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(wǎng)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(qū)改造任務(wù)重

由于歷史原因，岳西縣水電供區(qū)電網(wǎng)存在基礎(chǔ)薄弱、設(shè)備老化、供電質(zhì)量差等問題，嚴(yán)重影響了群眾生產(chǎn)生活和穩(wěn)定持久脫貧。特別是夏季、冬季、元旦、春節(jié)等用電高峰期及雨雪冰凍等氣候環(huán)境下，供用電問題尤為突出。面對(duì)水電供區(qū)10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(qū)電網(wǎng)設(shè)備改造。2020年岳西縣供電公司農(nóng)網(wǎng)改造項(xiàng)目共開工196個(gè)，其中小水電供區(qū)175個(gè)，電網(wǎng)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(shí)長(zhǎng)。挖掘機(jī)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(qū)環(huán)境，電桿基本在山上，挖機(jī)到達(dá)不了現(xiàn)場(chǎng)，并不實(shí)用。2020年岳西縣供電公司原水電供區(qū)農(nóng)網(wǎng)改造項(xiàng)目共開工175個(gè)，改造工作時(shí)間緊、任務(wù)重。電網(wǎng)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(shí)長(zhǎng)。岳西縣供電公司現(xiàn)在農(nóng)網(wǎng)改造工作當(dāng)中，電桿坑開挖主要采用人工開挖的方式，但對(duì)于巖石層打洞需要采用風(fēng)鎬開挖。

2 研制方向

為此，本QC小組針對(duì)我公司農(nóng)網(wǎng)改造目前無法快速、安全、有效地開挖電桿坑的現(xiàn)狀，集思廣益，研制一種便攜式桿坑開挖器。該設(shè)備在結(jié)構(gòu)上可以分為2個(gè)部分：主體框架和掘進(jìn)機(jī)構(gòu)。采用此設(shè)備后，開挖人員可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和向下助力機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)鉆頭向下轉(zhuǎn)動(dòng)來對(duì)地面進(jìn)行開挖；同時(shí)設(shè)置移動(dòng)裝置和把手，相比挖掘機(jī)而言，本設(shè)備更加便攜，可以隨意搬運(yùn)，省時(shí)省力，降低人工成本，提高工作效率，且整個(gè)設(shè)備，制作簡(jiǎn)單，適合廣泛推廣。目前電桿開挖方式分為人工開挖、挖掘機(jī)帶鉆頭開挖和運(yùn)用打樁機(jī)開挖3種方式。岳西縣供電公司供區(qū)地處大別山附地，挖機(jī)帶鉆頭開挖及打樁機(jī)開挖2種方式受環(huán)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(jīng)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(shè)定目標(biāo)

研制一種便攜式桿坑開挖器，應(yīng)能夠適用于不同的地理環(huán)境，并能在不同的開挖地理?xiàng)l件下快速開挖電桿坑。

3.2 目標(biāo)量化

小組通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水磨管鉆鉆取巖石部分，每小時(shí)能鉆取0.6 m，簡(jiǎn)易打樁機(jī)挖掘泥土部分，每小時(shí)能挖掘12 m。對(duì)于理想電桿坑，水磨管鉆和簡(jiǎn)易打樁機(jī)復(fù)合使用，需用時(shí)1 h，因此量化目標(biāo)值為：電桿桿坑挖掘平均時(shí)間由3.5 h時(shí)降低到1 h。

3.3 目標(biāo)可行性論證

小組從主體框架和掘進(jìn)兩個(gè)方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行了理論可行性論證：小組成員在網(wǎng)上檢索到不同功能設(shè)備框架樣式和不同環(huán)境下設(shè)備移動(dòng)方式，面對(duì)山區(qū)地理環(huán)境，可以采用滾輪和多人抬的方式移動(dòng)，可以根據(jù)不同地理環(huán)境需求選擇更加合理的主體框架及攜帶方式—確定移動(dòng)方式。

