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　　分类号：TH121工程硕士学位论文460kN地下连续墙抓斗液压系统仿真与实验研究教授申请学位级别工程硕士工程领域名称机械工程论文提交日期2012年11月30论文答辩日期2012年12月18学位授予单位长安大学Reserch460kNUndergroundContinuousWallHydraulicGrabHydraulicSystemSimulationDissertationSubmittedMasterCandidate：XuShiweiSupervisor：ProfJiaoShengjieChang’anUniversity,Xi’an,China地下连续墙是在地面以下用于支承建筑物荷载、截水防渗或挡土支护而构筑的连续墙体。液压抓斗属于连续墙施工作业的专用设备，具有施工效率高、成槽深度较深、地层适应性好等特点。但是目前国内使用的连续墙抓斗尤其是大型抓斗大多都是国外进口产品。因此开展国产连续墙抓斗研究，对于提高国产设备的技术水平，降低施工企业成本，具有重要的现实意义。本文结合工程实际，以460kN地下连续墙抓斗为研究对象，结合底盘、机械结构、地面力学、液压传动等理论，对其施工工艺、液压系统设计、底盘的建模与仿真、散热系统等进行了研究，完成的主要工作如下：综述了地下连续墙抓斗国内外的发展趋势，对产品的工作原理、施工工艺、结构进行了详细介绍。对地下连续墙抓斗的典型工况下液压系统回路进行了分析，结合实际产品对液压系统组成元件进行了选型计算与校核，对选型后的整机液压系统进行了热平衡计3以AMESim为工具，建立了包括柴油机、主泵、主阀和执行机构在内的连续墙抓斗底盘液压系统模型，设置了相关系统模型参数，对主机典型工况进行了仿真，仿真数据与物理样机一致。4通过对地下连续墙抓斗样机的试验研究，说明总体设计参数合理，并对散热系统进行了改进，提高了散热能力和液压系统可靠性。关键词：地下连续墙抓斗；液压系统；AMESim仿真；散热系统IIIAbstractUndergroundcontinuouswallwallbelowupperpartbuildingloads,preventingretainingManypartsslocalparametermachineperformancecoupls,quantifyAtpresentdomesticusecontinuouswallgrabespeciallylargegrabmostlyforeignproductTherefore,developedindependentintellectualpropertyrightsproduct,hasimportantpracticalsignificanceimproveefficiencypaper,combiningengineeringpractice,460knundergroundcontinuouswallhydraulicgrabgoal,combinedchassis,mechanicalstructure,groundmechanical,hydraulic,dynamictheory,stadyitsconstructionprocess,hydraulicsystemdesign,simulation,thermalsystemtest,etc,maincontentshydraulicdiaphragmwallgrabhydraulicgrabdevelopmentbothabroad,provideddetailedintroductionproductworkingprinciple,processundergroundcontinuouswallhydraulicgrabtypicalconditioncircuitwereanalyzed,basis,combiningproductsample,hydraulicsystemgroupelementselectioncalculationchecking,finally,hydraulicsystemnecessaryheatbalancecalculationAMESim,establishedsystemmodelwhichincludsdieselengine,mainpump,mainvalvecontinuouswallhydraulicgrabchassishydraulicsystemmodelparameters,cansimulatemaintypicalworkingcondition,simulationdataactualworkingconditionphysicalprototypeUndergroundcontinuouswallexperimentresearch,Explaintotaldesignparametersreasonablecoolingsystemparameters,soIVimproveheatdissipationeffect,hydraulicsystemreliabilityKeywords：hydraulicdiaphragmwallgrabhydraulicgrab；hydraulicsystem；AMESimsimulation；coolingsystem第一章绪论11引言12地下连续墙抓斗发展现状121地下连续墙概念122地下连续墙国内外发展概况123地下连续墙抓斗的国内外发展现状与趋势13本文主要研究内容第二章地下连续墙抓斗液压系统组成及工作原理21地下连续墙抓斗的结构和工作原理22地下连续墙抓斗的施工工艺1123地下连续墙抓斗的液压系统组成和工作原理1324本章小结14第三章460KN地下连续墙抓斗液压系统设计计算与校核1531地下连续墙抓斗的典型工况分析1532460KN地下连续墙抓斗液压系统方案1733460KN地下连续墙抓斗液压系统计算与校核22331地下连续墙抓斗主要技术参数22332液压泵的计算校核23333液压马达选型计算与校核2634热平衡计算3035本章小结32第四章基于AMESIM的460KN地下连续墙抓斗液压系统的建模3341仿线KN地下连续墙抓斗液压子系统建模3543AMESIM中460KN地下连续墙抓斗液压系统模型4444460KN地下连续墙抓斗液压系统仿线第五章地下连续墙抓斗散热系统试验研究 5351 实验目的和意义 53VI 52 实验设备和条件 5353 试验步骤 5554 实验结果与分析 5655 本章小结 58结论与展望 59参考文献 60攻读学位期间取得的研究成果 64长安大学工程硕士学位论文 第一章绪论 11 引言 作为地下连续墙的专用施工设备，因其改变了常用的湿式工法中的泥浆循环，具 有“节能减排、绿色环保”、成墙质量好、施工的效率较高等优点，被越来越多的应 用在车站、铁路、高层建筑等工业工程的施工，在我国的基础建设发挥了重要的促进 作用。但是因其科技含量高，对加工工艺、液压传动、电气控制等技术方面的要求高， 国产化难度较高。据权威资料显示，20 世纪 90 年代前国内市场上的地下连续墙抓斗 完全依赖进口，德国宝峨、美国利勃海尔、意大利土力、日本真砂等国际知名公司的 产品充斥着国内的液压连续墙抓斗市场 [1,2,3] 国内地下连续墙抓斗是在参考国外同类型产品技术的基础上开发设计的，关键元器件及控制系统都依赖于国外配套件的支持，因此技术运用水平及整机性能的提高都 受到国外技术限制，与发达国家的同类产品还有一定的差距，在生产规模和速度上也 制约了国产化的发展。 随着社会的发展及进步，无论是地铁等交通建设还是住房等高层建筑的建设，人 们都把目光转移到了地下。例如，地下厂房、地下车库、地下街，地下变电站、高层 建筑地下室等深基坑工程及围护结构，这些工程的开展及施工都会用到地下连续墙抓 斗。它尤其适用于在城市密集建筑群区域中进行深基坑施工，还可用于防渗墙和构筑 地下深基础施工。同时，大规模水利建设在我国正如火如荼的进行，为地下连续墙抓 斗提供了广阔的市场需求。就现在来看，虽然近几年例如金泰、三一、中联、宇通重 工、徐工、山河智能等公司在地下连续墙抓斗方面也有了较大的进步，但总体来说我 国的同类项目发展还是较为缓慢的，除金泰外，其他主机厂家还未形成较大产量，未 来几年与此有关的项目将处于一个高速发展阶段 12地下连续墙抓斗发展现状 121 地下连续墙概念 （1）地下连续墙概念 第一章 绪论 所谓地下连续墙就是利用一定的专用成槽设备和机具，首先在预定的地面挖掘出一道具有一定深度和长度的槽，把编制好的钢筋笼放入槽内，然后注入混凝土，筑成 一段钢筋混凝土墙，再通过一定的方式把每一段墙逐个连接在一起，从而形成一道连 续的地下墙壁 。