HJXK－1型超長(zhǎng)邊坡渠道削坡開槽機(jī)的研制

郝用興，張明慧，馬子領(lǐng)，馬少丹，宋利輝

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

南水北調(diào)工程是優(yōu)化我國水資源時(shí)空配置的重大舉措，是解決我國北方水資源嚴(yán)重短缺問題的特大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是未來我國可持續(xù)發(fā)展和整個(gè)國土整治的關(guān)鍵性工程． 在南水北調(diào)工程的渠道襯砌施工階段，襯砌施工之前需要對(duì)渠道邊坡進(jìn)行精削坡，結(jié)構(gòu)層中排水系統(tǒng)的安裝需要開挖溝槽．傳統(tǒng)的削坡方式是人工配合機(jī)械進(jìn)行施工，溝槽開挖則是人工配合小型挖掘機(jī)進(jìn)行施工的． 此種施工方法需要投入較多人力且施工進(jìn)度緩慢，施工精度也無法保證．南水北調(diào)中線一期工程潮河段六標(biāo)，位于鄭州航空港區(qū)，標(biāo)段全長(zhǎng)8 km，其中水泥改性土段長(zhǎng)4 536 m，渠道深度8．50 ～9．15 m、坡比1∶2．0 ～1∶3．5、坡長(zhǎng)22．87 ～33．34 m． 本標(biāo)段共需削坡65 萬m2，總開槽長(zhǎng)度約127．36 km．按照南水北調(diào)的技術(shù)要求，混凝土襯砌的土質(zhì)坡面平整度應(yīng)不大于20 mm/2 m．施工中渠道邊坡表面平整度不易控制且技術(shù)要求較為嚴(yán)格，經(jīng)水泥改性土換填后的坡面土質(zhì)強(qiáng)度較高，若采用人工配合挖掘機(jī)削坡、開槽，施工效率極低，削坡與開槽的精度不高［1－4］．為此，亟須研制出一種新型的渠道削坡開槽機(jī)，以提高施工效率和降低施工成本．

在黃河水利工程中，黃河三角洲地區(qū)麻灣灌區(qū)節(jié)水改造工程中使用的HHLJG2－1 型削坡器［5］和洛陽麗銘機(jī)器設(shè)備有限公司研制的自動(dòng)削坡機(jī)，其功能單一，只具備削坡功能;菏澤黃河二期標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)中研制的旋耕式多齒開槽機(jī)［6］和長(zhǎng)江大堤牛屯河段防滲墻施工中運(yùn)用的鏈斗式開槽機(jī)僅具備開槽功能;洛陽麗銘機(jī)器設(shè)備有限公司研制的自動(dòng)削坡機(jī)的升降裝置的可調(diào)整精度低．基于上述問題，筆者設(shè)計(jì)了一種HJXK－1 型超長(zhǎng)邊坡渠道削坡開槽機(jī)，實(shí)現(xiàn)了渠道削坡、開槽快速高效的機(jī)械化施工．

該機(jī)不僅能夠進(jìn)行自動(dòng)削坡作業(yè)，同時(shí)還能夠進(jìn)行坡面開槽作業(yè)，具備一機(jī)多用的特點(diǎn)．與傳統(tǒng)的施工方法相比，采用該機(jī)械施工提高了切削效率、減少了調(diào)整時(shí)間、確保了施工精度、加快了施工進(jìn)度、節(jié)約了施工成本．

1 渠道削坡開槽機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，渠道削坡開槽機(jī)由桁架1、大車行走系統(tǒng)2、邊坡調(diào)整系統(tǒng)3、切削系統(tǒng)4、行走動(dòng)力系統(tǒng)5 和控制室6 等部分組成［7］．

1．1 桁架

桁架是削坡機(jī)的主體部分，也是整個(gè)削坡裝置的支撐部分．該機(jī)器的桁架采用模塊化組合，能夠根據(jù)渠道不同坡長(zhǎng)的需要進(jìn)行組合，滿足不同坡長(zhǎng)的切削需要．該機(jī)器桁架由3 節(jié)組成，其中第1 節(jié)放于坡底，長(zhǎng)11．150 m;第2 節(jié)放于坡頂，長(zhǎng)12．032 m;第3 節(jié)是調(diào)節(jié)段，有1．740、4．011、8．266、10．483 m 4 種長(zhǎng)度．通過不同的組合可以適應(yīng)22．88、24．620、26．880、31．120、33．340 m 5 種長(zhǎng)度的坡長(zhǎng)的切削．2個(gè)框架之間采用法蘭連接，鉸制孔螺栓固定，保證了連接的可靠性與互換性，如圖2 所示． 在荷載作用下，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強(qiáng)度，當(dāng)跨度較大時(shí)比實(shí)腹梁節(jié)省材料，自重輕和剛度大．同時(shí)，該機(jī)器還可以通過調(diào)整桁架上部個(gè)別模塊的間距來調(diào)整機(jī)架撓度，從而保證桁架底部的水平度，提高削坡精度．

