隧道挖掘式装载机的装载系统技术研究

李智刚

摘 要 为加快国民经济发展，国家加大投入基础设施建设，作为交通命脉的铁路和公路近年来进入了大规模建设期，重点工程由东到西、从南到北全面展开。由于我国南方大多为丘陵或山区地形，建设过程中隧道施工数量众多，因此迫切需要隧道快速施工设备。

现阶段，虽然已经将TMB列为大型隧道施工的重要设备，但是，钻爆法仍然是隧道施工的重要技术。实践证明，在钻爆法实施中装碴运输工序是隧道施工中占用工期最长的工序，对整个工程的进度有直接影响，为了保证施工进度，施工单位在出碴工序都配有较多的机械化出碴设备，对于空间小的隧道装碴快速、高效，适合场地狭小空间狭矮作业的隧道挖装机得到了充分的展示【1】。

与此同时，铁路、公路隧道的大量修建，斜井、联络通道等小断面、长距离辅助坑道数量增多；城市地下空间的开发，浅埋暗挖法的普遍实施，对隧道挖装机这种出碴设备的需求也将增大。开发、生产出性能优越，可靠性高的国产隧道挖装机，对降低施工成本，促进施工企业又好又快发展具有非常重要的意义。

针对隧道施工工况对隧道挖装机的装碴要求，文章对我公司研制的普通型隧道挖装机的装载系统进行了结构分析、参数优化、系统匹配性及稳定性等技术研究，以提高其在隧道中作业时的碴料装载效率。

关键词 隧道挖装机 装载系统 技术研究

前 言

隧道挖装机又叫扒碴机、挖斗装载机、岩巷掘进机。常用于铁路、公路、矿业、水利水电等小断面隧道岩巷的挖掘装运施工。适合在空间狭窄、大型机械难以到位施工的隧道、矿洞、巷道、斜巷斜井、涵洞等进行施工。

隧道挖装机集扒、挖、装、运、卸、行走于一体，集成了行走、挖掘、采集、输送、装车、场地平整等六种功能。改变了过去隧道施工的半机械化状态隧道挖装机按动力系统分为：内燃型、电动型和内燃——电动混合动力型。小型隧道挖装机多采用单一的内燃型或电动型。内燃型机动性好，但污染大，常用于小断面、短距、无防爆要求的巷道施工；电动型常用于小型、长距矿井，在瓦斯等有安全要求的环境下可采用具有隔爆功能的电动机进行驱动。中型和大型常采用内燃——电动混合动力型，适用于非瓦斯的长大隧道工作环境。

隧道挖装机按行走结构形式分为：轮胎式、履带式、轨道式、履带——轨道复合式。小型隧道挖装机多采用轮胎式结构，中型和大型隧道挖装机常采用履带式结构，为方便地下井巷及隧道施工还专门设计了有轨道式隧道挖装机。同时，为了方便长大隧道施工，大型隧道挖装机常加装轨道行走机构。

按刮板驱动形式分为单链及单驱动、单链及双驱动、双链及单驱动和双链及双驱动等四种形式。

按爬坡能力分为普通型和大坡度型。

上世纪80年代，中国中铁开始引进日本隧道挖装机，并用于南昆铁路米花岭隧道的施工，由此开始了隧道挖装机在国内隧道施工中的应用。上世纪90年代，为了提高隧道施工效率，我国利用德国无息贷款大量引进德国夏夫公司生产的隧道挖装机，从此，大型隧道挖装机在我国隧道机械化施工中开始大范围应用。随后，国内也涌现了多家集研发、生产、销售于一体的隧道挖装机专业厂家。因此，开发、生产出性能优越，可靠性高的国产隧道挖装机，对降低施工成本，促进施工企业又好又快发展具有非常重要的意义。

文章所述为我公司研制的履带式普通型隧道挖装机，由挖掘系统、行走系统、装载系统、液压系统、电气系统组成，如图1所示。文章仅针对隧道挖装机的装载系统进行技术研究。

1.装载系统结构研究

装载系统是隧道挖装机的重要组成部分，主要承载着在隧道施工中矿石土料的传送和装载，但是，在实际应用中存在诸多设计问题，影响了实际出碴装碴的连续性。该装载系统主要由运输槽、传送装置、液压系统等三部分组成，如图2所示。

运输槽结构改变了以往的中断圆弧变角度整体结构设计，而采用了多节制直长式便于拆卸的装配结构设计，由进料槽、前段槽、防撞过渡槽、连接槽、尾槽、右积碴板、左积碴板等焊接件组成，如图4所示。

1.2.1 运输槽节段联接

以往运输槽的节段联接装配多采用高强度螺栓联接，运输槽在出碴装碴时需承载矿石土料，且尾部会产生一定的弯矩，使得单一的高强度螺栓承载了更大的剪切力和拉伸载荷。通过技术理论分析，在节段联接的两块连接板增加限位槽，安装限位板主要承载剪切力和拉伸载荷，提高高强度螺栓的抗剪切和抗拉伸能力，如图5所示。

1.2.2 传送装置的传动链压条的改进

传送装置含有双排滚子传动链，刮板介于双链之间，采用链销联接，在链条的正上方设计了压条，液压马达直接驱动主动链轮轴，实现碴料传送装载。在实际使用过程中，传动链与压条由于挤压作用，磨损十分严重，需更换压条，否则会出现严重的链下翻碴和卡链现象1.2.3 主动链轮机构的改进

