上海金泰工程機(jī)械有限公司 上海 201805

1 設(shè)計(jì)背景

20世紀(jì)80年代,地下連續(xù)墻施工工藝被引入我國(guó),相關(guān)設(shè)備陸續(xù)進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)。在地下連續(xù)墻工程中,液壓抓斗負(fù)責(zé)軟土層的開挖作業(yè),雙輪銑槽機(jī)負(fù)責(zé)硬巖層的開挖工作[1]。由于雙輪銑槽機(jī)核心技術(shù)被國(guó)外壟斷,因此我國(guó)市場(chǎng)中使用的普遍是進(jìn)口設(shè)備。進(jìn)口雙輪銑槽機(jī)每臺(tái)高達(dá)四五千萬(wàn)元的售價(jià)使許多施工企業(yè)望而卻步[2],導(dǎo)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?chǎng)分析,筆者單位從2011年開始著手研發(fā)國(guó)產(chǎn)雙輪銑槽機(jī)。經(jīng)過(guò)幾年的不斷探索和技術(shù)改進(jìn),已經(jīng)形成了獨(dú)具特色的國(guó)產(chǎn)雙輪銑槽機(jī)產(chǎn)品。筆者單位設(shè)計(jì)研發(fā)的SX40B型雙輪銑槽機(jī),采用液壓抓斗的主機(jī)工作平臺(tái),搭載由電力驅(qū)動(dòng)的液壓泵站以提升整機(jī)功率,經(jīng)過(guò)適當(dāng)改裝可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用,主機(jī)可以在液壓抓斗和雙輪銑槽機(jī)之間進(jìn)行功能切換。這一雙輪銑槽機(jī)采用氣舉反循環(huán)排渣方式代替進(jìn)口雙輪銑槽機(jī)的泵舉排渣方式,結(jié)合主機(jī)應(yīng)用的吊車伸縮臂結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)為具有經(jīng)濟(jì)適用性的懸掛式樣式[5]。

2 技術(shù)參數(shù)

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)以SG系列液壓抓斗為研發(fā)平臺(tái),拆卸抓斗的斗架體、絞盤、天車及配重,機(jī)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(jī)構(gòu)、液壓泵站、主卷?yè)P(yáng)機(jī)、懸管裝置,再配上獨(dú)立的液壓、電氣、控制系統(tǒng)。

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 抓斗主機(jī)

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)以SG70液壓抓斗為研發(fā)平臺(tái),主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(shí)懸掛于桅桿上,桅桿與主機(jī)鉸接。雙輪銑由駕駛室內(nèi)的操縱手柄進(jìn)行控制,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目數(shù)值額定功率/kW300發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(cè)距/mm3 450～4 600牽引力/kN630行走速度/(km·h-1)1.5

自動(dòng)平衡式雙吊點(diǎn)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(dòng)平衡,保證銑槽的垂直度。中置式排渣管從頂部穿出,沒(méi)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(shí)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(jié)構(gòu)

糾偏推板在雙輪銑銑槽發(fā)生偏斜時(shí)使用。雙輪銑架體內(nèi)共設(shè)置12塊糾偏推板,共有八個(gè)動(dòng)作。側(cè)面4塊可分別動(dòng)作,正面和背面8塊可兩兩聯(lián)動(dòng)。施工中,通過(guò)分別控制糾偏推板的動(dòng)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(dòng)作監(jiān)控及反饋控制中心,箱體為全密封設(shè)計(jì),能夠保證雙輪銑在水下工作時(shí)無(wú)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(jī)電纜線連接至控制箱,通過(guò)各傳感器對(duì)銑頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,保證雙輪銑在水下施工時(shí)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(shè)置兩個(gè)壓力平衡器,分別為兩個(gè)銑輪單獨(dú)保壓。銑頭在不同深度時(shí),通過(guò)壓力平衡器能夠使銑輪內(nèi)外壓力平衡,保護(hù)銑輪不漏油、不進(jìn)漿。吸渣頭兩側(cè)面有多個(gè)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(guò)氣舉反循環(huán)排渣。刮泥板設(shè)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(dá)驅(qū)動(dòng)銑輪旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng),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(yīng)用了雙殼雙重密封結(jié)構(gòu)[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(dòng)態(tài)保壓。銑輪與刀盤連接處采用彈性銷和橡膠結(jié)構(gòu)減振,液壓馬達(dá)與行星減速器的連接采用高強(qiáng)度萬(wàn)向軸傳動(dòng)系統(tǒng),保證傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。采用高靈敏度的檢測(cè)裝置,對(duì)齒輪箱內(nèi)部液壓油的含水量和雜質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)內(nèi)置轉(zhuǎn)速、溫度及壓力等傳感器,使施工人員能夠在顯示器上實(shí)時(shí)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?yè)P(yáng)機(jī)

