土压平衡盾构新型螺旋输送机设计

2013-04-03忽慧娟冯欢欢

建筑机械化 2013年4期

忽慧娟，冯欢欢

（1.中铁隧道集团隧道设备制造有限公司，河北三河，065201；2.中铁隧道集团盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001）

1 前言

盾构法因其施工速度快、质量稳定、对环境影响小等特点正越来越多地被用在地铁隧道、公路隧道、水电隧道及市政管道等工程建设中[1]。螺旋输送机是土压平衡盾构的关键功能部件之一。螺旋输送机排出刀盘切削下来的土体，并在其内形成螺旋状连续体的切削土，起到防水作用；通过螺旋输送机控制排土量，进而维持工作面合适土压，可有效防止和尽量减少地面沉降。螺旋输送机的角度、机内碴土性质、排土量等是影响螺旋输送机选型的重要因素[2-3]。

螺旋输送机主要分为直筒式螺旋输送机和伸缩式螺旋输送机。伸缩式螺旋输送机是在直筒式基础上，为方便人员进行现场安装和维修而进行的改进设计。国外仅有德国海瑞克等部分企业能够将伸缩式螺旋输送机成功运用于盾构工程中，由于技术保密性，其设计方法及部分参数没有公开[4-5]。本文则主要针对可伸缩式螺旋输送机的特点进行分析与设计。

2 特点介绍

1）螺旋输送机驱动装置为柔性支撑结构；

2）螺旋输送机驱动装置润滑与密封性能更好；

3）筒体和叶片进行了耐磨处理，提高了其耐磨性；

4）螺旋输送机的双闸门结构形式安全性更高；

5）螺旋输送机可无级调速（0～20r/min）。

3 系统设计

伸缩式螺旋输送机主要由驱动装置、筒体、螺杆、出料口闸门等组成，总体长度为12m，比直筒式螺旋输送机长1.5m，有利于实现伸缩动作。其筒体直径为860mm，最大出土量约416m3/h。同时，为了随时能监控其工作状态，在螺旋输送机的筒体上不同位置安置了土压传感器。

3.1 驱动系统

传统螺旋输送机的螺杆动力驱动端采用滚动轴承进行支承，下端螺杆悬浮在进料槽体内。但在实际工作过程中，由于土压的不稳定性及土体的多变性，使得螺杆受力波动范围大。同时因螺杆为单边支承，其产生的径向分力也会促使驱动箱轴承裂损，进而造成整机使用寿命大大缩短。

本文中的螺旋输送机驱动采用球铰摆动结构的柔性设计方案，当螺旋输送机受到外力时，驱动轴可以摆动一定的角度，保证了螺旋输送机轴承的使用寿命，从而提高了螺旋输送机使用的可靠性。驱动装置由轴向柱塞马达、同轴式齿轮减速器和轴承等组成（图1）。其液压系统采用比例油泵，可实现无级调节。来自高压油泵的液压油驱动液压马达，通过齿轮减速器减速，经过花键轴驱动螺旋轴运转。

图1 驱动装置

3.2 伸缩系统

螺旋输送机总体结构如图2所示，筒体采用分段式设计，伸缩内节（筒2）与伸缩外节（筒3）一起构成伸缩筒体，进而完成螺旋输送机的长度变化（1 000mm），其动作通过左右的两个伸缩油缸实现。筒体两者之间采用两道固定于伸缩外节上的密封衬环支承，采用润滑油脂润滑。油缸一端安装在伸缩内节筒体上，活塞杆铰接于伸缩外节筒体上。为了防止伸缩内外筒之间的转动，在两者之间设置有导向柱。

图2 螺旋输送机总体

为了防止因螺旋输送机自重产生过大弯曲，同时避免与皮带机产生干涉，伸缩导向柱设置在筒体的顶部和底部。导向柱之间通过油缸滑片相对滑动，油缸滑片通过5个螺栓调节间隙和固定（图3），其制造材料采用铜合金QSn6.5-0.1，能起到有效减少摩擦的作用。根据施工要求，为了防止螺旋输送机驱动扭矩对伸缩油缸产生径向力，最终采用口字形导向柱而不采取圆形导向柱。

图3 油缸滑片

3.3 螺杆设计

由于总体长度加长，螺杆外径为219mm，叶片外径为840mm，螺杆叶片节距由常用的700mm，修改为680mm，增加了搅拌有效面积，减缓了泥水的凝固速度，提高了泥土的输出速度。同时为了提高螺旋叶片耐磨性，螺杆进口处3～4个导程范围内采用双层叶片，在其表面进行网格堆焊处理，所用材料为硬质合金堆卡斯特林5003。

为更好适应施工要求，在出料螺杆尾部增加了一节反螺旋叶片（图4），进而保证泥土顺利排出。螺旋输送机的壳体上设有8个碴土改良剂输入口，用来改善土体流动性；同时，设置了3个观察窗，可以实时观测螺杆运转及出土情况，并便于维修。

图4 反螺旋叶片

3.4 前闸门系统

切口环前闸门采用四连杆结构（图5），两道前闸门挡板在油缸作用下，进行有位置极限的转动。设计四连杆结构时，需要保证轴承的密封性及润滑性。根据施工要求，确定前闸门油缸设计参数：缸径D=160mm，杆径d=80mm，行程265mm，压力21MPa。

图5 前闸门系统

3.5 出土闸门系统

螺旋输送机出土方式采用径向出土，以往设计出土口闸门为一道，而本次设计在螺旋输送机出口安装2道滑动闸门，为螺旋输送机出土安全提供了双倍保证。通过调整闸门的开闭来调整螺旋输送机的出土量。为了防止在电气出故障等紧急情况下泥水倒灌入盾构内，设有氮气瓶做紧急关闭闸门的动力源。出土闸门油缸设计参数为：缸径D=80mm，杆径d=45mm，行程700mm，压力21MPa。同时对闸门摩擦力进行验算，见表1。

表1 闸门摩擦力计算

3.6 密封和润滑

当伸缩油缸不工作时，密封作用是防止外部水和灰尘进入，同时防止内部稀泥流出；当其处于工作状态时，润滑显得更为重要。为此，在密封环上设置一道凹槽，里面放置铜轴承、山形密封环和密封挡圈。铜轴承使用锡青铜ZCuSn5Pb5Zn5，可以减小筒体之间的摩擦；为适应盾构工况，山形密封环采用特制密封圈，材料为聚氨酯，可以同时防止内外部泥和水的流通。同时，为了更好保护筒壁，设计出一道纳污槽，它可以使外面的杂物流入筒内时，绝大部分进入纳污槽，进而起到辅助密封作用。