研制一種便攜式桿坑開挖器

張明，江潛生，王尚書，石嘉偉，徐孟霞，王淦

（國網岳西縣供電公司，安徽 岳西 246600）

1 研制原因

1.1 岳西公司原水電供區改造任務重

由于歷史原因，岳西縣水電供區電網存在基礎薄弱、設備老化、供電質量差等問題，嚴重影響了群眾生產生活和穩定持久脫貧。特別是夏季、冬季、元旦、春節等用電高峰期及雨雪冰凍等氣候環境下，供用電問題尤為突出。面對水電供區10個鄉鎮人民迫切用上“放心電”的需求，岳西縣供電公司大力開展水電供區電網設備改造。2020年岳西縣供電公司農網改造項目共開工196個，其中小水電供區175個，電網改造第一步就是開挖電桿坑，目前桿坑開挖主要以人工開挖，人工開挖效率低、耗時長。挖掘機帶鉆頭開挖電桿坑速度最快、效率最高的，但是限于岳西地理純山區環境，電桿基本在山上，挖機到達不了現場，并不實用。2020年岳西縣供電公司原水電供區農網改造項目共開工175個，改造工作時間緊、任務重。電網改造第一步就是開挖電桿坑，目前桿坑開挖主要以人工開挖，人工開挖效率低、耗時長。岳西縣供電公司現在農網改造工作當中，電桿坑開挖主要采用人工開挖的方式，但對于巖石層打洞需要采用風鎬開挖。

2 研制方向

為此，本QC小組針對我公司農網改造目前無法快速、安全、有效地開挖電桿坑的現狀，集思廣益，研制一種便攜式桿坑開挖器。該設備在結構上可以分為2個部分：主體框架和掘進機構。采用此設備后，開挖人員可以通過轉動機構和向下助力機構來帶動鉆頭向下轉動來對地面進行開挖；同時設置移動裝置和把手，相比挖掘機而言，本設備更加便攜，可以隨意搬運，省時省力，降低人工成本，提高工作效率，且整個設備，制作簡單，適合廣泛推廣。目前電桿開挖方式分為人工開挖、挖掘機帶鉆頭開挖和運用打樁機開挖3種方式。岳西縣供電公司供區地處大別山附地，挖機帶鉆頭開挖及打樁機開挖2種方式受環境影響大，并不適用。

ZHANG Ming,JIANG Qiansheng,WANG Shangshu,SHI Jiawei,XU Mengxia,WANG Gan
(State Grid Yuexi Power Supply Company,Anhui Yuexi 246600,China)

Abstract:The rural power grid transform project in Yuexi county town hydropower supply area is pressed for time.Station grid Yuexi Power Supply Corporation QC team studys one kind of portable devices for digging electric pole hole to solve the problem that the digging hole speed is low in mountain area.This kind of device can be used in different geographical environment.The work efficiency is increased,the numbers of workers is reduced and the working cost is down.At the same time the water mill pipe drill will not produce gravel splashing to hurt people compared to pneumatic pick digging.The security is higher.

Keywords:hydropower supply area transfer;electric pole hole;dig pole hole;rural power grid transform

經過上述的分析，小組希望研制一種便攜式桿坑開挖器。

3 可行性論證

3.1 設定目標

研制一種便攜式桿坑開挖器，應能夠適用于不同的地理環境，并能在不同的開挖地理條件下快速開挖電桿坑。

3.2 目標量化

小組通過調查發現，水磨管鉆鉆取巖石部分，每小時能鉆取0.6 m，簡易打樁機挖掘泥土部分，每小時能挖掘12 m。對于理想電桿坑，水磨管鉆和簡易打樁機復合使用，需用時1 h，因此量化目標值為：電桿桿坑挖掘平均時間由3.5 h時降低到1 h。

3.3 目標可行性論證

小組從主體框架和掘進兩個方面對設備進行了理論可行性論證：小組成員在網上檢索到不同功能設備框架樣式和不同環境下設備移動方式，面對山區地理環境，可以采用滾輪和多人抬的方式移動，可以根據不同地理環境需求選擇更加合理的主體框架及攜帶方式—確定移動方式。

