楊繼范

（上海市第二市政工程有限公司，上海 200065）

0 前言

現(xiàn)代壓氣沉箱工法是在傳統(tǒng)壓氣沉箱工法基礎上，由日本的白石、大豐建設株式會社等幾家公司經(jīng)過幾十年的持續(xù)研究、不斷改良逐漸形成的，其關鍵施工設備系統(tǒng)主要包括地面送氣系統(tǒng)、無人挖掘系統(tǒng)、排土系統(tǒng)和地面遙控監(jiān)視系統(tǒng)。常見的無人挖掘系統(tǒng)有兩種形式，一種是大氣壓環(huán)境下密封艙內(nèi)遠程操控沉箱挖掘機，另一種是地上遠程操控沉箱挖掘機，本文將介紹適合于軟土地層的地上遠程操控氣壓沉箱挖掘機的國產(chǎn)化設計研制。

1 設計要求

1.1 有效作業(yè)半徑

第一臺標準型國產(chǎn)鏟斗式氣壓沉箱挖掘機，是依據(jù)上海軌道交通工程項目中平面尺寸為15.60 m×25.24 m、深度為28.5 m的矩形豎井進行設計研制的，其有效作業(yè)半徑為Φ4187 mm。兩臺可沿軌道移動、360°自由旋轉的標準型鏟斗式遙控壓氣沉箱挖掘機即可滿足上述規(guī)格矩形豎井的沉箱施工。

1.2 最小外形尺寸

作為工作室設備安裝和拆卸出入的唯一通道，材料閘的直徑為Φ2000 mm，因此沉箱挖掘機設計應考慮部件或組件最小可拆卸的長度或寬度尺寸須滿足小于2000 mm，確保其可自由地在材料閘內(nèi)通行。

1.3 高度

氣壓工作室高度是指工作室頂板至沉箱刃腳下部之間的垂直距離。氣壓工作室高度越高，則其容積越大，氣壓控制的穩(wěn)定性越高，壓氣沉箱施工的風險越小；氣壓工作室在沉箱下沉施工就位后，將填充素混凝土，其高度決定了素混凝土的充填量。因此，在保證沉箱施工穩(wěn)定的前提下，氣壓工作室高度應盡可能小，根據(jù)壓氣沉箱挖掘機初步設計的要求，取氣壓工作室高度為2000 mm，沉箱挖掘機主臂放平狀態(tài)下，其垂直高度（包括上部軌道）為 1700～1800 mm。

1.4 其他要求

研制的標準型鏟斗式遙控壓氣沉箱挖掘機，還需滿足地質(zhì)、遠程監(jiān)控、可靠性、裝運和外觀等方面要求，例如：

（1）滿足上海地區(qū)N值50以下的粘土、砂土等的土體開挖和排土要求。

（2）沉箱挖掘機設計應采用可靠的遙控操作，工作人員可通過觀察不同方位的高清監(jiān)視器，在地面控制室內(nèi)通過操作手柄操控沉箱挖掘機的挖土和倒土的各項動作；為便于調(diào)試和維修，應采用可移動式遙控操作手柄。

（3）應考慮足夠高的機械傳動安全系數(shù)及電氣防護等級、結構簡單且可靠、維修方便，確保在潮濕的氣壓環(huán)境下工作正常；同時設備基本采用遠程遙控操作，應有誤操作保護設計，以防構件損壞。

（4）應滿足市區(qū)、跨省市運輸?shù)囊?，結構上可實現(xiàn)快速、簡單裝拆。

計算年回淤量時，模型通過計算一個全潮過程（小潮-大潮-小潮）的回淤量，再根據(jù)一年的全潮過程數(shù)得到一年的回淤量。

（5）外觀應符合進口工程機械設備的涂裝要求，耐腐防銹，色彩醒目、有較強立體視覺感，在氣壓工作室內(nèi)工作可明顯區(qū)別于周圍環(huán)境。

2 總體設計

標準型鏟斗式遙控沉箱挖掘機主要由兩根平行軌道、行走裝置、回轉裝置、主臂伸縮裝置、主臂擺動裝置、鏟斗裝置、設備平臺等組成，同時還包含了無線遙控操作桿、電液動力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、油脂潤滑系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。圖1所示為沉箱工作室內(nèi)專用沉箱挖掘機示意圖。

