上海金泰工程機械有限公司 上海 201805

1 設計背景

20世紀80年代,地下連續(xù)墻施工工藝被引入我國,相關設備陸續(xù)進入我國市場。在地下連續(xù)墻工程中,液壓抓斗負責軟土層的開挖作業(yè),雙輪銑槽機負責硬巖層的開挖工作[1]。由于雙輪銑槽機核心技術被國外壟斷,因此我國市場中使用的普遍是進口設備。進口雙輪銑槽機每臺高達四五千萬元的售價使許多施工企業(yè)望而卻步[2],導致只能采用效率低下的施工方法,硬地層的地下連續(xù)墻施工成本較高[3-4]?；谝陨鲜袌龇治?筆者單位從2011年開始著手研發(fā)國產(chǎn)雙輪銑槽機。經(jīng)過幾年的不斷探索和技術改進,已經(jīng)形成了獨具特色的國產(chǎn)雙輪銑槽機產(chǎn)品。筆者單位設計研發(fā)的SX40B型雙輪銑槽機,采用液壓抓斗的主機工作平臺,搭載由電力驅(qū)動的液壓泵站以提升整機功率,經(jīng)過適當改裝可以實現(xiàn)一機兩用,主機可以在液壓抓斗和雙輪銑槽機之間進行功能切換。這一雙輪銑槽機采用氣舉反循環(huán)排渣方式代替進口雙輪銑槽機的泵舉排渣方式,結合主機應用的吊車伸縮臂結構,設計為具有經(jīng)濟適用性的懸掛式樣式[5]。

2 技術參數(shù)

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機以SG系列液壓抓斗為研發(fā)平臺,拆卸抓斗的斗架體、絞盤、天車及配重,機械部分配上雙輪銑斗架體及銑頭、專用天車及頂部伸縮臂機構、液壓泵站、主卷揚機、懸管裝置,再配上獨立的液壓、電氣、控制系統(tǒng)。

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機主要技術參數(shù)見表1。

表1 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機技術參數(shù)

3 結構

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機的結構如圖1所示。

3.1 抓斗主機

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機以SG70液壓抓斗為研發(fā)平臺,主機發(fā)動機為康明斯QSM11型,主要配置參數(shù)見表2。

3.2 雙輪銑

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機的主要工作部件為雙輪銑。雙輪銑由雙輪銑斗架體和銑頭組成,工作時懸掛于桅桿上,桅桿與主機鉸接。雙輪銑由駕駛室內(nèi)的操縱手柄進行控制,結構如圖2所示。

圖1 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機結構

項目數(shù)值額定功率/kW300發(fā)動機轉速/(r·min-1)1 900主泵最大流量/(L·min-1)2×380履帶板寬度/mm800履帶外側距/mm3 450～4 600牽引力/kN630行走速度/(km·h-1)1.5

自動平衡式雙吊點安裝在雙輪銑的頂部,用于提吊雙輪銑[6]。配合中置式排渣管,能夠使雙輪銑自動平衡,保證銑槽的垂直度。中置式排渣管從頂部穿出,沒有任何彎曲部分。排渣管通徑放大至200 mm,配合氣舉反循環(huán)排渣,減小了流體在管內(nèi)的阻力,提高雙輪銑的銑削效率。

加寬架在銑削不同槽寬時使用。雙輪銑基本體可銑槽寬為800 mm,配合不同寬度的加寬架,以及不同寬度的銑刀盤,可銑削1 000 mm、1 200 mm、1 500 mm寬的墻體。

圖2 雙輪銑結構

糾偏推板在雙輪銑銑槽發(fā)生偏斜時使用。雙輪銑架體內(nèi)共設置12塊糾偏推板,共有八個動作。側面4塊可分別動作,正面和背面8塊可兩兩聯(lián)動。施工中,通過分別控制糾偏推板的動作,使雙輪銑成槽垂直度偏差可控,以滿足連續(xù)墻施工的高要求。

控制箱是雙輪銑的動作監(jiān)控及反饋控制中心,箱體為全密封設計,能夠保證雙輪銑在水下工作時無泄漏。箱體內(nèi)配置有傾角儀、糾偏控制電磁閥、壓力傳感器等液壓電氣元件。主機電纜線連接至控制箱,通過各傳感器對銑頭進行實時監(jiān)控,保證雙輪銑在水下施工時的可靠性。

氣水混合管用于混合壓縮空氣和渣管內(nèi)泥漿,壓縮空氣和泥漿混合后,能形成氣液混合體,從而形成氣舉反循環(huán)。

設置兩個壓力平衡器,分別為兩個銑輪單獨保壓。銑頭在不同深度時,通過壓力平衡器能夠使銑輪內(nèi)外壓力平衡,保護銑輪不漏油、不進漿。吸渣頭兩側面有多個孔,為巖屑和泥漿的吸入口。由刀盤銑削下的土或巖屑與泥漿混合后被吸入吸渣頭,通過氣舉反循環(huán)排渣。刮泥板設置在吸渣頭上,根據(jù)不同地層和不同刀盤的配置,可以選擇安裝或不安裝。

銑輪及刀盤為雙輪銑的主要工作部件。液壓馬達驅(qū)動銑輪旋轉,帶動刀盤轉動,從而切削、破碎土層或巖層。銑輪為完全自主研發(fā),內(nèi)部應用了雙殼雙重密封結構[7],以保證密封可靠性。斗架體上配置有皮囊,與油缸連接至銑輪內(nèi)部,能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)保壓。銑輪與刀盤連接處采用彈性銷和橡膠結構減振,液壓馬達與行星減速器的連接采用高強度萬向軸傳動系統(tǒng),保證傳動系統(tǒng)的可靠性。采用高靈敏度的檢測裝置,對齒輪箱內(nèi)部液壓油的含水量和雜質(zhì)進行監(jiān)控。同時內(nèi)置轉速、溫度及壓力等傳感器,使施工人員能夠在顯示器上實時監(jiān)控銑輪的工作情況,為雙輪銑穩(wěn)定安全施工提供了保障。

