南水北调工程中段用大跨度开沟机设计

2014-04-28耿淼蕊吴家琦王卫楠

水利建设与管理 2014年5期

耿淼蕊，吴家琦，王卫楠

(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.华北水利水电学院，郑州 450008)

1 引言

开沟机是工程机械的主要机种之一，是一种用于土方施工中的开沟机械，被广泛应用于农田水利建设、通讯电缆及石油管线的铺设、市政施工以及军事工程等。而对于南水北调工程大跨度施工，目前尚没有成型的开沟施工机械。靠人工开挖，一方面效率低，另一方面精度差，严重束缚了工程进度和资金投入。因此，研制一种适合该工程的开沟机械迫在眉睫。

在河南省新郑段的南水北调施工中，坡跨度为23m，要求倾斜角为30°。工程长度为2km。需要对实际地质工况进行勘察，然后进行削坡和开槽。

桩号SH(3)164+500～SH(3)165+080为黏砂多层结构，以挖方为主，局部为半挖半填，挖方深度一般为9～10.5m。渠底板主要位于中壤土中，渠坡主要由细砂、重砂壤土和中壤土构成。重砂壤土、细砂土质不均，具弱～中等透水性。

2 总体方案设计

根据南水北调工程中段地质条件和具体的施工条件，对开沟机采用大跨度桁架式结构，其结构方案如图1所示。开沟机由桁架、执行机构、行走机构和操纵机构四部分组成。

图1 总体方案设计

桁架机构上有导轨，是整个机械的运行导向机构，在其强度允许的范围内采用格构件。这样可减轻自身重量，同时可作为其他专用机械的导向机构，达到一材多用的效果。执行机构为开沟主要部件，由电机、刀头、液压缸等零件构成。液压缸控制刀头伸出长度，从而决定开槽深度。其中，刀头是执行机构的核心部件，也是整个机械设备的关键部件，材料采用强度比较大的合金钢，制作成圆形带有多个刀头的结构，由刀头阻力公式求出其受力，并以此为依据校核轴和选择电机。走行机构是整个机械移动的动力装置，它的设计可借鉴起重机的走行机构，由电机驱动。

3 执行机构设计

执行机构是开沟机中的主要机构，由导向板、液压支柱、电机、刀头等构成(见图2)。电机功率大小取决于所挖土层性质。电机与刀头所连接的轴在本机构中承受着传递转矩的作用，其抗剪强度应满足设计要求。

图2 执行机构组成

3.1 刀盘扭矩的计算

开槽机刀盘扭矩是由刀具的切削阻力矩、面板及刀盘外周与地层的摩擦阻力矩两部分组成。

3.1.1 刀盘刀具的切削阻力矩

式中 Hα——一把切削刃所产生的阻力矩 Hα=2.1B0t210(－0.22θ);

nt——主刀具数量;

RK——主刀具平均安装半径(m);

es——切削阻力系数，松弛干燥砂为0.008～0.01，松弛湿润砂为0.01～0.02，密实湿润砂为0.02～0.04，黏土为0.4～1.2;

B0——切削刀刃宽度，cm;

t——切深，cm;

θ——切削刀刃的前角，rad。

3.1.2 刀盘面板与地层间的摩擦阻力矩

式中 c——松弛土的黏着力，Pa;

ε——刀盘开口率;

rc——刀盘半径，m。

3.1.3 开槽机刀盘扭矩

对于刀具参数，为图3所示的刀具，则有刀盘正面与土体之间的摩擦阻力扭矩:

刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩:

刀盘扭矩:

图3 刀头结构设计

3.2 执行机构中轴的设计

执行中轴受到弯扭组合作用，在弯扭组合作用下，其直径满足

载荷平稳时，σp=σ－1p

式中 d——执行中轴直径;

m——轴在计算截面所受弯矩(N·m);

T——轴在计算截面所受扭矩(N·m);

σp——许用应力;

σ－1p——对称循环许用应力;

