一种基于砂浆车(罐)搅拌系统优化设计

李胜永

(中铁隧道装备制造有限公司设备分公司，河南新乡 453000)

0 引言

砂浆车(罐)是地铁施工中常用的设备，随着近年来国内城市地铁建设的高速发展，对砂浆车(罐)的需求和要求不断提升，砂浆车(罐)搅拌系统得到了不断完善。搅拌系统中最初采用盘根进行密封，现在，国内外普遍采用O型圈与迷宫式密封相结合［1］的密封结构，如兰州机车厂、中铁科工生产的砂浆车都在使用此种结构形式;而且在土压平衡盾构二次注浆系统中砂浆罐也是采用O型圈与迷宫式密封相结合的模式进行密封，如中铁隧道装备制造有限公司生产的盾构二次注浆系统中的砂浆罐和南京凯宫重工生产的盾构二次注浆系统中的砂浆罐等。此密封结构的使用使密封性能得到了很大提高。李星星等［2］从迷宫式密封入手引入交错齿迷宫密封结构形式，这是一种更新颖的研究方向。然而，由于国内制作工艺条件和现场施工条件的限制，砂浆车(罐)前后轴的漏浆及维护依然是长期困扰用户的严重问题。经过调研中铁七局郑州地铁某项目机车编组砂浆车的使用情况及分析祥康项目北京地铁某项目砂浆车的制作和使用情况，通过结构改善、制作工艺优化等措施，解决砂浆车前后轴总成之间的匹配性、后轴总成后期维护便利性，提出合理的方案解决后轴总成方便拆装及电机选型优化［3］等问题。本文分别从制作工艺和增加密封装置等方面入手，解决砂浆车(罐)的搅拌系统前后轴总成漏浆问题。

1 砂浆车(罐)使用现状及存在的问题

目前在国内外隧道施工中，砂浆车(罐)前后轴总成普遍采用2种不同的结构形式［4］。前轴总成为驱动端，可以由砂浆车(罐)箱体外侧进行装配;后轴总成为从动端，可弥补因制作误差对搅拌轴产生的轴向力。装配过程必须先组装后轴总成并通过工装定位，然后连接搅拌轴，最后才能组装前轴总成，整体连接后调整驱动轴轴线与车箱的垂直度。

上述结构形式无法实现后轴总成在砂浆车(罐)箱体外侧进行拆装，在后轴总成出现问题需要维护时，必须先拆除前轴总成、去掉搅拌轴连接，才能把后轴总成拆解进行维护，这样造成后期维护极其不便利;另外，这种结构形式的砂浆车在国内的项目中普遍存在漏浆的问题。

2 对砂浆车(罐)进行分析并提出方案

结合现行砂浆车(罐)的结构形式分析主要原因在于前后轴同轴度公差偏大问题，单一的依靠工装和人工调整的模式，使前后轴同轴度不太理想，这样就造成密封元件过快被损坏，引起砂浆车漏浆的问题;其次是施工人员维护保养是否到位的问题，现场施工条件存在一定局限性，再加上施工人员的工作积极性不是太高，就不可避免地存在密封腔内维护保养不能按要求进行。针对以上存在的问题，对砂浆车(罐)搅拌系统进行了以下几个方面的优化设计:

1)改进砂浆车车体制作工艺，提高车体前后轴安装孔的同轴度;

2)结合减速电机现场试验情况，对电机选型进行合理优化;

3)对前轴总成进行优化，把原普通平键传递扭矩的方式改为花键结构形式;

4)改进后轴总成结构形式，以满足其在安装后可方便进行拆装工作，利于后期进行设备检修和维护等工作;

5)增加电动油脂泵装置，改善施工现场维护保养的条件。

3 对砂浆车(罐)解决方案的分析

3.1 提高前后轴总成互换性

后轴总成和前轴总成进行调整使其在结构上保持一致性，配件和部分零部件选用相同规格，在满足后轴总成可方便拆卸的同时，使砂浆车(罐)的相关配件和机加工零部件规格种类减少50%，这样可实现前、后轴总成的匹配互换性，在此基础上施工方也可减少备件的数量和种类［5］。关键配件对比见表1和表2。

表2 优化后搅拌系统所需关键配件Table 2 Key parts needed for mixing system after optimization

3.2 单键槽调为花键槽形式

前轴总成中与减速电机相配合的轴由原来的平键槽改为花键槽。采用花键的优点有:1)键齿较多、工作面积大、承载能力较高;2)键均匀分布，各键齿的受力均匀;3)齿槽线、齿根应力集中小，对轴的强度削弱小;4)轴上零件对中性好;5)导向性好。

