甘 虎 肖桂華 向代剛

（三川德青工程機械有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

泥水盾構(gòu)掘進(jìn)是地鐵及隧道工程中的一種先進(jìn)并普遍采用的施工方式。在泥水盾構(gòu)施工過程中，安裝于地面的泥水處理系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)的一個重要子系統(tǒng)，而泥漿脫水篩則是該類泥水處理系統(tǒng)的核心設(shè)備。

盾構(gòu)工程用泥漿脫水篩區(qū)別于其他篩機如礦篩或石油篩的地方在于以下2點：1）來料不斷變化。盾構(gòu)機在掘進(jìn)過程中，地質(zhì)條件多為復(fù)合地層，泥漿脫水篩是將泥漿中的物料進(jìn)行渣漿分離，要求篩分出來的固相顆粒越多越好。2）篩面形式不同。在盾構(gòu)工程泥漿處理中，脫水篩面多為向上爬坡，由于產(chǎn)率及物料特性的原因，因此篩上物料對篩機的力學(xué)影響更明顯。

該公司自主開發(fā)了ZXT-2型脫水篩機用于盾構(gòu)掘進(jìn)的泥水處理，存在3個問題。1）篩體穩(wěn)態(tài)振動時出現(xiàn)彈性變形。篩機在穩(wěn)態(tài)工作時，出現(xiàn)中間振幅小、兩端振幅大的類似扁擔(dān)樣彈性變形，且噪聲也較大。2）篩機進(jìn)料口處出現(xiàn)泥漿分布不均或堆積。3）篩機整體隔振彈簧剛度過大。

在啟動-停車過程中，出現(xiàn)篩機脫離彈簧并撞擊外圍護(hù)架現(xiàn)象且傳遞給基礎(chǔ)載荷明顯較大。

1 ZXT-2脫水篩的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)測試分析

通過對ZXT-2泥漿脫水篩進(jìn)行運動學(xué)參數(shù)、動力學(xué)參數(shù)、同步穩(wěn)定性能參數(shù)、幾何尺寸和工藝參數(shù)、噪聲參數(shù)以及剛度、強度等的測試分析，得出篩體穩(wěn)態(tài)振動時出現(xiàn)彈性變形是由于篩機側(cè)板較薄，從而導(dǎo)致篩機整體剛度、強度不足。篩機進(jìn)料口處出現(xiàn)泥漿分布不均或堆積的情況是由于旋流器底流沒有經(jīng)過任何過度或緩沖裝置而直接卸在篩面上。篩機整體隔振彈簧剛度過大其原因主要是篩機彈簧剛度設(shè)計過大。

1.1 ZXT-2脫水篩的運動學(xué)分析

測試儀器采用東方所振動測試采集分析儀（INV3060），通過變頻器控制振動感應(yīng)電機的供電頻率，從而改變了電機的轉(zhuǎn)速，測試了50 Hz供電頻率下不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機的動態(tài)特性。篩機共有4個彈簧座，每個座置有2根螺旋彈簧。

本次測試共計7個測點，測點位置及應(yīng)變片方向如圖1所示。

如圖1所示，在ZXT-2型1.8m改進(jìn)泥漿篩、、、、、六點處布置了加速度傳感器。點、點為篩機出料口兩端側(cè)板的測點位置；點、點為篩機進(jìn)料口兩端側(cè)板的測點位置；點為篩機質(zhì)心處測點位置；點為篩機激振器大梁方向測點位置。

圖1 加速度測點位置及加速度傳感器方向示意圖

在測試過程中，、、、四點處布置了三向加速度傳感器，分別檢測、、三個方向的加速度（振動方向角設(shè)定，方向與方向垂直；方向與篩機主振動方向一致；方向與平面垂直，即方向為篩機橫向加速度），點布置了2個單向加速度傳感器，分別檢測、兩個方向的加速度情況。點布置了一個單向的加速度傳感器，用于檢測方向的加速度。

篩機上具體的加速度傳感器測點位置如圖2所示，他們分別置于排料口兩端、入料口兩端、篩機質(zhì)心處以及電機底座處。

圖2 泥漿振動篩上加速度傳感器具體布點位置

1.1.2.1 進(jìn)料泥漿密度1.17下方向、、、、、測點振幅-相位比較

對進(jìn)料泥漿密度1.17條件下篩機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時、、、、、六測點方向的振幅-相位進(jìn)行比較，觀察各時間段各測點的振幅-相位是否一致，以此判斷振動機體在主振動方向上是否產(chǎn)生彈性變形。

