度0～20Km/h，因此通過類比錨桿臺(tái)車剎車系統(tǒng)采用柳工CLG856H裝載機(jī)剎車系統(tǒng)是可靠的。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

錨桿臺(tái)車在鄭萬高鐵項(xiàng)目9標(biāo)中進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，臺(tái)車最大爬坡角為38°，運(yùn)行最大速度為23.6km/h，在試驗(yàn)過程中，錨桿臺(tái)車操作靈便，行走動(dòng)力與爬坡動(dòng)力充足，轉(zhuǎn)向靈便，剎車靈敏，各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)合理。

4 結(jié)論

采用邊界條件輸入和理論計(jì)算的方法[10]設(shè)計(jì)并校核了一種隧道錨桿臺(tái)車行走系統(tǒng)，對隧道錨桿臺(tái)車行走系統(tǒng)中的輪胎選型、車橋校核、行走阻力、運(yùn)行功率、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件及子系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算，輪胎最大承載力為77.1kN，最大所需動(dòng)力為98150N，最大所需阻力矩為85291N·m，所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)符合隧道錨桿臺(tái)車需求，轉(zhuǎn)向力矩為48448N·m，底盤液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合要求，采用類比法對剎車系統(tǒng)和車橋進(jìn)行了選型，并加工制造隧道錨桿臺(tái)車行走系統(tǒng)在鄭萬鐵路進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，臺(tái)車最大爬坡角為30°，剎車性能穩(wěn)定，行駛過程中未出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，行走系統(tǒng)關(guān)鍵零部件及子系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)合理，性能可靠。