步進式地下深窄槽鋸切裝備設(shè)計

李松濤，羅遠新，蔣綜明，羅 洋，刁 一，王 好

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 鄭州 451460；2.南方工程檢測修復(fù)技術(shù)研究院，廣東 惠州 516029；3.重慶大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，重慶 400030)

0 前言

新中國成立以來，我國華北平原耗水量劇增，缺水日益嚴重。上世紀60年代在黃河兩岸修建了大量黃河引水渠，當時由于技術(shù)條件的限制，堤壩材料采用泥土，且沒做防滲處理，這些問題堤壩的滲漏在冬季引起缺水。另一方面，由于泥沙常年累月的堆積，河南、山東段黃河河床高于城市和農(nóng)田，形成危險的地上懸河。而一旦夏季來臨，滲漏的空隙周圍非常容易出現(xiàn)決堤、垮塌風(fēng)險，洪水決堤會淹沒城鎮(zhèn)、損毀莊稼，造成不可挽回的損失[1,2]。

當前，新型高聚物材料的絕水性能優(yōu)異，前期試驗表明，厚度在1～3 cm便能取得良好防滲效果，滿足堤壩防滲要求[3-6]。目前高聚物防滲墻的施工工藝，先用翼型薄板，通過靜壓方式成槽，提取翼板的同時開始注漿，分步式成槽注漿形成連續(xù)防滲帷幕。但是靜壓成槽時，土體發(fā)生塑形變形，土體阻力很大，導(dǎo)致成槽深度較淺，目前只有5 m，5 m以下的部分仍可以滲漏[7-12]。且翼板強行擠開土體，導(dǎo)致孔隙水壓力增大，翼板兩側(cè)孔隙因水壓差異使得下沉翼板出現(xiàn)隨機偏斜，導(dǎo)致垂直性差，使相鄰槽不連續(xù)，槽縫連接處仍可滲漏。因此，本文將設(shè)計一款用于形成地下深窄槽的成型裝備，高聚物材料注入其中形成連續(xù)防滲墻，達到防滲目的。

1 總體方案確定

首先選定防滲墻成槽方法，根據(jù)方案再擬定設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求，按照執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和動力系統(tǒng)三大模塊對本裝備進行方案設(shè)計，形成鋸切裝備的初步方案，為本文鋸切裝備設(shè)計的基礎(chǔ)。

1.1 成槽方法

因高聚物防滲材料有防滲性能好、柔韌性強、可與大壩協(xié)調(diào)變形等優(yōu)點而受到南水北調(diào)工程防滲漏工程組的青睞，但在鋪設(shè)該高聚物防滲材料之前應(yīng)開挖出連續(xù)且深度足夠、寬度較小的溝槽。因此，需設(shè)計開發(fā)一款深窄槽成型裝備，同時實現(xiàn)“成槽”和“注漿”兩功能，且應(yīng)滿足成槽深、槽寬窄和施工對壩體擾動小、施工連續(xù)性好、施工作業(yè)空間小、性能穩(wěn)定可靠等特點。因此，為保證成槽連續(xù)性等要求，需采用去除材料的方式進行。

目前采取去除材料成槽的方法主要有鋸切成槽、雙輪銑削成槽和抓斗成槽，其特點如表1 所示。經(jīng)綜合分析，實際工作場合為華北平原，土質(zhì)單一，為砂土環(huán)境，可選取鋸切成槽的工藝，形成連續(xù)深窄槽。

表1 幾種主要成槽方法特點

1.2 執(zhí)行系統(tǒng)

機械系統(tǒng)中，執(zhí)行系統(tǒng)將各種形式的能量轉(zhuǎn)化為所需的機械能，是一個系統(tǒng)的輸出端。工程機械通常都具有兩種功能，即行走功能和作業(yè)功能，本裝備應(yīng)包含有行走機構(gòu)和成槽機構(gòu)。該設(shè)備設(shè)計主要性能包括：設(shè)備不偏斜，連續(xù)成槽，直線行駛，槽寬不大于50 mm，可拆卸最小單元限寬3 m、限高2.5 m。

1.2.1 行走機構(gòu)

設(shè)備在作業(yè)工程中，由于成槽較深，開槽執(zhí)行機構(gòu)較大，作業(yè)過程中不適于頻繁改變成槽執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)。對設(shè)備要求體現(xiàn)為兩點：

(1)姿態(tài)、平穩(wěn)性的要求高，需要設(shè)備主體剛度較大。

(2)設(shè)備的行走軌跡的需保證較高直線度。

為了滿足對設(shè)備提出的兩個要求，結(jié)合輪軌式結(jié)構(gòu)，本文提出“步進式行走機構(gòu)”。如圖1所示，在成槽作業(yè)過程中，支撐懸架通過四只懸架支腿的支撐保持水平狀態(tài)，移動主機和支撐懸梁組成自由度為1的移動副，以保證機構(gòu)運動軌跡是一條直線。當主機運動到極限位置后，主機四只支腿伸出接地，四只懸架支腿騰空，橫向進給系統(tǒng)反向驅(qū)動，使支撐懸架沿著軸方向前移。當主機移動到極限時，懸架支腿伸出接地，主機支腿收回，驅(qū)動主機前移。以此實現(xiàn)主機的步進式前行，達到連續(xù)開槽的目的。

