一種隧道有軌運輸液壓自動側卸式渣車的設計與應用

張旭亮，王鵬，李勝永，左建樂，王浩

（中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南 新鄉453000）

0 引言

隨著地鐵隧道、通信、引水管道及地下電纜的日益建設，盾構/TBM在國內外得到全速發展，盾構法施工相應的后配套設備也隨之發展，水平運輸設備主要應用在盾構/TBM等隧道掘進設備的配套施工運輸中。利用牽引機車對渣土、管片、漿料、人員等進行運輸，滿足隧道內外聯絡和物質交換[1]。

常規地鐵隧道用渣土運輸車卸渣方式為龍門吊輔助卸渣，實現起吊和卸渣需配合的輔助裝置較多，所在工地的配套基礎設施投入較多，效率低，費時費力，資金投入大，并且此種卸渣裝置為整體起吊和翻轉，安全性較低[2]。在此種背景下，本文優化設計出一種集運輸與卸渣一體的智能液壓自動側卸翻渣車，進一步提升隧道施工有軌運輸后配套渣車的使用性能，并提高施工效率。

1 液壓側卸渣車結構設計

如圖1所示，液壓自動側卸渣車主要由車箱總成、底盤機構、側翻轉機構、行走系統、制動系統、液壓支撐系統及液壓泵站等組成，通過液壓控制泵站和機械機構的結合，可實現車箱側翻任意角度的急停和油缸自動支撐和返回，智能化程度高，各主要結構采用模塊化設計，通過螺栓或者銷軸連接，現場拆裝方便。

1.1 車箱總成設計

1.1.1 車箱結構設計

箱體總成主要用于裝載棄渣，在運行、接料和卸料時，主要承受多向動態載荷，箱體應有足夠的強度和剛度。箱體總成主體結構由不同厚度鋼板壓型拼焊而成，用型鋼加固連接，車箱兩端頂部設置有擋渣平臺，防止移動接渣時渣土掉落在軌道上，影響編組運行；車箱底部合適位置設置有位移傳感器，當支撐油缸縮回到一定位置時，位移傳感器探測到焊接于底盤總成的接受板，蜂鳴器發出警報，提醒工人師傅支撐油缸即將縮回到初始位置；在車箱底板兩側合適位置設置有振動電動機，設計激振力為3 kN，使卸渣效率顯著提升，棄渣殘留量較之前減少，渣土卸盡率顯著提升。

對車箱結構做優化設計，縱向兩側端板，一側為固定式，加強了端、側部整體剛度和縱向的傳遞能力，提高了結構的整體承載能力；另一側為可活動的開閉門結構，橫向箱體中部和兩側適當位置貫穿整個車箱設置有3套四連桿機構，如圖2所示，通過銷軸連接的翻轉拉桿和翻轉側板及底盤總成（底盤作為基體）構成一套四連桿機構，實現單側活動門的平穩開閉。

圖1 液壓側卸渣車主視圖

圖2 液壓側卸渣車側視圖

1.1.2 車箱方量設計

福建龍巖萬安溪引水工程TBM開挖直徑為3.83 m，設計一環掘進2 m,按隧道施工經驗，設計松方系數為1.2～2.0，這里取1.5，則出渣總方量為34.5 m3，編組配4個9 m3液壓側卸渣車可滿足項目施工要求，這樣車箱方量設計為9 m3，根據現場軌距鋪設，軌距設定為900 mm,根據寬度和高度尺寸要求，確定車箱整體長度跨度尺寸。

1.1.3 密封性能設計

福建龍巖項目工程引水隧洞施工段長約15 km，地層巖性主要為花崗巖、石英砂巖等，巖體完整，巖石強度高，石英、長石等硬質礦物含量高，磨蝕性強，給隧道施工掘進帶來了極大的挑戰。隧道掘進使用高壓水力耦合破巖TBM，排水量較大，棄渣顆粒較小，存在較多粉末狀，設計液壓渣車為側門打開式，這樣渣車密封性能的設計尤為重要。

如圖1所示，箱體總成中由中部的隔板將箱體分隔為兩個獨立的小箱體，通過側翻轉機構將兩個箱體連接為一體，每個箱體側板端部設置有環形密封卡板，沿著環形卡槽粘接有密封橡膠，截面如圖3所示，當支撐油缸縮回到初始位置時，側開門面板接觸密封橡膠，并壓縮密封橡膠,形成兩個小箱體的獨立環形密封。

圖3 密封截面安裝示意圖

密封橡膠采用T形，和密封卡板位置的密封卡槽緊密配合，輔助膠水粘接，安裝牢固，不易脫落；橡膠材質為三元乙丙，邵氏硬度A40～60,耐老化性、耐腐蝕性及抗擠壓性能優異；設計橡膠密封壓縮量為0～6 mm,可補償由于側開門變形對密封性能產生的影響；安裝完成后注水實驗密封性能優異，成功解決了側開式液壓渣車的密封性能難題。

