地上遠(yuǎn)程操控氣壓沉箱挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)

楊繼范

（上海市第二市政工程有限公司，上海 200065）

0 前言

現(xiàn)代壓氣沉箱工法是在傳統(tǒng)壓氣沉箱工法基礎(chǔ)上，由日本的白石、大豐建設(shè)株式會(huì)社等幾家公司經(jīng)過(guò)幾十年的持續(xù)研究、不斷改良逐漸形成的，其關(guān)鍵施工設(shè)備系統(tǒng)主要包括地面送氣系統(tǒng)、無(wú)人挖掘系統(tǒng)、排土系統(tǒng)和地面遙控監(jiān)視系統(tǒng)。常見(jiàn)的無(wú)人挖掘系統(tǒng)有兩種形式，一種是大氣壓環(huán)境下密封艙內(nèi)遠(yuǎn)程操控沉箱挖掘機(jī)，另一種是地上遠(yuǎn)程操控沉箱挖掘機(jī)，本文將介紹適合于軟土地層的地上遠(yuǎn)程操控氣壓沉箱挖掘機(jī)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)研制。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 有效作業(yè)半徑

第一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)型國(guó)產(chǎn)鏟斗式氣壓沉箱挖掘機(jī)，是依據(jù)上海軌道交通工程項(xiàng)目中平面尺寸為15.60 m×25.24 m、深度為28.5 m的矩形豎井進(jìn)行設(shè)計(jì)研制的，其有效作業(yè)半徑為Φ4187 mm。兩臺(tái)可沿軌道移動(dòng)、360°自由旋轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型鏟斗式遙控壓氣沉箱挖掘機(jī)即可滿足上述規(guī)格矩形豎井的沉箱施工。

1.2 最小外形尺寸

作為工作室設(shè)備安裝和拆卸出入的唯一通道，材料閘的直徑為Φ2000 mm，因此沉箱挖掘機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮部件或組件最小可拆卸的長(zhǎng)度或?qū)挾瘸叽珥殱M足小于2000 mm，確保其可自由地在材料閘內(nèi)通行。

1.3 高度

氣壓工作室高度是指工作室頂板至沉箱刃腳下部之間的垂直距離。氣壓工作室高度越高，則其容積越大，氣壓控制的穩(wěn)定性越高，壓氣沉箱施工的風(fēng)險(xiǎn)越??；氣壓工作室在沉箱下沉施工就位后，將填充素混凝土，其高度決定了素混凝土的充填量。因此，在保證沉箱施工穩(wěn)定的前提下，氣壓工作室高度應(yīng)盡可能小，根據(jù)壓氣沉箱挖掘機(jī)初步設(shè)計(jì)的要求，取氣壓工作室高度為2000 mm，沉箱挖掘機(jī)主臂放平狀態(tài)下，其垂直高度（包括上部軌道）為 1700～1800 mm。

1.4 其他要求

研制的標(biāo)準(zhǔn)型鏟斗式遙控壓氣沉箱挖掘機(jī)，還需滿足地質(zhì)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、可靠性、裝運(yùn)和外觀等方面要求，例如：

（1）滿足上海地區(qū)N值50以下的粘土、砂土等的土體開(kāi)挖和排土要求。

（2）沉箱挖掘機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)采用可靠的遙控操作，工作人員可通過(guò)觀察不同方位的高清監(jiān)視器，在地面控制室內(nèi)通過(guò)操作手柄操控沉箱挖掘機(jī)的挖土和倒土的各項(xiàng)動(dòng)作；為便于調(diào)試和維修，應(yīng)采用可移動(dòng)式遙控操作手柄。

（3）應(yīng)考慮足夠高的機(jī)械傳動(dòng)安全系數(shù)及電氣防護(hù)等級(jí)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可靠、維修方便，確保在潮濕的氣壓環(huán)境下工作正常；同時(shí)設(shè)備基本采用遠(yuǎn)程遙控操作，應(yīng)有誤操作保護(hù)設(shè)計(jì)，以防構(gòu)件損壞。

（4）應(yīng)滿足市區(qū)、跨省市運(yùn)輸?shù)囊螅Y(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)單裝拆。