地下连续墙在欧美、日本国家的称呼都不一样，称呼叫地下连续壁、泥浆墙、混凝土地下墙、连续地中壁等。 （2）地下连续墙的分类 地下连续墙，不但有从其他国家直接引进技术的名称，又有各自国家施工设计单 位技术开发的名称，还有的以制造厂家的名称来命名。另外，由于还有对地下连续墙 从体系上进行分类，所以仅仅从名称叫法上来判断挖槽方法等内容或特征是很困难的， 以下为目前常用的分类方法。 a、以填筑的材料来划分，地下连续墙可分为：土质墙、混凝土墙、钢筋混凝土墙 和组合墙。其中钢筋混凝土墙又可分为现浇和预制两类，组合墙有预制钢筋混凝土墙 板和现浇混凝土的组合及预制钢筋混凝土墙板自凝水泥膨润土泥浆的组合； b、以成墙方式可分为桩排式、壁板式（槽式）、桩壁组合式三种； c、以挖槽方式可分为抓斗式、回转式和冲击式三类； d、以其用途可分为主体承重墙、防渗墙、挡土墙作用、三合一的地下连续墙。 （3）地下连续墙施工的特点 自地下连续墙施工起始以来，在欧美、日本得到广泛应用，主要因为施工具有如 下优点： a、用作为水坝、矿坝、水闸等防渗结构的地下连续墙，造价比较便宜而且非常安 全。施工振动小，噪音低，在城市居民区施工非常适合； b、墙体的刚度大，在开挖时可承受较大的侧向压力，已经成为开挖工程中必不可 少的挡土结构； c、防渗性能较好因墙体接头的形式和施工方法的改进，地下连续墙几乎不渗水； d、可靠近建筑物进行作业，施工方便、快捷； e、易于逆做法施工。地下连续墙的刚度较大，非常适合进行逆做法施工； f、适应多种地基条件下施工。地下连续墙对地基的适用范围非常广，从较的冲击 地层到较硬砂砾、岩石层，都可进行施工作业； 长安大学工程硕士学位论文 g、可用于刚性施工。由于现在地下连续墙已经不再作为单纯的防渗、防水等坑护墙，因此越来越多的代替了沉箱或沉井基础，从而承受了更大的荷载； h．由于地下连续墙有预制接头桩或专业接头的接缝处，使其防渗性能非常好，基 本无透水问题； j．工作效率高、工期较短、质量非常可靠、经济效益好。除了以上优点外，地下连续 墙还有以下不足： a、在一些特殊的地质条件下如很软的淤泥质土，含漂石的冲积层和超硬石等， 施工难度大； b、若施工方法不当或施工地质条件特殊，可能出现相邻墙段不对齐或漏水问题； c、地下连续墙用作临时的挡土结构，较其它方法成本稍高； d、在城市施工时，废泥浆的处理不便等。 122 地下连续墙国内外发展概况 地下连续墙技术起源于欧洲。二战后，欧洲各国开始战后重建，用于基坑围护的 钢板桩的产量不能满足工程实践的大量需求，另外在某些地质条件下，打混凝土预制 桩、钢桩或钢板桩相当困难，于是地下连续墙的研究受到了重视。1938 年意大利首次 进行了在泥浆护壁的深槽中建造地下连续墙的试验，1950 年意大利ICOS 公司成功地 开发了排桩式地下连续墙的施工方法，使地下连续墙达到工程实用阶段。后来积累经 验，创造出“两孔一抓”法，筑成了整体性好、接缝少、防渗性能较佳的地下连续墙。 此法随后在意大利各地推广，50 年代后期传至法国、日本等国，又推广至英美苏等国， 成为地下工程深基础施工中的有效技术。 1957 年中国水利代表团了意大利地下连续墙技术，1958 年在青岛丹子口水库、北 京密云水库建成了排桩式地下防渗墙 。1963年上海为筹建地铁车站施工，进行槽壁 法地下墙的试验研究（试用地质钻探设备配以抓斗作为挖槽机械），1974 年用普通抓 斗挖槽进行地下连续墙试验。1976 年在唐山大地震后的一项岸壁修复工程中，壁板式 地下连续墙第一次得到应用。1976 年广东省首先将地下连续墙施工技术应用于工业与 民用建筑基础。上海基础工程公司和上海隧道工程公司于1976 年开始比较系统的研究 建筑工程中地下连续墙的施工方法，并于1977 年研制成功导板抓斗和多头钻成槽机， 第一章 绪论 。1984年引进日本制造的液压 抓头成槽机组用于人民广场地下变电站工程的地下墙的成槽。1996 年，我国首次引进 一台BC30 型液压铣槽机用于长江三峡二期工程。2004 年上海轨道交通4 号线修复工 程地下连续墙厚1200mm，地下连续墙深65m。2006 年南水北调穿黄工程地下连续墙 厚150 cm，深766m。到目前为止，全国绝大多数省份都先后应用了此项技术，估计 已建成地下连续墙120 万140 万。地下连续墙已经并且正在代替很多传统的施工方 法，而被用于基础工程的很多方面。 