圖1 氣壓沉箱挖掘機總體示意圖

2.1 平行軌道

行走軌道由1對工字梁組成，固定在工作室內(nèi)頂板上，不僅承受挖掘機的整體自重和鏟斗裝土重量，而且在挖土作業(yè)時還承受一部分側向的挖土分力。為提高軌道和滾輪之間的接觸強度，在軌道內(nèi)面增加了用螺栓固定的上、下道軌和側道軌，材料為55號鋼，表面淬火處理HRC50-55，深度2 mm。為提高下部挖掘機運行的穩(wěn)定性，兩根平行軌道的間距取1800 mm。為了保證現(xiàn)場安裝精度和安裝效率，平行軌道、上部連接板和中間連接鋼板和行走鏈在工廠安裝成一體；同時，每段平行軌道的長度取2000 mm，可以自由通過材料閘進入氣壓工作室。

2.2 行走裝置

行走裝置是帶動下部挖掘機沿兩條平行軌道水平移動的機構，由行走機架、行走擋輪、行走托輪、行走馬達和驅動鏈輪組成，安裝于平行軌道之間，下部裝有帶大齒輪的回轉軸承，并與挖掘機回轉機架相連接，如圖2所示。

圖2 行走裝置示意圖

行走機架采用剛性較大的箱型結構，4組行走擋輪和4組行走托輪分別安裝于行走機架的兩側，兩套行走馬達及托架分別安裝于行走機架的前后側，驅動鏈輪與行走馬達的輸出軸相連，并于上部的行走鏈嚙合。行走液壓馬達帶液壓制動裝置，以防止挖土作業(yè)過程中，挖掘機主體結構承受的水平分力大于行走托輪和軌道間的滾動摩擦力時引起挖掘機移動，影響挖土作業(yè)正常進行。行走機架中部設置圓形通孔，安裝電氣系統(tǒng)的導電滑環(huán)和液壓系統(tǒng)的中心回轉接頭，實現(xiàn)挖掘機可以實現(xiàn)360°全回轉施工。

2.3 回轉裝置

回轉裝置由回轉機架、回轉軸承、驅動小齒輪、回轉馬達組成?；剞D軸承安裝在上部，位于行走機架和回轉機架之間，軸承帶有內(nèi)齒圈，與驅動小齒輪嚙合傳動；回轉馬達是帶液壓制動的液壓馬達?；剞D機架與下部主臂伸縮裝置依靠銷軸連接，上部的銷軸通過連接擺動油缸的一端與主臂伸縮裝置前端連接，下部的銷軸直接與主臂伸縮裝置中部連接。

2.4 主臂伸縮及擺動裝置

主臂伸縮裝置是沉箱挖掘機完成挖土、倒土等動作的主要部件，由導向箱主體、導向箱后箱體、伸縮活動臂、導向襯套、伸縮油缸和防塵密封等組成，如圖3所示。

圖3 主臂伸縮裝置示意圖

導向箱主體分上部箱體和下部底板兩部分，采用螺栓連接后形成封閉箱體，分體式的設計對箱體內(nèi)壁精加工、裝配和維修十分有利。導向箱分主體和后箱體兩部分，中間采用螺栓連接，分體式的設計符合現(xiàn)場施工條件，使進出材料閘的設備可分解的最小尺寸小于2000 mm。主臂擺動裝置結構非常簡單，由對稱的2臺擺動油缸，一端通過銷軸與回轉機架相連，另一端通過銷軸與主臂伸縮裝置的導向箱主體相連。

2.5 鏟斗裝置

圖4 鏟斗裝置示意圖

上海地區(qū)軟土具有粘度大的特點，相對于反鏟鏟斗，正鏟鏟斗在倒土時很難排盡斗內(nèi)的土體，鏟斗體設計成圓弧底，可以較好地解決這個問題，提高挖掘機挖土效率；另外，鏟斗的翻轉角度設置為向上+23°、向下-107°，向上的角度保證了挖掘時土體能有效地裝滿鏟斗，向下的角度保證了倒土時土體可自由落入下面的裝土桶。斗齒數(shù)量是4個，采用挖機標準齒形；鏟斗托架后端與伸縮活動臂的前端用螺栓相連接。

2.6 設備平臺

設備平臺的主要功能是放置電氣控制柜、油箱、動力裝置、液壓閥塊等，同時操作人員也可坐在設備平臺上直接操控沉箱挖掘機。設備平臺左右各一，采用型鋼和鋼板焊接而成，用螺栓固定于回轉機架上，為盡可能減低電機工作時產(chǎn)生的振動或噪音，設計時除考慮適當?shù)膹姸韧猓饕趧偠确矫嬗兴岣摺?/p>

2.7 無線遙控操作系統(tǒng)