这样就可实现搅拌系统扭矩传递的平稳性，减缓搅拌系统对前后轴总成的冲击性，使其减少漏浆的几率、延长前后轴总成的维修周期和增加砂浆车(罐)的使用寿命。

3.3 优化电机减速机选型

通过类比其他厂家并经过现场试验证明KAB 107－Y7.5－4P－119.5－M2－180°型号减速电机完全可满足8 m3以下砂浆车(罐)搅拌系统的使用要求，并且此规格减速电机输出转速为12 r/min，较以往有所提高，这样在满足砂浆不存在离心脱水的情况下，有利于排浆，提高了工作效率。以往采用的KA127/T－Y7.5－6P－146.07－M2－270°型号减速电机为非标产品，按需求进行产品定制，造成设备成本居高，经过此次优化后产品为标准型减速电机［6－7］，在降低设备成本的同时为前后轴总成结构优化提供了前提条件。试验及后续的使用均证明优化后减速电机完全可满足使用要求。

3.4 改进制作工艺

通过改进砂浆车(罐)车体的制作工艺来保证前后轴总成的同轴度［8］，从而使因前后轴同轴度误差较大而引起的漏浆问题得到有效解决。在以往的制作中，主要是靠钳工划线、找正、装配调整来实现前后轴总成的同轴度，靠装配保证前后轴总成的同轴度最理想值是70～90丝。以本单位落地镗床为例进行分析:落地镗床的同轴度精度可保证在20丝，前后轴总成连接法兰由原来先加工后焊接的模式调整为先进行法兰和车体的焊接，通过落地镗床对车体前、后安装孔进行焊后加工和镗法兰端面和螺纹底孔;考虑制作中累积误差，制作砂浆车(罐)前后轴总成的同轴度误差也可达到30～40丝;通过提高制作工艺可使前后轴总成同轴度得到很大提高，提高了砂浆车搅拌系统的受力稳定性，延长了设备使用寿命，同时解决了砂浆车(罐)漏浆的主要问题。

3.5 增加电动油脂泵装置

考虑现场工况条件，增加设备电动油脂泵装置，实现对前、后轴总成迷宫式密封部位［9］进行间歇性自动注油，以改善因施工现场和工人的因素而产生的漏浆问题。EG型电动油脂泵是一种外观精致、结构牢固、性能优良、输出压力高的电动柱塞泵。该泵加上若干个分油器可以构建一个集中润滑系统将泵中的润滑油脂输送到各个需要的润滑点。电机、电器元件都采用全密封结构，具有防水、防尘等优点，防护等级为IP65。出油口可配耐震压力表，便于观察润滑系统是否正常工作，及时发现故障，确保设备正常运转。出油口配有安全溢流阀，能很好地保护润滑系统正常使用和设备正常运转。可配置内置式程控器，使机械设备完成全部自动化控制。但是电动油脂泵也需要定期对油脂泵储藏腔内进行加注润滑油脂，这样也在一定程度上改善了维护保养的条件，延长了设备维护周期，降低了施工人员的劳动强度。

3.6 优化经济性

分析此次优化设计的经济性能，此次改进涉及前、后轴总成，减速电机和制作工艺等方面。优化前搅拌系统关键配件成本分析见表3。

表3 优化前搅拌系统关键配件成本分析Table 3 Cost of key parts needed for mixing system before optimization

优化前关键配件采购成本是17 920.5元，而且机加工部件也是规格多样，增加了车间工人的加工和装配难度。优化后搅拌系统关键配件成本分析见表4。

表4 优化后搅拌系统关键配件成本分析Table 4 Cost of key parts needed for mixing system after optimization

优化后关键配件成本是12 060元，而且前后轴部件一致性较好，配件和机加工件具有互换性，这样车间工人制作和装配都比较便利。施工方需要的易损件备件规格和数量得到降低，后期的维护也比较方便，提高了产品的社会经济效益。此次优化设计在工艺制作方面要求有所提高，从而造成部分零部件加工制作费用有所提高，涉及车体前后轴连接法兰(焊后加工)和前轴花键2个方面，结合前后轴总成加工节约，经生产成本综合分析此部分增加费用约1 500元。

综合以上几方面考虑这次优化改进每台砂浆车直接节约成本是2 224.5元，节约成本约占设备总成本的3%。间接经济效益也是非常可观的，比如减少售后维修等费用。

4 结论与讨论

通过对固定法兰焊前加工改为焊后加工和增加润滑装置等优化措施，砂浆车(罐)漏浆情况得到了很好控制，但对设备的要求有一定提高。改进制作工艺的过程要求增加使用落地镗床，即加工成本有所提高，结合通过对电机减速机和关键零部件重新选型，此方案的经济性还是可行的。本文方法仅缓解了漏浆的情况，延长前后轴总成的有效使用时间，并不能从根本上解决漏浆的问题。若要彻底解决前后轴漏浆的问题，建议就密封结构形式［4］方面进行深入的探讨。

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［6］ 李向庆.砂浆运输车:中国，CN102602414A［P］.2012－07－25

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