123 地下连续墙抓斗的国内外发展现状与趋势 作为地下连续墙施工中关键的工序，地下连续墙槽段开挖是目前国际上抓斗建造 地下连续墙应用最普遍的成槽施工技术，其中机械钢丝绳式和液压式是最常应用的两 种结构形式的抓斗。抓斗的启闭动力是由钢丝绳或液压油缸提供的，从而进行掘削和 抓取岩土，利用吊起设备或主机将抓斗不断吊起。以下简单介绍一下地下连续墙抓斗 的发展过程。 早期的抓斗主要是以带导向板的索式抓斗为主，它必须与大吨位双卷扬履带式起 重机匹配进行作业。其中履带起重机一个卷扬用于升降抓斗，另一个卷扬用于开合抓 斗。根据机械原理不同，又分为“中心提拉式导板抓斗”和“斗体推压式导板抓斗” 两种 。前者主要应用于软土层，后者比前者具有更高的作业效率和切土力，应用范围较广。索式抓斗在国外研究较多，主要型号有：意大利casagrande 的DH、DL、PAI 系列索式导板抓斗和意大利SOILMEC 的BF 系列索式抓斗 后来，人们经过工程实践，开发研制了一种采用液压方式启闭的“带导板的索式液压抓斗” 。它克服了索式导板斗的缺点，但这种抓斗的升降依然需要利用起重机来 实现，卷扬机钢丝绳与启闭抓斗的高压油管同步收放。由于索式液压抓斗采用液压油 缸压力在250Bar- 280Bar推动斗体切土闭斗，因此闭合力大，挖掘力强，施工效率高， 而且成槽精度有所提高。国外典型产品有：日本真砂（MASACO）的MHL、MEH 列、法国Bachy的KL10 系列 、意大利Casa 的KL 系列、德国Bauer 的DHG 系列索 式液压抓斗 [10,11] 。上述这类抓斗的闭合力一般在110t-180t 之间，挖掘深度一般在50m 左右。由于索式抓斗主要依靠以抓斗自重的作用保持成槽精度，利用钢丝绳收放的机 长安大学工程硕士学位论文 械作用闭合抓斗，所以成槽精度受抓斗重量、土质坚硬程度、起重机性能和操作者水平的影响。 为了克服索式液压抓斗施工精度和导向性差等固有弱点，人们开发研制了带导向 作用的液压抓斗 [12] 从原理上说，导杆式液压抓斗相比传统索式液压抓斗增加了一套导向装置。作业时，升降、回转卸土、移位均依靠履带底盘进行，它利用液压油缸的作用力切土，最 大作用力为液压抓斗的自重。斗体的升降依然依靠卷扬机，抓斗的开合依靠液压油缸， 而导向系统在垂直方向上保证斗体在挖掘过程中处于悬垂位置，从而确保地下连续墙 的垂直度。 根据导向系统的差异，液压抓斗有三种型式：全导杆式、半导体式和无导杆式 [13] 全导杆式的液压抓斗装于导杆的下端，依靠导杆的导向，保证液压抓斗开槽的垂直精度。槽孔偏斜时，依靠履带底盘调整导杆的垂直度来纠正，挖槽的深度由伸缩导杆的 长度来决定。意大利的卡沙特兰地公司生产全导杆式液压抓斗。半导杆式液压抓斗的 导杆分上下两节，上导杆与履带底盘的臂架铰接，下导杆与液压抓斗连接。挖掘开始 阶段，下导杆在上导杆内导向，依靠这种导向，保证连续墙槽孔开始阶段的垂直精度。 随着槽孔开挖的加深，下导杆和上导杆脱开，依靠液压抓斗本身的导向板来导向 [14] 液压抓斗提升到一定高度，下导杆仍进入上导杆内。每挖掘二、三次，上导杆可带动液压抓斗绕履带底盘臂架顶端垂直中心线，用这种方法可以纠正液压抓斗挖 掘时的偏斜问题。半导杆式液压抓斗的挖掘深度主要由液压油缸的液压软管长度来决 定。意大利土力公司和我国抚顺挖掘机厂均生产半导杆式液压抓斗。 悬挂式液压抓斗不用导杆，完全用钢丝绳悬挂。液压抓斗本身高度较大，使导向 板尺寸可以加大。这种液压抓斗有X、Y 两个方向的测斜装置，并可在司机室内显示。 它还装有纠偏装置，根据槽孔的偏斜情况，不断纠正液压抓斗的挖掘方向。施工实践 表明，在这三种型式的液压抓斗中，悬挂式液压抓斗由于有测斜和纠偏装置，开槽效 果最好，垂直精度最高，结构也最简单。北京西单一个工地，地下连续墙工程开头用 半导杆式液压抓斗开槽，后因偏斜过大被迫停工。后来用悬挂式液压抓斗来挖槽纠正， 工程才顺利进行下去。国外，德国利勃海尔公司HS855HD，宝峨公司GB 系列悬挂式 液压抓斗 [15] 。从2005 年开始，由于上海金泰自主设计开发的SG 系列液压连续墙抓斗， 第一章 绪论 其中包括了SG22、SG30、SG35、S G35A、S G40、S G40A、S G40E、S G46、SG50、 SG60 等系列产品，并已形成了国产化、标准化生产，从而将国外品牌对国内液压连 续墙抓斗市场的长期垄断打破，并且填补了国内工程机械领域的一项科研空白 [16] 年国产液压抓斗有了较快发展，2009年上海金泰、徐工、南车、三一、上海工程等国 内液压抓斗的销量在80 台左右。 