東方紅－WZJ300挖裝機的研究

欒新立，胡 渤

(洛陽拖拉機研究所有限公司，河南洛陽 471039)

0 引言

東方紅－WZJ300挖裝機能廣泛應用于鐵路建設、公路建設、水利工程、軍事地下工程、地鐵等隧道施工中，用于爆破后礦渣出渣［1］。

隧道施工多采用鉆爆法［2－3］開挖。出渣作業(yè)約占1個作業(yè)循環(huán)(鉆孔—裝藥—爆破—換氣—出渣—支護—防水—襯砌混凝土)時間的50%。隧道挖裝機是一種快速有效的清理設備。挖掘機是隧道內(nèi)施工用電動機驅動，工作效率高、安全可靠、無污染、適應性強，深受隧道施工單位的喜愛。

目前國內(nèi)主要引進德國TEREX公司的ITC312系列和日本KEMCO公司的KL系列隧道挖裝機，由于作業(yè)效率高，節(jié)能環(huán)保，已被鐵路、公路隧道等施工單位認可［4］;但價格昂貴，維修不便且成本高。國內(nèi)雖有廠家生產(chǎn)，但可靠性差，效率低，操作使用維修不便;因此，迫切需要研制開發(fā)高質(zhì)量的大型隧道挖裝機，以滿足國內(nèi)快速發(fā)展的軌道交通建設需要。

1 東方紅－WZJ300挖裝機主要技術參數(shù)

見表1。

2 關鍵技術研究

隧道挖裝機(Tunnel heading and loading machine，也稱扒裝機、扒渣機)是將反鏟液壓挖掘機［5］和輸送裝置有機地結合為一體的新型施工機械。通過對雙動力(柴油機和電動機)驅動裝置、液壓系統(tǒng)、反鏟工作裝置、輸送裝置、行走機構、先導控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、儀表顯示、故障報警系統(tǒng)和動力裝置等技術研究，集成創(chuàng)新開發(fā)了東方紅－WZJ300挖裝機。

2.1 整機雙動力匹配技術

東方紅－WZJ300挖裝機采用雙動力系統(tǒng)，柴油機匹配1106D－E66TA電噴發(fā)動機，增壓中冷，燃油耗低，排放達到TierⅢ級。該發(fā)動機啟動性能好，功率儲備大，能夠適應不同地區(qū)。電動機選用時充分考慮在隧道內(nèi)的安全防護要求，故訂做防護等級為IP55的電機(其中，IP為Ingress Protection;第1個5為防護灰塵，不可能完全阻止灰塵進入，但灰塵進入的數(shù)量不會影響設備的正常運行;第2個5為防護射水，從任何方向對準設備的射水不應引起損害)。

內(nèi)燃機的驅動用于隧道或地下建筑物以外的場所，轉場方便，使整機具有更大的靈活性。隧道內(nèi)作業(yè)則采用電動機驅動。采用電動機驅動的最大優(yōu)點是噪音小、零排放、無污染、振動低，且不會產(chǎn)生對人體及環(huán)境有害的油氣混合物。

表1 東方紅－WZJ300挖裝機主要技術參數(shù)Table 1 Major technical parameters of Dongfanghong-WZJ300 tunnel heading and loading machine

2.1.1 發(fā)動機的匹配

隨著海拔的增加，大氣壓力降低，進氣管真空度下降，對于一定型號的發(fā)動機在轉速不變的情況下，平均指示壓力［6］降低直接影響著發(fā)動機功率，即發(fā)動機功率隨著海拔升而下降。發(fā)動機功率與平均指示壓力成正比，即

式中:Ni為發(fā)動機指示功率;Vk為發(fā)動機總工作容積;pi為平均指示壓力;n為曲軸轉速。

海拔4000m比零海拔時的發(fā)動機功率降低40%～50%。海拔每上升1 000 m，發(fā)動機功率和轉矩分別下降10%和11%左右。初步計算功率為146 kW/2 200 r/m(考慮到發(fā)動機功率儲備8% ～10%，實際選用發(fā)動機功率159 kW/2 200 r/m)，選用增壓中冷發(fā)動機。

2.1.2 電動機功率匹配

電動機的功率匹配與發(fā)動機功率基本相當，由于發(fā)動機附件消耗功率為標定功率的15%，持續(xù)功率為12h標定功率的90%，海拔1 000 m以下增壓發(fā)動機功率下降不考慮，海拔每上升1000m功率下降10%左右;故電機匹配功率為146 kW ×0.85 ×0.9 ×0.9 ×0.9=90.47 kW。

