， ，

(1. 郑州大学， 郑州 450000； 2. 河南理工大学万方科技学院， 郑州 451400；3. 华北水利水电大学机械学院， 郑州 450008)

南水北调工程中线链式开沟机工作装置设计

耿淼蕊1，吴家琦2，张祚昊3

(1. 郑州大学， 郑州 450000； 2. 河南理工大学万方科技学院， 郑州 451400；3. 华北水利水电大学机械学院， 郑州 450008)

本文介绍了因南水北调中段工程需要而设计的链式开沟机工作装置，对其工作装置的设计理论及具体设计进行具体说明，并列举了其工作参数。该工作装置与现有混凝土衬砌机的桁架、行走装置和驱动结合使用，结构简单、生产周期短、投资小、生产效率高。

南水北调工程； 链式开沟机； 工作装置； 设计

南水北调工程对我国的战略发展具有极其重要的意义。南水北调中线工程郑州新郑段渠道为梯形断面，渠底宽度有15m、16m、16.5m、17.5m、18.5m、20m、21m七种，内坡比为1∶3左右，渠坡主要为黏性土均一结构，由重砂壤土和黄土状轻、中壤土构成。施工内容包括：土渠床整理施工、排水暗管系统施工、砂砾料垫层施工、聚苯乙烯保温板施工、复合土工膜施工、混凝土施工、伸缩缝施工等。由于工期短，为了提高效率，工程中需要使用开沟工艺，为此研制了相应的开沟机。

开沟机具体功能要求为:能够在边坡系数为1∶3的坡面上施工，开沟尺寸能够达到400mm×600mm，工作效率能够达到100m/h，能够实现排土功能。

1 工作原理及方案设计

由于链式开沟机设备简单、组装方便，工作效率突出，开沟质量好，得到了广泛应用。链式开沟机由四大部分组成：工作装置、动力传动系统、机架、牵引设备。结合工程施工背景，利用施工中已有设备混凝土衬砌机的机架、动力装置及行走装置，该设计仅开发工作装置即可。

工作装置由链刀组合、支撑梁、悬臂架、主动轴组合、排土器组合和从动轴组合组成(见图1)。开沟机工作时，动力由桁架上的电动机输出轴输至减速箱，经过变速传递给开沟机工作装置——主动轴，通过控制液压系统使梁下倾到一定角度，从而使置于其上的链刀组合与土壤作用。在整个开沟机工作装置前进的同时，开沟链条上的刀片沿着梁的下侧方向，随着链传动斜向上运动并进行切土，被切下来的土壤在刀具的带动下绕过主动链轮后卸载，卸载后的刀具沿梁的上侧斜向下运动，在绕过从动链轮后继续切削土壤，通过连续不断的运动，开沟机不断地进行切土。在主动链轮处落下的土壤被对称布置的螺旋排土器分送到沟槽的两侧，而开沟机同时前行，如此工作，就形成了沟槽。当需要改变槽宽和槽深时，只需要改变刀具的数量和排列规则，还可利用增加或减少垫块的方法来增大或减小槽宽以及槽深。该机械装置对不同的工作要求和工况具有良好的适应性。

1-链刀组合； 2-支撑梁； 3-悬臂架； 4-主动轴组合；5-排土器组合； 6-从动轴组合

根据工程的要求并考虑到实际工作环境，开沟机的工作参数为：

开沟最大宽度：400mm；

开沟最大深度：600mm；

前进速度：100～300m/h；

链条线速度：1～15m/s；

动力输出轴转速：1000r/min。

2 工作装置设计的理论基础

在开槽过程中，刀具连续不断地切削土壤。被切下来的土壤，一部分在切削刃的前端面形成土堆，被刀具带着往前运动；另一部分土壤在挤压力的作用下越过切削刃前端的土堆进入圆弧形刀体内。由此可见，在开槽的过程中，刀具除了受到切削阻力外，还会受到土壤进入圆弧形刀体内的阻力以及带动土堆的阻力，对于后两项，可以将其合称为装土阻力，而总阻力是指切削阻力与装土阻力之和。