近几年来，随着国内地下连续墙工艺和施工技术的快速发展和国外先进技术的引 进，国产连续墙抓斗技术得到了长足进步。 （1）研发具有升降速度快、闭斗力大、挖槽能力强、施工效率高、施工深度大、 成墙厚度大、成墙精度高（自动纠偏装置）等特点的连续墙抓斗； （2）国产液压抓斗的整体的液压系统与配置与世界先进水平液压抓斗相比还有一 定差距。国外的液压系统采用恒功率系统，或负荷传感系统，配置合理，技术成熟。 液压元件也采用了国际先进成熟的产品； （3）双卷扬同步控制对整机的性能起着决定性影响,也成了双卷扬连续墙液压抓 斗的核心控制。在卷管方面,采用卷管自动控制系统，解决了卷管速度与泵的流量相匹 配的问题； （4）国产的液压抓斗，借鉴国外一些先进生产厂家的技术，也在走智能化的路线， 有的装有全电脑操作系统，操作手可以对抓斗深度、成槽垂直度、触底保护，适时抓 斗自动扶正系统等进行实时检测。 13 本文主要研究内容 （1）详细介绍了地下连续墙抓斗液压系统工作原理、主要回路进行分析和设计选 型，并进行了必要的热平衡计算。 （2）以AMEsim为平台，通过对地下连续墙抓斗底盘系统的分析，基于键合图理论， 使用AMESim为仿真工具，建立了包括柴油机、主泵、主阀和执行机构在内的连续墙抓 斗底盘液压系统模型。 （3）设计并完成连续墙抓斗整机的散热试验，对比计算、仿真以及实验所得结果， 提出460kN地下连续墙抓斗液压系统的改进方案。 长安大学工程硕士学位论文 第二章地下连续墙抓斗液压系统组成及工作原理 为了深入研究地下连续墙抓斗的液压系统，首先要了解地下连续墙抓斗的工作原 理，分析地下连续墙抓斗的工作循环流程及其作业要求，明确液压抓斗的控制要求和 液压系统的基本原理。 21 地下连续墙抓斗的结构和工作原理 （1）地下连续墙抓斗的工作原理 地下连续墙抓斗主要由底盘、臂架总成、滑轮架总成、卷扬总成、抓斗体、液压 系统、电气系统等部件组成。该机主要分为上车成槽作业和下车移动行驶两部分。下 车行驶工作时，发动机驱动双联主泵提供压力油，经中心回转体输送到行走马达，再 经行走减速机带动驱动轮旋转，实现底盘的行走，转向及制动等功能。通过控制底盘 的伸缩油缸，用以改变履带中心距。成槽作业时，发动机驱动油泵供油，首先调整变 幅油缸，使抓斗对准成槽位置。然后下放抓斗至槽底，并使钢丝绳处于绷紧状态，通 过卷盘马达供油给主推油缸，实现抓斗斗瓣的闭合，然后提升卷扬，当抓斗提升至地 面后，转台回转至地面的倒土位置，主推油缸缩回，斗瓣张开，实现倒土作业。成槽 深度则由电气数码显示。当抓挖至要求深度后即可停止作业。在成槽过程中，成槽曲 线实时记录下来，通过驾驶室里的显示器显示，操作人员可实时观察，若成槽方向偏 了，可通过纠偏油缸调节，从而提高成槽质量。 （2）地下连续墙抓斗结构 地下连续墙抓斗的主要组成部件有：底盘、变幅卷扬、主卷扬、胶管卷盘、抓斗、 顶部滑轮组、抓斗、电缆卷扬等，采用液压和电气控制，将动力系统和液压系统进行 合理匹配，从而使整机的工作效率发挥到最大。其主要结构组成见图 21 所示，详细 介绍如下。 1、底盘 目前液压抓斗分为挖掘机底盘、履带吊底盘和专用底盘，虽结构有区别，但一般 均由发动机、行走驱动、H 梁、回转驱动、车架平台等组成。履带在工作时可展宽， 以提高了整机工作的稳定性，在运输时履带可收回，减小整机宽度，以适应公路交通 第二章 地下连续墙抓斗液压系统组成及工作原理 法规的要求。行走装置，主要是满足设备在施工、场地转移时的移动和回转需要采用，具有质量高、强度大、稳定性强的特点，为设备的稳定性提供了坚实的基础。 电缆卷扬图21 地下连续墙液压抓斗简图 2、主卷扬 目前，常用的有单卷扬和双卷扬。主卷扬由液压马达、减速机、卷筒、卷扬支架、 压绳器、钢丝绳等组成，如图22 所示。卷扬的功能是提升或下放抓斗，其提升和下放 抓斗的工作由液压系统实现。抓斗的提升和下放均设有安全保护装置，当提升高度超 过限定位置即过卷时，限位开关切断卷扬的先导控制油路，提升方向主油路被切断， 长安大学工程硕士学位论文 停止上升并制动。系统中设置有急停开关，一旦在运行中发生故障，急停开关可将先导供油油路切断，从而使所有执行机构停止工作，与此同时信号指示灯发出故障警示 信号。设置有触底保护功能，当抓斗下放到槽底，同时钢丝绳的拉力降低到一定值时， 主卷扬机下放停止，从而有利于保证成槽的垂直精度。 