岳西縣桿坑開挖主要環境是泥土和巖石層，泥土可以通過渦輪式鉆頭進行開挖，巖石層可以通過風鎬等鉆頭進行開挖。以岳西地理環境取電桿坑直徑0.5 m，深度為2.5 m，取80%深度為泥土，20%深度為巖石，預估泥土層深2 m，巖石層深0.5 m。小組認為桿坑開挖器是可以在不同的地理環境下快速開挖電桿坑—確定掘進方式。

4 提出方案并確定最佳方案

針對初選方案，小組分別進行了如下分解和優化。

4.1 主體框架

岳西縣地處山區，便攜式桿坑開挖器在不同地理環境下工作，需要面臨不同地理環境的考驗，能夠方便快捷的攜帶到山區復雜的地理位置。小組在選擇主體框架的時候，對設備的材質分別提出了幾種備選方案，綜合考慮到設備的運行環境和使用壽命，小組決定選用熱鍍鋅鐵作為主體框架的制作材料。

4.2 移動模塊

在移動方式選擇當中，小組考慮到不同地理環境情況，提出了在一般地理環境下輪胎滾動移動方式，山地地理環境情況下人工和爬樓機行走裝置2種移動方式。并針對山地地理環境下不同方式，小組做了相關分析，認為移動方式是設備在不同地理環境能否便于攜帶的決定性因素，輪胎滾動方案是正常地理環境下最優的移動方式，前行簡單，移動方便，價格低。面對山地環境，人工是最好的方式，人工速度快，不受復雜地理環境限制，無須增加成本。所以小組一般地理環境下選用輪胎滾動移動方式，山地地理環境情況下選用人工移動方式。

4.3 固定模塊

由于設備在開挖過程中會產生較大的左右晃動力，因此安全固定是設備工作的前提。根據設備工作方法，小組就固定方式提出了立錐和鋼纜2種固定方案，對固定方式的選擇進行分析，小組考慮到設備在開挖時的穩定性和設備的便攜程度，決定選用立錐固定。

4.4 掘進模塊

掘進模塊是設備能否實現電桿坑開挖功能的決定性因素，設備如何能夠在不同的地里環境中快速開挖電桿坑。小組成員集思廣義，在挖掘方式、挖掘動力和連接方式3個方面進行了分析。

4.4.1 掘進方式方案選擇

制作掘進設備之前首先要確定掘進方式，針對岳西縣地理環境中土質條件，小組將土質分為泥土和巖石層兩種。由于泥土土質松軟，所以采用挖掘方式開挖，巖石層相對較硬，渦輪式鉆頭無法挖掘，小組根據現實中比較常見的挖掘方式提出了電鎬、風鎬和水磨管鉆3種挖掘方案。

岳西公司供區土質主要為泥土和巖石層2種，小組需要穩定可靠的開挖，同時還要降低設備整體質量，鉆頭更換簡單，小組決定針對巖石層開挖方式選用水磨管鉆。

4.4.2 掘進動力方案選擇

岳西縣土質主要為泥土和巖石層2種，巖石層具有很強的硬度，旋轉動力不夠會導致水磨管鉆鉆頭卡死，所以小組針對實際情況提出了汽油機、柴油機和電動機三種動力初選方案，并進行了總結分析。對比掘進時的動力需求，汽油機和柴油機為動力時，都能夠滿足掘進需求。但是柴油機相比汽油機具有動力更強、更安全等優點，小組決定動力選擇為柴油機。

4.4.3 鉆頭連接方式方案選擇

鉆頭工作時必須和驅動模塊連接，與柴油機驅動保持相同轉速，由于柴油機轉速高，連接方式必須安全可靠。小組在設計連接方式的時候提出了卡扣式和螺旋式2種方案，并進行了方案分析評價，對比設備的結構功能，卡扣式連接方式能夠縮短連接時間，減少設備成本。所以小組決定卡扣式連接方式。