2.1 切土阻力的计算

切削总阻力计算公式为：

(1)

式中Cs——土壤坚实度计的冲击次数，可取Cs=15；

δ——切削厚度；

b——刀具宽度；

φ——刀具切削角，对于圆弧形刀片，刀具的切削角等于后角γ2；

eH——刀具尖角计算系数，一般情况下取eH=0.81。

单个刀片的切削阻力：

(2)

由于所设计的开槽装置8把刀具为一个工作组，则开槽机链刀总切削阻力：

(3)

式中Z——链条上同时与土壤作用的刀片数。

在实际施工中，刀片受到各种冲击的影响，在设计计算时应该加入动载系数k0。一般情况下动载系数k0取1.3～1.5，初取1.4，则：

(4)

2.2 开槽机功耗计算

开槽机工作装置的总切削功耗为：

Pt=Ftva

(5)

链式开沟机的总切削比功，即单位立方米作业量的切削功耗：

(6)

式中s——槽的断面面积

沿沟深方向提升土壤的功耗，每次切削下来的土壤层的重心都相同，距地面均为0.5H，有

Pr=Qρ′×0.5H×Kp

(7)

式中Kp——土壤颗粒在链刀与槽侧壁间滞塞的可能系数，取Kp=1；

ρ′——土壤容重。

土壤容重是指土壤在没有被破坏的自然结构下，单位容积中的重量，通常以N/m3表示。土壤容重的大小反映土壤结构、透水性、透气性以及保水能力的高低，一般土壤容重为(1～1.8)×103N/m3，土壤层越深则容重越大。

被运送土壤与沟槽土壤的摩擦功耗

Pf=Qρ′(0.5H+H0)μ2cosα

(8)

式中μ2——土壤的内摩擦系数。

螺旋排土器移动土壤的功耗：

(9)

式中C0——用实验的方法确定的螺旋排土器对土壤的阻力系数，对大多数土壤C0取4～5；

LB——移动土壤到开沟边的最大距离，一般取0.4～0.5m，本文取0.4m。

由以上计算结果可得开槽机工作装置总功耗为：

(10)

式中η1——开槽装置链的传动效率，取0.7；

η2——链刀组合的开槽效率，取0.5。

3 工作装置设计

3.1 链刀组合设计

链刀组合围绕在主动链轮、从动链轮和梁上。考虑到工作空间的限制，初步设计开沟机工作部分的链传动两链轮的中心距为1200mm左右。工程施工要求开沟宽度400mm，开沟深度600mm，初步确定采用单排链，刀片沿链宽方向上左右依次交错排列。对于开沟工作链，综合考虑功率、转速及刀片安装等因素，初步选用标准A系列滚子链40A。链条尺寸如下表所示。链速为：

v=n1z1P/(60×1000)

(11)

式中n1=111r/min。

取主动链轮齿数17，从动链轮齿数13，可得n2=145r/min。

传动链轮的技术参数表

刀片选择不仅能够切削普通硬度的土壤，还可以将切下的土壤带离槽底，采用对土质适应性好、开挖效率高的圆弧杯形刀片。后角对切削阻力的影响很大。减小后角会使后刀面与切削表面之间的摩擦力增大，切削力就会变大，有利于切削；但是如果后角过大，刀具的楔角就会变小，使得刀具强度降低，刀刃的稳定性下降，切削力反而会减小。所以后角不能取得太大，一般取11～15°即可。因此，设计杯形刀片的后角为13°，宽度为70mm，刀具高度为115mm。

尽可能在链的宽度方向上保证不漏切。切削过程中，某一刀片离开土壤时，必须要有一把相位相同的刀片入土，以保证切削阻力以及阻力矩基本不变，从而保证链刀组合的平稳性。为满足以上要求，可以将刀具的排列方式设计成沿链的长度方向左右交错排列。

