全液壓控制可移動揉性輸送土方裝備的設(shè)計與研究

劉 松 蔣建云 張瑞宏 朱海榮

（1.淮安市水利工程建設(shè)處，江蘇 淮安 223005；2.江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210029；3.揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009；4.江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司，江蘇 淮安 223300）

淮河入江水道上起洪澤湖三河閘，經(jīng)淮安、揚州及安徽省天長市，至江都三江營匯入長江，全長157.3 km，設(shè)計行洪能力12000 m3/s，是淮河下游的行洪主河道，淮河上中游70%以上的洪水由此下泄入長江?；春尤虢勒喂こ掏ㄟ^實施河道切灘、抽槽、浚深和堤防及建筑物除險加固，恢復(fù)其設(shè)計行洪能力，工程于2011年10 月開工。

目前，寬淺型河道開挖或拓寬工程普遍采用挖掘機配渣土車運輸?shù)氖┕ぷ鳂I(yè)方法進行施工，其工序為：挖掘機將開挖的土方挖到渣土車上，由渣土車將土方運送到棄土區(qū)，土方被卸下之后再由推土機進行平整。該施工方法具有運土效率低，受施工道路、天氣影響大，環(huán)境污染重，安全性較差，施工成本高等弊端［1］。入江水道工程建設(shè)、施工單位會同揚州大學(xué)機械工程學(xué)院針對傳統(tǒng)土方施工方法存在的問題，結(jié)合入江水道整治改道段東西偏泓抽槽工程自行研制了一套土方輸送系統(tǒng)，此土方輸送系統(tǒng)是一種全液壓控制可移動的揉性輸送土方裝備［2-4］（以下簡稱土方運輸機）。本工程中采用了連續(xù)揉性輸送施工法［5-7］。

1 整體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

1.1 樣機整體結(jié)構(gòu)

本套機械可根據(jù)土方輸送的距離由多節(jié)組成，每節(jié)長50 m，均具有獨立移動的特點。每節(jié)輸送機包括：移動系統(tǒng)（由鋼架、軌道、油壓千斤頂?shù)冉M成）、300 MPa 液壓系統(tǒng)（由油箱、油道管線、油缸等組成）、電氣系統(tǒng)（由700 kW 發(fā)電機組、75 kW 電動機、輸電線路、控制柜等組成）及皮帶輸送系統(tǒng)（由1.8 m 寬皮帶、滾軸、變速箱、刮泥器、料斗組成）。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 局部結(jié)構(gòu)與工作原理

輸送裝置由1.8 m 寬皮帶、滾軸、刮泥器和料斗組成，土方挖掘機將土方裝于料斗內(nèi)，由皮帶系統(tǒng)送至棄土區(qū)。為防止泥土粘住皮帶影響工效，專門安裝刮泥器及時清除粘連在皮帶上的泥土。運輸機高度調(diào)整裝置由6 只油缸千斤頂組成，根據(jù)現(xiàn)場地勢高低和棄土區(qū)的堆土高程，利用液壓系統(tǒng)中兩端的油壓千斤頂調(diào)節(jié)輸送機的傾斜度，同時利用油缸千斤頂?shù)姆€(wěn)定支撐作用，保證整節(jié)輸送機在作業(yè)過程中平穩(wěn)運行。移動裝置由鋼架、軌道和油缸千斤頂組成，每節(jié)輸送機一共安裝18 只油缸千斤頂和6根軌道，其中，安裝4 只油缸千斤頂和2 根軌道保證輸送機能左右平移，安裝8 只油缸千斤頂和4 根軌道保證輸送機能夠前后移動［8］。其剖面圖如圖2、圖3 所示。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)過反復(fù)設(shè)計改進和試驗，確定了土方運輸機的各項技術(shù)參數(shù)指標(biāo)：①每套裝備共8 節(jié)，每節(jié)長度50 m，每節(jié)質(zhì)量低于30 t；②每套裝備每臺班開挖運輸土方大于6000 m3；③裝備每次移動1.2 m；④液壓系統(tǒng)為300 MPa；⑤皮帶寬為1.8 m。

圖1 整機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 皮帶運輸機剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 皮帶運輸機局部剖面示意圖