5 制訂對策并實施

小組根據5W1H原則，就方案執行的對策、目標、措施進行了討論研究，制定了對策表，申報公司相關部門同意后，進行了對策實施。

5.1 對策實施一：采用冷鍍鋅鐵

為使設備安裝工作后，能實現正常工作，同時降低設備整體質量，需要設計主體框架材料型號及規格。目前市場上的熱鍍鋅鐵有多種規格，主要考慮的參數是類型、厚度及尺寸，設備主體框架應牢固，確保不會由于工作造成變形，熱鍍鋅鐵厚度0.5～2 mm不等。小組經過調查，對外形、厚度及尺寸提出幾種選擇，最終經過試驗對比，小組確定采用熱鍍鋅鐵作為主體框架材質，該材質框架能夠經受3.5 kN以下的外力，滿足對策目標。

5.2 對策實施二：采用輪胎滾動

5.2.1 措施一：選擇輪胎規格

為使設備整體組裝后，能實現穩定移動，便于攜帶，需要設計輪胎。目前市場上的輪胎有多種規格，主要考慮的參數是胎體結構及直徑，由于設備整體質量和在不同地理環境下移動，輪胎要求滑輪直徑20～40 cm不等。小組經過調查，對胎體結構及直徑提出幾種選擇。輪胎承受的最大壓力是受鉆頭鉆進時巖石對鉆頭的反作用力，小組通過對鉆頭鉆進巖石時輪胎所受的作用力進行測試，發現工作時輪胎需承受大于400 MPa的壓力。小組成員在網上查找承受大于400 MPa的壓力的實心輪胎價格較貴經濟性極差，且移動時震動太大，所以小組選擇充氣輪胎。此外，考慮到移動方便，小組通過試驗總結，發現20 cm直徑的輪胎移動時震動太大且費力，40 cm直徑的輪胎太大，移動不方便，小組最終選擇30 cm直徑的輪胎。最終綜合考慮，小組選擇輪胎數據如下直徑為30 cm的充氣式輪胎。

5.2.2 措施二：選擇軸承規格

在確定好輪胎后，小組開始選擇輪胎的軸承和輪轂，然后進行移動測試。根據試驗發現，符合設計要求，現有主體框架的配置可使該設備在地面上以1.5 m/s的速度穩定移動。因此，一般地理環境下采用輪胎滾動對策目標實現。

5.3 對策實施三：采用人工搬運

小組根據外殼材質和整體結構，估算設備的重量為80 kg。考慮到設備的體積和重量，小組設計需要2位工作人員進行人工搬運。為了搬運過程中的穩定可靠，2個人采用四點著力的方式進行搬運。在設備的兩端各側設置把手，依靠設備本身的結構，在設備底端可以通過固定點進行著力搬運，在設備頂端，小組設計了環形把手。小組組織兩名男性工作人員，采用人工搬運的方式移動本設備，在山地上坡和下坡路段均能夠輕松移動。

5.4 對策實施四：采用立錐固定

為使設備安裝工作后能平穩固定在工作地點，并能支撐設備在工作時候的正常晃動。小組對立錐規格和材質進行了確定。立錐的材質需要滿足以下3點要求，一是能夠通過焊接與主體框架穩定連接，二是能夠有足夠的硬度插入到不同的土質；三是能夠在不同的土壤環境里耐腐蝕。綜合以上，小組決定選用和主體框架材質一樣的冷鍍鋅鐵。在規格選擇上，小組選用了頂端直徑為30 mm，末端直徑4 mm，長度150 mm的圓臺狀立錐，同時考慮到部分松軟土壤，為了設備固定的平穩，小組立錐頂端設計了直徑為100 mm的限位鐵片。小組將設備通過立錐固定到地面后，采用4 kN的橫向外力對設備進行擊打，設備能夠穩定立在地面。

