南水北調(diào)工程中線鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

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(1. 鄭州大學(xué)， 鄭州 450000； 2. 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院， 鄭州 451400；3. 華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 鄭州 450008)

南水北調(diào)工程中線鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

耿淼蕊1，吳家琦2，張祚昊3

(1. 鄭州大學(xué)， 鄭州 450000； 2. 河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院， 鄭州 451400；3. 華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 鄭州 450008)

本文介紹了因南水北調(diào)中段工程需要而設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)工作裝置，對(duì)其工作裝置的設(shè)計(jì)理論及具體設(shè)計(jì)進(jìn)行具體說(shuō)明，并列舉了其工作參數(shù)。該工作裝置與現(xiàn)有混凝土襯砌機(jī)的桁架、行走裝置和驅(qū)動(dòng)結(jié)合使用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、投資小、生產(chǎn)效率高。

南水北調(diào)工程； 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)； 工作裝置； 設(shè)計(jì)

南水北調(diào)工程對(duì)我國(guó)的戰(zhàn)略發(fā)展具有極其重要的意義。南水北調(diào)中線工程鄭州新鄭段渠道為梯形斷面，渠底寬度有15m、16m、16.5m、17.5m、18.5m、20m、21m七種，內(nèi)坡比為1∶3左右，渠坡主要為黏性土均一結(jié)構(gòu)，由重砂壤土和黃土狀輕、中壤土構(gòu)成。施工內(nèi)容包括：土渠床整理施工、排水暗管系統(tǒng)施工、砂礫料墊層施工、聚苯乙烯保溫板施工、復(fù)合土工膜施工、混凝土施工、伸縮縫施工等。由于工期短，為了提高效率，工程中需要使用開(kāi)溝工藝，為此研制了相應(yīng)的開(kāi)溝機(jī)。

開(kāi)溝機(jī)具體功能要求為:能夠在邊坡系數(shù)為1∶3的坡面上施工，開(kāi)溝尺寸能夠達(dá)到400mm×600mm，工作效率能夠達(dá)到100m/h，能夠?qū)崿F(xiàn)排土功能。

1 工作原理及方案設(shè)計(jì)

由于鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)單、組裝方便，工作效率突出，開(kāi)溝質(zhì)量好，得到了廣泛應(yīng)用。鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)由四大部分組成：工作裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架、牽引設(shè)備。結(jié)合工程施工背景，利用施工中已有設(shè)備混凝土襯砌機(jī)的機(jī)架、動(dòng)力裝置及行走裝置，該設(shè)計(jì)僅開(kāi)發(fā)工作裝置即可。

工作裝置由鏈刀組合、支撐梁、懸臂架、主動(dòng)軸組合、排土器組合和從動(dòng)軸組合組成(見(jiàn)圖1)。開(kāi)溝機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力由桁架上的電動(dòng)機(jī)輸出軸輸至減速箱，經(jīng)過(guò)變速傳遞給開(kāi)溝機(jī)工作裝置——主動(dòng)軸，通過(guò)控制液壓系統(tǒng)使梁下傾到一定角度，從而使置于其上的鏈刀組合與土壤作用。在整個(gè)開(kāi)溝機(jī)工作裝置前進(jìn)的同時(shí)，開(kāi)溝鏈條上的刀片沿著梁的下側(cè)方向，隨著鏈傳動(dòng)斜向上運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行切土，被切下來(lái)的土壤在刀具的帶動(dòng)下繞過(guò)主動(dòng)鏈輪后卸載，卸載后的刀具沿梁的上側(cè)斜向下運(yùn)動(dòng)，在繞過(guò)從動(dòng)鏈輪后繼續(xù)切削土壤，通過(guò)連續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)，開(kāi)溝機(jī)不斷地進(jìn)行切土。在主動(dòng)鏈輪處落下的土壤被對(duì)稱布置的螺旋排土器分送到溝槽的兩側(cè)，而開(kāi)溝機(jī)同時(shí)前行，如此工作，就形成了溝槽。當(dāng)需要改變槽寬和槽深時(shí)，只需要改變刀具的數(shù)量和排列規(guī)則，還可利用增加或減少墊塊的方法來(lái)增大或減小槽寬以及槽深。該機(jī)械裝置對(duì)不同的工作要求和工況具有良好的適應(yīng)性。