發(fā)動機采用增壓中冷，水冷式電噴發(fā)動機，排放達到TierⅢ級。電動機采用三相異步電機，功率90 kW/1 485 r/m，防護等級IP55，在隧道內(nèi)工作時，可以防灰塵和水進入電機內(nèi)。2種動力都能滿足在海拔3 000m工作的要求。

2.2 工作裝置的有限元分析

反鏟工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗及工作裝置偏轉機構等組成［5］。工作裝置動臂采用直動臂，以滿足挖高的要求。由于該工作裝置主要用于挖裝作業(yè)，在設計時優(yōu)先滿足挖高要求。工作裝置鏟斗采用加長斗底板結構，以便于挖裝作業(yè)。

偏轉機構采用油缸控制的方式，左右偏轉角度均為55°，滿足挖掘范圍的要求。銷軸采用軸套結構形式，銷軸兩端采用密封及端面減磨結構。動臂支座上部采用調(diào)心錐軸承，下部采用調(diào)心柱軸承，用銷軸把動臂和支座連接成工作部件。

考慮到工作裝置的使用安全性，按挖掘力對工作裝置進行有限元分析［7］。材料的屈服極限為345 MPa，根據(jù)經(jīng)驗最大應力應控制在220 MPa以下最安全，解決了工作裝置在使用斷裂的嚴重問題。圖1為挖裝機斗桿有限元分析云圖。

圖1 挖裝機斗桿有限元分析云圖Fig.1 FE analysis on arm of tunnel heading and loading machine

2.3 負荷傳感液壓系統(tǒng)

負荷傳感使泵的流量和壓力與系統(tǒng)要求相匹配，將無用功率降至最小。針對泵的驅動轉速和負載壓力的變化，泵自動調(diào)整使其輸出流量匹配負載要求，由于泵的負荷傳感控制將保持通過主系統(tǒng)節(jié)流閥上的壓降恒定，于是流量將保持恒定，與負載壓力和泵的轉速變化無關。

東方紅－WZJ300挖裝機采用完全負荷傳感液壓系統(tǒng)［8］，即由負荷傳感控制閥和負荷傳感控制變量泵組成的系統(tǒng)。發(fā)動機、電動機分別帶有3個泵，大排量變量泵的壓力油與7聯(lián)控制閥相接完成行走、動臂升降、斗桿伸收、鏟斗提收和工作裝置左右偏轉的功能;較小排量變量泵的壓力油與5聯(lián)控制閥相接，完成輸送鏈驅動、輸送槽升降、扒斗開收的功能;定量齒輪泵的壓力油與冷卻風扇驅動馬達相接，完成冷卻液壓油的功能。

與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)相比，負荷傳感系統(tǒng)的主要優(yōu)點有:

1)比普通三位六通閥節(jié)能。普通三位六通閥無論采用定量或變量泵，總有一部分油經(jīng)溢流閥卸掉，浪費了能量;而使用負荷傳感變量系統(tǒng)，泵的流量全部用于負載上，泵的輸出壓力僅比負載壓力略高一點。

2)流量控制精度高，不受負載壓力變化的影響。

3)幾種執(zhí)行元件可以同步運動或以某種速比運動，且互不干擾。普通三位六通閥系統(tǒng)用的是并聯(lián)油路，當幾個執(zhí)行元件同時動作時，泵輸出的油先流到壓力低的執(zhí)行元件，不能同步。

2.4 電控風扇系統(tǒng)

圖2為電控風扇系統(tǒng)，其工作流程為:把要控制的溫度值輸入電子控制器1，電子控制器1的外部與溫度傳感器9相連，需要控制的溫度信號傳入電子控制器，與原來溫度值進行比較，發(fā)出信號推動電子開關閥2打開或關閉;當液壓系統(tǒng)開始工作時，液壓油溫度比較低，溫度傳感器9信號沒有達到電子控制器1設定的溫度，電子開關閥2處于通油狀態(tài)，冷卻泵1的油流通過隨動控制閥3;a和b之間設置了節(jié)流孔，使a點和b點產(chǎn)生壓差，即a點壓力pa遠大于b點壓力pb，paA1＞pbA2+p1(p1左端彈簧力，A1，A2為閥芯兩端面積);在pa的作用下，閥芯下移，液壓油分2路通過閥芯，一路通過電子控制器1回油箱，另一路通過馬達7輸出口后回油箱，馬達7低速旋轉或不旋轉;隨著油溫升高，電子開關閥2慢慢關閉，當溫度達到設定置時，電子開關閥2關閉，油液不通，使a點和b點沒有壓差，即pa=pb;隨動控制閥3在彈簧力的作用下，閥芯上移處于2的位置，在齒輪泵5的壓力油全部通過馬達7，使其高速轉動帶動風扇旋轉，對冷卻器8吹風進行冷卻，從而降低液壓油溫度。隨著溫度高低的變化，馬達轉速也跟著變化。

