黃河搶險中挖掘機輔爪裝置的設計

張佑民

（1.河南黃河河務局，河南 鄭州 450003；2.河海大學，江蘇 南京 210098）

0 引言

經濟社會的發(fā)展對抗洪搶險工作的要求不斷提高，工程搶險的任務也不斷加大，靠人海戰(zhàn)術搶險已不適應新形勢下黃河防洪搶險的要求。 河南黃河河務局在20 世紀90 年代末組建機械化專業(yè)機動搶險隊伍之后， 在近20 年的抗洪搶險以及修筑堤防工程實踐中，不懈探索大型機械搶險技術。

當搶險工地調石調柳料時，人工搬石運柳工作十分繁重。 黃河防洪工程險情又多發(fā)生在夏季，恰逢雨季，施工道路難以通行，石料柳料運送十分困難，嚴重影響了搶險速度，甚至導致工程搶險陷于停頓狀態(tài)。 為加快搶險速度，提高搶險效率，必須改變傳統(tǒng)人工拋石運柳搶險的方法。 河南黃河河務局搶險技術人員結合搶險機械設備情況，提出了在挖掘機斗上安裝輔爪的研發(fā)思路，并根據(jù)研發(fā)思路，完成了挖掘機輔爪裝置搶險技術的研制與應用，徹底改變被動搶險的局面。

1 挖掘機輔爪裝置的基本結構

挖掘機輔爪裝置由兩個爪子、支撐板、前夾板、后夾板、前后擋塊和一些緊固件組成（如圖1 所示）。前夾板和后夾板通過6 條高強度螺栓夾住挖掘機的長臂。 由于挖掘機的長臂有一定的斜角，螺栓兩端均有方型斜墊片。 前后夾板的下面緊貼前后擋塊，斜面和擋塊共同限位，使前后夾板不會上下移動。 兩個爪子夾在后夾板的兩個槽子內，由6 個螺栓將其連接。 在兩個爪子之間，安裝三塊支撐板，將兩個爪子聯(lián)為一體，提高整體剛性。

圖1 挖掘機輔爪裝置結構圖Fig.1 Excavator auxiliary claw device structure

爪子（如圖2 所示）是挖掘機輔爪裝置的核心部件，它采用流線型結構，弧線的半徑和圓心的位置都經過精心設計，而且不同的圓弧段之間均為光滑過度， 因此外觀非常漂亮, 同時又避免了應力集中，提高了機械韌性。 鋼板1 是爪子的主體部分，上面有5 個等距的φ32 的孔，選擇不同的孔進行連接，可以改變爪子的上下位置。 鋼板2 有3 個作用：（1）增強爪子的剛性和強度；（2） 增大爪子工作面的面積，提高抓物的穩(wěn)定性；（3）上面加工有螺栓孔，通過支撐板可以將兩個爪子連接起來［1］。

圖2 爪子部件結構圖Fig.2 Claw part structure

2 輔爪裝置的工況及機械強度分析

2.1 輔爪裝置的工況分析

如圖3 所示，輔爪在抓物體的時候,需要與鏟斗配合，產生一個夾力,這時候受力最大。 等抓起物體以后，鏟斗處于下位，爪子處于上位，這時爪子基本不受力或受力很小。

圖3 輔爪工況示意圖Fig.3 Auxiliary claw working condition

2.2 輔爪裝置的機械強度分析

2.2.1 爪子機械強度分析

假定單只爪子在夾緊物體時所受的反作用力為P，離最近把合螺栓的距離為1.5 m(與實際情況非常接近)，那么螺孔處所受的彎矩M＝1.5 P。螺孔處材料的抗彎模量計算式[2]為

式中： W 為截面的抗彎模量；b 為截面的寬度，m；H 為截面的長度，m；h 為螺孔的直徑，m。

爪子的材質為Q235-A， 我們取許用應力[σ]=100 MPa［3］，由于

所以，

螺栓孔的位置是爪子最薄弱的地方，上式所算即為爪子的允許承載能力。 如果兩只爪子受力均勻，可以允許30 kN 的夾緊力，偏載的話，許用夾緊力更小一些。 挖掘機的操作人員應避免使夾緊力超過許用載荷。

