李 勇

(中國水利水電第十工程局有限公司 機電安裝分局，四川 都江堰 611830)

TBM隧道掘進列車設備的研究與制造

李 勇

(中國水利水電第十工程局有限公司 機電安裝分局，四川 都江堰 611830)

介紹了西藏某公路項目TBM隧道掘進列車設備研發(fā)制造在時間緊、研發(fā)制造技術難度大的情況下，通過自主研發(fā)設計和生產(chǎn)、調試，最終實現(xiàn)了設備的設計制造。

西藏；TBM隧道掘進列車編組設備；研發(fā)制造

1 工程概述

西藏某公路項目特長隧道長4.4 km，工程地質構造復雜，氣候條件惡劣，設計使用TBM隧道掘進列車設備進行隧道洞挖襯砌。TBM隧道掘進列車設備由機車車頭、設備及管片運輸臺車(含轉向架)、載人車廂、豆礫石儲運罐、水泥儲運罐、砂漿攪拌罐等組成，其核心技術包括運輸臺車轉向架的滾輪及氣動剎車系統(tǒng)、豆礫石儲運罐液壓多門自由升降系統(tǒng)、砂漿攪拌罐動力及螺旋結構等。

由于該項目TBM隧道掘進必須在冬季前完成施工準備，從而要求設備在半年內(nèi)完成制造。但在這么短的時間內(nèi)完成其研發(fā)制造，并在保證制造工期內(nèi)還要兼顧工程造價合理則具有很大的難度。筆者在最終設備現(xiàn)場滑行成功之際總結了其在研發(fā)制造過程中的成功經(jīng)驗和存在的不足，將一些重難點介紹如下。

2 核心技術研發(fā)

在西藏某公路項目TBM設備交貨時間緊、研發(fā)技術難度大、制造設備總裝、調試無成熟經(jīng)驗的情況下，我們整合了已有的技術資源；由于無法獲得TBM隧道掘進設備的核心技術，我們通過網(wǎng)絡、具有相關履歷技術人員學習短訓等渠道廣泛收集相關技術資料，將獲得的一個個零散的結構件通過計算機CAD輔助設計技術編入電腦，先分析確定整個設備的各項功能要求和結構形式，然后將缺失的零部件一個個分析出來，確定所缺失的零部件的功用和輪廓，再在這些信息的基礎上設計出零部件草圖，以逆向思維設計研發(fā)出各核心零部件。

2.1 臺車轉向架的研發(fā)與設計

對臺車轉向架結構件進行分析，通過計算機采用1∶1的比例模擬了整個臺車轉向架的結構關系，將臺車輪系裝置、轉向軸承裝置、臺車減震裝置、臺車氣動剎車按系統(tǒng)分列出來。由于以上四項核心技術無法從任何渠道獲得，因此，我們對這四個部分分四個課題組進行攻關。

(1)轉向架臺車輪系裝置的設計。

轉向架臺車輪系裝置的設計主要考慮承載運輸平車的重力和滾輪的經(jīng)濟實用性。為了兼顧其耐久性和經(jīng)濟性，決定采用常規(guī)的一主橫梁、二雙邊梁、四主輪的H型主結構型式。開始主要爭論的是滾輪的材料是采用鑄鋼，還是鍛鋼。鑄鋼滾輪具備成型好、質量輕、造價低的優(yōu)點，但其易產(chǎn)生裂紋、易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷；鍛鋼主輪內(nèi)部組織密實，但其成型加工量大、造價高、鍛造廢品率高。經(jīng)綜合評估，整個隧洞掘進滾輪的使用頻率低于一般鐵路機車車輛(一般為3 a)。為有效降低成本，最終決定采用鑄鋼主輪。針對鑄鋼主輪鑄造易產(chǎn)生裂紋的缺點，在設計鑄鋼主輪時，對易產(chǎn)生裂紋的部位增加了截面并增加了鑄造件調質熱處理和探傷檢查的要求，杜絕出現(xiàn)鑄造缺陷。

(2)轉向軸承的設計。

根據(jù)隧道掘進列車洞內(nèi)軌道跨距和荷載及功能要求，計算并確定了轉向轉盤軸承裝置設計方案：在主橫梁主承壓位置采取花瓣式球面凹凸組合軸承形式，實現(xiàn)了轉向架適應洞內(nèi)路面軌道多個方向的轉彎及高低等多種變化要求。球面凹凸組合軸承基體采用Q345結構鋼，凹凸結合球面部分將下凹面軸承座內(nèi)設計成球碗狀凹槽并敷設高強度自潤滑工程塑料合金材料球碗填料，較好地實現(xiàn)了轉向轉盤軸承裝置的自潤滑，不需加注機油黃油，減少了軸承的運行維護強度。

