隧道挖掘式裝載機的裝載系統(tǒng)技術研究

李智剛

摘 要 為加快國民經(jīng)濟發(fā)展，國家加大投入基礎設施建設，作為交通命脈的鐵路和公路近年來進入了大規(guī)模建設期，重點工程由東到西、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備。

現(xiàn)階段，雖然已經(jīng)將TMB列為大型隧道施工的重要設備，但是，鉆爆法仍然是隧道施工的重要技術。實踐證明，在鉆爆法實施中裝碴運輸工序是隧道施工中占用工期最長的工序，對整個工程的進度有直接影響，為了保證施工進度，施工單位在出碴工序都配有較多的機械化出碴設備，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)的隧道挖裝機得到了充分的展示【1】。

與此同時，鐵路、公路隧道的大量修建，斜井、聯(lián)絡通道等小斷面、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施，對隧道挖裝機這種出碴設備的需求也將增大。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，對降低施工成本，促進施工企業(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的裝碴要求，文章對我公司研制的普通型隧道挖裝機的裝載系統(tǒng)進行了結構分析、參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)匹配性及穩(wěn)定性等技術研究，以提高其在隧道中作業(yè)時的碴料裝載效率。

關鍵詞 隧道挖裝機 裝載系統(tǒng) 技術研究

前 言

隧道挖裝機又叫扒碴機、挖斗裝載機、巖巷掘進機。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施工。適合在空間狹窄、大型機械難以到位施工的隧道、礦洞、巷道、斜巷斜井、涵洞等進行施工。

隧道挖裝機集扒、挖、裝、運、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械化狀態(tài)隧道挖裝機按動力系統(tǒng)分為：內(nèi)燃型、電動型和內(nèi)燃——電動混合動力型。小型隧道挖裝機多采用單一的內(nèi)燃型或電動型。內(nèi)燃型機動性好，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進行驅(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。

隧道挖裝機按行走結構形式分為：輪胎式、履帶式、軌道式、履帶——軌道復合式。小型隧道挖裝機多采用輪胎式結構，中型和大型隧道挖裝機常采用履帶式結構，為方便地下井巷及隧道施工還專門設計了有軌道式隧道挖裝機。同時，為了方便長大隧道施工，大型隧道挖裝機常加裝軌道行走機構。

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80年代，中國中鐵開始引進日本隧道挖裝機，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在國內(nèi)隧道施工中的應用。上世紀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德國夏夫公司生產(chǎn)的隧道挖裝機，從此，大型隧道挖裝機在我國隧道機械化施工中開始大范圍應用。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，對降低施工成本，促進施工企業(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，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的裝載系統(tǒng)進行技術研究。

1.裝載系統(tǒng)結構研究

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

運輸槽結構改變了以往的中斷圓弧變角度整體結構設計，而采用了多節(jié)制直長式便于拆卸的裝配結構設計，由進料槽、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 運輸槽節(jié)段聯(lián)接

以往運輸槽的節(jié)段聯(lián)接裝配多采用高強度螺栓聯(lián)接，運輸槽在出碴裝碴時需承載礦石土料，且尾部會產(chǎn)生一定的彎矩，使得單一的高強度螺栓承載了更大的剪切力和拉伸載荷。通過技術理論分析，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

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，在鏈條的正上方設計了壓條，液壓馬達直接驅(qū)動主動鏈輪軸，實現(xiàn)碴料傳送裝載。在實際使用過程中，傳動鏈與壓條由于擠壓作用，磨損十分嚴重，需更換壓條，否則會出現(xiàn)嚴重的鏈下翻碴和卡鏈現(xiàn)象1.2.3 主動鏈輪機構的改進

對國內(nèi)外同類產(chǎn)品結構進行了引進、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性的可拆卸式主動鏈輪機構。

由于主動鏈輪機構是易損件需更換，原結構更換時需整體拆卸主動機構，耗時長且勞動強度大。通過對整體結構的合理分析和驗證，將主動軸設計為可拆式多零件組合，采用高強度螺栓聯(lián)接，形成了剛性結構，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，負載敏感控制系統(tǒng)是在我國工程機械或船舶機械領域獲得廣泛推廣和應用的一項關鍵技術。結合我公司研制的隧道挖裝機的應用特點，采用恒功率負載敏感控制系統(tǒng)。負載敏感控制系統(tǒng)是指將壓力、流量和功率變化信號向閥或泵進行反饋，實現(xiàn)控制功能。采用負載敏感控制系統(tǒng)可降低液壓系統(tǒng)能耗，提高生產(chǎn)效率。

負載敏感控制技術利用負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動受負載敏感閥芯3的控制，它決定泵的排量。負載敏感控制過程分為壓力適應、功率適應和流量適應三個過程。