3.3 雙主卷揚機

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機采用雙主卷揚機結構,最大提升力為2×350 kN。兩根主鋼絲繩的一端固定于主卷揚卷筒,通過主天車及浮動油缸連接至斗架體雙吊點上。采用雙主卷揚機,在保證最大提升力的同時,提高對雙輪銑提升下放的安全性。應用主卷揚同步技術,保證雙吊點的平衡性能。雙輪銑工作時,主卷揚機鎖定不工作,設置在主天車內(nèi)的浮動油缸可以自動慢速下放雙輪銑斗架體。浮動油缸的主要作用是控制雙輪銑的微量進給動作[8],一般施工中雙輪銑切削的都是硬地層,下放速度很慢,采用浮動油缸技術,通過比例閥控制,可以使銑輪的進給速度精度達到0.5 mm/min。

3.4 懸掛式膠管軌鏈

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機配置了一套懸掛式膠管軌鏈,如圖3所示。主機提供的動力通過膠管軌鏈輸送至雙輪銑斗架體。膠管軌鏈內(nèi)部包括液壓油管、高壓氣管和電纜線保護油管,設計為兩組等重對稱布置。對稱布置有利于雙輪銑斗架體的左右平衡,避免由于左右重力不等造成工作中斗架體偏斜。軌鏈由一節(jié)節(jié)定制的特殊導向塊連接組成,軌鏈兩側使用兩根細鋼絲繩連接受力,每間隔一段固定距離采用專用管夾固定,避免軌鏈受拉,可有效保護油管、氣管及電纜線。

頂部天車懸掛懸管架,托引左右兩側膠管軌鏈,引導油管、氣管、電纜線進入雙輪銑斗架體內(nèi)。懸管架由膠管卷揚機控制牽引,隨施工中的雙輪銑下放至槽內(nèi),進而使膠管軌鏈保持浮動跟進,使能源穩(wěn)定可靠地輸送至工作端。

3.5 伸縮臂

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機頂部配置伸縮臂[9],主要作用是支撐頂部天車。副鋼絲繩通過頂部天車連接到懸管架上,可根據(jù)雙輪銑的施工深度自由提升下放。渣管卷揚機鋼絲繩也通過頂部天車,可起吊排渣管。伸縮臂由高強度材料制成,并進行輕量化設計,分為三節(jié)臂,可上下伸縮,最大伸縮行程為9 m。可以根據(jù)施工需要調(diào)整伸縮臂的最大高度,以適應不同的施工深度,提高施工的穩(wěn)定性。伸縮臂后部支撐由兩個撐桿及斜撐油缸組成,在保證頂部結構穩(wěn)定的前提下,還可以前后調(diào)整角度,應用靈活。

圖3 懸掛式膠管軌鏈結構

3.6 液壓泵站

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機除主機提供的300 kW柴油機動力外,還配置了一套155 kW液壓泵站。液壓泵站由外接電源的110 kW和45 kW電動機組成,45 kW電動機提供雙輪銑糾偏、頂部伸縮臂和浮動油缸等的動力,110 kW電動機提供雙輪銑輸出扭矩,與主機提供的動力并聯(lián),以提高雙輪銑克服硬地層做功的能力。液壓泵站電動機可以獨立驅(qū)動控制,根據(jù)實際施工需要可以選擇是否加載,在工作中既可以提供強大的動力輸出,又能夠達到節(jié)能減排的目的。

4 工作原理

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機工作原理如圖4所示。工作時,主機提供液壓動力,驅(qū)動兩臺液壓馬達帶動旋轉方向相對的銑輪低速旋轉。大扭矩銑輪旋轉,帶動刀盤銑削、破碎地層。銑輪將切削下的大巖塊破碎為小塊,并向上卷動。破碎后的碎石和巖屑與槽中穩(wěn)定的泥漿混合。空壓機注入壓縮空氣至排渣管中[10],壓縮空氣和泥漿混合后形成氣液混合體。氣液混合體密度低,隨著深度差加大,排渣管內(nèi)外壓差會使泥漿從管外向管內(nèi)流動,從而完成氣舉反循環(huán)。破碎后的巖屑與泥漿混合,通過兩個銑輪中間的吸渣口持續(xù)不斷地經(jīng)排渣管送至篩分系統(tǒng)?；旌系哪酀{經(jīng)過篩分系統(tǒng)處理后,能分離出渣土和巖屑。剩下干凈的泥漿被送回至槽段內(nèi),廢棄的碎石及渣土等待人工處理,損失的泥漿則由供漿系統(tǒng)補償。雙輪銑可以連續(xù)不斷切削,通過氣舉方式排渣。隨著施工深度加大,可以加接適應深度的排渣管,不斷循環(huán),直至銑削達到預定深度,完成槽段施工。

圖4 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機工作原理

5 結束語

雙輪銑槽機是目前世界上最先進的硬巖成槽設備,主要用于建筑基礎及地下連續(xù)墻施工。筆者單位研發(fā)的SX40B型懸掛式雙輪銑槽機適用于地質(zhì)情況復雜、巖層較硬和特殊巖性的地層,施工深度為60 m,可以滿足國內(nèi)大部分工況。這一雙輪銑槽機適用范圍廣,施工效率高,成槽過程全自動控制,成槽精度高,成墻質(zhì)量好,施工過程中對周邊環(huán)境影響小,相比進口設備具有較高的性價比,有較大的市場推廣價值。