1-鏈刀組合； 2-支撐梁； 3-懸臂架； 4-主動(dòng)軸組合；5-排土器組合； 6-從動(dòng)軸組合

根據(jù)工程的要求并考慮到實(shí)際工作環(huán)境，開(kāi)溝機(jī)的工作參數(shù)為：

開(kāi)溝最大寬度：400mm；

開(kāi)溝最大深度：600mm；

前進(jìn)速度：100～300m/h；

鏈條線速度：1～15m/s；

動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速：1000r/min。

2 工作裝置設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

在開(kāi)槽過(guò)程中，刀具連續(xù)不斷地切削土壤。被切下來(lái)的土壤，一部分在切削刃的前端面形成土堆，被刀具帶著往前運(yùn)動(dòng)；另一部分土壤在擠壓力的作用下越過(guò)切削刃前端的土堆進(jìn)入圓弧形刀體內(nèi)。由此可見(jiàn)，在開(kāi)槽的過(guò)程中，刀具除了受到切削阻力外，還會(huì)受到土壤進(jìn)入圓弧形刀體內(nèi)的阻力以及帶動(dòng)土堆的阻力，對(duì)于后兩項(xiàng)，可以將其合稱為裝土阻力，而總阻力是指切削阻力與裝土阻力之和。

2.1 切土阻力的計(jì)算

切削總阻力計(jì)算公式為：

(1)

式中Cs——土壤堅(jiān)實(shí)度計(jì)的沖擊次數(shù)，可取Cs=15；

δ——切削厚度；

b——刀具寬度；

φ——刀具切削角，對(duì)于圓弧形刀片，刀具的切削角等于后角γ2；

eH——刀具尖角計(jì)算系數(shù)，一般情況下取eH=0.81。

單個(gè)刀片的切削阻力：

(2)

由于所設(shè)計(jì)的開(kāi)槽裝置8把刀具為一個(gè)工作組，則開(kāi)槽機(jī)鏈刀總切削阻力：

(3)

式中Z——鏈條上同時(shí)與土壤作用的刀片數(shù)。

在實(shí)際施工中，刀片受到各種沖擊的影響，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)該加入動(dòng)載系數(shù)k0。一般情況下動(dòng)載系數(shù)k0取1.3～1.5，初取1.4，則：

(4)

2.2 開(kāi)槽機(jī)功耗計(jì)算

開(kāi)槽機(jī)工作裝置的總切削功耗為：

Pt=Ftva

(5)

鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的總切削比功，即單位立方米作業(yè)量的切削功耗：

(6)

式中s——槽的斷面面積

沿溝深方向提升土壤的功耗，每次切削下來(lái)的土壤層的重心都相同，距地面均為0.5H，有

Pr=Qρ′×0.5H×Kp

(7)

式中Kp——土壤顆粒在鏈刀與槽側(cè)壁間滯塞的可能系數(shù)，取Kp=1；

ρ′——土壤容重。

土壤容重是指土壤在沒(méi)有被破壞的自然結(jié)構(gòu)下，單位容積中的重量，通常以N/m3表示。土壤容重的大小反映土壤結(jié)構(gòu)、透水性、透氣性以及保水能力的高低，一般土壤容重為(1～1.8)×103N/m3，土壤層越深則容重越大。

被運(yùn)送土壤與溝槽土壤的摩擦功耗

Pf=Qρ′(0.5H+H0)μ2cosα

(8)

式中μ2——土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)。

螺旋排土器移動(dòng)土壤的功耗：

(9)

式中C0——用實(shí)驗(yàn)的方法確定的螺旋排土器對(duì)土壤的阻力系數(shù)，對(duì)大多數(shù)土壤C0取4～5；

LB——移動(dòng)土壤到開(kāi)溝邊的最大距離，一般取0.4～0.5m，本文取0.4m。

由以上計(jì)算結(jié)果可得開(kāi)槽機(jī)工作裝置總功耗為：

(10)

式中η1——開(kāi)槽裝置鏈的傳動(dòng)效率，取0.7；

η2——鏈刀組合的開(kāi)槽效率，取0.5。

3 工作裝置設(shè)計(jì)

3.1 鏈刀組合設(shè)計(jì)

