SX40B型懸掛式雙輪銑槽機的設計

上海金泰工程機械有限公司 上海 201805

1 設計背景

20世紀80年代,地下連續墻施工工藝被引入我國,相關設備陸續進入我國市場。在地下連續墻工程中,液壓抓斗負責軟土層的開挖作業,雙輪銑槽機負責硬巖層的開挖工作[1]。由于雙輪銑槽機核心技術被國外壟斷,因此我國市場中使用的普遍是進口設備。進口雙輪銑槽機每臺高達四五千萬元的售價使許多施工企業望而卻步[2],導致只能采用效率低下的施工方法,硬地層的地下連續墻施工成本較高[3-4]。基于以上市場分析,筆者單位從2011年開始著手研發國產雙輪銑槽機。經過幾年的不斷探索和技術改進,已經形成了獨具特色的國產雙輪銑槽機產品。筆者單位設計研發的SX40B型雙輪銑槽機,采用液壓抓斗的主機工作平臺,搭載由電力驅動的液壓泵站以提升整機功率,經過適當改裝可以實現一機兩用,主機可以在液壓抓斗和雙輪銑槽機之間進行功能切換。這一雙輪銑槽機采用氣舉反循環排渣方式代替進口雙輪銑槽機的泵舉排渣方式,結合主機應用的吊車伸縮臂結構,設計為具有經濟適用性的懸掛式樣式[5]。

2 技術參數

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機以SG系列液壓抓斗為研發平臺,拆卸抓斗的斗架體、絞盤、天車及配重,機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構、液壓泵站、主卷揚機、懸管裝置,再配上獨立的液壓、電氣、控制系統。

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機主要技術參數見表1。

表1 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機技術參數

3 結構

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機的結構如圖1所示。

3.1 抓斗主機

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機以SG70液壓抓斗為研發平臺,主機發動機為康明斯QSM11型,主要配置參數見表2。

3.2 雙輪銑

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機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,工作時懸掛于桅桿上,桅桿與主機鉸接。雙輪銑由駕駛室內的操縱手柄進行控制,結構如圖2所示。

圖1 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機結構

項目數值額定功率/kW300發動機轉速/(r·min-1)1 900主泵最大流量/(L·min-1)2×380履帶板寬度/mm800履帶外側距/mm3 450～4 600牽引力/kN630行走速度/(km·h-1)1.5

自動平衡式雙吊點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,能夠使雙輪銑自動平衡,保證銑槽的垂直度。中置式排渣管從頂部穿出,沒有任何彎曲部分。排渣管通徑放大至200 mm,配合氣舉反循環排渣,減小了流體在管內的阻力,提高雙輪銑的銑削效率。

加寬架在銑削不同槽寬時使用。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 雙輪銑結構

糾偏推板在雙輪銑銑槽發生偏斜時使用。雙輪銑架體內共設置12塊糾偏推板,共有八個動作。側面4塊可分別動作,正面和背面8塊可兩兩聯動。施工中,通過分別控制糾偏推板的動作,使雙輪銑成槽垂直度偏差可控,以滿足連續墻施工的高要求。

控制箱是雙輪銑的動作監控及反饋控制中心,箱體為全密封設計,能夠保證雙輪銑在水下工作時無泄漏。箱體內配置有傾角儀、糾偏控制電磁閥、壓力傳感器等液壓電氣元件。主機電纜線連接至控制箱,通過各傳感器對銑頭進行實時監控,保證雙輪銑在水下施工時的可靠性。

氣水混合管用于混合壓縮空氣和渣管內泥漿,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。

設置兩個壓力平衡器,分別為兩個銑輪單獨保壓。銑頭在不同深度時,通過壓力平衡器能夠使銑輪內外壓力平衡,保護銑輪不漏油、不進漿。吸渣頭兩側面有多個孔,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,通過氣舉反循環排渣。刮泥板設置在吸渣頭上,根據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。液壓馬達驅動銑輪旋轉,帶動刀盤轉動,從而切削、破碎土層或巖層。銑輪為完全自主研發,內部應用了雙殼雙重密封結構[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部,能夠實現動態保壓。銑輪與刀盤連接處采用彈性銷和橡膠結構減振,液壓馬達與行星減速器的連接采用高強度萬向軸傳動系統,保證傳動系統的可靠性。采用高靈敏度的檢測裝置,對齒輪箱內部液壓油的含水量和雜質進行監控。同時內置轉速、溫度及壓力等傳感器,使施工人員能夠在顯示器上實時監控銑輪的工作情況,為雙輪銑穩定安全施工提供了保障。