計(jì)算年回淤量時(shí)，模型通過(guò)計(jì)算一個(gè)全潮過(guò)程（小潮-大潮-小潮）的回淤量，再根據(jù)一年的全潮過(guò)程數(shù)得到一年的回淤量。

（5）外觀應(yīng)符合進(jìn)口工程機(jī)械設(shè)備的涂裝要求，耐腐防銹，色彩醒目、有較強(qiáng)立體視覺(jué)感，在氣壓工作室內(nèi)工作可明顯區(qū)別于周圍環(huán)境。

2 總體設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)型鏟斗式遙控沉箱挖掘機(jī)主要由兩根平行軌道、行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置、主臂伸縮裝置、主臂擺動(dòng)裝置、鏟斗裝置、設(shè)備平臺(tái)等組成，同時(shí)還包含了無(wú)線遙控操作桿、電液動(dòng)力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。圖1所示為沉箱工作室內(nèi)專用沉箱挖掘機(jī)示意圖。

圖1 氣壓沉箱挖掘機(jī)總體示意圖

2.1 平行軌道

行走軌道由1對(duì)工字梁組成，固定在工作室內(nèi)頂板上，不僅承受挖掘機(jī)的整體自重和鏟斗裝土重量，而且在挖土作業(yè)時(shí)還承受一部分側(cè)向的挖土分力。為提高軌道和滾輪之間的接觸強(qiáng)度，在軌道內(nèi)面增加了用螺栓固定的上、下道軌和側(cè)道軌，材料為55號(hào)鋼，表面淬火處理HRC50-55，深度2 mm。為提高下部挖掘機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，兩根平行軌道的間距取1800 mm。為了保證現(xiàn)場(chǎng)安裝精度和安裝效率，平行軌道、上部連接板和中間連接鋼板和行走鏈在工廠安裝成一體；同時(shí)，每段平行軌道的長(zhǎng)度取2000 mm，可以自由通過(guò)材料閘進(jìn)入氣壓工作室。

2.2 行走裝置

行走裝置是帶動(dòng)下部挖掘機(jī)沿兩條平行軌道水平移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，由行走機(jī)架、行走擋輪、行走托輪、行走馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)鏈輪組成，安裝于平行軌道之間，下部裝有帶大齒輪的回轉(zhuǎn)軸承，并與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)架相連接，如圖2所示。

圖2 行走裝置示意圖

行走機(jī)架采用剛性較大的箱型結(jié)構(gòu)，4組行走擋輪和4組行走托輪分別安裝于行走機(jī)架的兩側(cè)，兩套行走馬達(dá)及托架分別安裝于行走機(jī)架的前后側(cè)，驅(qū)動(dòng)鏈輪與行走馬達(dá)的輸出軸相連，并于上部的行走鏈嚙合。行走液壓馬達(dá)帶液壓制動(dòng)裝置，以防止挖土作業(yè)過(guò)程中，挖掘機(jī)主體結(jié)構(gòu)承受的水平分力大于行走托輪和軌道間的滾動(dòng)摩擦力時(shí)引起挖掘機(jī)移動(dòng)，影響挖土作業(yè)正常進(jìn)行。行走機(jī)架中部設(shè)置圓形通孔，安裝電氣系統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)和液壓系統(tǒng)的中心回轉(zhuǎn)接頭，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)可以實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)施工。

2.3 回轉(zhuǎn)裝置

回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)機(jī)架、回轉(zhuǎn)軸承、驅(qū)動(dòng)小齒輪、回轉(zhuǎn)馬達(dá)組成。回轉(zhuǎn)軸承安裝在上部，位于行走機(jī)架和回轉(zhuǎn)機(jī)架之間，軸承帶有內(nèi)齒圈，與驅(qū)動(dòng)小齒輪嚙合傳動(dòng)；回轉(zhuǎn)馬達(dá)是帶液壓制動(dòng)的液壓馬達(dá)。回轉(zhuǎn)機(jī)架與下部主臂伸縮裝置依靠銷軸連接，上部的銷軸通過(guò)連接擺動(dòng)油缸的一端與主臂伸縮裝置前端連接，下部的銷軸直接與主臂伸縮裝置中部連接。

2.4 主臂伸縮及擺動(dòng)裝置

主臂伸縮裝置是沉箱挖掘機(jī)完成挖土、倒土等動(dòng)作的主要部件，由導(dǎo)向箱主體、導(dǎo)向箱后箱體、伸縮活動(dòng)臂、導(dǎo)向襯套、伸縮油缸和防塵密封等組成，如圖3所示。