5.5 對策實施五：采用渦輪式鉆頭

針對泥土層挖掘方式，根據岳西縣地理環境，由于泥土土質松軟，小組確定了使用渦輪式鉆頭進行挖掘，掘進鉆頭是依靠驅動設備帶動的高速旋轉，岳西常用電桿高度為10、12和15 m，根據電桿根部粗細，選擇渦輪式鉆頭設備直徑為50 cm，長度為2.5 m。并采用高速鋼作為渦輪式鉆頭材質。渦輪式鉆頭對泥土的掘進效果好，成功率達到了100%。這說明渦輪式鉆頭能夠對泥土層實現掘進。

5.6 對策實施六：采用水磨管鉆

根據岳西縣地理環境，部分土質含有巖石層，巖石層采用渦輪式鉆頭無法掘進。小組采用水磨管鉆進行掘進。參考渦輪式鉆頭的規格，小組選用鉆頭設備直徑為50 cm，長度為2.5 m。考慮到巖石層的硬度，小組選用合成鋼作為掘進鉆頭的材料。小組使用水磨管鉆鉆頭對巖石進行了切割測試，水磨管鉆鉆頭對巖石的掘進效果好，成功率達到了100%。這說明水磨管鉆鉆頭能夠對巖石層實現掘進。

5.7 對策實施七：采用柴油機

由于岳西地理環境為山區，桿坑開挖涉及到巖石層較多，所以柴油機給鉆頭提供充足的旋轉動力。由于農網改造部分桿坑在山上，設備需要移動到山上，所以柴油機在動力充足的前提下要盡量減少重量。綜合考慮，小組選用的常豐牌柴油機最大功率達到3.8 kW，轉速達到3600 r/min，達到了設計要求。

5.8 對策實施八：采用卡扣式

考慮到鉆頭的高速旋轉產生巨大的扭矩，需要采取牢靠的連接方式。小組通過卡扣式連接方式將鉆頭和柴油機進行連接，同時采取了鋼制插銷對連接進行了閉鎖。將鉆頭和柴油機進行連接閉鎖后，采用8 kN·m扭矩力進行測試，鉆頭和柴油機能夠穩定連接，正常旋轉。

5.9 對策實施八：總裝測試

5.9.1 措施一：繪制設備組裝CAD圖紙

小組根據各模塊尺寸繪制了設備組裝CAD圖紙，如圖1所示。

圖1 設備總裝CAD圖紙

5.9.2 措施二：總裝測試

小組根據CAD圖紙完成設備模塊制作及總裝完成后，對該設備進行整體測試，測試結果表明，小組研制的便攜式桿坑開挖器能在不同的地理環境下輕松攜帶，針對不同開挖環境能100%完成桿坑開挖，達到了設計要求。

6 效果檢查

6.1 目標值檢查

2020年下半年，小組便攜式桿坑開挖器在岳西縣供電公司供區對不同鄉鎮多出農網改造現場進行桿坑開挖，并從中隨機抽取了5個進行測量統計，發現該裝置挖掘電桿坑的泥土部分時平均挖掘13.51 m/h，挖掘電桿坑的巖石部分時平均挖掘0.67 m/h。通過計算發現，若挖掘理想電桿坑需耗時0.894 h，小于目標設定值1 h，達到并超越了預期目標。

7 效益分析

研制的便攜式桿坑開挖器設備使用后，實現了不同地理環境下桿坑通過機器開挖，極大地提高了作業效率，減少了作業人員，降低施工成本，同時針對巖石層通過風鎬開挖產生碎石子飛濺傷人，水磨管鉆不會產生碎石子飛濺傷人，增強施工安全性。

便攜式桿坑開挖器設備使大大縮短了桿坑開挖時間，提高了農網改造效率，加快原水電供區電網改造速度，為原水電供區經濟社會發展提供保障。

小組將使用便攜式桿坑開挖器設備桿坑開挖方法和以前公司使用的清除方法在經濟效益方面進行對比分析，使用本設備比人工挖掘節約1150402.5元。