液壓冷卻器采用電子控制技術［9］，風扇由液壓馬達驅動，齒輪泵供油，風扇的轉速隨著油溫的高低而變換:油溫低時，風扇轉速低，節(jié)省能源，減低噪音;油溫高時，風扇轉速高，以快速降低油溫。

2.5 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括動力電系統(tǒng)和顯示控制電路系統(tǒng)，本系統(tǒng)可實現(xiàn)如下主要功能:1)電動機具有減壓啟動和過載保護功能;2)柴油機/電動機電路的選擇和工作過程聯(lián)動鎖功能;3)蓄電池能夠在電動機工作狀態(tài)下進行充電;4)電纜在到達極限長度時自動停車，保護電纜不被拉斷;5)相序保護電路可實現(xiàn)在外部接線時，如出現(xiàn)相序錯誤能自動斷開啟動電路，保護油泵旋向正確;6)操作過程中對發(fā)動機、電動機、液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)隨時監(jiān)控及保護 ，在帶載狀態(tài)下將無法啟動;7)組合儀表上觸摸顯示器顯示發(fā)動機工作的各種工況，顯示器上部是各種工報警燈:當出現(xiàn)故障時，報警燈閃爍，同時伴有報警聲;發(fā)動機出現(xiàn)故障時，可根據(jù)顯示屏上的提示，找出相應的故障點。

圖2 電控風扇系統(tǒng)Fig.2 Electric fan cooling system

3 東方紅－WZJ300主要創(chuàng)新點

3.1 雙動力系統(tǒng)

東方紅－WZJ300挖裝機采用雙動力系統(tǒng)，柴油機匹配的電噴發(fā)動機。該發(fā)動機啟動性能好、功率儲備大，能夠適應包括高海拔、高寒、高濕地區(qū)在內(nèi)的不同地區(qū)作業(yè)要求;電動機具有IP55防護等級，能滿足隧道內(nèi)防塵、防水要求。

3.2 負荷傳感液壓系統(tǒng)

東方紅－WZJ300挖裝機采用2組負荷傳感液壓系統(tǒng)，負荷傳感系統(tǒng)可根據(jù)負載的變化，對泵排出的流量作相應的調(diào)節(jié)。隨著泵的驅動轉速和外界負載壓力的變化，液壓泵自動調(diào)整使其輸出流量與外界負載匹配。負荷傳感控制將保持通過主系統(tǒng)節(jié)流閥上的壓降恒定，通過各閥的流量只與閥的開口有關，與負載壓力和油泵轉速變化無關。負荷傳感系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)相比具有節(jié)能、操縱方便、動作控制精確度高、幾種執(zhí)行元件可以同步運動或以某種速比運動。

3.3 電控液壓風扇冷卻系統(tǒng)

液壓油散熱器冷卻風扇由液壓馬達驅動，隨著液壓油溫度高低的變化，液壓馬達轉速也隨著變化。該系統(tǒng)節(jié)能效果好，從而避免油溫過高過低對液壓系統(tǒng)的影響。

3.4 橡膠板輸送機構

東方紅－WZJ300挖裝機采用刮板+橡膠板輸送帶，刮板連接在2條輸送鏈之間，在每2個刮板之間連接有橡膠板，橡膠板可隔離物料和輸送槽，減小輸送阻力，降低輸送槽的磨損;橡膠板還可以阻止物料進入刮板下面而使刮板抬高造成的卡鏈現(xiàn)象。

3.5 輸送鏈驅動裝置

挖裝機輸送鏈驅動裝置原設計為:在輸送驅動支架左右兩側滑道內(nèi)，液壓馬達通過滑塊外側的定位止口，將液壓馬達軸頭插入鏈輪軸花鍵內(nèi)驅動其旋轉，軸兩端類似滑動軸承支撐。此結構存在以下不足:

1)由于鏈條輸送帶上的物料不均勻，導致2根鏈條的拉力有差異，使鏈輪軸軸向竄動造成卡滯，需要軸向自動調(diào)整功能，以免影響正常工作。

2)液壓馬達軸頭承受徑向和扭轉的交變復合力，受力復雜，液壓馬達軸易斷。

3)由于驅動軸兩端為滑動支撐，轉動阻力比滾動大，消耗功率高。

改進的挖裝機輸送鏈驅動裝置見圖3。焊接成槽型的輸送驅動支架1左右兩側設置有對稱滑道，在兩滑道內(nèi)裝上左滑塊張緊機構2和右滑塊張緊機構3，驅動鏈輪軸9兩端軸頭分別插入左滑塊張緊機構2和右滑塊張緊機構3腔內(nèi)調(diào)心軸承11的內(nèi)圈中，液壓馬達12的外花鍵軸頭插入驅動鏈輪軸9軸頭的內(nèi)花鍵里并用螺栓14穿過液壓馬達12的外殼端面、隔套13、調(diào)整墊圈15固定在左滑塊張緊機構2和右滑塊張緊機構3外側面上。左滑塊張緊機構2和右滑塊張緊機構3腔內(nèi)調(diào)心軸承11內(nèi)圈靠緊驅動鏈輪軸9上的軸肩，外圈由裝在左滑塊張緊機構2和右滑塊張緊機構3內(nèi)的隔套13和調(diào)整墊圈15進行調(diào)整后，由螺栓14擰緊。調(diào)心軸承11與左滑塊張緊機構2和右滑塊張緊機構3上的油道和油嘴4相通。

改進后的驅動鏈輪軸兩端由調(diào)心軸承支承、隔套和調(diào)整墊圈定位，首先，可根據(jù)驅動機構零部件的制造公差來調(diào)整墊片厚薄保證鏈輪的軸向定位位置，輸送鏈條運轉時，由于其上運載的物料不均勻產(chǎn)生下垂量不同，下垂量大的一邊產(chǎn)生的軸向力略大，軸向力推動調(diào)心軸承軸自動調(diào)整軸向間隙，防止軸向力損壞軸承和驅動鏈輪軸;其次，驅動鏈輪軸上的徑向載荷有調(diào)心軸承承擔，旋轉時由原來的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，可以有效地減少驅動阻力，從而有效地提高輸送物料的效率;再次，液壓馬達安裝定位保證同軸度要求，隔套的外止口嵌入滑塊張緊機構側板止口內(nèi)，液壓馬達的外止口嵌入隔套的外止口內(nèi)，液壓馬達軸通過花鍵插入驅動鏈輪軸內(nèi)。工作時，馬達軸只承受純扭轉力，不承受徑向荷載，改善馬達軸受力狀況，延長馬達使用壽命。本輸送鏈驅動裝置軸向定位好、使用壽命長、可靠性高。

圖3 輸送鏈驅動裝置改進圖Fig.3 Improved conveyor chain drive device

3.6 液壓系統(tǒng)集成化設計

以往的挖裝機控制系統(tǒng)采用管式連接系統(tǒng)，閥與閥之間用管路連接，管式連接占用空間大，而且容易產(chǎn)生泄漏，安裝維修不便。東方紅－WZJ300挖裝機液壓系統(tǒng)采用集成設計，液壓集成控制裝置是將挖裝機液壓控制系統(tǒng)集成于一體的裝置［10］，大大減少了外部管路的連接，減少了系統(tǒng)故障點，使液壓系統(tǒng)的組裝、安裝、維護更加方便。

3.7 防撞機構設計

東方紅－WZJ300挖裝機設計有防碰撞機構，在輸送槽下方礦車停止的位置設有防撞塊，防撞塊采用橡膠塊;防撞塊前方200 mm處設有報警燈開關，以提示礦車司機，避免在隧道內(nèi)礦車倒車時與挖裝機相撞。

4 專利成果

東方紅－WZJ300挖裝機在研制過程中注重對新技術及創(chuàng)新結構的保護工作，從項目開始就陸續(xù)向國家知識產(chǎn)權局申請了6項專利，目前已獲得國家授權的專利5項。

5 樣機工業(yè)性試驗

樣機于2009年12月完成試制。樣機于2010年6月經(jīng)國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，主要技術參數(shù)和性能指標滿足設計要求。

2011年3 月到7月在張?zhí)畦F路燕山隧道進行了近4個月工業(yè)性試驗。2011年7月30日中國中鐵隧道集團有限公司和中國一拖集團有限公司組織專家對其進行了工業(yè)性試驗驗收，認為:

1)該機適應于軟、硬渣土等不同地層環(huán)境下進行不同斷面隧道連續(xù)、快速出渣。

2)該機采用全負荷傳感液壓系統(tǒng)、復合動作好、工作效率高;采用電控液壓風扇系統(tǒng)、達到了節(jié)能的目的;采用橡膠板輸送機構，防止輸送裝置卡鏈;采用電纜自動收放控制系統(tǒng)，防止電纜拉斷;采用新型輸送鏈驅動裝置，有效延長了輸送液壓馬達的壽命。另外，該機設計了多種電、液安全保護系統(tǒng)、發(fā)動機CAN總線參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)及故障報警等先進技術，創(chuàng)新性強，整機具有節(jié)能、環(huán)保、噪音小、安全可靠等特點。