2.2.2 爪子把合螺栓的強度分析

（1）螺栓受的剪應力計算

當爪子的夾緊力達到15 kN 時，按照靜力平衡關系（為簡化計算，忽略中間螺栓的影響），下面的螺栓將受到90 kN 的剪應力，其剪應力［3］為

式中：τ 為螺栓受的剪應力，Pa； 為螺栓受的剪應力，N；d 為螺栓的直徑，m。

（2）螺栓受的擠壓應力計算

螺栓受的擠壓應力[3]為

式中：σ 螺栓受的擠壓應力，Pa；l 為擠壓面的長度，即爪子的厚度，m。

以上所算應力對于8.8 級的螺栓來說是非常安全的。

2.2.3 前后夾板連接螺栓的工作情況

前后夾板連接螺栓在工作時常受到工作拉力，在裝配時要設法控制預緊力。

（1）前后夾板單根螺栓的預緊力［2］。

前后夾板單根螺栓的預緊力計算機式為

式中：QP為螺栓連接的預緊力，N；0.5 為合金鋼螺栓系統(tǒng)數(shù)；σ 為螺栓材料的屈服極限,螺紋性能等級8.8 級對應為640MPa；A 為螺栓危險截面的面積，m2；d 為螺栓危險截面的直徑，m。

（2）螺栓的擰緊力矩［3］

螺栓擰緊力的計算式為

式中：T 為擰緊螺母的力矩，N·m；K 為扭矩系數(shù)（近似取0.2）；Qp為預緊力，N；d 為螺栓直徑，m。知道了擰緊力矩，就可以通過控制擰緊力矩的大小來控制螺栓預緊力的大小。

所以，T＝0.2×130000×0.024=624N·m

（3）螺栓的總拉力［2］

根據(jù)前面對爪子的受力分析和夾板螺栓的分布，可以斷定螺栓的工作拉力不會超過90 kN。又因為螺栓相對于挖掘機長臂的相對剛度比較小，可以斷定螺栓的總拉力為為螺栓的相對剛度，金屬墊片螺栓的相對剛度一般取0.2～0.3。

螺栓的相對剛度取0.2 時，QF＝148 kN， 螺栓危險剖面的最大拉應力σmax=363 MPa， 安全系數(shù)n=

式中：QF為螺栓總拉力；△Q 為殘余預緊力；

螺栓的相對剛度取0.3 時，QF＝157 kN， 螺栓危險剖面的最大拉應力σmax=384 MPa，其安全系數(shù)n=

由此可見，安全系數(shù)n 始終大于1，螺栓是安全的。

3 應用效果及推廣情況

挖掘機輔爪裝置發(fā)明以后，河南黃河河務局對裝置進行多次試驗和應用，發(fā)現(xiàn)該裝置對抓運柳石枕或石料均有令人滿意的效果。 在近兩年的搶險中，該局利用安裝了輔爪的挖掘機向河壩根基拋柳石枕和鉛絲籠，提高了搶險速度，取得搶險戰(zhàn)斗的重大勝利。 根據(jù)搶險情況，大致進行了經濟效益測算。

3.1 挖掘機是否安裝輔爪裝置拋石投資對比

未安裝輔爪裝置前，12 min 拋籠1 個，每臺班8臺時拋40 個籠；安裝輔爪裝置后，裝石籠速度顯著提高，4 min 拋籠1 個，每臺班8 臺時拋籠120 個。 以每臺班油耗為133.6 L，1 L 柴油價格為7 元計算，則拋籠120 個（1 臺班）可節(jié)省投資1 870.4 元。

3.2 挖掘機安裝輔爪裝置與人工200m送柳料投資對比

挖掘機未安裝輔爪裝置時，不能用于抓柳料搶險。安裝輔爪裝置后，可用于長距離送柳搶險。在運距200 m 的條件下，一臺安裝輔爪裝置的挖掘機相當于200 人向搶險工地送柳， 每臺班可節(jié)省投資3 000元[4]。

4 結語

隨著科技的發(fā)展，大型機械代替人工進行搶險已成為發(fā)展的必然趨勢。 經過微小改裝的大型機械用于搶險，能夠顯著提高搶險速度，并能節(jié)省許多搶險費用。 如，安裝了輔爪的挖掘機比拋石機的工作效率更高，在同樣工作條件下，每年可節(jié)省投資數(shù)十萬元， 甚至百萬元， 而購置安裝一個輔抓僅2萬元左右。 在近年的黃河防洪搶險中，挖掘機輔爪裝置在多處黃河防洪搶險中得到了充分運用，起到了人工搶險無法達到的效果。 因此，利用挖掘機輔爪進行搶險，是以后搶險技術的一個重要推廣方向。

[1] 高興利，劉紅衛(wèi)，曹克軍，等.現(xiàn)代防洪搶險技術研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2010：80.

[2] 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］. 北京：高等教育出版社，2006：72.

[3] 孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學［M］. 北京：高等教育出版社，2000：156.

[4] 張佑民，蘇本超，梅龍.機械筑埽技術研究［J］.人民黃河，2008（8）：112.