对国内外同类产品结构进行了引进、消化，吸收，再创新，改变了传统的焊接式整体主动轮支架和通轴式主动轴，研制了具有高可靠性和高维护性的可拆卸式主动链轮机构。

由于主动链轮机构是易损件需更换，原结构更换时需整体拆卸主动机构，耗时长且劳动强度大。通过对整体结构的合理分析和验证，将主动轴设计为可拆式多零件组合，采用高强度螺栓联接，形成了刚性结构，有利于易损零件的维修或更换，大大提高了拆装效率，有效降低了维修成本。

2.液压系统的技术研究

目前，国内同行业产品的液压系统采用的是最为简单的节流调速控制方式，会造成大量的功率损失。近年来，负载敏感控制系统是在我国工程机械或船舶机械领域获得广泛推广和应用的一项关键技术。结合我公司研制的隧道挖装机的应用特点，采用恒功率负载敏感控制系统。负载敏感控制系统是指将压力、流量和功率变化信号向阀或泵进行反馈，实现控制功能。采用负载敏感控制系统可降低液压系统能耗，提高生产效率。

负载敏感控制技术利用负载变化引起的压力变化去调节变量泵的压力与流量以满足系统的实际工作需求。

从其液压原理可知，变量液压缸的控制柱塞的运动受负载敏感阀芯3的控制，它决定泵的排量。负载敏感控制过程分为压力适应、功率适应和流量适应三个过程。

在压力适应过程中，泵的输出压力自动跟随负载压力的变化而变化，其间流量保持稳定，在此工况下负载敏感阀3右端作用着弹簧力和节流阀5的出口压力，左端作用着泵的出口压力，即节流阀的进口压力，节流阀的进出口压力差由弹簧力设定；因此在压力切断阀4不工作时，节流阀5流量变化引起压降的变化将使阀芯运动，从而控制柱塞的运动，以改变泵的排量，维持泵的输出流量为设定值。

2.3 系统的基本类型

根据压力补偿阀在液压回路中的位置，可以将负载敏感控制系统分为阀前补偿的传统负载敏感系统LS和阀后补偿的负载独立流量分配系统。

2.3.1 阀前补偿

阀前补偿是负载敏感系统较为传统的压力补偿方法。压力补偿阀位于主阀节流口之前，将主阀口后的负载压力引入压力补偿阀，且补偿阀弹簧腔引入的压力是本回路的负载压力。工作时，压力补偿阀通过其内部截流口开度的变化来调整主阀口前的压力，使主阀口前后的压差为常值，这样主阀芯控制截流面积的变化来控制并分配流量，流量大小就只与该阀口的开度有关，而不受负载压力的影响，提高了阀的控制性能。

2.3.2 阀后补偿

阀后补偿具有抗饱和功能的负载独立流量分配系统，则是把压力补偿阀设在主阀节流口之后，并以负载最高压力来控制泵和压力补偿阀

即使泵的流量小于系统复合运动所需的流量，系统也会按比例将流量分配给各执行元件，而不是流向负载压力低的执行元。这样各个动作的相对速度就不会发生变化，从而保证了动作的协调性，避免冲击。

2.4 负载独立流量分配系统工作原理

当通过所有的阀截留面的流量小于泵所能提供的流量时，主阀节流口两端的压差近似地等于变量泵流量控制器（即压差调节阀）的设定压差，压力损失时在泵到节流口的油路上。

负载最高压力通过负载敏感油路传递到负载压力低的压力补偿阀弹簧腔内，其控制阀节流口后的压力也等于负载压力。

两个控制阀节流口两端的压差为 。

总之，各个执行器的控制阀节流口两端的压差始终相同，但是其值不是定值，而是和负载压力相关的，由此实现了流量的比例分配。随着不饱和度的增加，泵的压力减小，控制阀节流口两端的压差以及流量都要减小，各个执行器按照各自控制阀节流口的开度为比例降低速度。即使在饱和的情况下，高负载的执行器也不会立即停止。

3.对开发国产隧道挖装机的几点思考

（1） 要保证质量和可靠性。国产隧道挖装机开发要坚持高起点、高质量、高标准、高性价比。

（2） 要紧密结合施工。鉴于国内隧道施工实际情况，使用隧道挖装机不可避免地要进行找顶或清底作业，当岩石较硬时，对个工作机构的强度和刚度就有了更高的要求，在挖掘装置强度设计时应有一定的富裕。

（3） 综合国内隧道钻爆法施工出碴装碴特点。由于隧道狭小空间，严重制约了大型机械设备的到位，最好该机能集成集凿岩、出碴装碴两种功能。

（4） 挖掘系统应留有选装液压破碎锤、横向切削装置（铣挖头）等等的接口，实现一机多用，最大限度的发挥设备效益。

（5） 要坚持学习借鉴与自主创新相结合。引进、消化、吸收国外先进技术，元器件注重国产化，以便于维修。

4.参考文献

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[13]陈欠根 纪云峰 吴万荣 《负载独立流量分配（LUDV）控制系统.液压与气压传动》，2003（10）

[14]Christoph Latour 《Elektrohydraulisches Flow Matching（EFM）-Die nachste Generation von Load-sensing Steuerungen》，2006.3-6