圖1 步態(tài)交互式行走機構(gòu)示意圖

1.2.2 開槽機構(gòu)

本設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作載荷均具有對稱性，作業(yè)過程中受力不易偏載，較易糾正懸架的偏斜問題。鋸片切入土體的過程中可通過外置吊機控制鋸片，使鏈鋸逐步切入土體；注漿系統(tǒng)可與鏈鋸系統(tǒng)平行布置，便于在開槽后第一時間注漿，形成柔性防滲帷幕，有效防止槽的坍塌。施工效率更高，對壩體、河堤、湖堤的擾動更小，防滲效果更優(yōu)。操作簡便，施工時只用先豎直鋸切，后橫向鋸切，施工完成時以吊機提升鋸片的注漿板即可。

1.3 傳動系統(tǒng)

橫向進給因結(jié)構(gòu)限制，液壓缸設(shè)計行程3.7 m、制造成本高、推力易失穩(wěn)；齒輪傳動精度高、傳動比范圍廣、互換性好，最終選擇了齒輪傳動。

豎向升降中若采用齒輪傳動，會導(dǎo)致齒輪承受鏈鋸、注漿系統(tǒng)的巨大質(zhì)量，易引起齒面損毀，而油缸設(shè)計行程1 m、結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，有過載保護，所以選擇油缸傳動方案。

根據(jù)地下深窄槽鋸切填充裝備的實際工作需要，該設(shè)備采用液壓驅(qū)動方式，油液壓力25 MPa，各部件的運動均直接以液壓力作為直接動力來源。

2 深窄槽鋸切裝備設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

在總體方案設(shè)計的基礎(chǔ)之上，對各部件受力情況進行了計算。本裝備分成三大結(jié)構(gòu)件，分別為支撐懸架、移動主機和升降裝置。

2.1.1 支撐懸架

懸架作為支撐件，對移動機架起承重和保持直線路徑的作用，所以懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求比較高，懸架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 支撐懸架

支撐懸架主要采用標準矩形鋼管。通過將矩形鋼焊接為一個整體，以保證懸架整體的剛度。橫梁上焊接墊板，重軌和滾輪配合保證直線運動，齒條和齒輪的傳動使移動主機步進式前行。懸架下設(shè)有四只可拆卸的支腿油缸，通過單獨控制每只油缸的伸縮，可使懸架保持水平。

通過對懸架進行有限元分析計算，該模型的Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，最大Mises應(yīng)力值123.8 MPa。位移云圖如圖4所示，懸架中段出現(xiàn)最大縱向位移為6.035 mm。

圖3 支撐懸架應(yīng)力計算結(jié)果

圖4 外框架位移計算結(jié)果

2.1.2 移動主機

移動主機在支撐懸架上前移，帶動鏈鋸系統(tǒng)前行鋸切土體。主機與懸架之間、主機與鏈鋸系統(tǒng)之間均有相對運動，主機結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 移動主機

移動主機主要分為外框架、主機支腿和夾緊油缸三部分。如A向視圖所示，導(dǎo)軌滾輪和支撐滾輪將懸架緊緊包裹，使主機和懸架之間形成一移動副。

夾緊油缸如圖6所示，分為銷軸缸和導(dǎo)套鎖緊缸，兩者對鏈鋸系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)起夾持作用，用于實現(xiàn)鏈鋸系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)的步進式運動。

圖6 外框架與夾緊裝置安裝圖

為便于生產(chǎn)加工，將圖7中A1、D1、A2和D2共4處夾緊裝置以相同參數(shù)和樣式進行設(shè)計，其具體安裝情況如圖7所示。經(jīng)分析計算，圖7中D1和D2兩處受力最大，且4處設(shè)計結(jié)構(gòu)相同，所以只對外框架上D1和D2兩處結(jié)構(gòu)進行校核即可。

圖7 外框架有限元模型

通過分析計算，該模型的Mises應(yīng)力云圖如圖8所示，最大Mises應(yīng)力值124.7 MPa，發(fā)生在D1上面支撐套筒的肋板處。

圖8 外框架應(yīng)力計算結(jié)果

位移云圖如圖9所示，最大位移為0.873 6 mm，出現(xiàn)在D1的支撐套筒上，總體上位移較小。

圖9 外框架位移計算結(jié)果

2.1.3 升降裝置

升降裝置是鏈鋸系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)同移動主機之間的連接機構(gòu)，主要對鏈鋸系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)的上下運動起升降作，如圖10所示。

圖10 升降裝置

如A向視圖和B向視圖所示，內(nèi)框架上的滾輪同外框架上的導(dǎo)板緊密接觸，使移動主機和升降裝置形成一豎直方向的移動副。升降缸推動內(nèi)框架上下運動，在夾緊油缸的作用下實現(xiàn)鏈鋸系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)的步進式升降。

