东方红－WZJ300挖装机的研究

栾新立，胡 渤

(洛阳拖拉机研究所有限公司，河南洛阳 471039)

0 引言

东方红－WZJ300挖装机能广泛应用于铁路建设、公路建设、水利工程、军事地下工程、地铁等隧道施工中，用于爆破后矿渣出渣［1］。

隧道施工多采用钻爆法［2－3］开挖。出渣作业约占1个作业循环(钻孔—装药—爆破—换气—出渣—支护—防水—衬砌混凝土)时间的50%。隧道挖装机是一种快速有效的清理设备。挖掘机是隧道内施工用电动机驱动，工作效率高、安全可靠、无污染、适应性强，深受隧道施工单位的喜爱。

目前国内主要引进德国TEREX公司的ITC312系列和日本KEMCO公司的KL系列隧道挖装机，由于作业效率高，节能环保，已被铁路、公路隧道等施工单位认可［4］;但价格昂贵，维修不便且成本高。国内虽有厂家生产，但可靠性差，效率低，操作使用维修不便;因此，迫切需要研制开发高质量的大型隧道挖装机，以满足国内快速发展的轨道交通建设需要。

1 东方红－WZJ300挖装机主要技术参数

见表1。

2 关键技术研究

隧道挖装机(Tunnel heading and loading machine，也称扒装机、扒渣机)是将反铲液压挖掘机［5］和输送装置有机地结合为一体的新型施工机械。通过对双动力(柴油机和电动机)驱动装置、液压系统、反铲工作装置、输送装置、行走机构、先导控制系统、电控系统、仪表显示、故障报警系统和动力装置等技术研究，集成创新开发了东方红－WZJ300挖装机。

2.1 整机双动力匹配技术

东方红－WZJ300挖装机采用双动力系统，柴油机匹配1106D－E66TA电喷发动机，增压中冷，燃油耗低，排放达到TierⅢ级。该发动机启动性能好，功率储备大，能够适应不同地区。电动机选用时充分考虑在隧道内的安全防护要求，故订做防护等级为IP55的电机(其中，IP为Ingress Protection;第1个5为防护灰尘，不可能完全阻止灰尘进入，但灰尘进入的数量不会影响设备的正常运行;第2个5为防护射水，从任何方向对准设备的射水不应引起损害)。

内燃机的驱动用于隧道或地下建筑物以外的场所，转场方便，使整机具有更大的灵活性。隧道内作业则采用电动机驱动。采用电动机驱动的最大优点是噪音小、零排放、无污染、振动低，且不会产生对人体及环境有害的油气混合物。

表1 东方红－WZJ300挖装机主要技术参数Table 1 Major technical parameters of Dongfanghong-WZJ300 tunnel heading and loading machine

2.1.1 发动机的匹配

随着海拔的增加，大气压力降低，进气管真空度下降，对于一定型号的发动机在转速不变的情况下，平均指示压力［6］降低直接影响着发动机功率，即发动机功率随着海拔升而下降。发动机功率与平均指示压力成正比，即

式中:Ni为发动机指示功率;Vk为发动机总工作容积;pi为平均指示压力;n为曲轴转速。

海拔4000m比零海拔时的发动机功率降低40%～50%。海拔每上升1 000 m，发动机功率和转矩分别下降10%和11%左右。初步计算功率为146 kW/2 200 r/m(考虑到发动机功率储备8% ～10%，实际选用发动机功率159 kW/2 200 r/m)，选用增压中冷发动机。

2.1.2 电动机功率匹配

电动机的功率匹配与发动机功率基本相当，由于发动机附件消耗功率为标定功率的15%，持续功率为12h标定功率的90%，海拔1 000 m以下增压发动机功率下降不考虑，海拔每上升1000m功率下降10%左右;故电机匹配功率为146 kW ×0.85 ×0.9 ×0.9 ×0.9=90.47 kW。

发动机采用增压中冷，水冷式电喷发动机，排放达到TierⅢ级。电动机采用三相异步电机，功率90 kW/1 485 r/m，防护等级IP55，在隧道内工作时，可以防灰尘和水进入电机内。2种动力都能满足在海拔3 000m工作的要求。