(3)臺車減震裝置的設計。

為了減小運輸臺車荷載對轉向架滾輪的沖擊壓力，我們在主邊梁與主輪軸傳遞荷載連接部位設置了減震橡膠軸承，在主橫梁與主邊梁連接部位設置了四組彈簧組作為運輸臺車的主減震裝置。彈簧組的設計根據(jù)結構件布置要求和受力需要選用60 SiMn2材料，計算并確定彈性系數(shù)等主要參數(shù)；減震橡膠軸承則在計算出基本摩擦系數(shù)、減震系數(shù)后，聯(lián)系協(xié)作廠家作出樣品。

(4)臺車氣動剎車系統(tǒng)的設計。

臺車氣動剎車系統(tǒng)是整個轉向架最核心的技術，而我們沒有這方面的相關技術經(jīng)驗。經(jīng)過反復思索，認為氣動剎車的結構形式是否可以參照載重汽車的輪鼓剎形式。經(jīng)過向從事汽車維修的技術人員學習和咨詢，了解到載重汽車的輪鼓剎在結構上無法實現(xiàn)布置而被放棄；我們通過咨詢、學習了解到轉向架基礎制動可以采用軸盤制動結構[1]的輪剎形式，這種形式是在每個滾輪上布置一套輪剎裝置，在結構布置上增加了制造難度而被放棄。有沒有更好地用于制造和使用的氣剎形式？我們通過學習，了解到現(xiàn)今國內(nèi)開發(fā)的一種氣動碟式制動器(圖1)，其可在輪轂內(nèi)側栓接一組剎車盤對應匹配氣動碟式制動器，該空氣制動器自身具有雙膜片彈簧制動氣室，進而實現(xiàn)斷氣后剎車制動鉗閉合、供氣后剎車制動鉗松開的工作形式。在轉向架上布置儲氣罐以保證給空氣制動器供應設計需要的氣壓，而整個臺車系統(tǒng)的供氣可直接采用機車的尼龍管、多向安全閥供氣一套組件，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品的剎車功能且造價合理。

2.2 豆礫石儲運罐氣動多門自由升降系統(tǒng)的設計

圖1 氣動碟式制動器示意圖

豆礫石儲運罐氣動多門自由升降系統(tǒng)設計的主要難點是液壓卸料門葉系統(tǒng)和氣動振動系統(tǒng)的設計和選型。豆礫石儲運罐卸料門葉開關采用液壓系統(tǒng)控制，在結構設計上，液壓控制卸料門葉又必須同時實現(xiàn)單門單控和多門多控的要求，為此，我們設計了多路換向閥進行控制，其液壓工作方式為：外接高壓機械油→多路換向閥→輸出單門液壓管路→雙耳式拉桿液壓活塞桿→卸料門葉。

氣動振動系統(tǒng)的設計主要是設置氣動振動器清落罐體內(nèi)殘余的豆礫石。我們設計了在外接高壓縮氣后引入15 MPa高壓多層鋼絲軟管，通過1變n個氣管接頭將主氣管高壓氣體分流至多個分供氣管，各分供氣管又接入各個氣動振動泵，供氣動振動器工作。氣動工作方式為：外接空氣壓縮機接入 空氣濾清器→分配閥主管分支管→支管輸出→多個氣動振動器。由于洞內(nèi)空氣極為潮濕，我們特在高壓縮氣接入處增設了空氣干燥濾清器，設計選用LTZ2.2-H雙塔式吸附式干燥器，其具有低溫加熱功能,能過濾空氣中的油、水，降低空氣露點，使空氣系統(tǒng)在正常使用時不出現(xiàn)液態(tài)水[2]，其主要參數(shù)見表1。