主卷扬的单绳拉力必须足够大，一般均在12t 以上。抓斗的升降均依靠履带底盘 卷扬机的钢绳来完成。为了提高工作效率，抓斗升降用的钢绳要有较大的线速度，所 以钢绳道数不能很多。抓斗的重量都很大，有的甚至高达20 余吨。卷扬机钢绳的拉力 必须与之相适应。 胶管卷盘装置主要由减速机、马达、连接座、胶管卷盘、防脱盘等部分组成。其主要功能是向抓斗主油缸输送动力油，从而实现抓斗的开启和闭合。连接座通过臂架 与螺栓连接，连接架的两端又连接两个卷盘减速机，减速机分别通过两个胶管卷盘马 达带动卷盘转动，实现胶管的提升和下放，以便向抓斗体的主推油缸供油，实现抓斗 斗体的开启和闭合，同时保证了左右卷盘的同步运动。左右卷盘胶管在任意时刻都同 斗体保持同步升降，为此设计了卷盘随动液压系统，通过液压马达给胶管卷盘以向上 的恒定转矩，使胶管一直处于拉紧的状态，并且拉力不足以损坏胶管，避免影响软管 的寿命。液压抓斗需要快速开合，以提高生产效率，所以软管中的油液流量要求很大， 图22卷扬结构图 第二章 地下连续墙抓斗液压系统组成及工作原理 10 软管很粗。同时为了防止软管过分弯曲，卷盘卷筒直径做得也很大。 4、电缆卷筒 电缆卷筒是为为抓斗测斜装置和纠偏装置提供控制电源和信号传输，需要与抓斗 同步上升与下落。其主要由液压驱动卷筒、电滑环和电缆组成，可将抓斗的工作状态 参数传入上车控制系统和上车屏幕显示系统，同时把上车控制信号传送到工作装置抓 斗，从而控制抓斗的动作次序与工作状态。电缆卷筒采用国外进口设备，性能稳定可 靠，提高了整机的使用寿命。 5、变幅卷扬 变幅卷扬由马达、减速机、机架等组成，实现臂架的起升和下放，增强了臂架变 幅和主机工作时的稳定性。 臂架采用履带吊式桁架结构或箱型结构，下端与回转平台通过销轴相连，上端和顶部滑轮组连接。在抓斗运输时，需要卸下连接轴，使上下臂架分离。上臂与抓斗一 体，下臂与底盘一体，两部分分开运输，大大减少了运输时的长度和重量，从而大大 减速机图23 胶管卷盘示意图 长安大学工程硕士学位论文 11 降低了运输成本。臂架是连接工作装置的关键部件，也是保证整机安全的重要部件。 目前，市场上连续墙抓斗的臂架结构形式主要有两种，一种是桁架式结构，这种形式 具有结构简单，重量轻，成本低优点，但稳定性相对较差；另一种是箱型结构，其强 度高，稳定性好，但其重量大。为考虑整机的质量性能与安全因素，一般设计采用箱 型结构。主机工作时，臂架与地面一般保持75 度左右。 7、额头滑轮组 额头滑轮组上部装有钢丝绳导向滑轮组、电缆导向滑轮组和液压胶管导轮组，滑 轮组上均装有防脱装置，以保证工作的安全、可靠。一般在卷扬和卷盘导轮下端装有 提升高度限位器，以防止抓斗和卷管的过度提升；钢丝绳固定端单独装有防旋转提引 器，从而确保钢丝绳不缠绕、不扭转；在顶部滑轮上部连接销轴中装有电子传感器， 自动测量绳的拉力，避免工作时卷扬机钢丝绳的过松，提高钢丝绳寿命。 8、抓斗 抓斗主要由抓斗外体、抓斗内体、开合斗油缸、推杆、抓斗等部件组成，垂直安 装于抓斗斗体内的液压油缸可提供很大的闭斗力，开合斗时间仅为5-10s，保证了抓斗 的施工效率。抓斗内体密封箱内装有倾角传感器，上车显示器上显示倾角超出设定允 许值时，可以操纵纠偏装置进行强制纠正。同时还根据施工工地的实际工作情况增加 了抓斗斗体的回转功能。当抓斗与导槽不平行时，只需要左右转动抓斗，不用移动机 器，大大缩短了设备工作的辅助对槽时间，在拐角处和弧形墙施工极为方便 [22] 抓斗斗两侧板与前刃板通常采用高强度耐磨钢板，侧板斗刃采用堆焊耐磨焊条以增加抓斗抗磨性。铲斗侧板和斗耳、连杆轴耳周边全部堆焊耐磨焊条。抓斗内部还装 有刮泥板，该机构在抓斗闭合抓土时，可随斗内土量的增加自动抬起，不影响斗容空 间。当斗瓣张开卸土时，刮泥机构一次可将斗内95%的土刮掉。 22 地下连续墙抓斗的施工工艺 连续墙施工有多种施工工艺和相应配套施工设备，其中以抓斗施工连续墙工艺应 用最为广泛，其施工工艺流程包括施工前的准备、修筑导墙、制备泥浆、成槽及墙体 成型等 [17,18,19] 。常见施工工艺过程见图23 所示。 （1）施工前的准备。在进行地下连续墙施工之前，需要做的准备工作主要有测量 第二章 地下连续墙抓斗液压系统组成及工作原理 12 放线和场地准备。测量放线是墙体施工和主体施工定线和测量的依据和基础；场地准 备的主要工作有钢筋加工场地、混凝土搅拌场地的布置以及造浆设施的搭建等。 