圖3 主臂伸縮裝置示意圖

導(dǎo)向箱主體分上部箱體和下部底板兩部分，采用螺栓連接后形成封閉箱體，分體式的設(shè)計(jì)對(duì)箱體內(nèi)壁精加工、裝配和維修十分有利。導(dǎo)向箱分主體和后箱體兩部分，中間采用螺栓連接，分體式的設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，使進(jìn)出材料閘的設(shè)備可分解的最小尺寸小于2000 mm。主臂擺動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，由對(duì)稱的2臺(tái)擺動(dòng)油缸，一端通過(guò)銷軸與回轉(zhuǎn)機(jī)架相連，另一端通過(guò)銷軸與主臂伸縮裝置的導(dǎo)向箱主體相連。

2.5 鏟斗裝置

圖4 鏟斗裝置示意圖

上海地區(qū)軟土具有粘度大的特點(diǎn)，相對(duì)于反鏟鏟斗，正鏟鏟斗在倒土?xí)r很難排盡斗內(nèi)的土體，鏟斗體設(shè)計(jì)成圓弧底，可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題，提高挖掘機(jī)挖土效率；另外，鏟斗的翻轉(zhuǎn)角度設(shè)置為向上+23°、向下-107°，向上的角度保證了挖掘時(shí)土體能有效地裝滿鏟斗，向下的角度保證了倒土?xí)r土體可自由落入下面的裝土桶。斗齒數(shù)量是4個(gè)，采用挖機(jī)標(biāo)準(zhǔn)齒形；鏟斗托架后端與伸縮活動(dòng)臂的前端用螺栓相連接。

2.6 設(shè)備平臺(tái)

設(shè)備平臺(tái)的主要功能是放置電氣控制柜、油箱、動(dòng)力裝置、液壓閥塊等，同時(shí)操作人員也可坐在設(shè)備平臺(tái)上直接操控沉箱挖掘機(jī)。設(shè)備平臺(tái)左右各一，采用型鋼和鋼板焊接而成，用螺栓固定于回轉(zhuǎn)機(jī)架上，為盡可能減低電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)或噪音，設(shè)計(jì)時(shí)除考慮適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度外，主要在剛度方面有所提高。

2.7 無(wú)線遙控操作系統(tǒng)

無(wú)線發(fā)送裝置采用 F24-60型遙控操作桿，包含了電源開(kāi)關(guān)操作開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)啟閉開(kāi)關(guān)、挖掘機(jī)水平前后移動(dòng)、正反旋轉(zhuǎn)、主臂伸縮和鏟斗翻轉(zhuǎn)的控制手柄，并可實(shí)現(xiàn)不同速度檔控制。遙控操作桿采用干電池作電源，體積小巧，可隨身攜帶，操作時(shí)可以放置在工作臺(tái)上，也可用掛繩掛在身上。無(wú)線遙控的接收裝置安裝在挖掘機(jī)的電氣柜側(cè)，防水等級(jí)高，發(fā)送與接收的有效距離可達(dá)50 m以上。

在壓氣沉箱施工過(guò)程中，無(wú)線遙控發(fā)送裝置在地面操作室內(nèi)，接收裝置在沉箱下部工作室內(nèi)，中間采用信號(hào)線傳遞信號(hào)。無(wú)線遙控發(fā)送裝置和接收裝置采用一定的頻率進(jìn)行配對(duì)，可避免多臺(tái)挖掘機(jī)同時(shí)施工時(shí)信號(hào)互相干擾。

2.8 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)型壓氣沉箱挖掘機(jī)的所有動(dòng)作均采用開(kāi)式液壓動(dòng)力系統(tǒng)控制，液壓動(dòng)力來(lái)自安裝在挖掘機(jī)上的一臺(tái)高壓比例控制柱塞泵，執(zhí)行結(jié)構(gòu)中挖掘機(jī)的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)采用液壓馬達(dá)，主臂和鏟斗動(dòng)作采用液壓油缸。液壓泵的排量由PLC程序模塊控制，與無(wú)線遙控操作桿速度檔操作相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)各種動(dòng)作不同速度的靈活控制。液壓馬達(dá)主要用于挖掘機(jī)行走和回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，為提高挖掘機(jī)工作的鎖定性，采用了帶液壓剎車裝置的形式。所有的液壓閥采用集成閥組的緊湊設(shè)計(jì)，使液壓系統(tǒng)控制單元的閥件集成安裝在一個(gè)閥塊上，既減少了管路，又方便維修。