3.2 主轴组合设计

主轴组合要实现的功能是当主轴带动轴上的零件作回转运动时，同时能够保证开沟装置可以绕其轴心转动，以实现开沟机工作装置的升高和降低，从而调节槽深。

将两个轴承的受力分解为水平分力和竖直受力，在水平面内和竖直面内对轴进行受力分析，如图2所示。

图2 主轴受力分析计算

由式(10)开沟机总功率为P0=4337.79W，主轴上的两个链轮均按最大功率计算，即按开沟机总功率计算，已知链条线速度v=2m/s(由式(11))，则链轮的有效圆周拉力：

Ft1=Ft2=P/v=2168.9N

计算扭矩：

T=955P/n=373.22N·m

由于工作时链传动为倾斜传动，所以作用在轴上的力：

F1=F2=1.2KAFt1=3643.75N

其中KA为工况系数，取1.4，中等冲击。

图2中将F2分解为F2′=F2sin45°，F2″=F2cos45°，分别在水平面内和竖直面内列出力平衡方程和力矩平衡方程，求出各支反力。由此计算出轴所承受的弯矩，作出水平面和竖直面内的弯矩图(见图3)。

图3 主轴内力图

由图3中可以得出:B处为危险截面。计算B点处的当量弯矩，由第三强度理论得

(12)

式中：α=[σ-1]/[σ0]=0.6，扭转剪应力按脉动循环变化，主轴材料采用45钢，调制处理，许用弯曲应力[α]=65MPa。

验证主轴的强度：

(13)

由式(13)得σ=5.29MPa。由σlt;[σ]=65MPa可知主轴满足强度要求。轴承选用调心滚子轴承，查手册选用的型号为22224C，与其配合的轴直径为120mm。

3.3 从动轴组合设计

根据从动轴的主要限制条件，由于轴向尺寸有限，可以将从动轴做成螺栓的形式，以使从动轴便于安装和支撑，从动轴的另一端使用六角开沟螺母和开口销固定。轴承选用滚针轴承，根据链轮的直径选取的轴承型号为NA6908。安装时直接将链轮装在链轮内，这样不仅满足了从动链轮的安装要求，也节省了空间，而且可以利用链轮的一侧对轴承进行轴向固定；链轮通过轴肩和弹性挡圈固定。

3.4 排土器组合设计

该开沟机设计的一大优点是能够将开挖的土排到槽的两端，而实现这一功能的正是螺旋排土器。螺旋排土器同样由链传动带动，由于排土器两侧的螺旋状部件的旋向相反，转动后便将开挖出的土排向两侧。螺旋排土器设计的关键是应避免排土器与链刀组合发生干涉，选定螺旋排土器的长度为250mm，直径为175mm。

3.5 梁的结构设计

梁的作用是支撑开沟链和排土器组合，以及通过液压缸调节梁的角度从而调节槽的深度。梁的尺寸主要受到设计槽深、挂接机构尺寸的限制。在梁的工作角度为45°左右的情况下来进行设计，一是要保证所开槽的深度能够达到600mm，二是要保证梁在安装时不能与任何链轮发生干涉。

在设计排土器轴系与梁的连接时，考虑到排土器两侧所受力的方向相反，从而整个排土器轴所受的轴向力并不大，考虑选用角接触轴承7015AC，两轴承分别靠梁的外板、套筒以及轴肩进行轴向定位。而梁上端的耳环用于和液压缸铰接，横梁的设计是为了保证梁的刚度和强度。

3.6 开沟机工作装置总装配

在开沟机工作装置的所有部件均设计出来后，便可以进行总装了。装配时应选择合适的装配顺序：ⓐ将挂接机构与主轴组合装配；ⓑ将梁与挂接机构进行装配；ⓒ用液压缸将挂接机构和梁连接起来；ⓓ将从动轴和从动链轮装配在梁上，然后装配排土器组合；ⓔ装配链传动和刀具，完成总装配。其三维造型见图4。图5为链式开槽机总图。

4 结 论

以上设计的链式开沟机工作装置，利用现有混凝土衬砌机的桁架、驱动装置和行走装置，设备投资小、生产周期短、开沟效率高，在南水北调工程中段施工中得到了好评。

图4 链式开沟机总装配侧面图

图5 链式开槽机总图

◆

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