凍土機(jī)械開挖技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向淺析

董德坤 韓坦

陸軍研究院工程設(shè)計(jì)研究所 遼寧沈陽 110162

我國(guó)東北、西北大部分地區(qū)及華北中北部地區(qū)冬季氣候寒冷，地表溫度能持續(xù)處于零度以下，形成季節(jié)性凍土；部分地區(qū)積雪常年不融化，形成多年凍土。在以上這些地區(qū)，凍土是各類土石方施工作業(yè)中經(jīng)常遇到的一種土壤類型，與常溫土壤相比，凍土硬度、粘性都比較大，難于挖掘和破碎，長(zhǎng)期以來，凍土挖掘一直是土石方施工領(lǐng)域的技術(shù)難題。傳統(tǒng)上通常盡量回避冬季土工作業(yè)，這使得冬季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)地區(qū)的有效施工作業(yè)期比較短；隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的發(fā)展，利用機(jī)械方法在冬季展開土工作業(yè)能縮短工期，有效節(jié)約人工和資金的占用成本，因而針對(duì)凍土的機(jī)械作業(yè)方法也逐步獲得發(fā)展。本文總結(jié)了不同的挖掘技術(shù)及凍土專用挖掘工作裝置的研究現(xiàn)狀和適應(yīng)范圍，并提出了對(duì)該領(lǐng)域未來發(fā)展的一些思考[1]。

1 現(xiàn)有凍土機(jī)械開挖技術(shù)

自20世紀(jì)30年代始，北半球高緯度的許多國(guó)家相繼成立了各自的凍土研究機(jī)構(gòu)，如蘇聯(lián)科學(xué)研究院的凍土研究所，美國(guó)陸軍工程寒區(qū)研究與工程實(shí)驗(yàn)室（Cold Region Research Engineering Lab，CRREL)，中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所，日本、法國(guó)、加拿大等國(guó)也都建立了自己的凍土科研機(jī)構(gòu)，開展凍土力學(xué)理論及其應(yīng)用方面的研究。凍土開挖方法主要有凍土融化開挖和凍土破碎開挖兩類，其中融化開挖法包括蒸汽化凍法、電熱化凍法、火焰烘烤加熱法、熱力鉆孔等，破碎開挖法主要是采用人工、爆破和機(jī)械等途徑將凍土破碎后再開挖。本文主要討論與機(jī)械相關(guān)的方法[2]。

1.1 傳統(tǒng)工程機(jī)械直接挖掘方式

當(dāng)凍土層厚度較?。ㄔ?.25m以內(nèi)）時(shí)，可直接用鏟運(yùn)機(jī)、推土機(jī)及斗容量0.5m3左右的挖掘機(jī)開挖；當(dāng)凍土層厚度在0.4m以內(nèi)時(shí)，可采用斗容量1m3或以上的大型挖掘機(jī)直接挖掘；當(dāng)凍土層厚度較大時(shí)，可用液壓破碎錘或用改裝的打樁機(jī)、挖掘機(jī)吊楔形重錘等，按順序劈裂破碎凍土，再用挖掘機(jī)開挖。有些挖壕機(jī)和挖壕挖坑機(jī)也可進(jìn)行凍土開挖作業(yè)。目前，利用機(jī)械開挖凍土的常見工作裝置是懸掛式松土器。用于輔助作業(yè)的松土器，可以挖松0.15m～0.2m深的凍土層，主要作業(yè)的松土器可用于開挖較深的凍土層(包括常年凍土），最大挖松0.3m～0.9m深的凍土層。經(jīng)驗(yàn)表明，開挖基坑、溝渠、路塹、剝離作業(yè)等，使用懸掛式松土器要比挖掘機(jī)、鉆孔機(jī)、沖擊作業(yè)的機(jī)器和鏈斗式或斗輪式挖溝機(jī)更為合理。一般配備松土器的機(jī)械上裝有推土板或裝載斗，來提高機(jī)械的利用率和使用范圍。該方法作業(yè)安全，效率較高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，能適用于大面積凍土開挖[3]。

1.2 機(jī)械爆破聯(lián)合作業(yè)技術(shù)

20世紀(jì)60年代，人們開始探索新的破壞和輸送土壤的原理，如用爆炸能進(jìn)行土壤開挖。用爆破法挖土?xí)r，氣體能量對(duì)土壤的作用類似于強(qiáng)大的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，迅速對(duì)土壤進(jìn)行破壞和拋投，形成較理想的溝或壕。而機(jī)械爆破聯(lián)合作業(yè)則是將機(jī)械作業(yè)和爆破作業(yè)相結(jié)合的方法，目前發(fā)展的主要有兩種：一種為機(jī)械爆破挖壕作業(yè)，一種為頻爆作業(yè)。在爆破形成機(jī)理上，包括與機(jī)械裝置復(fù)合的油氣點(diǎn)燃裝置和爆破/機(jī)械分別作業(yè)的形式。機(jī)械爆破復(fù)合挖掘技術(shù)效果較好，但操作復(fù)雜度稍高，并降低了機(jī)械的通用性，故在應(yīng)用方面受到一定的限制[4]。