岳西縣桿坑開挖主要環(huán)境是泥土和巖石層，泥土可以通過渦輪式鉆頭進(jìn)行開挖，巖石層可以通過風(fēng)鎬等鉆頭進(jìn)行開挖。以岳西地理環(huán)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(yù)估泥土層深2 m，巖石層深0.5 m。小組認(rèn)為桿坑開挖器是可以在不同的地理環(huán)境下快速開挖電桿坑—確定掘進(jìn)方式。

4 提出方案并確定最佳方案

針對(duì)初選方案，小組分別進(jìn)行了如下分解和優(yōu)化。

4.1 主體框架

岳西縣地處山區(qū)，便攜式桿坑開挖器在不同地理環(huán)境下工作，需要面臨不同地理環(huán)境的考驗(yàn)，能夠方便快捷的攜帶到山區(qū)復(fù)雜的地理位置。小組在選擇主體框架的時(shí)候，對(duì)設(shè)備的材質(zhì)分別提出了幾種備選方案，綜合考慮到設(shè)備的運(yùn)行環(huán)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(dòng)模塊

在移動(dòng)方式選擇當(dāng)中，小組考慮到不同地理環(huán)境情況，提出了在一般地理環(huán)境下輪胎滾動(dòng)移動(dòng)方式，山地地理環(huán)境情況下人工和爬樓機(jī)行走裝置2種移動(dòng)方式。并針對(duì)山地地理環(huán)境下不同方式，小組做了相關(guān)分析，認(rèn)為移動(dòng)方式是設(shè)備在不同地理環(huán)境能否便于攜帶的決定性因素，輪胎滾動(dòng)方案是正常地理環(huán)境下最優(yōu)的移動(dòng)方式，前行簡(jiǎn)單，移動(dòng)方便，價(jià)格低。面對(duì)山地環(huán)境，人工是最好的方式，人工速度快，不受復(fù)雜地理環(huán)境限制，無須增加成本。所以小組一般地理環(huán)境下選用輪胎滾動(dòng)移動(dòng)方式，山地地理環(huán)境情況下選用人工移動(dòng)方式。

4.3 固定模塊

由于設(shè)備在開挖過程中會(huì)產(chǎn)生較大的左右晃動(dòng)力，因此安全固定是設(shè)備工作的前提。根據(jù)設(shè)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(duì)固定方式的選擇進(jìn)行分析，小組考慮到設(shè)備在開挖時(shí)的穩(wěn)定性和設(shè)備的便攜程度，決定選用立錐固定。

4.4 掘進(jìn)模塊

掘進(jìn)模塊是設(shè)備能否實(shí)現(xiàn)電桿坑開挖功能的決定性因素，設(shè)備如何能夠在不同的地里環(huán)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(dòng)力和連接方式3個(gè)方面進(jìn)行了分析。

4.4.1 掘進(jìn)方式方案選擇

制作掘進(jìn)設(shè)備之前首先要確定掘進(jìn)方式，針對(duì)岳西縣地理環(huán)境中土質(zhì)條件，小組將土質(zhì)分為泥土和巖石層兩種。由于泥土土質(zhì)松軟，所以采用挖掘方式開挖，巖石層相對(duì)較硬，渦輪式鉆頭無法挖掘，小組根據(jù)現(xiàn)實(shí)中比較常見的挖掘方式提出了電鎬、風(fēng)鎬和水磨管鉆3種挖掘方案。

岳西公司供區(qū)土質(zhì)主要為泥土和巖石層2種，小組需要穩(wěn)定可靠的開挖，同時(shí)還要降低設(shè)備整體質(zhì)量，鉆頭更換簡(jiǎn)單，小組決定針對(duì)巖石層開挖方式選用水磨管鉆。

