分體式鏈傳動雙輪銑關鍵技術研究

謝繼偉

（中鐵工程機械研究設計院有限公司，湖北 武漢 430066）

雙輪銑槽機為目前世界上最先進的地下連續墻施工專用設備，通過液壓驅動銑輪，水平切削，破碎巖層，泥漿反循環出渣成槽，主要應用于城市軌道交通、橋梁錨錠、高層建筑地下室、地下停車場、水利水電等深基礎工程中防水墻、擋土墻、承重墻的入巖施工。其技術優勢是適應巖層范圍廣，通過更換銑輪上的刀具即可在不同硬度地質中開挖，具有成槽寬度可調，深度大，效率和精度搞，尤其是噪音及振動小，泥漿密閉循環利用，不會對施工周邊建筑基礎及環境造成影響和污染，被譽為樁工機械家族的“奢侈品”。我國于1996年在三峽二期圍堰工程首次引進雙輪銑設備用于地下連續墻施工，后來一些重大工程也開始采用，據不完全統計，國內雙輪銑市場保有量已達50 臺套左右。以寶峨公司的產品為主，近幾年也有少量國產雙輪銑投入市場，但關鍵技術和部件都依靠國外，自主創新及國產化程度很低，多為進口部件組裝機，性價比同國外原裝產品相比，無競爭優勢。隨著我國城市軌道交通建設興起，對環保施工的重視，雙輪銑作為專用的連續墻施工設備，未來有著巨大市場需求。因此，突破雙輪銑關鍵技術難題，研制出具有自主技術創新的雙輪銑，降低設備使用及維護成本，具有重要的現實和社會意義。

1 主流雙輪銑技術特點

雙輪銑主要由工作裝置和履帶主機組成，根據工作裝置采用的傳動方式可以分為兩種，第一種是以寶峨為代表的整體式，即驅動裝置全部內置于在銑輪結構內，另一種是以卡薩為代表分體式，即驅動裝置和銑輪結構分開布置，采用鏈傳動，其各自技術特點對比如表1。

2 研究介紹

雙輪銑工作裝置是置于護壁泥漿中切削巖石和排渣的執行部件，對雙輪銑的研究實指對工作裝置上的傳動機構以及其對應壓力檢測補償系統的技術研究。根據表1 兩種傳動形式的對比，整體式是將復雜的多級驅動裝置內置在銑輪結構內部，雖然傳動效率相對較高，但由于驅動裝置和銑輪結構整體一起直接承受切削巖石產生的沖擊，傳動機構的零部件使用壽命短，可靠性和零件損壞后的更換性差，尤其像傳動中的行星減速器等核心零部件依賴進口，使用維護成本高，配件供應周期長。分體式傳動設計簡單，減振效果好，對關鍵部件要求不高，可實現零部件的國產配套率高，開式傳動效率雖然相對較低，但故障率和使用維護成本低，更符合雙輪銑的工作環境和施工要求。為此，根據技術分析并結合使用維護成本、國產配套率等綜合因素，基于卡薩分體式傳動方式，研制出了一種具有自主核心技術的國產雙輪銑工作裝置，下文將對工作裝置上的傳動機構、壓力檢測及補償系統等關鍵技術的研究進行介紹。

表1 主流雙輪銑技術特點對比表

2.1 總體設計技術

工作裝置總體設計見圖1，主要由銑刀架、左右傳動機構、壓力檢查及補償系統、泥漿排渣系統等組成，傳動機構中驅動裝置和銑輪結構采用了上下分體式布置，通過鏈條傳動扭矩切削巖石，壓力補償裝系統對左動機構及泥漿排渣系統的液壓驅動單元進行壓力自動檢測和補償。