25 s~25.14 s各測點的相位比較如圖3所示。

30 s~30.14 s各測點的相位比較如圖4所示。

圖4 30 s~30.14 s各測點相位比較

35 s~35.14 s各測點的相位比較如圖5所示。

由圖3~圖5可知，篩機y方向各測點相位關(guān)系并非完全一致，在振動幅值上也出現(xiàn)微小差異，說明篩機出現(xiàn)彈性形變。其原因主要為篩機整體剛度不夠，特別是側(cè)板處。

圖3 25 s~25.14 s各測點相位比較

圖5 35 s~35.14 s各測點相位比較

進(jìn)料泥漿密度1.24條件下方向、、、、、測點振幅-相位比較。

分別對進(jìn)料泥漿密度1.24下篩機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)階段、、、、、六測點方向的振幅-相位進(jìn)行比較，觀察各時間段各測點的振幅-相位是否一致，從而判斷振動機體在主要振動方向上是否產(chǎn)生彈性變形。

25s~25.14s各測點的相位比較如圖6所示。30 s~30.14 s各測點的相位比較如圖7所示。35 s~35.14 s各測點的相位比較如圖8所示。由圖6~圖8可知，篩機y方向各測點相位關(guān)系并非完全一致，在幅值上也出現(xiàn)了微小的差異，說明篩機出現(xiàn)彈性形變。其原因主要為篩機整體剛度不夠，特別是側(cè)板處。

圖6 25 s~25.14 s各測點相位比較

圖7 30 s~30.14 s各測點相位比較

圖8 35 s~35.14 s各測點相位比較

表1分別為進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表1 不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機x方向雙振幅對比

由表1的數(shù)據(jù)對比分析可知：測點與測點在兩種進(jìn)料泥漿密度條件下的方向振幅不一致，其主要原因是因為、兩端的彈簧剛度不一致及出現(xiàn)了篩體彈性變形，且進(jìn)料泥漿密度越大，變形也就越大。

進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表2分別為進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表2 不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機y方向雙振幅對比

由表2的數(shù)據(jù)可得如下3個結(jié)論：1）進(jìn)料泥漿密度1.17和1.24條件下，篩機進(jìn)料口兩端振幅基本一致，符合振動機械運行要求。2）進(jìn)料泥漿密度1.17條件下，篩機出料口兩端振幅基本一致，符合振動機械運行要求。3）在兩種進(jìn)料泥漿密度條件下，都有一個共同現(xiàn)象：質(zhì)心處比進(jìn)料口和出料口處振幅小，即篩機出現(xiàn)中間小、兩端大的類似扁擔(dān)樣彈性變形，該現(xiàn)象不符合泥漿篩運行規(guī)范。

其原因主要為篩機四角彈簧剛度及彈簧自由壓縮量不一致，且篩機側(cè)板剛度和強度不夠等原因引起。

進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表3分別為進(jìn)料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表3 不同進(jìn)料泥漿密度條件下篩機z方向雙振幅對比

由表3可知，篩機在橫向上出現(xiàn)了不應(yīng)該出現(xiàn)的振幅，其不符合泥漿篩運行規(guī)范。其原因主要是篩機四角彈簧剛度及彈簧自由壓縮量不一致，且篩機整體剛度，包括側(cè)板剛度和強度不夠。

2 整機系統(tǒng)彈簧剛度及其自由壓縮量等的測試

2.1 實測數(shù)據(jù)

設(shè)測點處彈簧自由壓縮量用Δ表示，=，，，，則篩機空載時所測四角彈簧的自由高度和自由壓縮量如下（所測篩機共4個彈簧座，每個座放置兩根螺旋彈簧）。

彈簧自由高度（mm）：=325；彈簧自由壓縮量（mm）：Δ=37， Δ=44， Δ=54， Δ=42。

由所測彈簧自由壓縮量結(jié)果可知，四角彈簧只有壓縮量不一致，且相差較多，從而會導(dǎo)致篩機四角振幅不一致。

系統(tǒng)彈簧自由壓縮量取上述所測各彈簧的平均壓縮量為 Δ=44 mm。

可根據(jù)式（1）來反推篩機方向彈簧剛度。

式中：—空載參振質(zhì)量；Δ—彈簧平均壓縮量；K—篩機y方向彈簧剛度。

2.2 根據(jù)篩機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)所得的理論計算數(shù)據(jù)