4.4.2 掘進(jìn)動(dòng)力方案選擇

岳西縣土質(zhì)主要為泥土和巖石層2種，巖石層具有很強(qiáng)的硬度，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力不夠會(huì)導(dǎo)致水磨管鉆鉆頭卡死，所以小組針對(duì)實(shí)際情況提出了汽油機(jī)、柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)三種動(dòng)力初選方案，并進(jìn)行了總結(jié)分析。對(duì)比掘進(jìn)時(shí)的動(dòng)力需求，汽油機(jī)和柴油機(jī)為動(dòng)力時(shí)，都能夠滿足掘進(jìn)需求。但是柴油機(jī)相比汽油機(jī)具有動(dòng)力更強(qiáng)、更安全等優(yōu)點(diǎn)，小組決定動(dòng)力選擇為柴油機(jī)。

4.4.3 鉆頭連接方式方案選擇

鉆頭工作時(shí)必須和驅(qū)動(dòng)模塊連接，與柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)保持相同轉(zhuǎn)速，由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高，連接方式必須安全可靠。小組在設(shè)計(jì)連接方式的時(shí)候提出了卡扣式和螺旋式2種方案，并進(jìn)行了方案分析評(píng)價(jià)，對(duì)比設(shè)備的結(jié)構(gòu)功能，卡扣式連接方式能夠縮短連接時(shí)間，減少設(shè)備成本。所以小組決定卡扣式連接方式。

5 制訂對(duì)策并實(shí)施

小組根據(jù)5W1H原則，就方案執(zhí)行的對(duì)策、目標(biāo)、措施進(jìn)行了討論研究，制定了對(duì)策表，申報(bào)公司相關(guān)部門同意后，進(jìn)行了對(duì)策實(shí)施。

5.1 對(duì)策實(shí)施一：采用冷鍍鋅鐵

為使設(shè)備安裝工作后，能實(shí)現(xiàn)正常工作，同時(shí)降低設(shè)備整體質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)主體框架材料型號(hào)及規(guī)格。目前市場(chǎng)上的熱鍍鋅鐵有多種規(guī)格，主要考慮的參數(shù)是類型、厚度及尺寸，設(shè)備主體框架應(yīng)牢固，確保不會(huì)由于工作造成變形，熱鍍鋅鐵厚度0.5～2 mm不等。小組經(jīng)過調(diào)查，對(duì)外形、厚度及尺寸提出幾種選擇，最終經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，小組確定采用熱鍍鋅鐵作為主體框架材質(zhì)，該材質(zhì)框架能夠經(jīng)受3.5 kN以下的外力，滿足對(duì)策目標(biāo)。

5.2 對(duì)策實(shí)施二：采用輪胎滾動(dòng)

5.2.1 措施一：選擇輪胎規(guī)格

為使設(shè)備整體組裝后，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定移動(dòng)，便于攜帶，需要設(shè)計(jì)輪胎。目前市場(chǎng)上的輪胎有多種規(guī)格，主要考慮的參數(shù)是胎體結(jié)構(gòu)及直徑，由于設(shè)備整體質(zhì)量和在不同地理環(huán)境下移動(dòng)，輪胎要求滑輪直徑20～40 cm不等。小組經(jīng)過調(diào)查，對(duì)胎體結(jié)構(gòu)及直徑提出幾種選擇。輪胎承受的最大壓力是受鉆頭鉆進(jìn)時(shí)巖石對(duì)鉆頭的反作用力，小組通過對(duì)鉆頭鉆進(jìn)巖石時(shí)輪胎所受的作用力進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)工作時(shí)輪胎需承受大于400 MPa的壓力。小組成員在網(wǎng)上查找承受大于400 MPa的壓力的實(shí)心輪胎價(jià)格較貴經(jīng)濟(jì)性極差，且移動(dòng)時(shí)震動(dòng)太大，所以小組選擇充氣輪胎。此外，考慮到移動(dòng)方便，小組通過試驗(yàn)總結(jié)，發(fā)現(xiàn)20 cm直徑的輪胎移動(dòng)時(shí)震動(dòng)太大且費(fèi)力，40 cm直徑的輪胎太大，移動(dòng)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(shù)據(jù)如下直徑為30 cm的充氣式輪胎。