鏈刀組合圍繞在主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪和梁上。考慮到工作空間的限制，初步設(shè)計(jì)開(kāi)溝機(jī)工作部分的鏈傳動(dòng)兩鏈輪的中心距為1200mm左右。工程施工要求開(kāi)溝寬度400mm，開(kāi)溝深度600mm，初步確定采用單排鏈，刀片沿鏈寬方向上左右依次交錯(cuò)排列。對(duì)于開(kāi)溝工作鏈，綜合考慮功率、轉(zhuǎn)速及刀片安裝等因素，初步選用標(biāo)準(zhǔn)A系列滾子鏈40A。鏈條尺寸如下表所示。鏈速為：

v=n1z1P/(60×1000)

(11)

式中n1=111r/min。

取主動(dòng)鏈輪齒數(shù)17，從動(dòng)鏈輪齒數(shù)13，可得n2=145r/min。

傳動(dòng)鏈輪的技術(shù)參數(shù)表

刀片選擇不僅能夠切削普通硬度的土壤，還可以將切下的土壤帶離槽底，采用對(duì)土質(zhì)適應(yīng)性好、開(kāi)挖效率高的圓弧杯形刀片。后角對(duì)切削阻力的影響很大。減小后角會(huì)使后刀面與切削表面之間的摩擦力增大，切削力就會(huì)變大，有利于切削；但是如果后角過(guò)大，刀具的楔角就會(huì)變小，使得刀具強(qiáng)度降低，刀刃的穩(wěn)定性下降，切削力反而會(huì)減小。所以后角不能取得太大，一般取11～15°即可。因此，設(shè)計(jì)杯形刀片的后角為13°，寬度為70mm，刀具高度為115mm。

盡可能在鏈的寬度方向上保證不漏切。切削過(guò)程中，某一刀片離開(kāi)土壤時(shí)，必須要有一把相位相同的刀片入土，以保證切削阻力以及阻力矩基本不變，從而保證鏈刀組合的平穩(wěn)性。為滿足以上要求，可以將刀具的排列方式設(shè)計(jì)成沿鏈的長(zhǎng)度方向左右交錯(cuò)排列。

3.2 主軸組合設(shè)計(jì)

主軸組合要實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)主軸帶動(dòng)軸上的零件作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)能夠保證開(kāi)溝裝置可以繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝機(jī)工作裝置的升高和降低，從而調(diào)節(jié)槽深。

將兩個(gè)軸承的受力分解為水平分力和豎直受力，在水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)對(duì)軸進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

圖2 主軸受力分析計(jì)算

由式(10)開(kāi)溝機(jī)總功率為P0=4337.79W，主軸上的兩個(gè)鏈輪均按最大功率計(jì)算，即按開(kāi)溝機(jī)總功率計(jì)算，已知鏈條線速度v=2m/s(由式(11))，則鏈輪的有效圓周拉力：

Ft1=Ft2=P/v=2168.9N

計(jì)算扭矩：

T=955P/n=373.22N·m

由于工作時(shí)鏈傳動(dòng)為傾斜傳動(dòng)，所以作用在軸上的力：

F1=F2=1.2KAFt1=3643.75N

其中KA為工況系數(shù)，取1.4，中等沖擊。

圖2中將F2分解為F2′=F2sin45°，F(xiàn)2″=F2cos45°，分別在水平面內(nèi)和豎直面內(nèi)列出力平衡方程和力矩平衡方程，求出各支反力。由此計(jì)算出軸所承受的彎矩，作出水平面和豎直面內(nèi)的彎矩圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 主軸內(nèi)力圖

由圖3中可以得出:B處為危險(xiǎn)截面。計(jì)算B點(diǎn)處的當(dāng)量彎矩，由第三強(qiáng)度理論得

(12)

式中：α=[σ-1]/[σ0]=0.6，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，主軸材料采用45鋼，調(diào)制處理，許用彎曲應(yīng)力[α]=65MPa。

驗(yàn)證主軸的強(qiáng)度：

(13)

由式(13)得σ=5.29MPa。由σlt;[σ]=65MPa可知主軸滿足強(qiáng)度要求。軸承選用調(diào)心滾子軸承，查手冊(cè)選用的型號(hào)為22224C，與其配合的軸直徑為120mm。

3.3 從動(dòng)軸組合設(shè)計(jì)

