分體式鏈傳動(dòng)雙輪銑關(guān)鍵技術(shù)研究

謝繼偉

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430066）

雙輪銑槽機(jī)為目前世界上最先進(jìn)的地下連續(xù)墻施工專用設(shè)備，通過液壓驅(qū)動(dòng)銑輪，水平切削，破碎巖層，泥漿反循環(huán)出渣成槽，主要應(yīng)用于城市軌道交通、橋梁錨錠、高層建筑地下室、地下停車場、水利水電等深基礎(chǔ)工程中防水墻、擋土墻、承重墻的入巖施工。其技術(shù)優(yōu)勢是適應(yīng)巖層范圍廣，通過更換銑輪上的刀具即可在不同硬度地質(zhì)中開挖，具有成槽寬度可調(diào)，深度大，效率和精度搞，尤其是噪音及振動(dòng)小，泥漿密閉循環(huán)利用，不會(huì)對(duì)施工周邊建筑基礎(chǔ)及環(huán)境造成影響和污染，被譽(yù)為樁工機(jī)械家族的“奢侈品”。我國于1996年在三峽二期圍堰工程首次引進(jìn)雙輪銑設(shè)備用于地下連續(xù)墻施工，后來一些重大工程也開始采用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)雙輪銑市場保有量已達(dá)50 臺(tái)套左右。以寶峨公司的產(chǎn)品為主，近幾年也有少量國產(chǎn)雙輪銑投入市場，但關(guān)鍵技術(shù)和部件都依靠國外，自主創(chuàng)新及國產(chǎn)化程度很低，多為進(jìn)口部件組裝機(jī)，性價(jià)比同國外原裝產(chǎn)品相比，無競爭優(yōu)勢。隨著我國城市軌道交通建設(shè)興起，對(duì)環(huán)保施工的重視，雙輪銑作為專用的連續(xù)墻施工設(shè)備，未來有著巨大市場需求。因此，突破雙輪銑關(guān)鍵技術(shù)難題，研制出具有自主技術(shù)創(chuàng)新的雙輪銑，降低設(shè)備使用及維護(hù)成本，具有重要的現(xiàn)實(shí)和社會(huì)意義。

1 主流雙輪銑技術(shù)特點(diǎn)

雙輪銑主要由工作裝置和履帶主機(jī)組成，根據(jù)工作裝置采用的傳動(dòng)方式可以分為兩種，第一種是以寶峨為代表的整體式，即驅(qū)動(dòng)裝置全部內(nèi)置于在銑輪結(jié)構(gòu)內(nèi)，另一種是以卡薩為代表分體式，即驅(qū)動(dòng)裝置和銑輪結(jié)構(gòu)分開布置，采用鏈傳動(dòng)，其各自技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表1。

2 研究介紹

雙輪銑工作裝置是置于護(hù)壁泥漿中切削巖石和排渣的執(zhí)行部件，對(duì)雙輪銑的研究實(shí)指對(duì)工作裝置上的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及其對(duì)應(yīng)壓力檢測補(bǔ)償系統(tǒng)的技術(shù)研究。根據(jù)表1 兩種傳動(dòng)形式的對(duì)比，整體式是將復(fù)雜的多級(jí)驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)置在銑輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部，雖然傳動(dòng)效率相對(duì)較高，但由于驅(qū)動(dòng)裝置和銑輪結(jié)構(gòu)整體一起直接承受切削巖石產(chǎn)生的沖擊，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的零部件使用壽命短，可靠性和零件損壞后的更換性差，尤其像傳動(dòng)中的行星減速器等核心零部件依賴進(jìn)口，使用維護(hù)成本高，配件供應(yīng)周期長。分體式傳動(dòng)設(shè)計(jì)簡單，減振效果好，對(duì)關(guān)鍵部件要求不高，可實(shí)現(xiàn)零部件的國產(chǎn)配套率高，開式傳動(dòng)效率雖然相對(duì)較低，但故障率和使用維護(hù)成本低，更符合雙輪銑的工作環(huán)境和施工要求。為此，根據(jù)技術(shù)分析并結(jié)合使用維護(hù)成本、國產(chǎn)配套率等綜合因素，基于卡薩分體式傳動(dòng)方式，研制出了一種具有自主核心技術(shù)的國產(chǎn)雙輪銑工作裝置，下文將對(duì)工作裝置上的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓力檢測及補(bǔ)償系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)行介紹。

表1 主流雙輪銑技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比表

2.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

工作裝置總體設(shè)計(jì)見圖1，主要由銑刀架、左右傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、壓力檢查及補(bǔ)償系統(tǒng)、泥漿排渣系統(tǒng)等組成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)裝置和銑輪結(jié)構(gòu)采用了上下分體式布置，通過鏈條傳動(dòng)扭矩切削巖石，壓力補(bǔ)償裝系統(tǒng)對(duì)左動(dòng)機(jī)構(gòu)及泥漿排渣系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行壓力自動(dòng)檢測和補(bǔ)償。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.2.1 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)見圖2，驅(qū)動(dòng)采用殼體旋轉(zhuǎn)的低速大扭矩馬達(dá)單級(jí)輸出，傳動(dòng)鏈齒圈通過花鍵與馬達(dá)殼體連接，齒圈采用了雙切齒設(shè)計(jì)，其分度圓直徑d、節(jié)距P 與齒數(shù)Z 之間的關(guān)系為P=d Sin(2x180/z)，相比傳統(tǒng)單齒嚙合的鏈傳動(dòng)，雙切齒即一個(gè)鏈節(jié)距跨雙齒的嚙合方式，可通過更換一次齒圈的嚙合齒槽將齒圈的使用壽命提高一倍。驅(qū)動(dòng)裝置的箱體上設(shè)計(jì)了張緊及緩沖裝置，其主要由張緊緩沖油缸及導(dǎo)軌組成，實(shí)現(xiàn)了在工作過程中張緊鏈條和對(duì)驅(qū)動(dòng)緩沖減振的作用。此外，雙輪銑成槽作業(yè)時(shí)，外部泥漿對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)泄油腔體產(chǎn)生的壓力會(huì)隨銑深變化，為保持馬達(dá)軸封內(nèi)外壓力平衡，在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出軸兩端分別通過設(shè)置機(jī)械浮動(dòng)油封，形成了將泥漿和馬達(dá)軸封隔離開的保護(hù)腔體也叫壓力補(bǔ)償腔，壓力補(bǔ)償腔和馬達(dá)泄油腔外接壓力檢查及補(bǔ)償器，由壓力補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)各腔體的壓力自動(dòng)檢測和平衡，其工作原理為ΔP1=ΔP2 ≈ΔP1，公式中ΔP1、ΔP2、ΔP3 分別為馬達(dá)泄油腔、壓力補(bǔ)償腔、泥漿的壓力。