5.2.2 措施二：選擇軸承規(guī)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(jìn)行移動(dòng)測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，符合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)有主體框架的配置可使該設(shè)備在地面上以1.5 m/s的速度穩(wěn)定移動(dòng)。因此，一般地理環(huán)境下采用輪胎滾動(dòng)對(duì)策目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

5.3 對(duì)策實(shí)施三：采用人工搬運(yùn)

小組根據(jù)外殼材質(zhì)和整體結(jié)構(gòu)，估算設(shè)備的重量為80 kg?？紤]到設(shè)備的體積和重量，小組設(shè)計(jì)需要2位工作人員進(jìn)行人工搬運(yùn)。為了搬運(yùn)過程中的穩(wěn)定可靠，2個(gè)人采用四點(diǎn)著力的方式進(jìn)行搬運(yùn)。在設(shè)備的兩端各側(cè)設(shè)置把手，依靠設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)，在設(shè)備底端可以通過固定點(diǎn)進(jìn)行著力搬運(yùn)，在設(shè)備頂端，小組設(shè)計(jì)了環(huán)形把手。小組組織兩名男性工作人員，采用人工搬運(yùn)的方式移動(dòng)本設(shè)備，在山地上坡和下坡路段均能夠輕松移動(dòng)。

5.4 對(duì)策實(shí)施四：采用立錐固定

為使設(shè)備安裝工作后能平穩(wěn)固定在工作地點(diǎn)，并能支撐設(shè)備在工作時(shí)候的正?；蝿?dòng)。小組對(duì)立錐規(guī)格和材質(zhì)進(jìn)行了確定。立錐的材質(zhì)需要滿足以下3點(diǎn)要求，一是能夠通過焊接與主體框架穩(wěn)定連接，二是能夠有足夠的硬度插入到不同的土質(zhì)；三是能夠在不同的土壤環(huán)境里耐腐蝕。綜合以上，小組決定選用和主體框架材質(zhì)一樣的冷鍍鋅鐵。在規(guī)格選擇上，小組選用了頂端直徑為30 mm，末端直徑4 mm，長(zhǎng)度150 mm的圓臺(tái)狀立錐，同時(shí)考慮到部分松軟土壤，為了設(shè)備固定的平穩(wěn)，小組立錐頂端設(shè)計(jì)了直徑為100 mm的限位鐵片。小組將設(shè)備通過立錐固定到地面后，采用4 kN的橫向外力對(duì)設(shè)備進(jìn)行擊打，設(shè)備能夠穩(wěn)定立在地面。

5.5 對(duì)策實(shí)施五：采用渦輪式鉆頭

針對(duì)泥土層挖掘方式，根據(jù)岳西縣地理環(huán)境，由于泥土土質(zhì)松軟，小組確定了使用渦輪式鉆頭進(jìn)行挖掘，掘進(jìn)鉆頭是依靠驅(qū)動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)的高速旋轉(zhuǎn)，岳西常用電桿高度為10、12和15 m，根據(jù)電桿根部粗細(xì)，選擇渦輪式鉆頭設(shè)備直徑為50 cm，長(zhǎng)度為2.5 m。并采用高速鋼作為渦輪式鉆頭材質(zhì)。渦輪式鉆頭對(duì)泥土的掘進(jìn)效果好，成功率達(dá)到了100%。這說明渦輪式鉆頭能夠?qū)δ嗤翆訉?shí)現(xiàn)掘進(jìn)。