1.3 機(jī)械振動(dòng)掘削技術(shù)

給作業(yè)刀具施以某種有規(guī)律的振動(dòng)而進(jìn)行的切削稱為振動(dòng)切削，而將振動(dòng)理論應(yīng)用于土壤掘削、破碎等作業(yè)過程中的技術(shù)稱為振動(dòng)掘削技術(shù)。在機(jī)械挖掘領(lǐng)域，通常利用單斗液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)掘削，通過控制鏟斗液壓缸或者斗桿液壓缸進(jìn)出油液的流量，使斗液壓缸活塞桿或者斗桿液壓缸塞桿按照一定的頻率、振幅和幅值作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使液壓挖掘機(jī)在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)鏟斗能夠一邊挖掘土壤一邊按某種規(guī)律振動(dòng)，并保證振動(dòng)不能影響挖掘機(jī)鏟斗正常的挖掘動(dòng)作。截至當(dāng)前，液壓挖掘機(jī)振動(dòng)掘削技術(shù)多處于實(shí)驗(yàn)研究階段，實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品較少。從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果看，振動(dòng)掘削技術(shù)能有效減低液壓挖掘機(jī)總的挖掘阻力，在同樣輸入功率的情況下，能改善挖掘效率，擴(kuò)展土壤適應(yīng)范圍[5]。

2 凍土專用開掘機(jī)械的典型工作裝置結(jié)構(gòu)

除了前述采用通用機(jī)械開掘凍土外，也有不少專門針對(duì)凍土的連續(xù)開挖型工作裝置，它們通常用于鋪設(shè)不同用途的管道和輸電、通信線路。按作業(yè)方式分，連續(xù)開挖工作裝置主要有三種形式：橫向旋轉(zhuǎn)銑切作業(yè)；縱向鏈桿式銑切作業(yè)；縱向轉(zhuǎn)輪式銑切作業(yè)[6]。

2.1 橫向旋轉(zhuǎn)銑切作業(yè)工作裝置

此類工作裝置以類似于銑床切削工件的形式對(duì)凍土進(jìn)行切削，工作裝置通常采用機(jī)械懸掛形式置于底盤的后側(cè)，主要包括端銑刀、葉片式拋土器和犁。作業(yè)時(shí)，銑刀切削土壤，通過導(dǎo)向罩把土傳遞給拋土器，拋土器通過旋轉(zhuǎn)把土拋到坑外一側(cè)。犁在挖坑機(jī)每次走刀后，刮出挖坑機(jī)履帶行走的水平面，以便機(jī)械下一次走刀。擋土板固定在工作裝置上，用來防止土壤在作業(yè)過程中撒入安裝在底盤平臺(tái)上的設(shè)備，并避免這些設(shè)備受到拋出的石塊的損傷。工作裝置安裝在提升架上，在液壓油缸的作用下，提升架圍繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)將工作裝置翻轉(zhuǎn)到底盤的后側(cè)上方，實(shí)現(xiàn)工作裝置在工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。工裝作業(yè)時(shí)，橫向掘削銑切的旋轉(zhuǎn)軸線通過機(jī)械的縱軸線，其旋轉(zhuǎn)平面垂直于進(jìn)刀方向，當(dāng)銑刀旋轉(zhuǎn)并向作業(yè)面進(jìn)給時(shí)，即成扇形開挖土壤，扇形的矢度由銑刀進(jìn)刀的深度或作業(yè)面的高度來確定，坑底的平整，由安裝在銑刀后面的邊道平整犁實(shí)施[7-8]。

2.2 縱向鏈桿式銑切工作裝置

鏈桿式樣工作裝置由驅(qū)動(dòng)裝置鏈輪帶動(dòng)切削鏈，切削鏈上的耙鏟與切削斗齒一起隨切削鏈運(yùn)動(dòng)，縱向切削土壤。切削鏈沿工作面切削時(shí)，斗齒疏松土壤，耙鏟則接住土壤并沿工作面送向上方，在轉(zhuǎn)到驅(qū)動(dòng)鏈輪上方時(shí)，便將土傳送給拋土器，在拋土器內(nèi)，土壤被葉片托住，以一定的轉(zhuǎn)速?gòu)恼謿ら_口處被拋出到所挖溝渠的一側(cè)。液壓系統(tǒng)通過控制拋土器翻轉(zhuǎn)架的升降油缸，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)的互換；通過控制工作裝置的提升油缸實(shí)現(xiàn)工作裝置的入土與出土，調(diào)節(jié)挖壕、坑的深度；通過控制一個(gè)能調(diào)節(jié)拋土器和工作裝置自動(dòng)橫向擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作裝置的左右擺動(dòng)；通過控制推土裝置升降油缸實(shí)現(xiàn)推土鏟刀的入土和出土。從綜合成本和效率上，鏈桿式是目前發(fā)展前景較好的一種結(jié)構(gòu)[9]。