2.2 工作装置的有限元分析

反铲工作装置由动臂、斗杆、铲斗及工作装置偏转机构等组成［5］。工作装置动臂采用直动臂，以满足挖高的要求。由于该工作装置主要用于挖装作业，在设计时优先满足挖高要求。工作装置铲斗采用加长斗底板结构，以便于挖装作业。

偏转机构采用油缸控制的方式，左右偏转角度均为55°，满足挖掘范围的要求。销轴采用轴套结构形式，销轴两端采用密封及端面减磨结构。动臂支座上部采用调心锥轴承，下部采用调心柱轴承，用销轴把动臂和支座连接成工作部件。

考虑到工作装置的使用安全性，按挖掘力对工作装置进行有限元分析［7］。材料的屈服极限为345 MPa，根据经验最大应力应控制在220 MPa以下最安全，解决了工作装置在使用断裂的严重问题。图1为挖装机斗杆有限元分析云图。

图1 挖装机斗杆有限元分析云图Fig.1 FE analysis on arm of tunnel heading and loading machine

2.3 负荷传感液压系统

负荷传感使泵的流量和压力与系统要求相匹配，将无用功率降至最小。针对泵的驱动转速和负载压力的变化，泵自动调整使其输出流量匹配负载要求，由于泵的负荷传感控制将保持通过主系统节流阀上的压降恒定，于是流量将保持恒定，与负载压力和泵的转速变化无关。

东方红－WZJ300挖装机采用完全负荷传感液压系统［8］，即由负荷传感控制阀和负荷传感控制变量泵组成的系统。发动机、电动机分别带有3个泵，大排量变量泵的压力油与7联控制阀相接完成行走、动臂升降、斗杆伸收、铲斗提收和工作装置左右偏转的功能;较小排量变量泵的压力油与5联控制阀相接，完成输送链驱动、输送槽升降、扒斗开收的功能;定量齿轮泵的压力油与冷却风扇驱动马达相接，完成冷却液压油的功能。

与传统的液压系统相比，负荷传感系统的主要优点有:

1)比普通三位六通阀节能。普通三位六通阀无论采用定量或变量泵，总有一部分油经溢流阀卸掉，浪费了能量;而使用负荷传感变量系统，泵的流量全部用于负载上，泵的输出压力仅比负载压力略高一点。

2)流量控制精度高，不受负载压力变化的影响。

3)几种执行元件可以同步运动或以某种速比运动，且互不干扰。普通三位六通阀系统用的是并联油路，当几个执行元件同时动作时，泵输出的油先流到压力低的执行元件，不能同步。

2.4 电控风扇系统

图2为电控风扇系统，其工作流程为:把要控制的温度值输入电子控制器1，电子控制器1的外部与温度传感器9相连，需要控制的温度信号传入电子控制器，与原来温度值进行比较，发出信号推动电子开关阀2打开或关闭;当液压系统开始工作时，液压油温度比较低，温度传感器9信号没有达到电子控制器1设定的温度，电子开关阀2处于通油状态，冷却泵1的油流通过随动控制阀3;a和b之间设置了节流孔，使a点和b点产生压差，即a点压力pa远大于b点压力pb，paA1＞pbA2+p1(p1左端弹簧力，A1，A2为阀芯两端面积);在pa的作用下，阀芯下移，液压油分2路通过阀芯，一路通过电子控制器1回油箱，另一路通过马达7输出口后回油箱，马达7低速旋转或不旋转;随着油温升高，电子开关阀2慢慢关闭，当温度达到设定置时，电子开关阀2关闭，油液不通，使a点和b点没有压差，即pa=pb;随动控制阀3在弹簧力的作用下，阀芯上移处于2的位置，在齿轮泵5的压力油全部通过马达7，使其高速转动带动风扇旋转，对冷却器8吹风进行冷却，从而降低液压油温度。随着温度高低的变化，马达转速也跟着变化。

液压冷却器采用电子控制技术［9］，风扇由液压马达驱动，齿轮泵供油，风扇的转速随着油温的高低而变换:油温低时，风扇转速低，节省能源，减低噪音;油温高时，风扇转速高，以快速降低油温。