5.6 對(duì)策實(shí)施六：采用水磨管鉆

根據(jù)岳西縣地理環(huán)境，部分土質(zhì)含有巖石層，巖石層采用渦輪式鉆頭無法掘進(jìn)。小組采用水磨管鉆進(jìn)行掘進(jìn)。參考渦輪式鉆頭的規(guī)格，小組選用鉆頭設(shè)備直徑為50 cm，長(zhǎng)度為2.5 m?？紤]到巖石層的硬度，小組選用合成鋼作為掘進(jìn)鉆頭的材料。小組使用水磨管鉆鉆頭對(duì)巖石進(jìn)行了切割測(cè)試，水磨管鉆鉆頭對(duì)巖石的掘進(jìn)效果好，成功率達(dá)到了100%。這說明水磨管鉆鉆頭能夠?qū)r石層實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)。

5.7 對(duì)策實(shí)施七：采用柴油機(jī)

由于岳西地理環(huán)境為山區(qū)，桿坑開挖涉及到巖石層較多，所以柴油機(jī)給鉆頭提供充足的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。由于農(nóng)網(wǎng)改造部分桿坑在山上，設(shè)備需要移動(dòng)到山上，所以柴油機(jī)在動(dòng)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(jī)最大功率達(dá)到3.8 kW，轉(zhuǎn)速達(dá)到3600 r/min，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5.8 對(duì)策實(shí)施八：采用卡扣式

考慮到鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)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(jī)進(jìn)行連接，同時(shí)采取了鋼制插銷對(duì)連接進(jìn)行了閉鎖。將鉆頭和柴油機(jī)進(jìn)行連接閉鎖后，采用8 kN·m扭矩力進(jìn)行測(cè)試，鉆頭和柴油機(jī)能夠穩(wěn)定連接，正常旋轉(zhuǎn)。

5.9 對(duì)策實(shí)施八：總裝測(cè)試

5.9.1 措施一：繪制設(shè)備組裝CAD圖紙

小組根據(jù)各模塊尺寸繪制了設(shè)備組裝CAD圖紙，如圖1所示。

圖1 設(shè)備總裝CAD圖紙

5.9.2 措施二：總裝測(cè)試

小組根據(jù)CAD圖紙完成設(shè)備模塊制作及總裝完成后，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行整體測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，小組研制的便攜式桿坑開挖器能在不同的地理環(huán)境下輕松攜帶，針對(duì)不同開挖環(huán)境能100%完成桿坑開挖，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 效果檢查

6.1 目標(biāo)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(qū)對(duì)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)多出農(nóng)網(wǎng)改造現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行桿坑開挖，并從中隨機(jī)抽取了5個(gè)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該裝置挖掘電桿坑的泥土部分時(shí)平均挖掘13.51 m/h，挖掘電桿坑的巖石部分時(shí)平均挖掘0.67 m/h。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，若挖掘理想電桿坑需耗時(shí)0.894 h，小于目標(biāo)設(shè)定值1 h，達(dá)到并超越了預(yù)期目標(biāo)。

7 效益分析

研制的便攜式桿坑開挖器設(shè)備使用后，實(shí)現(xiàn)了不同地理環(huán)境下桿坑通過機(jī)器開挖，極大地提高了作業(yè)效率，減少了作業(yè)人員，降低施工成本，同時(shí)針對(duì)巖石層通過風(fēng)鎬開挖產(chǎn)生碎石子飛濺傷人，水磨管鉆不會(huì)產(chǎn)生碎石子飛濺傷人，增強(qiáng)施工安全性。

便攜式桿坑開挖器設(shè)備使大大縮短了桿坑開挖時(shí)間，提高了農(nóng)網(wǎng)改造效率，加快原水電供區(qū)電網(wǎng)改造速度，為原水電供區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供保障。

小組將使用便攜式桿坑開挖器設(shè)備桿坑開挖方法和以前公司使用的清除方法在經(jīng)濟(jì)效益方面進(jìn)行對(duì)比分析，使用本設(shè)備比人工挖掘節(jié)約1150402.5元。