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(xiāng)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(nèi)外得到全速發(fā)展，盾構法施工相應的后配套設備也隨之發(fā)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(nèi)外聯(lián)絡和物質交換[1]。

常規(guī)地鐵隧道用渣土運輸車卸渣方式為龍門吊輔助卸渣，實現(xiàn)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(yōu)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(tǒng)、制動系統(tǒng)、液壓支撐系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(fā)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(yōu)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(xiàn)單側活動門的平穩(wěn)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(huán)掘進2 m,按隧道施工經(jīng)驗，設計松方系數(shù)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(jù)現(xiàn)場軌距鋪設，軌距設定為900 mm,根據(jù)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(zhàn)。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(huán)形密封卡板，沿著環(huán)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(huán)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(yōu)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(chǎn)生的影響；安裝完成后注水實驗密封性能優(yōu)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(jù)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(shù)，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(tǒng)設計

下裝系統(tǒng)設計主要由底盤總成、行走系統(tǒng)、制動系統(tǒng)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(fā)生側翻現(xiàn)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(xiàn)整機平穩(wěn)運行。

行走系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)整車的制動，制動性能穩(wěn)定，兩臺渣車之間用快插接頭連接，氣源快速穩(wěn)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(tǒng)

2.1 液壓支撐系統(tǒng)

整個車廂單側翻轉動力系統(tǒng)采用全液壓泵站支撐系統(tǒng)，液壓側卸渣車工作模擬調(diào)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(zhí)行機構其上設置有液壓鎖，可實現(xiàn)任意工作位置的自鎖，支撐平穩(wěn)，安全可靠。

圖5 液壓側卸渣車工作模擬調(diào)試

該系統(tǒng)支撐油缸設計行程可根據(jù)渣土方量實際調(diào)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(diào)；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(xiàn)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(tǒng)原理

液壓側卸渣車液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、支撐油缸、單向節(jié)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(tǒng)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(xiàn)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(wěn)定運行。

圖7 液壓系統(tǒng)工作原理圖

2.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)龍門吊卸渣的整體翻轉和人工輔助卸料次數(shù)由30 min/次縮短到8 min/次，省去現(xiàn)場配套輔助裝置和人工輔助，省時省力，卸渣效率高，現(xiàn)場使用反饋良好。

3 結語

本文以優(yōu)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(tǒng)兩個方面綜合設計研究，并結合現(xiàn)場工程試驗，優(yōu)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(xiàn)單側活動門的平穩(wěn)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(fā)生側翻，提高整機安全性能。3）整個車廂單側翻轉動力系統(tǒng)采用全液壓泵站支撐系統(tǒng)，液壓支撐油缸設置有液壓鎖，使得整機運行平穩(wěn)、承載能力高、堅固耐用、操作維護方便。4）該系統(tǒng)支撐油缸設計行程可根據(jù)渣土方量實際調(diào)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(xiàn)個性參數(shù)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(xiàn)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(huán)形密封，成功解決側開式液壓渣車的密封性能難題。

圖8 現(xiàn)場使用照片