1.1.4 翻轉拉桿強度校核

對側翻轉機構進行靜力學分析，如圖4所示，在三維圖中找到翻轉側板的質心位置并定位到二維圖中，對翻轉側板進行受力分析。

根據受力分析對翻轉側板建立力矩平衡方程：

圖4 翻轉側板受力分析

其中［σ］=σu/n，此處n為安全系數，取值為1.7（起重機械）可得翻轉拉桿滿足Q235B的選材要求。

1.2 下裝系統設計

下裝系統設計主要由底盤總成、行走系統、制動系統及相關輔件構成。底盤為液壓渣車主要承載部件，主要承受牽引力、渣車之間的慣性接觸力及車輪和鋼軌之間的沖擊力。結合圖1、圖2，底盤主體結構采用箱梁拼焊，箱體兩端設置有防脫拉鏈和牽引車鉤，保證編組設備之間的安全連接；為防止渣車在卸渣時發生側翻現象，在底盤總成上以中心軸線對稱兩端設置有防翻拉鏈，確保項目施工安全、高效。以中心軸線對稱的兩端合適位置設置有油缸支撐底座，用于連接支撐油缸，連接方式為銷軸連接；右側中心和兩側位置設置有3套固定支撐底座，用于連接箱體總成，連接方式為銷軸連接，這樣支撐油缸、箱體總成（可作為一個簡易連桿）及底盤總成（作為基體）構成一套四連桿機構，實現整機平穩運行。

行走系統主要構成為以中心軸線對稱的合適軸距位置設定的單軸輪對總成，輪對總成上焊接有彈簧安裝支架，彈簧導套配套減震彈簧置于彈簧安裝支架上，形成一組物理平衡彈簧減震機構；減震彈簧支撐接觸車體機構連接板，連接方式為螺栓固定，防止輪對松動脫落和車輪偏磨等隱患，提高整機安全性能。

制動系統采用杠桿原理機構進行制動，制動動力源來自編組機車氣源，實施方式為兩端對稱單側制動氣室驅動閘瓦，閘瓦接觸抱死車輪實現整車的制動，制動性能穩定，兩臺渣車之間用快插接頭連接，氣源快速穩定，拆裝方便,不易受外界因素干擾。

2 液壓側卸渣車控制系統

2.1 液壓支撐系統

整個車廂單側翻轉動力系統采用全液壓泵站支撐系統，液壓側卸渣車工作模擬調試示意圖如圖5所示，泵站由電動機帶動齒輪泵驅動，以中心軸線對稱的兩側適當位置設置有液壓支撐油缸，雙側液壓油缸作為執行機構其上設置有液壓鎖，可實現任意工作位置的自鎖，支撐平穩，安全可靠。

圖5 液壓側卸渣車工作模擬調試

該系統支撐油缸設計行程可根據渣土方量實際調整，設計翻轉角度范圍為0°～40°，圖6為液壓自動側卸翻渣車工作位置示意圖，油缸設計行程大，設計翻轉角度靈活可調；在渣車翻轉極限位置停止，通過操作點動旋鈕，抖動卸料，可有效提高渣料卸盡率。

通過液壓控制泵站和機械機構的結合，可實現車廂側翻任意角度的急停和油缸自動支撐和返回，支撐油缸設置有限位裝置，防止車箱四連桿機構達到死角位置，智能化程度高。

圖6 液壓自動側卸翻渣車工作位置

2.2 液壓系統原理

液壓側卸渣車液壓系統主要由液壓泵站、支撐油缸、單向節流閥、液壓快速接頭及液壓軟管等組成。液壓泵站為整個渣車側卸的動力源，液壓系統工作原理圖如圖7所示，采用電動機帶動齒輪泵驅動，通過控制液壓泵站上的多路閥電磁鐵的通、斷電控制雙側支撐油缸同時伸出和縮回，實現渣車的棄渣及復位動作，在液壓控制回路多路閥中設置溢流閥，保證液壓控制回路的安全穩定運行。

圖7 液壓系統工作原理圖

2.3 電氣系統

電氣系統主要由斷路器、相序保護器、開關電源、安全繼電器、操作旋鈕等組成，是整機油缸動作運行的控制核心，具備配電保護、電動機保護、相序保護等安全保護功能，保證液壓翻渣安全可靠，支撐油缸伸出和縮回按鈕可點動控制，有效提高卸渣的效率。

2.4 產品項目使用實驗

液壓側卸渣車在福建龍巖萬安溪引水項目上的使用實驗如圖8所示，采用液壓支撐側翻后，將傳統龍門吊卸渣的整體翻轉和人工輔助卸料次數由30 min/次縮短到8 min/次，省去現場配套輔助裝置和人工輔助，省時省力，卸渣效率高，現場使用反饋良好。

3 結語

本文以優化隧道施工有軌運輸[4]后配套渣車的使用性能為目的，以福建龍巖萬安溪引水工程項目為依托，從結構設計、控制系統兩個方面綜合設計研究，并結合現場工程試驗，優化設計一種新型隧道有軌運輸液壓自動側卸式渣車，實際項目使用過程中減少預設的基礎設施，降低成本，提高施工效率，達到了預期的設計目標，為后期TBM/盾構機后配套有軌運輸渣車提供更好的解決方案：1）液壓自動側卸翻渣方式。車廂中部和兩側位置貫穿整個車廂設置有四連桿機構，實現單側活動門的平穩開閉，機械化程度高。2）行走底盤機構設置有防翻拉鏈，避免卸渣過程中車箱發生側翻，提高整機安全性能。3）整個車廂單側翻轉動力系統采用全液壓泵站支撐系統，液壓支撐油缸設置有液壓鎖，使得整機運行平穩、承載能力高、堅固耐用、操作維護方便。4）該系統支撐油缸設計行程可根據渣土方量實際調整，設計翻轉角度范圍為0°～40°，在側翻極限位置，抖動卸料，提高渣土卸盡率，實現個性參數化設計。5）智能化控制。通過液壓控制泵站和機械機構的結合，可實現車廂側翻任意角度的急停和油缸自動支撐和返回，設置有限位裝置，防止車廂四連桿機構達到死角位置。6）箱體總成設置有兩個獨立環形密封，成功解決側開式液壓渣車的密封性能難題。

圖8 現場使用照片