图24 连续墙施工工艺过程 （2）修建导墙。导墙也称为导槽，在地下连续墙施工中，是一个非常重要的临时 构筑物，也是地下连续墙施工的第一步。它是用钢、木、混凝土等建筑材料修建的两 道平行墙体，埋深约为 15m，通常设计成“T”型。导墙的施工内容主要有垫层、立 墙、面层。一旦导墙体砌筑完工后，应及时进行墙外回填夯实，然后进行面层施工。 导墙对挖槽的作用重大，为了在成槽过程中液压抓斗准确地落入槽内，需在连续墙两 侧设置导墙 [20] 。导墙不仅起着导向的作用，它又可作为挡土墙和施工测量的基准以及 储存泥浆等作用。而且还可以防止地下连续墙修筑过程槽段顶部的土体发生塌落。 在测量放样的位置开挖相应宽度和形式导墙，根据导墙的形式浇注一定配筋率的 混凝土，导墙拆模后立即回填素土并夯实，以防止导墙变形不稳定。 （3）配制护壁泥浆。在地下连续墙挖槽过程中，泥浆的作用主要有护壁、携渣、 机具降温和切土滑润，其中护壁的作用最为重要 [21] 。能否正确使用泥浆，决定着挖槽 的成败。在挖槽前，必须按事先已经试验验证的材料配合比制备泥浆。制备泥浆的体 积是槽段体积的10~20 倍，并需要在使用前静置24 小时左右 [22] 。目前，我国工程实 长安大学工程硕士学位论文 13 践中使用最多的泥浆是膨润土泥浆。 （4）槽段开挖。导墙修筑完毕后，就要进行槽段的开挖。槽段开挖的工期较长， 一般都在总工期的一半以上，而且挖槽精度对墙体施工精度起着决定作用，所以挖槽 无论对施工进度还是施工质量都是十分关键的工序。在挖槽前，首先要确定槽段的长 度。在具体施工中，影响槽段长度确定的客观因素主要有：地基土质、施工现场周边 的环境、起重机械、混凝土供应能力、场地大小以及能够连续作业的时间等。另外， 地下连续墙的几何形状、尺寸大小、构造及使用目的等也影响槽段长度的确定。在槽 段长度确定之后，就可以进行挖槽的施工，该项工作通常由成槽机械来完成。常见的 成槽机械是履带式吊机 [23] 。槽段开挖结束后，要对槽位、槽深、槽宽及槽壁垂直度等 进行检查，并及时清理槽底。 （5）制作并放置钢筋笼。根据设计施工要求制作一定配筋量的钢筋笼，用吊车将 钢筋笼放置到槽段中。钢筋笼的制作是钢筋混凝土连续墙的成型的一个重要环节 [24,25] 开始制作钢筋笼时，在密集的钢筋中提前预留出导管的位置，有利于浇筑水下混凝土时导管的插入。放置钢筋笼时，必须首先校对钢筋笼的方位。同时必须避免注意避免 钢筋笼产生横向运动，以免造成槽壁坍塌。钢筋笼就位后，还要检查钢筋笼顶端高度 对设计要求是否符合。 （6）浇灌混凝土。要在钢筋笼吊放完毕后及时浇注混凝土，浇筑过程中要严格控 制浇注速度，以保证混凝土浇注质量。地下连续墙槽段的浇筑过程具有水下混凝土浇 筑的施工特点，混凝土强度等级一般不应低于C20 [26] 。混凝土的级配不仅要满足结构 强度，还要满足在水下浇筑的要求。地下连续墙体除了采用现浇外，还可采用预制连 续墙体。无论采取哪种方法和材料形成的墙体，其接头防水处理对施工质量至关重要， 因为地下连续墙槽段接头处是最易渗漏的部位 [27,28] ，所以在墙体成型后要做好接头处 23地下连续墙抓斗的液压系统组成和工作原理 地下连续墙抓斗是以液压油为工作介质、利用液压泵将发动机的机械能转变为液 压能并进行传送，然后通过液压缸和液压马达等执行元件将液压能转变为机械能，进 而实现地下连续墙抓斗的各种动作。整机液压系统按动力源可将液压系统分为主泵系 第二章 地下连续墙抓斗液压系统组成及工作原理 14 统、回转泵系统、辅助系统。其中辅助系统分为胶管卷盘系统、电缆卷盘系统、先导 控制系统和冷却系统。其液压系统工作原理见图25 所示。 24 本章小结 本章详细介绍了地下连续墙液压抓斗的工作原理和抓斗各个组成部分，阐述了地 下连续墙液压抓斗的施工工艺，分析连续墙工法对主机功能和性能需求，明确了液压 抓斗的控制要求和液压系统的基本原理。 图25 地下连续墙抓斗液压系统工作原理简图 长安大学工程硕士学位论文 15 第三章 460kN 地下连续墙抓斗液压系统设计计算与校核 抓斗的液压系统就是由能源装置各种液压泵、执行装置液压缸和液压马达、控 制调节装置各种控制流体流量和方向的液压阀、辅助装置油箱、过滤器、蓄能器等、 传动介质液压油等通过液压管路按照一定方式组合而成，以液压油液作为媒介将发 动机的机械能转化为易于传递的液压能来实现各种动作。 