一種基于砂漿車(罐)攪拌系統優化設計

李勝永

(中鐵隧道裝備制造有限公司設備分公司，河南新鄉 453000)

0 引言

砂漿車(罐)是地鐵施工中常用的設備，隨著近年來國內城市地鐵建設的高速發展，對砂漿車(罐)的需求和要求不斷提升，砂漿車(罐)攪拌系統得到了不斷完善。攪拌系統中最初采用盤根進行密封，現在，國內外普遍采用O型圈與迷宮式密封相結合［1］的密封結構，如蘭州機車廠、中鐵科工生產的砂漿車都在使用此種結構形式;而且在土壓平衡盾構二次注漿系統中砂漿罐也是采用O型圈與迷宮式密封相結合的模式進行密封，如中鐵隧道裝備制造有限公司生產的盾構二次注漿系統中的砂漿罐和南京凱宮重工生產的盾構二次注漿系統中的砂漿罐等。此密封結構的使用使密封性能得到了很大提高。李星星等［2］從迷宮式密封入手引入交錯齒迷宮密封結構形式，這是一種更新穎的研究方向。然而，由于國內制作工藝條件和現場施工條件的限制，砂漿車(罐)前后軸的漏漿及維護依然是長期困擾用戶的嚴重問題。經過調研中鐵七局鄭州地鐵某項目機車編組砂漿車的使用情況及分析祥康項目北京地鐵某項目砂漿車的制作和使用情況，通過結構改善、制作工藝優化等措施，解決砂漿車前后軸總成之間的匹配性、后軸總成后期維護便利性，提出合理的方案解決后軸總成方便拆裝及電機選型優化［3］等問題。本文分別從制作工藝和增加密封裝置等方面入手，解決砂漿車(罐)的攪拌系統前后軸總成漏漿問題。

1 砂漿車(罐)使用現狀及存在的問題

目前在國內外隧道施工中，砂漿車(罐)前后軸總成普遍采用2種不同的結構形式［4］。前軸總成為驅動端，可以由砂漿車(罐)箱體外側進行裝配;后軸總成為從動端，可彌補因制作誤差對攪拌軸產生的軸向力。裝配過程必須先組裝后軸總成并通過工裝定位，然后連接攪拌軸，最后才能組裝前軸總成，整體連接后調整驅動軸軸線與車箱的垂直度。

上述結構形式無法實現后軸總成在砂漿車(罐)箱體外側進行拆裝，在后軸總成出現問題需要維護時，必須先拆除前軸總成、去掉攪拌軸連接，才能把后軸總成拆解進行維護，這樣造成后期維護極其不便利;另外，這種結構形式的砂漿車在國內的項目中普遍存在漏漿的問題。

2 對砂漿車(罐)進行分析并提出方案

結合現行砂漿車(罐)的結構形式分析主要原因在于前后軸同軸度公差偏大問題，單一的依靠工裝和人工調整的模式，使前后軸同軸度不太理想，這樣就造成密封元件過快被損壞，引起砂漿車漏漿的問題;其次是施工人員維護保養是否到位的問題，現場施工條件存在一定局限性，再加上施工人員的工作積極性不是太高，就不可避免地存在密封腔內維護保養不能按要求進行。針對以上存在的問題，對砂漿車(罐)攪拌系統進行了以下幾個方面的優化設計:

1)改進砂漿車車體制作工藝，提高車體前后軸安裝孔的同軸度;

2)結合減速電機現場試驗情況，對電機選型進行合理優化;

3)對前軸總成進行優化，把原普通平鍵傳遞扭矩的方式改為花鍵結構形式;

4)改進后軸總成結構形式，以滿足其在安裝后可方便進行拆裝工作，利于后期進行設備檢修和維護等工作;

5)增加電動油脂泵裝置，改善施工現場維護保養的條件。

3 對砂漿車(罐)解決方案的分析

3.1 提高前后軸總成互換性

后軸總成和前軸總成進行調整使其在結構上保持一致性，配件和部分零部件選用相同規格，在滿足后軸總成可方便拆卸的同時，使砂漿車(罐)的相關配件和機加工零部件規格種類減少50%，這樣可實現前、后軸總成的匹配互換性，在此基礎上施工方也可減少備件的數量和種類［5］。關鍵配件對比見表1和表2。

表2 優化后攪拌系統所需關鍵配件Table 2 Key parts needed for mixing system after optimization

3.2 單鍵槽調為花鍵槽形式

前軸總成中與減速電機相配合的軸由原來的平鍵槽改為花鍵槽。采用花鍵的優點有:1)鍵齒較多、工作面積大、承載能力較高;2)鍵均勻分布，各鍵齒的受力均勻;3)齒槽線、齒根應力集中小，對軸的強度削弱小;4)軸上零件對中性好;5)導向性好。