理論計算系統(tǒng)方向彈簧剛度應(yīng)用如公式（2）所示。

式中： k為方向的彈簧剛度，N/m；為剪切彈性模量，Pa；為彈簧有效圈數(shù)；為彈簧中徑，m。

根據(jù)篩機螺旋彈簧圖紙所計算彈簧方向的剛度如式（3）。

理論計算彈簧自由壓縮量如式（4）。

綜上所述，通過篩機彈簧剛度的實測與理論計算的對比，可知實測結(jié)果與理論計算結(jié)果有一定差距，說明彈簧安裝前并沒有進(jìn)行嚴(yán)格的剛度測試檢驗。此外，由各彈簧自由壓縮量不一致可知，各個彈簧的實際剛度并不一致，建議彈簧安裝前，進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗和剛度測試，如將同一自由高度和同一靜壓縮量的彈簧編為一組，以保證篩機穩(wěn)定工作。

3 優(yōu)化措施

3.1 篩機側(cè)板由原來的厚8 mm改為厚12 mm

空載及有載測試結(jié)果顯示，在篩機穩(wěn)態(tài)振動時出現(xiàn)扁擔(dān)樣彈性變形，是篩機整體剛度不夠?qū)е碌模虼?，將篩機側(cè)板由原來的厚8 mm改為厚12 mm，側(cè)板材料采用厚度12mm的G20（原有篩機設(shè)計采用的Q235），并沿側(cè)板邊緣采用不等邊角鋼加固，提高篩機整體剛度強度，同時降噪且降低加工制造工藝難度。

3.2 篩機進(jìn)料口處每層篩網(wǎng)上方增設(shè)布料裝置

篩機進(jìn)口處增加布料裝置，且布料裝置參振，從而使進(jìn)料口處泥漿經(jīng)由布料裝置的導(dǎo)流而快速均布于篩面上，以加強篩面利用，防止篩機泥漿進(jìn)口處篩面上出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，提高篩機脫水效率和處理量。

3.3 重新設(shè)計隔振彈簧且保證合理的自由壓縮量及頻率比

原有篩機隔振彈簧剛度設(shè)計過大（即每個彈簧座放置4根螺旋彈簧），以致傳遞給地基載荷過大，且啟動-停車過程中導(dǎo)致篩機脫離彈簧并撞擊外圍護(hù)架?，F(xiàn)重新設(shè)計隔振彈簧參數(shù)，將每座4根彈簧改為每座3根彈簧，在保證合理的彈簧自由壓縮量（50 mm）和頻率比的同時，又進(jìn)一步降低了篩機傳遞給基礎(chǔ)的載荷。

4 優(yōu)化效果對比分析

以京張高鐵清華園隧道為例，盾構(gòu)直徑φ12.64 m，左線隧道長2000 m，右線隧道長1750 m，粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫及卵石土地層。其中全斷面粉質(zhì)黏土、粉土地層長約750 m，斷面頂部/底部含粉質(zhì)黏土、粉土復(fù)合地層長約1200 m（粉質(zhì)黏土及粉土占比約30%~35%；其余主要為卵石土地層）。掘進(jìn)設(shè)備采用2套德國海瑞克公司的泥水平衡式盾構(gòu)機，泥漿循環(huán)量為2500 m/h，掘進(jìn)速度6 cm/min，在左線更換一臺優(yōu)化后泥漿脫水篩做對比試驗，如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場出渣情況對比

根據(jù)流量法計算振動篩的生產(chǎn)率如公式（5）所示。

式中：v為物料運行的實際平均速度，m/s；為篩面寬度，m；為物料松散密度，t/m；取值1.54；為料層厚度，m。

表4 盾構(gòu)機正常掘進(jìn)時的泥漿脫水篩參數(shù)對比表

在保證單因素變化的前提下，通過實測數(shù)據(jù)計算后，可以得出優(yōu)化型脫水篩的產(chǎn)量較原篩機平均產(chǎn)量提高了46.5%左右。

截至京張高鐵清華園隧道泥水盾構(gòu)項目順利貫通，歷經(jīng)兩年半的實踐檢驗，該泥漿脫水篩優(yōu)化改良后的振動篩作業(yè)事故率降低超過30%，振動篩使用壽命增加50%，實踐效果良好。

5 結(jié)語

泥漿脫水篩是地下空間建設(shè)盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)中泥水分離設(shè)備的核心部件，應(yīng)加強地層變化對其運行作業(yè)中各類問題的分析研究，總結(jié)相適宜的優(yōu)化措施，在確保盾構(gòu)機順利掘進(jìn)的同時提高泥漿脫水篩的篩分效率、增強其對地層的適應(yīng)性、延長設(shè)備使用周期，降低故障發(fā)生頻率等，從而為整個隧道順利施工提供必要條件，這是泥漿脫水篩研究的必然方向。