与机械传动和电力传动相比，液压传动具有如下显著特点 [29,30,31] 元件基本上已经实现了系列化、通用化和标准化，能够提高功效，降低成本。为使设计出的液压系统和控制系统能够满足实际工程的技术性能和经济指标的要 求，应研究分析抓斗的工作过程及工况要求。 31 地下连续墙抓斗的典型工况分析 地下连续墙抓斗的主要运动包括以下动作：卷扬升降、抓斗开合、上车回转、整 机行走以及其他辅助动作等。其中，除辅助动作（如变幅升降）不需要全功率驱动外， 其他都是抓斗的主要动作，基本是全功率驱动。 液压抓斗典型作业流程如下： （3）合斗提升（4）正回转至卸土处 （5）开斗卸料 （6）反回转至槽位 第三章 460kN 地下连续墙抓斗液压系统设计计算与校核 16 由于地下连续墙抓斗的作业对象和工作条件变化较大，主机作业有两项特殊要求： a、实现作业动作时，阻力和作业速度随时变化，因此，要求液压缸和液压马达的 压力和流量也能相应变化； b、为提高工作效率和满足成槽作业精度要求，作业过程中要求两个主要动作进行 复合动作。 地下连续墙抓斗完整作业循环的典型工况主要包括： 1、抓土工况 根据连续墙施工工艺要求连续墙的顺利开槽，首先要求保证成槽的垂直度、同时 需要保证泥浆护壁不会遭到倾斜抓斗破坏，通常以主卷扬升降配合抓斗开合动作进行 挖掘来实现 [32] 。同时根据地质情况，通过两个动作的复合，控制单次挖掘深度和挖掘 量。此工况为抓斗最恶劣工况，全功率，且负载多变，动作反复变化，形成突变载荷。 2、满斗提升回转工况 挖掘结束，主卷扬马达首先将抓斗提升至槽口，后提高作业效率和动作平顺性， 满斗提升，同时回转马达使上车转向卸土处，此时主要是主卷和回转复合动作。满斗 抬升和回转马达同时动作时，要求二者在速度上匹配，即回转到指定卸载位置时，主 卷扬提升到合适的卸载高度。同时，由于卸载所需的回转角度不同，随液压抓斗相对 卸载的位置而变，因此主卷提升速度和回转马达的回转速度的相对关系应该是可调整 3、卸载工况转到卸土点时，转上车平台制动，用卷扬调节离地高度，然后抓斗油缸收回，抓 斗卸载。为了调整调整卸载高度，存在主卷扬和抓斗开合的复合动作。 空斗返回工况卸载结束，转台反向回转，主卷扬和回转动作配合，反向回转的同时，降主卷扬 到合适高度，将抓斗准确放入导槽，进行卷扬下放，二次挖掘。 整机移动工况将整机移动至合适的工作位置。挖掘机一般不作长距离行走，只在工地范围行走， 作业时用来调整整机位置。基本要求：左右履带可独立操纵，可调速，具有直线行走 功能，具有一定的行走速度（2-5kmh）和爬坡能力35 度左右，具有制动能力，直线 长安大学工程硕士学位论文 17 行驶能力，能够原地转弯，以适应狭小的工地。 姿态调整和保持工况以满足运输、工作、检修等要求。 其他辅助工况满足工作就位，工作准备等作业要求 卷扬升降工况正常卷扬升降工况：要求胶管卷盘随动系统与卷扬升降保持同步，通过胶管将高 压300bar液压能传递给抓斗斗体，以完成抓斗抓斗的开启和关闭动作。自由落钩工况： 施工中遇到中硬或砂砾地层时靠斗体自重难以抓取土方，此时当斗体下降到距槽底一 定高度时使卷筒与减速机脱离，从而使斗体在重力作用下实现自由落体运动，所有重 力势能转化成动能对地层进行冲击 [33] 纠偏工况在连续墙发生倾斜时，需要通过抓斗纠偏系统对抓斗进行纠偏，同时需要主卷扬 配合动作。 32 460kN 地下连续墙抓斗液压系统方案 比较国内外同类型地下连续墙抓斗液压系统，并结合施工工况的基本要求，本机 采用了力源A8VO 双泵双阀液压系统，本系统是普通液控比例节流开式系统，由两个 交叉恒功率控制叠加正控制的变量液压柱塞泵、液控比例多路控制阀、先导供油装置、 先导控制单元、变幅回路、抓斗回路、卷扬回路、回转回路、行走回路、胶管电缆恒 张力回路和液压管路等组成。液压泵采用交叉恒功率叠加正控制的力源A8VO140，可 靠性高；多路阀采用串并联结构的海德（HC）D20 系列，性价比高，性能可靠；回转 机构采用国产减速机和国产马达A2F80；行走机构采用国产减速机JSX80 和国产马达 A2FE107，平衡阀采用SUN 插装阀集成缓冲和制动解除油路，结构紧凑，安全可靠； 主卷扬采用国产减速机JYJ455 和国产马达A2F180，减速机具有自由落钩，冲抓功能， 额定工作压差275Bar，最大提升力135kN，提升速度为35mMin；抓斗主油缸采用单 杆式活塞缸，提供600kN 推力。此系统结构简单，元件价格低廉，性能可靠，实践证