在壓力適應過程中，泵的輸出壓力自動跟隨負載壓力的變化而變化，其間流量保持穩(wěn)定，在此工況下負載敏感閥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)流閥的進口壓力，節(jié)流閥的進出口壓力差由彈簧力設定；因此在壓力切斷閥4不工作時，節(jié)流閥5流量變化引起壓降的變化將使閥芯運動，從而控制柱塞的運動，以改變泵的排量，維持泵的輸出流量為設定值。

2.3 系統(tǒng)的基本類型

根據(jù)壓力補償閥在液壓回路中的位置，可以將負載敏感控制系統(tǒng)分為閥前補償?shù)膫鹘y(tǒng)負載敏感系統(tǒng)LS和閥后補償?shù)呢撦d獨立流量分配系統(tǒng)。

2.3.1 閥前補償

閥前補償是負載敏感系統(tǒng)較為傳統(tǒng)的壓力補償方法。壓力補償閥位于主閥節(jié)流口之前，將主閥口后的負載壓力引入壓力補償閥，且補償閥彈簧腔引入的壓力是本回路的負載壓力。工作時，壓力補償閥通過其內(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，而不受負載壓力的影響，提高了閥的控制性能。

2.3.2 閥后補償

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

即使泵的流量小于系統(tǒng)復合運動所需的流量，系統(tǒng)也會按比例將流量分配給各執(zhí)行元件，而不是流向負載壓力低的執(zhí)行元。這樣各個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 負載獨立流量分配系統(tǒng)工作原理

當通過所有的閥截留面的流量小于泵所能提供的流量時，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）的設定壓差，壓力損失時在泵到節(jié)流口的油路上。

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

兩個控制閥節(jié)流口兩端的壓差為 。

總之，各個執(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，而是和負載壓力相關的，由此實現(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)隧道挖裝機的幾點思考

（1） 要保證質(zhì)量和可靠性。國產(chǎn)隧道挖裝機開發(fā)要堅持高起點、高質(zhì)量、高標準、高性價比。

（2） 要緊密結合施工。鑒于國內(nèi)隧道施工實際情況，使用隧道挖裝機不可避免地要進行找頂或清底作業(yè)，當巖石較硬時，對個工作機構的強度和剛度就有了更高的要求，在挖掘裝置強度設計時應有一定的富裕。

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

（4） 挖掘系統(tǒng)應留有選裝液壓破碎錘、橫向切削裝置（銑挖頭）等等的接口，實現(xiàn)一機多用，最大限度的發(fā)揮設備效益。

（5） 要堅持學習借鑒與自主創(chuàng)新相結合。引進、消化、吸收國外先進技術，元器件注重國產(chǎn)化，以便于維修。

4.參考文獻

[1]徐彥勝 《夏夫ITC312H挖掘裝載機在堡鎮(zhèn)隧道的應用.建筑技術》 ，2005（4）：63～64

[2]唐經(jīng)世 《兩種挖裝機簡介.建筑機械》，2001（5）：50～51

[3]王偉東 潘洪福 《挖掘裝載機的發(fā)展概況.建筑機械》，1992（6）：26～29

[4]孔德宇 應立軍教授 《隧道挖裝機挖掘裝置的參數(shù)化設計研究》，2011（5）：1～2 http：//www.doc88.com/p-998313761076.html

[5]王玉良 《挖掘裝載機的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及研制思路.廣西機械》，2003（1）：22～25

[6]康寶生 陳饋 《KL-20ES隧道挖裝機的技術改造.建筑機械化》，2005（12）：55～59

[7]東北大學《機械零件設計手冊》組 蔡春源 主編 《機械零件設計手冊》（第三版）上冊，1994（4）：6（表-13 松散物料的堆密度和安息角）

[8]李慧 馬正先 主編 《機械結構設計與工藝性分析》機械工業(yè)出版社，2012（6）：175～212

[9]戴宇 《ITC312H4挖裝機輸送鏈壓條的使用改進.建筑機械》1999（2）：58～59

[10]吳茂根等 《實用電液比例控制技術【M】》浙江大學出版社；1992（2）

[11]黃綜益等 《液壓傳動的負載敏感和壓力補償【J】.建筑機械》，2004（4）

[12]楊毅 李彬 毛立峰 劉賀 《負載敏感變量泵啟動噪聲分析與實驗研究.流體傳到與控制》，2010.3（20）

[13]陳欠根 紀云峰 吳萬榮 《負載獨立流量分配（LUDV）控制系統(tǒng).液壓與氣壓傳動》，2003（10）

[14]Christoph Latour 《Elektrohydraulisches Flow Matching（EFM）-Die nachste Generation von Load-sensing Steuerungen》，2006.3-6