圖1 總體設計圖

2.2 關鍵技術研究

2.2.1 驅動裝置

驅動裝置的設計見圖2，驅動采用殼體旋轉的低速大扭矩馬達單級輸出，傳動鏈齒圈通過花鍵與馬達殼體連接，齒圈采用了雙切齒設計，其分度圓直徑d、節距P 與齒數Z 之間的關系為P=d Sin(2x180/z)，相比傳統單齒嚙合的鏈傳動，雙切齒即一個鏈節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。驅動裝置的箱體上設計了張緊及緩沖裝置，其主要由張緊緩沖油缸及導軌組成，實現了在工作過程中張緊鏈條和對驅動緩沖減振的作用。此外，雙輪銑成槽作業時，外部泥漿對驅動馬達泄油腔體產生的壓力會隨銑深變化，為保持馬達軸封內外壓力平衡，在驅動馬達輸出軸兩端分別通過設置機械浮動油封，形成了將泥漿和馬達軸封隔離開的保護腔體也叫壓力補償腔，壓力補償腔和馬達泄油腔外接壓力檢查及補償器，由壓力補償器實現各腔體的壓力自動檢測和平衡，其工作原理為ΔP1=ΔP2 ≈ΔP1，公式中ΔP1、ΔP2、ΔP3 分別為馬達泄油腔、壓力補償腔、泥漿的壓力。

圖2 驅動機構圖

2.2.2 銑輪結構

銑輪結構是接觸巖石并進行旋轉銑削的部件，直接承受銑削巖石時產生的振動和沖擊，銑輪結構設計見圖3，主要由銷軸、軸承、齒圈、切削輪、連接法蘭等結構件組成，內部沒有了馬達減速機等復雜傳動部件，結構形式的耐沖擊性強，不易損壞。為避免泥漿進入銑輪結構內部，同樣在軸承和泥漿之間通過機械浮動密封設計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，針對更換頻率高和易磨損結構件，設計充分考慮了現場更換的方便性，將切削輪和齒圈采用了法蘭螺栓連接，可根據施工需要更換不同成槽寬度或適應各種巖層硬度切削輪，本銑輪結構的設計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成本。

2.2.3 壓力檢測及補償系統

壓力檢測及補償系統主要由三套液壓補償器組成，分別與左右驅動機構及泥漿泵驅動單元的壓力補償腔連接，其作用是實現對各驅動單元補償腔的泄壓、進漿自動檢測及根據外部泥漿壓力變化自動補油平衡壓差。補償器的設計見圖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，工作時泥漿腔與外部泥漿相通，液壓油腔與對應驅動單元的補償腔相通，活塞桿內部設有拉伸彈簧，彈簧的附加拉力用于平衡活塞及活塞桿的自重，并對液壓油腔產生一定預壓力，目的是保持各個驅動機構補償腔的油壓始終略大于泥漿壓力，防止泥漿進入補償腔體。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P1 隨深度變化時，P2 會同步增減變化，實現內外壓力的自平衡,補償器活塞桿伸縮行程X 至上下極限位時會自動報警，提示馬達軸封漏油或補償腔進漿。該系統通過試驗測試，可適用最大泥漿深度為100m。

圖3 銑輪結構圖

圖4 壓力檢查及自動平衡補償器示意圖

3 成果應用

上述研究成果已獲得了國家發明專利授權，并成功應用到我國首臺自主國產的ZTSX100 雙 輪 銑（圖5），首臺機于2018 年3 月投入使用后，完成廣州地鐵11號、18 線地下連續墻施工，各項性能達到了設計指標，目前，共計已有6 臺用于該成果國產雙輪銑分別在廣州、深圳、南昌等地鐵項目施工。

4 結語

新研制的分體式鏈傳動雙輪銑工作裝置，采用自適應壓力補償技術實現了對傳動機構的壓力檢測和平衡補償，提高了雙輪銑惡劣工作環境下耐用性和可靠性，使國產雙輪銑真正擺脫了關鍵技術和零部件依賴國外的現狀，有效降低了設備使用和維護保養成本，實現了我國對雙輪銑這一高端產品自主研究設計、生產制造、工程施工一體化的產業鏈，技術成果將會推廣國產雙輪銑應用于我國地鐵、大橋錨定、高層建筑等地下連續墻基礎工程建設，必將產生顯著的經濟效益和社會效益。

圖5 ZTSX100 雙輪銑槽機