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)采用雙主卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu),最大提升力為2×350 kN。兩根主鋼絲繩的一端固定于主卷?yè)P(yáng)卷筒,通過(guò)主天車及浮動(dòng)油缸連接至斗架體雙吊點(diǎn)上。采用雙主卷?yè)P(yáng)機(jī),在保證最大提升力的同時(shí),提高對(duì)雙輪銑提升下放的安全性。應(yīng)用主卷?yè)P(yáng)同步技術(shù),保證雙吊點(diǎn)的平衡性能。雙輪銑工作時(shí),主卷?yè)P(yáng)機(jī)鎖定不工作,設(shè)置在主天車內(nèi)的浮動(dòng)油缸可以自動(dòng)慢速下放雙輪銑斗架體。浮動(dòng)油缸的主要作用是控制雙輪銑的微量進(jìn)給動(dòng)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(dòng)油缸技術(shù),通過(guò)比例閥控制,可以使銑輪的進(jìn)給速度精度達(dá)到0.5 mm/min。

3.4 懸掛式膠管軌鏈

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)配置了一套懸掛式膠管軌鏈,如圖3所示。主機(jī)提供的動(dòng)力通過(guò)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(hù)油管,設(shè)計(jì)為兩組等重對(duì)稱布置。對(duì)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(dǎo)向塊連接組成,軌鏈兩側(cè)使用兩根細(xì)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?zhǔn)芾?可有效保護(hù)油管、氣管及電纜線。

頂部天車懸掛懸管架,托引左右兩側(cè)膠管軌鏈,引導(dǎo)油管、氣管、電纜線進(jìn)入雙輪銑斗架體內(nèi)。懸管架由膠管卷?yè)P(yáng)機(jī)控制牽引,隨施工中的雙輪銑下放至槽內(nèi),進(jìn)而使膠管軌鏈保持浮動(dòng)跟進(jìn),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(jī)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(guò)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?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩也通過(guò)頂部天車,可起吊排渣管。伸縮臂由高強(qiáng)度材料制成,并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),分為三節(jié)臂,可上下伸縮,最大伸縮行程為9 m?？梢愿鶕?jù)施工需要調(diào)整伸縮臂的最大高度,以適應(yīng)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(gè)撐桿及斜撐油缸組成,在保證頂部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下,還可以前后調(diào)整角度,應(yīng)用靈活。

圖3 懸掛式膠管軌鏈結(jié)構(gòu)

3.6 液壓泵站

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)除主機(jī)提供的300 kW柴油機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)組成,45 kW電動(dòng)機(jī)提供雙輪銑糾偏、頂部伸縮臂和浮動(dòng)油缸等的動(dòng)力,110 kW電動(dòng)機(jī)提供雙輪銑輸出扭矩,與主機(jī)提供的動(dòng)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(dòng)機(jī)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制,根據(jù)實(shí)際施工需要可以選擇是否加載,在工作中既可以提供強(qiáng)大的動(dòng)力輸出,又能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4 工作原理

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)工作原理如圖4所示。工作時(shí),主機(jī)提供液壓動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)液壓馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)的銑輪低速旋轉(zhuǎn)。大扭矩銑輪旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)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(dòng)。破碎后的碎石和巖屑與槽中穩(wěn)定的泥漿混合?？諌簷C(jī)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(huì)使泥漿從管外向管內(nèi)流動(dòng),從而完成氣舉反循環(huán)。破碎后的巖屑與泥漿混合,通過(guò)兩個(gè)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)。混合的泥漿經(jīng)過(guò)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(bǔ)償。雙輪銑可以連續(xù)不斷切削,通過(guò)氣舉方式排渣。隨著施工深度加大,可以加接適應(yīng)深度的排渣管,不斷循環(huán),直至銑削達(dá)到預(yù)定深度,完成槽段施工。

圖4 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機(jī)工作原理

5 結(jié)束語(yǔ)

雙輪銑槽機(jī)是目前世界上最先進(jìn)的硬巖成槽設(shè)備,主要用于建筑基礎(chǔ)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(jī)適用于地質(zhì)情況復(fù)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(guó)內(nèi)大部分工況。這一雙輪銑槽機(jī)適用范圍廣,施工效率高,成槽過(guò)程全自動(dòng)控制,成槽精度高,成墻質(zhì)量好,施工過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境影響小,相比進(jìn)口設(shè)備具有較高的性價(jià)比,有較大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。