3)經(jīng)過國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的試驗，主要技術參數(shù)、性能指標及安全性符合相關標準的規(guī)定。

4)經(jīng)過性能試驗、可靠性試驗及現(xiàn)場工業(yè)性試驗，表明該機能夠滿足隧道施工要求。

綜上所述，東方紅－WZJ300挖裝機整機性能優(yōu)越，效率高，造價低，整機達到國際同類產(chǎn)品的先進水平，可替代同類進口產(chǎn)品。建議在不同圍巖隧道工程施工中推廣應用，并加強售后服務。

6 結論與討論

東方紅－WZJ300挖裝機在設計之初，通過調(diào)查，對ITC312挖裝機使用中存在的輸送裝置卡鏈、行走系統(tǒng)斷履帶銷軸、液壓油溫高等問題進行分析和研究，并將改進結果應用到東方紅－WZJ300挖裝機上，經(jīng)工業(yè)性試驗證明，取得了很好的效果。

東方紅－WZJ300挖裝機在燕山隧道使用近4個月，性能先進、操作方便，在隧道內(nèi)電機驅動，零排放、無污染，完全滿足隧道斜井和正洞施工要求。

挖裝機在隧道內(nèi)工作，粉塵大，今后，將在挖裝機上研究設計正氣壓式駕駛室，使外界的粉塵不能進入駕駛室內(nèi)，既保證駕駛室能進入過濾的新鮮空氣，又能滿足駕駛員有良好的視野，改善作業(yè)環(huán)境。

隨著我國基礎設施建設規(guī)模的擴大，隧道建設速度也越來越快，隧道挖裝機的用途正向城市地鐵建設、水利部門、軍事工程等領域擴大，應在以后的使用中不斷改進，以滿足不同用戶需求。

［1］ 王夢恕.21世紀山嶺隧道修建的趨勢［J］.鐵道標準設計，2004，35(9):38 －40.(WANG Mengshu.The tendency of mountain tunnel in the 21st century［J］.Railway Standard Design，2004，35(9):38 －40.(in Chinese))

［2］ 周小松.TBM法與鉆爆法技術經(jīng)濟對比分析［D］.西安:西安理工大學巖土工程專業(yè)，2010.(ZHOU Xiaosong.Techno-economic comparative analysis of TBM method and drilling and blasting method［D］.Xi’an:Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，2011.(in Chinese))

［3］ 何廣沂，田雄文.我國隧道掘進鉆爆技術發(fā)展綜述［J］.鐵路建筑技術，2006(6):71 －80.(HE Guangyi，TIAN Xiongwen.Review of the development of drill blasting technologyfortunnel-digging in China［J］.Railway Construction Technology，2006(6):71 －80.(in Chinese))

［4］ 郭陜云.隧道掘進鉆爆法施工技術的進步和發(fā)展［J］.鐵道工程學報，2007(9):69－76.(GUO Shanyun.Progresses and developments of tunnel construction technology with bored blast method［J］.Journal of Railway Engineering Society，2007(9):69 －76.(in Chinese))

［5］ 曹善華.單斗挖掘機［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1989.

［6］ 吳兆漢.內(nèi)燃機設計［M］.北京:北京理工大學出版社，1990.

［7］ 于碩，張建宗，孔喆.液壓挖掘機動臂有限元分析［J］.工程機械，2002(11):80 －85.(YU Shuo，ZHANG Jianzong KONG Zhe.Finite element analysis on hydraulic excavator’s boom［J］.Construction Machinery and Equipment，2002(11):80 －85.(in Chinese))

［8］ 欒新立，欒文博.負荷傳感液壓系統(tǒng)在液壓傳動車輛上的研究應用［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2009(1):19－21.(LUAN Xinli，LUAN Wenbo.The research and application of load sensing hydraulic system on hydraulic drive vehicle［J］.Tractor and Farm Transporter，2009(1):19 － 21.(in Chinese))

［9］ 欒新立，欒文博.液壓系統(tǒng)熱平衡計算和冷卻方式的設計［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2008(1):59－63.(LUAN Xinli，LUAN Wenbo.Hot balance account of hydraulic system and design of refrigeration system［J］.Tractor and Farm Transporter，2008(1):59 －63.(in Chinese))

［10］ 王文深.液壓與氣壓傳動技術［M］.長春:吉林科學技術出版社，1990.