ψ——单向旋转校正系数，ψ=0.65或0.7。

选择40cr调质材料的实心轴，由文献［5］知 σ－1p=194～233MPa，得到 d=19.39mm，取整后d=20mm。

3.3 执行轴的有限元分析

执行轴为执行机构中的主要部件，其强度直接决定整个机械的使用寿命和工作效率。有必要用有限元分析软件ansys对执行中轴进行强度校核。其网格和应力应变如图4和图5所示。

图4 执行中轴网格

图5 有限元分析结果

从图5可以看出，最大应力为30.3MPa，远小于屈服强度241MPa，轴强度满足要求。最大应变发生在刀头段，达到35mm，精度满足使用要求。

3.4 电动机容量的选择

电动机的容量用额度功率来表示，其大小主要由运行的发热条件、工作容量来确定，必要时还需校核启动能力。对于载荷比较稳定、长期运行的机器，首先估计传动系统的总效率η，再根据工作机特征计算工作机所需电动机功率，最后选定电动机额定功率Pm，且使电动机额度功率Pm不小于工作机所需电动机功率Pr。由于负载是稳定的，无需进行过载能力的校核。

工作机所需电动机功率

式中 Pr——工作机所需电动机功率，kW;

Pw——工作机所需有效功率，kW;

F，T——工作机的阻力或阻力矩，N或N·m;

V，nw——工作机的线速度或转速，m/s 或r/min;

η——传动系统总效率。

由式(4)得

5选择电机型号为Y220L2-6。

4 桁架机构设计

桁架机构是一个由三节8m桁架螺栓连接而成的一个装配体，它是整个机械的导向机构，上部有轨道。桁架的纵横梁及支撑都是用冷弯空心型钢方钢组成，即F100×100×5(见图6)。

图6 桁架机构

该机构受力情况简单，除自重外，只承受执行机构重量。刀具在桁架中点时，对桁架进行强度校核，其中桁架的惯性矩和重量成为计算的关键点。

4.1 桁架惯性矩计算

在传统的金属钢结构设计教材和设计规范中对格构件通常采用折算长细比法来验算构件的整体稳定性(见图7)。对缀条式双肢轴心受压杆，折算长细比公式为

式中 λ——结构件对虚轴的长细比;

A——横截面所截各弦杆面积之和;

A1——横截面所截各缀条面积之和。

图7 不计腹杆影响时各弦杆截面

对缀条式四肢轴心受压杆件，折算长细比为

式中 λ、A意义同式(5);

A1——结构件截面所截垂直于所计算的失稳平面内各缀条面积之和。

为方便比较，将折算长细比λh折算成与原构件长度相同的折算惯性矩Ih

对应式(5)的双肢缀条式压杆之折算惯性矩为

对应式(6)的四肢缀条式压杆之折算惯性矩为

式中I为结构件横截面不计腹杆影响时由各弦杆截面产生的构件截面惯性矩。

4.2 桁架受力情况分析

桁架除了承受本身自重外(均布载荷形式)，还承受执行结构的重量(集中载荷形式)。由于单个计算结构的重量误差比较大，为了精确分析，对桁架机构和执行机构用三维虚拟设计软件UG进行建模，并求出桁架机构和执行机构的重量，如图8所示:桁架自重约11t，执行机构自重约0.58t。

图8 桁架和执行机构质量求解

由于桁架工作时坡度为1∶3，故梁的应力主要由弯曲产生，轴向拉伸压缩应力很小，分析时忽略不计。另外，在分析弯曲应力时，只考虑各力垂直桁架的分量。设备实际工作时，均布载荷大小和方向都是不变的，集中载荷作用点位置不断发生改变，大小并不变化，因此桁架机构受力如图9所示。由于执行机构位于桁架机构中点时，桁架受力为危险工况，以此工况进行计算。已知均布力q0=11×103×10/24=4583N/m，集中力F3=0.58×103×10=5800N。