圖2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.2.2 銑輪結(jié)構(gòu)

銑輪結(jié)構(gòu)是接觸巖石并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)銑削的部件，直接承受銑削巖石時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊，銑輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖3，主要由銷軸、軸承、齒圈、切削輪、連接法蘭等結(jié)構(gòu)件組成，內(nèi)部沒有了馬達(dá)減速機(jī)等復(fù)雜傳動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)形式的耐沖擊性強(qiáng)，不易損壞。為避免泥漿進(jìn)入銑輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部，同樣在軸承和泥漿之間通過機(jī)械浮動(dòng)密封設(shè)計(jì)了填充潤滑脂的隔離腔，具備良好的潤滑性和可靠的泥漿隔離性。另外，針對(duì)更換頻率高和易磨損結(jié)構(gòu)件，設(shè)計(jì)充分考慮了現(xiàn)場更換的方便性，將切削輪和齒圈采用了法蘭螺栓連接，可根據(jù)施工需要更換不同成槽寬度或適應(yīng)各種巖層硬度切削輪，本銑輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式極大提高了其在惡劣工況下的耐用性，降低了故障率及使用維護(hù)成本。

2.2.3 壓力檢測及補(bǔ)償系統(tǒng)

壓力檢測及補(bǔ)償系統(tǒng)主要由三套液壓補(bǔ)償器組成，分別與左右驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及泥漿泵驅(qū)動(dòng)單元的壓力補(bǔ)償腔連接，其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)各驅(qū)動(dòng)單元補(bǔ)償腔的泄壓、進(jìn)漿自動(dòng)檢測及根據(jù)外部泥漿壓力變化自動(dòng)補(bǔ)油平衡壓差。補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)見圖4，主要由缸體、泥漿腔、液壓油腔、活塞、傳感器、活塞桿及彈簧等組成，工作時(shí)泥漿腔與外部泥漿相通，液壓油腔與對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)單元的補(bǔ)償腔相通，活塞桿內(nèi)部設(shè)有拉伸彈簧，彈簧的附加拉力用于平衡活塞及活塞桿的自重，并對(duì)液壓油腔產(chǎn)生一定預(yù)壓力，目的是保持各個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)補(bǔ)償腔的油壓始終略大于泥漿壓力，防止泥漿進(jìn)入補(bǔ)償腔體。其平衡方程為P1+KX=P2+G，其中G ≤KX ≤1.5G,等式中P1、P2、KX 分別為泥漿、液壓油、彈簧給活塞的力，G 為活塞及活塞桿的自重,當(dāng)P1 隨深度變化時(shí)，P2 會(huì)同步增減變化，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓力的自平衡,補(bǔ)償器活塞桿伸縮行程X 至上下極限位時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提示馬達(dá)軸封漏油或補(bǔ)償腔進(jìn)漿。該系統(tǒng)通過試驗(yàn)測試，可適用最大泥漿深度為100m。

圖3 銑輪結(jié)構(gòu)圖

圖4 壓力檢查及自動(dòng)平衡補(bǔ)償器示意圖

3 成果應(yīng)用

上述研究成果已獲得了國家發(fā)明專利授權(quán)，并成功應(yīng)用到我國首臺(tái)自主國產(chǎn)的ZTSX100 雙 輪 銑（圖5），首臺(tái)機(jī)于2018 年3 月投入使用后，完成廣州地鐵11號(hào)、18 線地下連續(xù)墻施工，各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，目前，共計(jì)已有6 臺(tái)用于該成果國產(chǎn)雙輪銑分別在廣州、深圳、南昌等地鐵項(xiàng)目施工。

4 結(jié)語

新研制的分體式鏈傳動(dòng)雙輪銑工作裝置，采用自適應(yīng)壓力補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓力檢測和平衡補(bǔ)償，提高了雙輪銑惡劣工作環(huán)境下耐用性和可靠性，使國產(chǎn)雙輪銑真正擺脫了關(guān)鍵技術(shù)和零部件依賴國外的現(xiàn)狀，有效降低了設(shè)備使用和維護(hù)保養(yǎng)成本，實(shí)現(xiàn)了我國對(duì)雙輪銑這一高端產(chǎn)品自主研究設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、工程施工一體化的產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)成果將會(huì)推廣國產(chǎn)雙輪銑應(yīng)用于我國地鐵、大橋錨定、高層建筑等地下連續(xù)墻基礎(chǔ)工程建設(shè)，必將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖5 ZTSX100 雙輪銑槽機(jī)