這樣就可實現攪拌系統扭矩傳遞的平穩性，減緩攪拌系統對前后軸總成的沖擊性，使其減少漏漿的幾率、延長前后軸總成的維修周期和增加砂漿車(罐)的使用壽命。

3.3 優化電機減速機選型

通過類比其他廠家并經過現場試驗證明KAB 107－Y7.5－4P－119.5－M2－180°型號減速電機完全可滿足8 m3以下砂漿車(罐)攪拌系統的使用要求，并且此規格減速電機輸出轉速為12 r/min，較以往有所提高，這樣在滿足砂漿不存在離心脫水的情況下，有利于排漿，提高了工作效率。以往采用的KA127/T－Y7.5－6P－146.07－M2－270°型號減速電機為非標產品，按需求進行產品定制，造成設備成本居高，經過此次優化后產品為標準型減速電機［6－7］，在降低設備成本的同時為前后軸總成結構優化提供了前提條件。試驗及后續的使用均證明優化后減速電機完全可滿足使用要求。

3.4 改進制作工藝

通過改進砂漿車(罐)車體的制作工藝來保證前后軸總成的同軸度［8］，從而使因前后軸同軸度誤差較大而引起的漏漿問題得到有效解決。在以往的制作中，主要是靠鉗工劃線、找正、裝配調整來實現前后軸總成的同軸度，靠裝配保證前后軸總成的同軸度最理想值是70～90絲。以本單位落地鏜床為例進行分析:落地鏜床的同軸度精度可保證在20絲，前后軸總成連接法蘭由原來先加工后焊接的模式調整為先進行法蘭和車體的焊接，通過落地鏜床對車體前、后安裝孔進行焊后加工和鏜法蘭端面和螺紋底孔;考慮制作中累積誤差，制作砂漿車(罐)前后軸總成的同軸度誤差也可達到30～40絲;通過提高制作工藝可使前后軸總成同軸度得到很大提高，提高了砂漿車攪拌系統的受力穩定性，延長了設備使用壽命，同時解決了砂漿車(罐)漏漿的主要問題。

3.5 增加電動油脂泵裝置

考慮現場工況條件，增加設備電動油脂泵裝置，實現對前、后軸總成迷宮式密封部位［9］進行間歇性自動注油，以改善因施工現場和工人的因素而產生的漏漿問題。EG型電動油脂泵是一種外觀精致、結構牢固、性能優良、輸出壓力高的電動柱塞泵。該泵加上若干個分油器可以構建一個集中潤滑系統將泵中的潤滑油脂輸送到各個需要的潤滑點。電機、電器元件都采用全密封結構，具有防水、防塵等優點，防護等級為IP65。出油口可配耐震壓力表，便于觀察潤滑系統是否正常工作，及時發現故障，確保設備正常運轉。出油口配有安全溢流閥，能很好地保護潤滑系統正常使用和設備正常運轉。可配置內置式程控器，使機械設備完成全部自動化控制。但是電動油脂泵也需要定期對油脂泵儲藏腔內進行加注潤滑油脂，這樣也在一定程度上改善了維護保養的條件，延長了設備維護周期，降低了施工人員的勞動強度。

3.6 優化經濟性

分析此次優化設計的經濟性能，此次改進涉及前、后軸總成，減速電機和制作工藝等方面。優化前攪拌系統關鍵配件成本分析見表3。

表3 優化前攪拌系統關鍵配件成本分析Table 3 Cost of key parts needed for mixing system before optimization

優化前關鍵配件采購成本是17 920.5元，而且機加工部件也是規格多樣，增加了車間工人的加工和裝配難度。優化后攪拌系統關鍵配件成本分析見表4。

表4 優化后攪拌系統關鍵配件成本分析Table 4 Cost of key parts needed for mixing system after optimization

優化后關鍵配件成本是12 060元，而且前后軸部件一致性較好，配件和機加工件具有互換性，這樣車間工人制作和裝配都比較便利。施工方需要的易損件備件規格和數量得到降低，后期的維護也比較方便，提高了產品的社會經濟效益。此次優化設計在工藝制作方面要求有所提高，從而造成部分零部件加工制作費用有所提高，涉及車體前后軸連接法蘭(焊后加工)和前軸花鍵2個方面，結合前后軸總成加工節約，經生產成本綜合分析此部分增加費用約1 500元。

綜合以上幾方面考慮這次優化改進每臺砂漿車直接節約成本是2 224.5元，節約成本約占設備總成本的3%。間接經濟效益也是非常可觀的，比如減少售后維修等費用。

4 結論與討論

通過對固定法蘭焊前加工改為焊后加工和增加潤滑裝置等優化措施，砂漿車(罐)漏漿情況得到了很好控制，但對設備的要求有一定提高。改進制作工藝的過程要求增加使用落地鏜床，即加工成本有所提高，結合通過對電機減速機和關鍵零部件重新選型，此方案的經濟性還是可行的。本文方法僅緩解了漏漿的情況，延長前后軸總成的有效使用時間，并不能從根本上解決漏漿的問題。若要徹底解決前后軸漏漿的問題，建議就密封結構形式［4］方面進行深入的探討。

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