2.3 縱向轉(zhuǎn)輪式銑切工作裝置

縱向轉(zhuǎn)輪式銑切裝置形如集成了多個(gè)小鏟斗的挖掘輪，該工作裝置主要由轉(zhuǎn)輪銑刀盤、側(cè)減速器、拋土器、刮土板和挖掘深度控制油缸組成。挖壕裝置利用托架與車體尾部鉸接。轉(zhuǎn)子式拋土器用于克服挖掘時(shí)的土壤回填問題，并增加挖掘深度。在由中心驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪輪轂上，沿輪轂周邊的外沿焊接有多排橫向布置的挖掘齒，挖掘齒上安裝有硬質(zhì)合金刀具，確保得到所需要的挖掘?qū)挾?。挖掘裝置中的刮土板不僅可用于確定所挖的深度，還可用于清除溝渠底部浮土和壓實(shí)溝渠的底和壁，以起輔助支撐作用。轉(zhuǎn)輪式挖壕裝置由多個(gè)液壓油缸控制并調(diào)節(jié)工作裝置的升降，從而確保挖掘裝置相對(duì)于車體的移動(dòng)并可進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換[10]。該結(jié)構(gòu)挖掘效率高，但重量、體積大，功率需求較大，使其應(yīng)用發(fā)展受到限制。

3 凍土挖掘機(jī)械的發(fā)展方向

3.1 機(jī)電一體化技術(shù)必將深入應(yīng)用于工作裝置和系統(tǒng)控制中

凍土挖掘工作裝置掘進(jìn)負(fù)荷變化大，應(yīng)用環(huán)境惡劣、條件復(fù)雜。由于工作裝置吸收功率大，不僅需要控制工作裝置本身，而且需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和行走系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)化的控制，以最大化作業(yè)效率，并保護(hù)機(jī)械。從查到的資料看，如瑞士的HS-80OSE挖壕機(jī)就應(yīng)用了微機(jī)控制變速箱，使機(jī)械經(jīng)常處于最佳運(yùn)行工況[11]。

3.2 工作裝置結(jié)構(gòu)將針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步優(yōu)化

目前存在的橫向旋轉(zhuǎn)銑切、縱向鏈桿式銑切和縱向轉(zhuǎn)輪式銑切作業(yè)結(jié)構(gòu)都具有各自的適應(yīng)場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)。有的在特定場(chǎng)景下效率高，但吸收功率巨大、經(jīng)濟(jì)性一般；有的能實(shí)現(xiàn)多樣的挖掘效果，但同樣存在經(jīng)濟(jì)性缺點(diǎn)。綜合來看，縱向鏈桿式具有較好的發(fā)展前景，在新材料新工藝的加持下，能較好的平衡效率、功能和經(jīng)濟(jì)性要求，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注[12]。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展會(huì)給凍土挖掘機(jī)械帶來新突破

由于凍土工作介質(zhì)吸收功率較大，勢(shì)必對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)都提出了新要求，通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率并改善相應(yīng)的傳動(dòng)系，能為作業(yè)裝置提供必要的能量支持，才能保障作業(yè)能力和效率[13]。

3.4 振動(dòng)挖掘技術(shù)在凍土挖掘領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景

在有限的功率條件下實(shí)現(xiàn)較寬范圍的土壤挖掘能力，振動(dòng)挖掘技術(shù)是有其獨(dú)特之處的。由于振動(dòng)帶來的噪音和設(shè)備損耗，目前該技術(shù)應(yīng)用還比較少，隨著技術(shù)的逐步成熟，振動(dòng)挖掘能在改善凍土挖掘效率方面有較好的應(yīng)用前景[14]。

4 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展對(duì)冬季土工作業(yè)提出了更多的需求，與其它方式相比，機(jī)械法具有成本低、保障條件簡(jiǎn)單、作業(yè)率高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，能兼顧常溫土壤與凍土條件的適用性，工程機(jī)械勢(shì)必會(huì)在未來獲得更大的發(fā)展。拓展工程機(jī)械工作裝置介質(zhì)適應(yīng)范圍是一項(xiàng)體系性的改進(jìn)過程，不僅需要研究工裝結(jié)構(gòu)形式，還需要相關(guān)的材料和動(dòng)力技術(shù)作為支撐。在總結(jié)既有挖掘方法與工裝形式的基礎(chǔ)上，綜合集成新材料和動(dòng)力技術(shù)，針對(duì)新的作業(yè)需求研發(fā)具有更好作業(yè)效率的工裝結(jié)構(gòu)形式，勢(shì)必能不斷拓展工程機(jī)械的應(yīng)用范圍，更好的為經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。