表1 LTZ2.2—H雙塔式吸附式干燥器參數(shù)表

2.3 砂漿攪拌罐電動螺旋結構的設計

砂漿攪拌罐電動螺旋結構設計的主要難點是電機選型、傳動設計、螺旋結構設計。為了滿足低能耗、低噪音、低重量、高速比的要求，我們選用了齒輪電機，并在罐體底部設置了多個電動振動器輔助送漿；在結構設計上，采用斜段罐體結構和雙螺旋器以便于砂漿輸送。雙螺旋器通過聯(lián)軸器(增設緩沖軟連接)連接電機，雙螺旋器為在無縫鋼管上焊接螺旋攪拌葉片制成。具體結構見圖2。

3 產(chǎn)品的測試及用戶體驗反饋

設備制造完成后進入調試階段，通過模擬西藏公路項目TBM隧洞施工工況對該設備的基本功能指標進行了逐一測試，用以檢測設備的額定載荷和裝置的穩(wěn)定性、可靠性。在測試方案設計上，對保證液壓氣動機電聯(lián)動的穩(wěn)定性、恒定性、安全性的測試指標上高于一般值。測試中發(fā)現(xiàn)了一些裝配誤差、設備故障、外觀缺點、零部件缺陷，對此，在測試后期積極組織制作人員對設計方案進行再評審，完善并優(yōu)化了設計方案，主要包括以下幾方面。

圖2 砂漿攪拌罐電動螺旋結構圖

3.1 轉向架臺車主軸鎖緊螺母松動

最初設計并自行制造的主軸圓螺母在運輸平車轉向架高速運轉時因熱膨脹不均等原因使鎖緊螺母松動，經(jīng)研究認為：主要是鎖緊螺母設計存在缺陷。最終設計了悶蓋式鎖緊螺母以取代原側壓式鎖緊螺母，并在主軸端部增鉆了3個螺紋絲孔連接悶蓋式鎖緊螺母，3顆連接螺栓用鋼絲穿過六角頭連接固定，在鎖緊螺母內(nèi)壓緊端增設了尼龍墊做膨脹緩沖。

3.2 豆礫石儲運罐液壓升降門聯(lián)動故障

液壓升降門聯(lián)動故障主要是由于儲運罐體在裝滿石料后對升降門葉產(chǎn)生了比較大的側壓力，而在初設液壓活塞桿時對這一受力考慮不周，后經(jīng)計算增加了液壓活塞桿桿徑和輸入油壓，保證了其在極為惡劣的條件下液壓升降門聯(lián)動自如。

3.3 砂漿攪拌罐電機輸出出現(xiàn)異響、漏油等

經(jīng)分析認為，其主要是因傳動系統(tǒng)連接法蘭間的間隙造成的。初設時，連接法蘭螺孔與螺栓之間有1.5 mm的間隙，運行時易出現(xiàn)偏心運轉而產(chǎn)生異響，經(jīng)對連接法蘭實施定位銷固定解決了異響問題。電機漏油主要是由于密封件在裝配或儲運過程中有一定程度的損壞，經(jīng)更換密封件后漏油故障消失。

3.4 用戶體驗反饋

對于產(chǎn)品的制造研發(fā)，除了重視內(nèi)部設計、方案優(yōu)化和加強工藝措施外，還應重視用戶的體驗建議。在產(chǎn)品出廠試用階段發(fā)現(xiàn)的設計弊病、零部件疲勞、工藝瑕疵、裝配缺陷等都會影響產(chǎn)品的使用效果，制造單位應積極推進售后跟蹤和服務，及時反饋不良信息，通過產(chǎn)品改進和服務獲取良好的形象。

4 結 語

隨著水電、鐵路、公路等隧道施工市場的開拓，將會產(chǎn)生大量的隧道掘進設備設計、制造需求，制造廠作為最基層的產(chǎn)品制造單元必須以設備開發(fā)為契機，在單位內(nèi)整合技術資源、提高TBM隧道掘進設備的研發(fā)、制造水平，增強單位的核心競爭力，推動單位產(chǎn)業(yè)化轉型升級。

[1] 黃 強，王悅明.非動力轉向架研究與分析[J].鐵道機車車輛，2004，24(4):1-6.

[2] 曹 灝,王存兵,吳國棟,孫寶生.HXD3B型交流傳動機車空氣制動系統(tǒng)[J].電力機車與城軌車輛，2010，33(2)：17-20.

TV554+2;TV53

B

1001-2184(2017)05-0001-03

2017-08-20

李 勇(1974-)，男，吉林永吉人，項目總工程師，工程師，從事水電站機電安裝、金屬結構制造技術與管理工作.

(責任編輯李燕輝)