圖1 渠道削坡開槽機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

圖2 桁架

1．2 大車行走系統(tǒng)

大車行走系統(tǒng)由電機(jī)、立式減速器帶動(dòng)滾輪沿著軌道運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)邊坡工作面的切換，在行走輪的外端設(shè)有擋軌板，如圖3 所示．

圖3 大車行走系統(tǒng)

大車驅(qū)動(dòng)采用連續(xù)變頻控制，通過模擬輸入能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速功能，從而減少了大車行走時(shí)的沖擊，保證了其行走的平穩(wěn)性及行走精度．同時(shí)增加了大車行走電子糾偏裝置，確保大車行走的同步性，保證了開槽的精度．

1．3 邊坡調(diào)整系統(tǒng)

如圖4 所示，邊坡調(diào)整系統(tǒng)主要由4 個(gè)安裝在大車行走梁上的電動(dòng)絲桿升降機(jī)組成，通過電氣控制可實(shí)現(xiàn)單個(gè)分動(dòng)、單側(cè)聯(lián)動(dòng)、整體聯(lián)動(dòng)等功能． 單個(gè)分動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)桁架的調(diào)平;單側(cè)聯(lián)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)變坡，使桁架適用不同的坡角;整體聯(lián)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)桁架整體的起落，實(shí)現(xiàn)切削深度的調(diào)整．

圖4 邊坡調(diào)整系統(tǒng)

1．4 切削系統(tǒng)

切削系統(tǒng)包括切削裝置和削坡刀架系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器實(shí)施切削、開槽的執(zhí)行機(jī)構(gòu)．

1．4．1 切削裝置

切削裝置主要由機(jī)座、回轉(zhuǎn)盤、電動(dòng)機(jī)、減速器、切削刀具等組成．該機(jī)器采用密齒型銑刨組合式刀具，加裝了合金刀頭，刀頭不易磨損，使用壽命長(zhǎng)．同時(shí)，可以根據(jù)不同的工作環(huán)境更換切削刀具，亦可通過自適應(yīng)控制系統(tǒng)控制刀頭轉(zhuǎn)速．刀頭如圖5 所示．

圖5 合金刀頭

1．4．2 切削刀架系統(tǒng)

削坡刀架系統(tǒng)由前板、中板、底板、滾輪組成，由鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)牽引帶動(dòng)滾輪沿著桁架軌道行走，如圖6 所示．削坡刀架系統(tǒng)可在主機(jī)架上平穩(wěn)運(yùn)行，也可由電機(jī)控制在主機(jī)架上往復(fù)行走． 由于桁架比較長(zhǎng)，在桁架上運(yùn)行的削坡刀架有2 組，2 組的間距剛好是桁架總長(zhǎng)的一半，這樣可以減少整個(gè)系統(tǒng)的切削時(shí)間．待削坡刀架系統(tǒng)從最上端或最下端行走到另一端時(shí)，開啟行走系統(tǒng)使主機(jī)架縱向移動(dòng)，從而達(dá)到削坡、松土、找平的連續(xù)性． 削坡機(jī)削出的土還留在坡面上，既避免了建基面因暴曬產(chǎn)生干裂，又防止下雨時(shí)建基面被雨水沖毀，解決了渠道削坡速度慢、削坡建基面不平整、挖機(jī)削坡費(fèi)用高等問題，在保證施工質(zhì)量的前提下，大大提高了施工效率．

圖6 削坡刀架系統(tǒng)

1．5 切削行走機(jī)構(gòu)

如圖7 所示，切削行走機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩牽引，通過固定在桁架上的卷筒的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收放，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)切削機(jī)座的牽引．切削行走機(jī)構(gòu)共有4 個(gè)車輪，其行走輪可以沿著桁架軌道運(yùn)動(dòng)，在切削行走機(jī)構(gòu)的外端還設(shè)有清軌板和緩沖器．

在坡頂側(cè)和坡底側(cè)分別裝有換向限位開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)切削行走機(jī)構(gòu)的自動(dòng)換向，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率．同時(shí)，該機(jī)器通過更換齒輪實(shí)現(xiàn)不同的開槽切削速度(0．25 ～2．50 m/min)，既能滿足削坡高速的需求，又能滿足開槽低速的要求．

圖7 切削行走機(jī)構(gòu)

