南水北調工程中段用大跨度開溝機設計

2014-04-28 09:15:26耿淼蕊吳家琦王衛楠

水利建設與管理 2014年5期

關鍵詞：設計

耿淼蕊，吳家琦，王衛楠

(1.鄭州大學，鄭州 450000;2.河南理工大學萬方科技學院，鄭州 451400;3.華北水利水電學院，鄭州 450008)

1 引言

開溝機是工程機械的主要機種之一，是一種用于土方施工中的開溝機械，被廣泛應用于農田水利建設、通訊電纜及石油管線的鋪設、市政施工以及軍事工程等。而對于南水北調工程大跨度施工，目前尚沒有成型的開溝施工機械。靠人工開挖，一方面效率低，另一方面精度差，嚴重束縛了工程進度和資金投入。因此，研制一種適合該工程的開溝機械迫在眉睫。

在河南省新鄭段的南水北調施工中，坡跨度為23m，要求傾斜角為30°。工程長度為2km。需要對實際地質工況進行勘察，然后進行削坡和開槽。

樁號SH(3)164+500～SH(3)165+080為黏砂多層結構，以挖方為主，局部為半挖半填，挖方深度一般為9～10.5m。渠底板主要位于中壤土中，渠坡主要由細砂、重砂壤土和中壤土構成。重砂壤土、細砂土質不均，具弱～中等透水性。

2 總體方案設計

根據南水北調工程中段地質條件和具體的施工條件，對開溝機采用大跨度桁架式結構，其結構方案如圖1所示。開溝機由桁架、執行機構、行走機構和操縱機構四部分組成。

圖1 總體方案設計

桁架機構上有導軌，是整個機械的運行導向機構，在其強度允許的范圍內采用格構件。這樣可減輕自身重量，同時可作為其他專用機械的導向機構，達到一材多用的效果。執行機構為開溝主要部件，由電機、刀頭、液壓缸等零件構成。液壓缸控制刀頭伸出長度，從而決定開槽深度。其中，刀頭是執行機構的核心部件，也是整個機械設備的關鍵部件，材料采用強度比較大的合金鋼，制作成圓形帶有多個刀頭的結構，由刀頭阻力公式求出其受力，并以此為依據校核軸和選擇電機。走行機構是整個機械移動的動力裝置，它的設計可借鑒起重機的走行機構，由電機驅動。

3 執行機構設計

執行機構是開溝機中的主要機構，由導向板、液壓支柱、電機、刀頭等構成(見圖2)。電機功率大小取決于所挖土層性質。電機與刀頭所連接的軸在本機構中承受著傳遞轉矩的作用，其抗剪強度應滿足設計要求。

圖2 執行機構組成

3.1 刀盤扭矩的計算

開槽機刀盤扭矩是由刀具的切削阻力矩、面板及刀盤外周與地層的摩擦阻力矩兩部分組成。

3.1.1 刀盤刀具的切削阻力矩

式中 Hα——一把切削刃所產生的阻力矩 Hα=2.1B0t210(－0.22θ);

nt——主刀具數量;

RK——主刀具平均安裝半徑(m);

es——切削阻力系數，松弛干燥砂為0.008～0.01，松弛濕潤砂為0.01～0.02，密實濕潤砂為0.02～0.04，黏土為0.4～1.2;

B0——切削刀刃寬度，cm;

t——切深，cm;

θ——切削刀刃的前角，rad。

3.1.2 刀盤面板與地層間的摩擦阻力矩

式中 c——松弛土的黏著力，Pa;

ε——刀盤開口率;

rc——刀盤半徑，m。

3.1.3 開槽機刀盤扭矩

對于刀具參數，為圖3所示的刀具，則有刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩:

刀盤側面與土體之間的摩擦阻力扭矩:

刀盤扭矩:

圖3 刀頭結構設計

3.2 執行機構中軸的設計

執行中軸受到彎扭組合作用，在彎扭組合作用下，其直徑滿足

載荷平穩時，σp=σ－1p

式中 d——執行中軸直徑;

m——軸在計算截面所受彎矩(N·m);

T——軸在計算截面所受扭矩(N·m);