2 土方運輸機的設(shè)計路線

2.1 總體技術(shù)路線

土方運輸機的技術(shù)途徑是：結(jié)合國內(nèi)外土方輸送系統(tǒng)發(fā)展趨勢，運用我國河道整治過程中土方運輸設(shè)備設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)，采取理論研究、規(guī)律探索與實驗驗證相結(jié)合，前沿技術(shù)研究與工程應(yīng)用示范相結(jié)合的方式，集中和融合科研院所和裝備制造企業(yè)各自的優(yōu)勢，開展全液壓自動控制可移動大型土方揉性輸送成套裝備研發(fā)。本研究對改善河道整治工作環(huán)境、降低作業(yè)成本、提高作業(yè)效率具有重要的意義，將推動我國水利建設(shè)工程的發(fā)展［9-10］。

2.2 具體技術(shù)路線

（1）桁架優(yōu)化設(shè)計研究

基于數(shù)字化精準設(shè)計與多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的要求，在設(shè)計研究這套全液壓自動控制可移動大型土方揉性輸送成套裝備的桁架時，通過優(yōu)化，在保證適應(yīng)于傳送帶合理布置的基礎(chǔ)上力求機構(gòu)合理，以提高整個裝備的材料利用率，實現(xiàn)輕量化，降低裝備制造成本，同時提高裝備的使用壽命。本方案流程圖如圖4 所示。

（2）快速組裝設(shè)計研究

為了在使用過程中拆裝方便、快速，開展了相關(guān)聯(lián)接部件的模塊化拆分設(shè)計和快速接頭接口個性化設(shè)計，通過接頭接口強度試驗進行接頭接口強度校核，在保證聯(lián)接強度的情況下優(yōu)化聯(lián)接結(jié)構(gòu)，并進行快速組裝工藝研究，基于模擬裝配技術(shù)進行模擬裝配試驗，通過模擬裝配獲得最佳裝配工藝以提高裝配效率?？焖俳M裝設(shè)計流程圖如圖5 所示。

（3）液壓自動化控制系統(tǒng)設(shè)計及試驗優(yōu)化研究

全液壓自動控制可移動大型土方揉性輸送成套裝備中存在眾多需控制的液壓系統(tǒng)，如果人工控制勢必影響整個系統(tǒng)的效率以及增加成本，本項目開展了基于多傳感器融合技術(shù)的液壓自動化控制系統(tǒng)研究，使得裝備可以自動保持平衡，在移動的過程中通過微機控制與事先存儲的程序?qū)崿F(xiàn)自動化控制。同時，開展了故障警示研究，使得裝備在遇到緊急情況時可以開啟保護系統(tǒng)并指示出故障源。液壓自動化控制系統(tǒng)設(shè)計流程如圖6 所示。

（4）移動系統(tǒng)研究試驗及優(yōu)化研究

本研究采用穩(wěn)態(tài)步進式仿生結(jié)構(gòu)，其技術(shù)路線如圖7 所示。

（5）挖土、送土、堆土最佳參數(shù)匹配工程化優(yōu)化研究

由于土方運輸效率受挖土、送土、堆土速率影響，故分析不同挖土、送土、堆土參數(shù)對運輸效率的影響規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，進行多參數(shù)匹配研究，確定出最優(yōu)挖土、送土、堆土參數(shù)，從而使整套裝備效率協(xié)同化。效率協(xié)同優(yōu)化方案流程如圖8 所示。

圖4 桁架優(yōu)化設(shè)計流程圖

圖5 快速組裝設(shè)計流程圖

圖6 液壓自動化控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖

圖7 移動系統(tǒng)研究試驗流程圖

圖8 效率協(xié)同優(yōu)化方案流程圖

3 結(jié)論

淮安市水利工程建設(shè)處、江蘇淮陰水利建設(shè)有限公司會同揚州大學(xué)機械工程學(xué)院針對傳統(tǒng)土方施工方法存在的問題，自行研制了一套土方輸送機械系統(tǒng)，擬采用連續(xù)揉性輸送法取代渣土車間斷運輸法，徹底解決現(xiàn)有河道疏浚方法存在的問題，為河道疏浚業(yè)帶來一次技術(shù)變革。土方輸送機械在淮河入江水道整治金湖縣境內(nèi)改道段東、西偏泓抽槽工程中的使用表明，其與傳統(tǒng)土方施工機械相比具有環(huán)保、節(jié)能、安全、全天候及高效等施工特點，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

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