超長邊坡渠道削坡開槽機桁架與刀具設計研究*

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

關鍵詞：削坡開槽一體機；超長；桁架快速調整；密齒型組合式銑刨刀頭

針對渠道邊坡削坡、開槽的相關研究文獻已有很多[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備、施工現(xiàn)場安裝調整時間過長、施工效率不高等問題。

為滿足中線南水北調工程施工需要，文章對超長邊坡渠道削坡開槽一體機的桁架和刀具進行研究，以提高切削效率、減少調整時間、確保施工精度、加快施工進度、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桁架采用模塊化組合，能夠根據(jù)渠道不同坡長的需要進行組合，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，桁架相應模塊組合有7種，如表1所示。以下仿真參數(shù)設定均以表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整體跨度比較長，整體機身重量又比較大，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對桁架進行有限元分析，給出針對不同長度桁架組裝調整時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

桁架主體結構是由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

分析桁架結構的主要目的就是找到桁架各模塊結合點處最底端一個節(jié)點在未加墊塊沒有變形時垂直方向坐標值與加墊塊且變形之后垂直方向坐標值的差額，判斷桁架結構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，未加墊塊的桁架結構呈現(xiàn)凹狀，如圖2所示，如果只考慮在中間部位加載墊塊，則桁架結構依舊是凹形的，所以考慮在桁架四個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

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

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

2 刀具設計與仿真

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，同時依據(jù)現(xiàn)場加工要求及國內外的相關研究文獻[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，同時密齒刀頭可以進行拆卸，這樣做既繼承了銑削的優(yōu)點，同時可以及時換掉磨損過度的刀頭。

為優(yōu)化刀具的結構和參數(shù)，并且合理選配合金刀頭材料，運用ABAQUS有限元軟件對刀具切削水泥改性土坡面材料過程進行有限元模擬，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試驗參數(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，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。為適應水泥改性土切削，提高刀具使用壽命，采用了強度較高的合金刀頭。

3 試驗與分析

在潮河六標施工現(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進行的渠道削坡開槽試驗表明：坡面平整度設計要求誤差在20mm/2m以內，試驗檢測合格率為100%，如表5所示。

根據(jù)設計指標，開槽作業(yè)的各項指標檢測結果合格率也為100%，如表6所示。

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

4 結束語

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

（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)人工配合挖掘機工作方式，削坡效率提高了1.18倍，費用節(jié)約了71.7%，開槽效率提高了3倍，費用節(jié)約了85.8%。

參考文獻

[1]鄭狀元，郭菁菁，吳林峰，等.南水北調工程削坡機的設計[J].技術與市場，2013，20（10）：24-25.

[2]張小剛，劉登超，陳崇德.削坡機在大型渠道施工中的應用[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2013（9）：177-178.

[3]羅永平，代存軍.旋耕式多齒開槽機研制與應用[J].治黃科技信息，2012（1）：14-16.

[4]母福生，熊宏志，栗慧.銑刨鼓銑削過程仿真及切屑應力分析[J].機械科學與技術，2014，33（1）：43-47.

[5]李安海，趙軍，羅漢兵，等.高速干銑削鈦合金時涂層硬質合金刀具磨損機理研究[J].摩擦學學報，2012，32（1）：40-46.

作者簡介：馬子領（1983-），男，河南鄭州人，講師，主要從事機械設計及自動化技術相關方面的研究。