2.5 电控系统

电控系统包括动力电系统和显示控制电路系统，本系统可实现如下主要功能:1)电动机具有减压启动和过载保护功能;2)柴油机/电动机电路的选择和工作过程联动锁功能;3)蓄电池能够在电动机工作状态下进行充电;4)电缆在到达极限长度时自动停车，保护电缆不被拉断;5)相序保护电路可实现在外部接线时，如出现相序错误能自动断开启动电路，保护油泵旋向正确;6)操作过程中对发动机、电动机、液压系统的工作状态随时监控及保护 ，在带载状态下将无法启动;7)组合仪表上触摸显示器显示发动机工作的各种工况，显示器上部是各种工报警灯:当出现故障时，报警灯闪烁，同时伴有报警声;发动机出现故障时，可根据显示屏上的提示，找出相应的故障点。

图2 电控风扇系统Fig.2 Electric fan cooling system

3 东方红－WZJ300主要创新点

3.1 双动力系统

东方红－WZJ300挖装机采用双动力系统，柴油机匹配的电喷发动机。该发动机启动性能好、功率储备大，能够适应包括高海拔、高寒、高湿地区在内的不同地区作业要求;电动机具有IP55防护等级，能满足隧道内防尘、防水要求。

3.2 负荷传感液压系统

东方红－WZJ300挖装机采用2组负荷传感液压系统，负荷传感系统可根据负载的变化，对泵排出的流量作相应的调节。随着泵的驱动转速和外界负载压力的变化，液压泵自动调整使其输出流量与外界负载匹配。负荷传感控制将保持通过主系统节流阀上的压降恒定，通过各阀的流量只与阀的开口有关，与负载压力和油泵转速变化无关。负荷传感系统与传统的液压系统相比具有节能、操纵方便、动作控制精确度高、几种执行元件可以同步运动或以某种速比运动。

3.3 电控液压风扇冷却系统

液压油散热器冷却风扇由液压马达驱动，随着液压油温度高低的变化，液压马达转速也随着变化。该系统节能效果好，从而避免油温过高过低对液压系统的影响。

3.4 橡胶板输送机构

东方红－WZJ300挖装机采用刮板+橡胶板输送带，刮板连接在2条输送链之间，在每2个刮板之间连接有橡胶板，橡胶板可隔离物料和输送槽，减小输送阻力，降低输送槽的磨损;橡胶板还可以阻止物料进入刮板下面而使刮板抬高造成的卡链现象。

3.5 输送链驱动装置

挖装机输送链驱动装置原设计为:在输送驱动支架左右两侧滑道内，液压马达通过滑块外侧的定位止口，将液压马达轴头插入链轮轴花键内驱动其旋转，轴两端类似滑动轴承支撑。此结构存在以下不足:

1)由于链条输送带上的物料不均匀，导致2根链条的拉力有差异，使链轮轴轴向窜动造成卡滞，需要轴向自动调整功能，以免影响正常工作。

2)液压马达轴头承受径向和扭转的交变复合力，受力复杂，液压马达轴易断。

3)由于驱动轴两端为滑动支撑，转动阻力比滚动大，消耗功率高。

改进的挖装机输送链驱动装置见图3。焊接成槽型的输送驱动支架1左右两侧设置有对称滑道，在两滑道内装上左滑块张紧机构2和右滑块张紧机构3，驱动链轮轴9两端轴头分别插入左滑块张紧机构2和右滑块张紧机构3腔内调心轴承11的内圈中，液压马达12的外花键轴头插入驱动链轮轴9轴头的内花键里并用螺栓14穿过液压马达12的外壳端面、隔套13、调整垫圈15固定在左滑块张紧机构2和右滑块张紧机构3外侧面上。左滑块张紧机构2和右滑块张紧机构3腔内调心轴承11内圈靠紧驱动链轮轴9上的轴肩，外圈由装在左滑块张紧机构2和右滑块张紧机构3内的隔套13和调整垫圈15进行调整后，由螺栓14拧紧。调心轴承11与左滑块张紧机构2和右滑块张紧机构3上的油道和油嘴4相通。

