超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)桁架與刀具設(shè)計(jì)研究*

摘 要：采用理論分析和計(jì)算機(jī)仿真等方法對HJXK-1型超長邊坡渠道削坡開槽一體機(jī)的桁架和刀具進(jìn)行了研究，并在中線南水北調(diào)工程潮河段進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，HJXK-1型超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)能夠確保施工精度，削坡、開槽合格率達(dá)100%，工作性能穩(wěn)定；較傳統(tǒng)的人工配合挖掘機(jī)工作方式，該機(jī)器削坡效率提高了1.18倍，費(fèi)用節(jié)約了71.7%，開槽效率提高了3倍，費(fèi)用節(jié)約了85.8%。

關(guān)鍵詞：削坡開槽一體機(jī)；超長；桁架快速調(diào)整；密齒型組合式銑刨刀頭

針對渠道邊坡削坡、開槽的相關(guān)研究文獻(xiàn)已有很多[1-3]，但存在長度不能滿足各工況需要、削坡和開槽需用不同設(shè)備、施工現(xiàn)場安裝調(diào)整時(shí)間過長、施工效率不高等問題。

為滿足中線南水北調(diào)工程施工需要，文章對超長邊坡渠道削坡開槽一體機(jī)的桁架和刀具進(jìn)行研究，以提高切削效率、減少調(diào)整時(shí)間、確保施工精度、加快施工進(jìn)度、節(jié)約施工成本。

1 桁架建模與仿真分析

HJXK-1型超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)桁架采用模塊化組合，能夠根據(jù)渠道不同坡長的需要進(jìn)行組合，從而適用于各種坡長。桁架截面為：130cm×130cm，由三節(jié)組成，兩節(jié)之間采用法蘭連接，鉸制孔螺栓固定，有效保證了連接的可靠性與互換性。

根據(jù)施工現(xiàn)場滿足不同坡比及坡長的要求，桁架相應(yīng)模塊組合有7種，如表1所示。以下仿真參數(shù)設(shè)定均以表1中第一組數(shù)據(jù)（即第一行數(shù)據(jù)）為依據(jù)。

由表1可知，超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)整體跨度比較長，整體機(jī)身重量又比較大，為避免跨度過大使桁架中部向下彎曲，保證成型后坡面平直，采用反變形原理，在桁架各模塊上部接合處加裝墊片——法蘭片。采用ABAQUS對桁架進(jìn)行有限元分析，給出針對不同長度桁架組裝調(diào)整時(shí)不同組裝位置處需要墊的法蘭片的厚度值，并以表格形式提供。

1.1 桁架建模

桁架主體結(jié)構(gòu)是由160*80*6的矩形鋼和80*80*5的方鋼以及橫梁、斜梁、軌道支撐、軌道等構(gòu)成。第一節(jié)桁架的三維模型如圖1所示。第二節(jié)與第三節(jié)的模型圖與第一節(jié)相似。

圖1 第一節(jié)桁架三維模型

1.2 仿真分析

分析桁架結(jié)構(gòu)的主要目的就是找到桁架各模塊結(jié)合點(diǎn)處最底端一個(gè)節(jié)點(diǎn)在未加墊塊沒有變形時(shí)垂直方向坐標(biāo)值與加墊塊且變形之后垂直方向坐標(biāo)值的差額，判斷桁架結(jié)構(gòu)在加載重力之后是否依然保持與坡面平行。

由于受到重力的作用，未加墊塊的桁架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)凹狀，如圖2所示，如果只考慮在中間部位加載墊塊，則桁架結(jié)構(gòu)依舊是凹形的，所以考慮在桁架四個(gè)法蘭連接處都加載相同的墊塊。

1.3 加載墊塊后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

加載墊塊后，分別對第一節(jié)中點(diǎn)、第三節(jié)下邊法蘭、第三節(jié)中點(diǎn)、第三節(jié)上邊法蘭、第二節(jié)中點(diǎn)等五個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。這里僅給出第三節(jié)下邊法蘭的查詢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

由表2可以看出，在允許誤差范圍內(nèi)法蘭片的厚度取2.5mm時(shí)，桁架的直線度比較高。同理，可以計(jì)算出其他幾種組合方式墊塊的厚度值。其結(jié)果如表3所示。

2 刀具設(shè)計(jì)與仿真

銑削具有生產(chǎn)率高、排屑比較容易以及刀齒散熱條件較好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場加工要求及國內(nèi)外的相關(guān)研究文獻(xiàn)[4-5]，采用如圖3所示的刀頭形狀。將原始的銑刀刀頭的螺旋葉片換成了螺旋密齒，同時(shí)密齒刀頭可以進(jìn)行拆卸，這樣做既繼承了銑削的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以及時(shí)換掉磨損過度的刀頭。

為優(yōu)化刀具的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并且合理選配合金刀頭材料，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對刀具切削水泥改性土坡面材料過程進(jìn)行有限元模擬，得到切削刀頭的受力情況。根據(jù)已知的水泥改性土的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)并定義切削深度為60mm、切削速度為1000mm/s得出刀具與基體切削時(shí)在切削平面受到的切削力與摩擦力的情況如圖4所示，由受力圖可計(jì)算出最大切削力和平均切削力。采用相同模型，改變切削速度和切削時(shí)間就可以得到不同切削速度下的切削力，如表4所示。

切深為100mm時(shí)，切削速度由300mm/s增大到1000mm/s的過程中，刀具所受最大切削力與平均切削力增加均比較緩慢，所以在此切削速度區(qū)間刀具受到的沖擊不是很大，刀具磨損不是很嚴(yán)重，且銑削功率變化不大。在切削速度從1000mm/s增大到3000mm/s過程中，刀具所受最大切削力與平均切削力急劇增加，所以在此切削速度區(qū)間，刀具的磨損情況會迅速加劇。結(jié)合施工現(xiàn)場條件，切削速度為1000mm/s既能滿足施工要求。為適應(yīng)水泥改性土切削，提高刀具使用壽命，采用了強(qiáng)度較高的合金刀頭。

3 試驗(yàn)與分析

在潮河六標(biāo)施工現(xiàn)場169+200-169+250（右坡）邊坡對HJXK-1型超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)進(jìn)行的渠道削坡開槽試驗(yàn)表明：坡面平整度設(shè)計(jì)要求誤差在20mm/2m以內(nèi)，試驗(yàn)檢測合格率為100%，如表5所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，開槽作業(yè)的各項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果合格率也為100%，如表6所示。

潮河段六標(biāo)共有削坡65萬m2，總開槽長度約127.36km，以當(dāng)前市場價(jià)格計(jì)算，削坡開槽機(jī)作業(yè)和人工配合挖掘機(jī)作業(yè)相比，切削效率提高了1.18倍、費(fèi)用節(jié)約了71.7%；開槽效率提高了倍，費(fèi)用節(jié)約了85.8%。除節(jié)省工日外，削坡和開槽兩項(xiàng)共節(jié)約成本277.25萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)束語

（1）給出了不同坡比不同長度桁架組裝調(diào)整時(shí)加載墊片的厚度值，實(shí)現(xiàn)了桁架跨度調(diào)整快速化。

（2）研制了密齒型高效銑刨組合式刀具，提高了切削效率。較傳統(tǒng)人工配合挖掘機(jī)工作方式，削坡效率提高了1.18倍，費(fèi)用節(jié)約了71.7%，開槽效率提高了3倍，費(fèi)用節(jié)約了85.8%。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：馬子領(lǐng)（1983-），男，河南鄭州人，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化技術(shù)相關(guān)方面的研究。