2.9 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、比例調(diào)節(jié)閥控制器、遙控接收器、控制變壓器、直流電源、接觸器、斷路器、熱繼電器和端子等組成，PLC的編程按照上述的挖掘機(jī)的動(dòng)作要求和遙控控制要求設(shè)定，是電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

動(dòng)力電纜由地面連到工作室，由平行安裝在行走軌道側(cè)的電纜滑架引入挖掘機(jī)上部行走機(jī)構(gòu)的中心孔內(nèi)。與液壓系統(tǒng)的中心回轉(zhuǎn)接頭的功能相類似，在行走機(jī)構(gòu)的中心孔內(nèi)裝有電纜滑環(huán)，解決了上部電纜和下部電纜之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。電纜滑環(huán)采用中空結(jié)構(gòu)，液壓軟管可從其中心穿過(guò)；電纜滑環(huán)的上部裝有防水板，可防止電纜滑環(huán)受潮而導(dǎo)致漏電故障的產(chǎn)生。

2.10 油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)

油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)主要為主軸承、連桿機(jī)構(gòu)的銷軸、主臂伸縮導(dǎo)向提供油脂潤(rùn)滑，油脂采用1號(hào)鋰基脂，由一臺(tái)油脂泵壓送油脂，通過(guò)分路閥將油脂壓注到不同的潤(rùn)滑點(diǎn)。

2.11 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)分地面和工作室兩部分組成。工作室內(nèi)裝有幾個(gè)臺(tái)清晰度較高、可遠(yuǎn)程調(diào)整角度和焦距的攝像頭，并配以照明，從不同角度攝取挖掘機(jī)在壓氣沉箱的運(yùn)行情況；地面操作室的幾臺(tái)監(jiān)視器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控、切換工作室內(nèi)挖掘機(jī)的作業(yè)畫(huà)面，是沉箱挖掘機(jī)地面遙控操作人員實(shí)時(shí)操作挖掘機(jī)各種動(dòng)作的主要依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

首臺(tái)工廠研制地上遠(yuǎn)程操控氣壓沉箱挖掘機(jī)，在模擬壓氣沉箱工法工況條件的情況下，成功進(jìn)行了挖土試驗(yàn)。從試驗(yàn)情況分析，挖掘機(jī)的動(dòng)作及幅度設(shè)計(jì)，不存在任何的挖土死角，可以滿足氣壓沉箱施工的要求；挖機(jī)實(shí)現(xiàn)360°全位置回轉(zhuǎn)，施工效率和可靠性較高；圓弧形底的正鏟斗設(shè)計(jì)，對(duì)于粘度較高的上海軟土地層，挖土和倒土效率較高；伸縮裝置中的導(dǎo)向襯套、自動(dòng)油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)和局部材料的抗磨設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的整體使用壽命。

對(duì)于較大尺寸的沉箱施工，在要求提高施工進(jìn)度的情況下，需要幾臺(tái)挖掘機(jī)在工作室內(nèi)同時(shí)挖土作業(yè)。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需利用傳感技術(shù)，開(kāi)發(fā)出挖掘機(jī)位置的自動(dòng)實(shí)時(shí)測(cè)定功能，通過(guò)PLC程序的設(shè)定，自動(dòng)形成設(shè)備之間的安全距離和動(dòng)作保護(hù)，避免人工操作不當(dāng)而產(chǎn)生的互相干擾或設(shè)備碰撞。

[1]彭芳樂(lè)，孫德新，大內(nèi)正敏，白云.超大深度壓氣沉箱工法的施工技術(shù)[J].地下空間，2004，24（z1）：699-703.

[2]郭建剛，彭芳樂(lè).現(xiàn)代壓氣沉箱工法應(yīng)用于盾構(gòu)隧道工作井的若干問(wèn)題探討[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第十二屆年會(huì)暨隧道及地下工程分會(huì)第十四屆年會(huì)論文集[C].2006.