3.3 雙主卷揚機

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機采用雙主卷揚機結構,最大提升力為2×350 kN。兩根主鋼絲繩的一端固定于主卷揚卷筒,通過主天車及浮動油缸連接至斗架體雙吊點上。采用雙主卷揚機,在保證最大提升力的同時,提高對雙輪銑提升下放的安全性。應用主卷揚同步技術,保證雙吊點的平衡性能。雙輪銑工作時,主卷揚機鎖定不工作,設置在主天車內的浮動油缸可以自動慢速下放雙輪銑斗架體。浮動油缸的主要作用是控制雙輪銑的微量進給動作[8],一般施工中雙輪銑切削的都是硬地層,下放速度很慢,采用浮動油缸技術,通過比例閥控制,可以使銑輪的進給速度精度達到0.5 mm/min。

3.4 懸掛式膠管軌鏈

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機配置了一套懸掛式膠管軌鏈,如圖3所示。主機提供的動力通過膠管軌鏈輸送至雙輪銑斗架體。膠管軌鏈內部包括液壓油管、高壓氣管和電纜線保護油管,設計為兩組等重對稱布置。對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。軌鏈由一節節定制的特殊導向塊連接組成,軌鏈兩側使用兩根細鋼絲繩連接受力,每間隔一段固定距離采用專用管夾固定,避免軌鏈受拉,可有效保護油管、氣管及電纜線。

頂部天車懸掛懸管架,托引左右兩側膠管軌鏈,引導油管、氣管、電纜線進入雙輪銑斗架體內。懸管架由膠管卷揚機控制牽引,隨施工中的雙輪銑下放至槽內,進而使膠管軌鏈保持浮動跟進,使能源穩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。副鋼絲繩通過頂部天車連接到懸管架上,可根據雙輪銑的施工深度自由提升下放。渣管卷揚機鋼絲繩也通過頂部天車,可起吊排渣管。伸縮臂由高強度材料制成,并進行輕量化設計,分為三節臂,可上下伸縮,最大伸縮行程為9 m。可以根據施工需要調整伸縮臂的最大高度,以適應不同的施工深度,提高施工的穩定性。伸縮臂后部支撐由兩個撐桿及斜撐油缸組成,在保證頂部結構穩定的前提下,還可以前后調整角度,應用靈活。

圖3 懸掛式膠管軌鏈結構

3.6 液壓泵站

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機除主機提供的300 kW柴油機動力外,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電動機組成,45 kW電動機提供雙輪銑糾偏、頂部伸縮臂和浮動油缸等的動力,110 kW電動機提供雙輪銑輸出扭矩,與主機提供的動力并聯,以提高雙輪銑克服硬地層做功的能力。液壓泵站電動機可以獨立驅動控制,根據實際施工需要可以選擇是否加載,在工作中既可以提供強大的動力輸出,又能夠達到節能減排的目的。

4 工作原理

SX40B型懸掛式雙輪銑槽機工作原理如圖4所示。工作時,主機提供液壓動力,驅動兩臺液壓馬達帶動旋轉方向相對的銑輪低速旋轉。大扭矩銑輪旋轉,帶動刀盤銑削、破碎地層。銑輪將切削下的大巖塊破碎為小塊,并向上卷動。破碎后的碎石和巖屑與槽中穩定的泥漿混合。空壓機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,排渣管內外壓差會使泥漿從管外向管內流動,從而完成氣舉反循環。破碎后的巖屑與泥漿混合,通過兩個銑輪中間的吸渣口持續不斷地經排渣管送至篩分系統。混合的泥漿經過篩分系統處理后,能分離出渣土和巖屑。剩下干凈的泥漿被送回至槽段內,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補償。雙輪銑可以連續不斷切削,通過氣舉方式排渣。隨著施工深度加大,可以加接適應深度的排渣管,不斷循環,直至銑削達到預定深度,完成槽段施工。

圖4 SX40B型懸掛式雙輪銑槽機工作原理

5 結束語

雙輪銑槽機是目前世界上最先進的硬巖成槽設備,主要用于建筑基礎及地下連續墻施工。筆者單位研發的SX40B型懸掛式雙輪銑槽機適用于地質情況復雜、巖層較硬和特殊巖性的地層,施工深度為60 m,可以滿足國內大部分工況。這一雙輪銑槽機適用范圍廣,施工效率高,成槽過程全自動控制,成槽精度高,成墻質量好,施工過程中對周邊環境影響小,相比進口設備具有較高的性價比,有較大的市場推廣價值。