改进后的驱动链轮轴两端由调心轴承支承、隔套和调整垫圈定位，首先，可根据驱动机构零部件的制造公差来调整垫片厚薄保证链轮的轴向定位位置，输送链条运转时，由于其上运载的物料不均匀产生下垂量不同，下垂量大的一边产生的轴向力略大，轴向力推动调心轴承轴自动调整轴向间隙，防止轴向力损坏轴承和驱动链轮轴;其次，驱动链轮轴上的径向载荷有调心轴承承担，旋转时由原来的滑动摩擦变为滚动摩擦，可以有效地减少驱动阻力，从而有效地提高输送物料的效率;再次，液压马达安装定位保证同轴度要求，隔套的外止口嵌入滑块张紧机构侧板止口内，液压马达的外止口嵌入隔套的外止口内，液压马达轴通过花键插入驱动链轮轴内。工作时，马达轴只承受纯扭转力，不承受径向荷载，改善马达轴受力状况，延长马达使用寿命。本输送链驱动装置轴向定位好、使用寿命长、可靠性高。

图3 输送链驱动装置改进图Fig.3 Improved conveyor chain drive device

3.6 液压系统集成化设计

以往的挖装机控制系统采用管式连接系统，阀与阀之间用管路连接，管式连接占用空间大，而且容易产生泄漏，安装维修不便。东方红－WZJ300挖装机液压系统采用集成设计，液压集成控制装置是将挖装机液压控制系统集成于一体的装置［10］，大大减少了外部管路的连接，减少了系统故障点，使液压系统的组装、安装、维护更加方便。

3.7 防撞机构设计

东方红－WZJ300挖装机设计有防碰撞机构，在输送槽下方矿车停止的位置设有防撞块，防撞块采用橡胶块;防撞块前方200 mm处设有报警灯开关，以提示矿车司机，避免在隧道内矿车倒车时与挖装机相撞。

4 专利成果

东方红－WZJ300挖装机在研制过程中注重对新技术及创新结构的保护工作，从项目开始就陆续向国家知识产权局申请了6项专利，目前已获得国家授权的专利5项。

5 样机工业性试验

样机于2009年12月完成试制。样机于2010年6月经国家工程机械质量监督检验中心检测，主要技术参数和性能指标满足设计要求。

2011年3 月到7月在张唐铁路燕山隧道进行了近4个月工业性试验。2011年7月30日中国中铁隧道集团有限公司和中国一拖集团有限公司组织专家对其进行了工业性试验验收，认为:

1)该机适应于软、硬渣土等不同地层环境下进行不同断面隧道连续、快速出渣。

2)该机采用全负荷传感液压系统、复合动作好、工作效率高;采用电控液压风扇系统、达到了节能的目的;采用橡胶板输送机构，防止输送装置卡链;采用电缆自动收放控制系统，防止电缆拉断;采用新型输送链驱动装置，有效延长了输送液压马达的寿命。另外，该机设计了多种电、液安全保护系统、发动机CAN总线参数监视系统及故障报警等先进技术，创新性强，整机具有节能、环保、噪音小、安全可靠等特点。

3)经过国家工程机械质量监督检验中心的试验，主要技术参数、性能指标及安全性符合相关标准的规定。

4)经过性能试验、可靠性试验及现场工业性试验，表明该机能够满足隧道施工要求。

综上所述，东方红－WZJ300挖装机整机性能优越，效率高，造价低，整机达到国际同类产品的先进水平，可替代同类进口产品。建议在不同围岩隧道工程施工中推广应用，并加强售后服务。

6 结论与讨论

东方红－WZJ300挖装机在设计之初，通过调查，对ITC312挖装机使用中存在的输送装置卡链、行走系统断履带销轴、液压油温高等问题进行分析和研究，并将改进结果应用到东方红－WZJ300挖装机上，经工业性试验证明，取得了很好的效果。

东方红－WZJ300挖装机在燕山隧道使用近4个月，性能先进、操作方便，在隧道内电机驱动，零排放、无污染，完全满足隧道斜井和正洞施工要求。

挖装机在隧道内工作，粉尘大，今后，将在挖装机上研究设计正气压式驾驶室，使外界的粉尘不能进入驾驶室内，既保证驾驶室能进入过滤的新鲜空气，又能满足驾驶员有良好的视野，改善作业环境。

随着我国基础设施建设规模的扩大，隧道建设速度也越来越快，隧道挖装机的用途正向城市地铁建设、水利部门、军事工程等领域扩大，应在以后的使用中不断改进，以满足不同用户需求。

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