無線發(fā)送裝置采用 F24-60型遙控操作桿，包含了電源開關操作開關、電動機啟閉開關、挖掘機水平前后移動、正反旋轉、主臂伸縮和鏟斗翻轉的控制手柄，并可實現(xiàn)不同速度檔控制。遙控操作桿采用干電池作電源，體積小巧，可隨身攜帶，操作時可以放置在工作臺上，也可用掛繩掛在身上。無線遙控的接收裝置安裝在挖掘機的電氣柜側，防水等級高，發(fā)送與接收的有效距離可達50 m以上。

在壓氣沉箱施工過程中，無線遙控發(fā)送裝置在地面操作室內(nèi)，接收裝置在沉箱下部工作室內(nèi)，中間采用信號線傳遞信號。無線遙控發(fā)送裝置和接收裝置采用一定的頻率進行配對，可避免多臺挖掘機同時施工時信號互相干擾。

2.8 液壓動力系統(tǒng)

標準型壓氣沉箱挖掘機的所有動作均采用開式液壓動力系統(tǒng)控制，液壓動力來自安裝在挖掘機上的一臺高壓比例控制柱塞泵，執(zhí)行結構中挖掘機的移動和旋轉采用液壓馬達，主臂和鏟斗動作采用液壓油缸。液壓泵的排量由PLC程序模塊控制，與無線遙控操作桿速度檔操作相結合，實現(xiàn)挖掘機各種動作不同速度的靈活控制。液壓馬達主要用于挖掘機行走和回轉系統(tǒng)，為提高挖掘機工作的鎖定性，采用了帶液壓剎車裝置的形式。所有的液壓閥采用集成閥組的緊湊設計，使液壓系統(tǒng)控制單元的閥件集成安裝在一個閥塊上，既減少了管路，又方便維修。

2.9 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、比例調(diào)節(jié)閥控制器、遙控接收器、控制變壓器、直流電源、接觸器、斷路器、熱繼電器和端子等組成，PLC的編程按照上述的挖掘機的動作要求和遙控控制要求設定，是電氣控制系統(tǒng)的關鍵。

動力電纜由地面連到工作室，由平行安裝在行走軌道側的電纜滑架引入挖掘機上部行走機構的中心孔內(nèi)。與液壓系統(tǒng)的中心回轉接頭的功能相類似，在行走機構的中心孔內(nèi)裝有電纜滑環(huán)，解決了上部電纜和下部電纜之間的相對旋轉運動帶來的問題。電纜滑環(huán)采用中空結構，液壓軟管可從其中心穿過；電纜滑環(huán)的上部裝有防水板，可防止電纜滑環(huán)受潮而導致漏電故障的產(chǎn)生。

2.10 油脂潤滑系統(tǒng)

油脂潤滑系統(tǒng)主要為主軸承、連桿機構的銷軸、主臂伸縮導向提供油脂潤滑，油脂采用1號鋰基脂，由一臺油脂泵壓送油脂，通過分路閥將油脂壓注到不同的潤滑點。

2.11 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)分地面和工作室兩部分組成。工作室內(nèi)裝有幾個臺清晰度較高、可遠程調(diào)整角度和焦距的攝像頭，并配以照明，從不同角度攝取挖掘機在壓氣沉箱的運行情況；地面操作室的幾臺監(jiān)視器，可實時監(jiān)控、切換工作室內(nèi)挖掘機的作業(yè)畫面，是沉箱挖掘機地面遙控操作人員實時操作挖掘機各種動作的主要依據(jù)。

3 結語

首臺工廠研制地上遠程操控氣壓沉箱挖掘機，在模擬壓氣沉箱工法工況條件的情況下，成功進行了挖土試驗。從試驗情況分析，挖掘機的動作及幅度設計，不存在任何的挖土死角，可以滿足氣壓沉箱施工的要求；挖機實現(xiàn)360°全位置回轉，施工效率和可靠性較高；圓弧形底的正鏟斗設計，對于粘度較高的上海軟土地層，挖土和倒土效率較高；伸縮裝置中的導向襯套、自動油脂潤滑系統(tǒng)和局部材料的抗磨設計，提高了設備的整體使用壽命。

對于較大尺寸的沉箱施工，在要求提高施工進度的情況下，需要幾臺挖掘機在工作室內(nèi)同時挖土作業(yè)。因此，在實際應用時，還需利用傳感技術，開發(fā)出挖掘機位置的自動實時測定功能，通過PLC程序的設定，自動形成設備之間的安全距離和動作保護，避免人工操作不當而產(chǎn)生的互相干擾或設備碰撞。

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