根據(jù)從動(dòng)軸的主要限制條件，由于軸向尺寸有限，可以將從動(dòng)軸做成螺栓的形式，以使從動(dòng)軸便于安裝和支撐，從動(dòng)軸的另一端使用六角開(kāi)溝螺母和開(kāi)口銷固定。軸承選用滾針軸承，根據(jù)鏈輪的直徑選取的軸承型號(hào)為NA6908。安裝時(shí)直接將鏈輪裝在鏈輪內(nèi)，這樣不僅滿足了從動(dòng)鏈輪的安裝要求，也節(jié)省了空間，而且可以利用鏈輪的一側(cè)對(duì)軸承進(jìn)行軸向固定；鏈輪通過(guò)軸肩和彈性擋圈固定。

3.4 排土器組合設(shè)計(jì)

該開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)的一大優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)㈤_(kāi)挖的土排到槽的兩端，而實(shí)現(xiàn)這一功能的正是螺旋排土器。螺旋排土器同樣由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)，由于排土器兩側(cè)的螺旋狀部件的旋向相反，轉(zhuǎn)動(dòng)后便將開(kāi)挖出的土排向兩側(cè)。螺旋排土器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是應(yīng)避免排土器與鏈刀組合發(fā)生干涉，選定螺旋排土器的長(zhǎng)度為250mm，直徑為175mm。

3.5 梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁的作用是支撐開(kāi)溝鏈和排土器組合，以及通過(guò)液壓缸調(diào)節(jié)梁的角度從而調(diào)節(jié)槽的深度。梁的尺寸主要受到設(shè)計(jì)槽深、掛接機(jī)構(gòu)尺寸的限制。在梁的工作角度為45°左右的情況下來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一是要保證所開(kāi)槽的深度能夠達(dá)到600mm，二是要保證梁在安裝時(shí)不能與任何鏈輪發(fā)生干涉。

在設(shè)計(jì)排土器軸系與梁的連接時(shí)，考慮到排土器兩側(cè)所受力的方向相反，從而整個(gè)排土器軸所受的軸向力并不大，考慮選用角接觸軸承7015AC，兩軸承分別靠梁的外板、套筒以及軸肩進(jìn)行軸向定位。而梁上端的耳環(huán)用于和液壓缸鉸接，橫梁的設(shè)計(jì)是為了保證梁的剛度和強(qiáng)度。

3.6 開(kāi)溝機(jī)工作裝置總裝配

在開(kāi)溝機(jī)工作裝置的所有部件均設(shè)計(jì)出來(lái)后，便可以進(jìn)行總裝了。裝配時(shí)應(yīng)選擇合適的裝配順序：?將掛接機(jī)構(gòu)與主軸組合裝配；?將梁與掛接機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配；?用液壓缸將掛接機(jī)構(gòu)和梁連接起來(lái)；?將從動(dòng)軸和從動(dòng)鏈輪裝配在梁上，然后裝配排土器組合；?裝配鏈傳動(dòng)和刀具，完成總裝配。其三維造型見(jiàn)圖4。圖5為鏈?zhǔn)介_(kāi)槽機(jī)總圖。

4 結(jié) 論

以上設(shè)計(jì)的鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)工作裝置，利用現(xiàn)有混凝土襯砌機(jī)的桁架、驅(qū)動(dòng)裝置和行走裝置，設(shè)備投資小、生產(chǎn)周期短、開(kāi)溝效率高，在南水北調(diào)工程中段施工中得到了好評(píng)。

圖4 鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)總裝配側(cè)面圖

圖5 鏈?zhǔn)介_(kāi)槽機(jī)總圖

◆

Design of Midline Chain Trencher Working Device in South-to-North Water Diversion Project

GENG Miao-rui1, WU Jia-qi2, ZHANG Zuo-hao3

(1.ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450000,China; 2.WanfangCollegeofScienceandTechnologyofHenanPolytechnicUniversity,Zhengzhou451400,China; 3.MechanicalEngineeringCollegeofNorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450008,China)

Chain trencher working device designed due to middle section project demand in South-to-North Water Diversion Project is mainly introduced in the paper. Design theory and specific design of the working device are described concretely. Working parameters are listed. The working device is combined with existing concrete lining machine truss, running gear and drive during use. The device is characterized by simple structure, short production cycle, low investment and high production efficiency.

South-to-North Water Diversion Project; chain trencher; working device; design

TV53+9

B

1005-4774(2014)06-0028-05