1．6 控制室

該機(jī)器的控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52 為核心控制部件，整個(gè)系統(tǒng)包括變頻器、變頻電機(jī)、霍爾傳感器等器件． 用A44E 霍爾傳感器來獲取數(shù)字脈沖信號(hào)，通過選擇合適的硬件，并對(duì)硬件的工作方式及內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和軟件編程，使之完成速度測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻控制，達(dá)到勻速切削、開槽的目的［8］．

2 渠道削坡開槽機(jī)在Pro/E 中的建模和運(yùn)動(dòng)仿真

2．1 建模

運(yùn)用Pro/E 的裝配功能將各部件按照一定的運(yùn)動(dòng)方式組裝起來，可以得到削坡開槽機(jī)的三維模型圖，如圖8 所示．

圖8 整機(jī)三維模型裝配圖

2．2 削坡開槽機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

削坡開槽機(jī)的一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期為:切削系統(tǒng)沿桁架軌道運(yùn)動(dòng)、刀具旋轉(zhuǎn)→桁架整體下降→切削系統(tǒng)沿桁架軌道反向運(yùn)動(dòng)、刀具旋轉(zhuǎn)→桁架整體上升→整機(jī)沿坡面軌道運(yùn)動(dòng)．

依據(jù)上述工作過程，對(duì)模型相應(yīng)的部件添加電動(dòng)機(jī)，各運(yùn)動(dòng)參數(shù)定義的情況見表1．

表1 各工序下部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)值

在Pro/E 中模擬削坡開槽機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程結(jié)果表明，該機(jī)器各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)適宜，可以實(shí)現(xiàn)削坡開槽的一體化作業(yè)．

3 應(yīng)用實(shí)例

將HJXK－1 型超長(zhǎng)邊坡渠道削坡開槽機(jī)應(yīng)用于南水北調(diào)中線一期工程潮河段六標(biāo)渠道工程施工中，其成型后的坡面和溝槽平整、順直，如圖9 所示．

圖9 采用渠道削坡開槽機(jī)成型的坡面和溝槽

對(duì)潮河段六標(biāo)渠道施工樁169 +200—169 +250(右坡)段坡面和溝槽的質(zhì)量進(jìn)行檢查，其檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2．

表2 坡面和溝槽的檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，坡面平整度要求誤差在20 mm/2 m，溝槽位置要求偏差在0 ～±50 mm．由表2 中的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，檢測(cè)結(jié)果合格率為100%，削坡平整度和溝槽位置精度均在設(shè)計(jì)允許誤差之內(nèi)． 因此該機(jī)器削坡、開槽的質(zhì)量均滿足施工要求．

在工程應(yīng)用中，對(duì)該削坡開槽機(jī)的效率、費(fèi)用方面做了分析:與傳統(tǒng)的人工削坡相比，該機(jī)器每削坡1 m2，可節(jié)約成本5．43 元;每開槽1 m，可節(jié)約成本14．76 元． 在潮河段六標(biāo)工程中，使用HJXK －1 型超長(zhǎng)邊坡渠道削坡開槽機(jī)完成削坡約35 萬m2，開槽長(zhǎng)度約66 640 m，節(jié)約成本約288．43 萬元，效益顯著．

HJXK－1 型超長(zhǎng)邊坡渠道削坡開槽機(jī)，已在南水北調(diào)中線一期工程潮河六標(biāo)等工程中推廣應(yīng)用，結(jié)果顯示，施工進(jìn)度加快，施工質(zhì)量得到保證，施工成本得到降低，并獲得了業(yè)主和監(jiān)理的一致好評(píng)．

4 結(jié) 語

HJXK－1 型超長(zhǎng)邊坡渠道削坡開槽機(jī)，實(shí)現(xiàn)了渠道削坡、開槽的機(jī)械化施工，保證了施工質(zhì)量，簡(jiǎn)化了施工中設(shè)備的調(diào)整工序，減少了輔助工作時(shí)間，降低了施工成本．其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作安全，維修方便，工作可靠，渠道一次成型，且表面光滑密實(shí)，斷面標(biāo)準(zhǔn)，抗凍性能好，壽命長(zhǎng)．與渠道襯砌機(jī)、磨光機(jī)等機(jī)械配套使用，可以完成大型渠道的開挖和混凝土襯砌的機(jī)械化施工，且效益顯著．

目前，該機(jī)器不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出土．下一步的研究工作將圍繞在保證施工進(jìn)度和質(zhì)量的前提下，繼續(xù)改進(jìn)和完善本機(jī)器的功能，使其實(shí)現(xiàn)削坡(開槽)、出土、裝車的一體化作業(yè)．

［1］張小剛，劉登超，陳崇德． 削坡機(jī)在大型渠道施工中的應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)業(yè)月刊，2013，26(9):177 －178．

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［4］王兆卿，孫建黨，張新江，等．旋銑式成槽機(jī)［J］．中國水利，2010(10):67 －68．

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