σp——許用應力;

σ－1p——對稱循環許用應力;

ψ——單向旋轉校正系數，ψ=0.65或0.7。

選擇40cr調質材料的實心軸，由文獻［5］知 σ－1p=194～233MPa，得到 d=19.39mm，取整后d=20mm。

3.3 執行軸的有限元分析

執行軸為執行機構中的主要部件，其強度直接決定整個機械的使用壽命和工作效率。有必要用有限元分析軟件ansys對執行中軸進行強度校核。其網格和應力應變如圖4和圖5所示。

圖4 執行中軸網格

圖5 有限元分析結果

從圖5可以看出，最大應力為30.3MPa，遠小于屈服強度241MPa，軸強度滿足要求。最大應變發生在刀頭段，達到35mm，精度滿足使用要求。

3.4 電動機容量的選擇

電動機的容量用額度功率來表示，其大小主要由運行的發熱條件、工作容量來確定，必要時還需校核啟動能力。對于載荷比較穩定、長期運行的機器，首先估計傳動系統的總效率η，再根據工作機特征計算工作機所需電動機功率，最后選定電動機額定功率Pm，且使電動機額度功率Pm不小于工作機所需電動機功率Pr。由于負載是穩定的，無需進行過載能力的校核。

工作機所需電動機功率

式中 Pr——工作機所需電動機功率，kW;

Pw——工作機所需有效功率，kW;

F，T——工作機的阻力或阻力矩，N或N·m;

V，nw——工作機的線速度或轉速，m/s 或r/min;

η——傳動系統總效率。

由式(4)得

5選擇電機型號為Y220L2-6。

4 桁架機構設計

桁架機構是一個由三節8m桁架螺栓連接而成的一個裝配體，它是整個機械的導向機構，上部有軌道。桁架的縱橫梁及支撐都是用冷彎空心型鋼方鋼組成，即F100×100×5(見圖6)。

圖6 桁架機構

該機構受力情況簡單，除自重外，只承受執行機構重量。刀具在桁架中點時，對桁架進行強度校核，其中桁架的慣性矩和重量成為計算的關鍵點。

4.1 桁架慣性矩計算

在傳統的金屬鋼結構設計教材和設計規范中對格構件通常采用折算長細比法來驗算構件的整體穩定性(見圖7)。對綴條式雙肢軸心受壓桿，折算長細比公式為

式中 λ——結構件對虛軸的長細比;

A——橫截面所截各弦桿面積之和;

A1——橫截面所截各綴條面積之和。

圖7 不計腹桿影響時各弦桿截面

對綴條式四肢軸心受壓桿件，折算長細比為

式中 λ、A意義同式(5);

A1——結構件截面所截垂直于所計算的失穩平面內各綴條面積之和。

為方便比較，將折算長細比λh折算成與原構件長度相同的折算慣性矩Ih

對應式(5)的雙肢綴條式壓桿之折算慣性矩為

對應式(6)的四肢綴條式壓桿之折算慣性矩為

式中I為結構件橫截面不計腹桿影響時由各弦桿截面產生的構件截面慣性矩。

4.2 桁架受力情況分析

桁架除了承受本身自重外(均布載荷形式)，還承受執行結構的重量(集中載荷形式)。由于單個計算結構的重量誤差比較大，為了精確分析，對桁架機構和執行機構用三維虛擬設計軟件UG進行建模，并求出桁架機構和執行機構的重量，如圖8所示:桁架自重約11t，執行機構自重約0.58t。

圖8 桁架和執行機構質量求解

由于桁架工作時坡度為1∶3，故梁的應力主要由彎曲產生，軸向拉伸壓縮應力很小，分析時忽略不計。另外，在分析彎曲應力時，只考慮各力垂直桁架的分量。設備實際工作時，均布載荷大小和方向都是不變的，集中載荷作用點位置不斷發生改變，大小并不變化，因此桁架機構受力如圖9所示。由于執行機構位于桁架機構中點時，桁架受力為危險工況，以此工況進行計算。已知均布力q0=11×103×10/24=4583N/m，集中力F3=0.58×103×10=5800N。