夾緊油缸對鏈鋸系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)起夾持作用，因其受力較大，其安裝較復(fù)雜，須有支撐套筒、肋板等加強件，具體如圖11所示。油缸組B1、C1、B2和C2四處受力情況簡單，受力較小。

圖11 內(nèi)框架與夾緊裝置安裝圖

3 懸架姿態(tài)調(diào)平策略分析

結(jié)合火箭發(fā)射平臺的調(diào)平策略，使用雙軸傾角傳感器檢測傾角，分析裝備姿態(tài)調(diào)平方法，為樣機的姿態(tài)調(diào)平提供理論指導(dǎo)意義。

3.1 研究對象

本裝備以步進式前行鋸切土體，鋸切時支撐懸架的支腿液壓缸與地面相接并保持水平狀態(tài)，正向驅(qū)動橫向進給系統(tǒng)，主機在懸架導(dǎo)軌上前行。為了防止裝備傾覆，需對支撐懸架進行姿態(tài)調(diào)平。

由于所切溝槽深達10 m，主機在鋸切過程當中，稍有偏斜情況發(fā)生，鏈鋸底端發(fā)生偏斜將被放大。當主機左右方向傾角僅0.2°時，鏈鋸底端出現(xiàn)偏載位移達70 mm，使鋸片受力不均，槽口偏斜，鋸片系統(tǒng)特別容易損壞。所以在鋸切進程中整個設(shè)備系統(tǒng)的姿態(tài)要求非常高，調(diào)平設(shè)備系統(tǒng)的姿態(tài)顯得尤為重要。

如圖12所示，支撐懸架系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)主要由懸架、導(dǎo)軌、齒條、液壓支腿組成，懸架姿態(tài)調(diào)平系統(tǒng)由雙軸傾角傳感器、伺服系統(tǒng)等組成。伺服控制系統(tǒng)根據(jù)雙軸傾角傳感器的信號控制液壓支腿的伸縮，使整個支撐懸架系統(tǒng)在鋸切過程中始終處于水平或者接近水平狀態(tài)。

圖12 支撐懸架結(jié)構(gòu)圖

3.2 建模及分析

以懸架的傾斜狀態(tài)來建立數(shù)學(xué)建模，并作出相應(yīng)假設(shè)：

(1)液壓支腿通過一較大鋼板壓在地面上，地面為彈性體，在整個鋸切過程中由地面變形引起支腿下沉較短。

(2)整個設(shè)備主體為理想剛性模型，姿態(tài)調(diào)平過程中受重力和載荷作用而不發(fā)生形變或形變太小可以忽略不計。

(3)四個液壓支腿為理想剛性模型，姿態(tài)調(diào)平中不發(fā)生形變或可以忽略不計。

設(shè)備鋸切進程中的偏斜等效為繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)，沒有繞z軸的旋轉(zhuǎn)運動和其他平移運動。

如圖13所示，將液壓支腿1的軸線同懸架上表面的交點記為O點，建立笛卡爾坐標系Oxyz，x軸平行于懸架長邊，y軸平行于懸架長邊。平面x2Oy2與地面平行，懸架坐標Ox0y0z0隨時變化。因懸架與地面不存在平動，故姿態(tài)調(diào)平可等價為將坐標系Ox0y0z0先后繞x旋轉(zhuǎn)了θ1角，然后又繞新坐標的y軸旋轉(zhuǎn)θ2角，到達Ox2y2z2的位置。

圖13中l(wèi)1和l2分別為支腿2和支腿3同支腿1的距離，四條支腿在坐標系Ox0y0z0中的坐標分別為0P1(0,0,0)、0P2(0,l1,0)、0P3(l2,0,0)和0P4(l2,l2,0)。整個設(shè)備左右對稱，對稱平面同x2軸的距離為l1/2，移動主機的重心G(xs,xs,xs)沿著該對稱平面前行。

固接在支撐懸架上的傾角傳感器能實時測出支撐懸架的y軸與面x0Oy2的夾角為α，x軸與面x0Oy的夾角為β。通過該兩傾角可以推導(dǎo)出各支腿的調(diào)平行程，進而完成支撐懸架的姿態(tài)調(diào)平。

圖13 支撐懸架平臺模型

在空間幾何問題中，同一點同時處在不同的坐標系，其坐標值并不相同，但是相互之間可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系進行轉(zhuǎn)換，矩陣通常可方便地描述這種變換關(guān)系。

姿態(tài)調(diào)平問題的核心即坐標系的轉(zhuǎn)換問題，以支撐懸架為對象，對該懸架的調(diào)平做理論分析。如圖14所示，設(shè)坐標系Ox0y0z0為三維笛卡爾坐標系，將該坐標系繞x0正向旋轉(zhuǎn)θ1角，得到新坐標系Ox1y1z1，兩坐標系的x0軸和x1軸相重合。旋轉(zhuǎn)過程遵循右手螺旋法則，即大拇指指向x0軸，順著四指彎曲方向旋轉(zhuǎn)為正，反方向為負。此時由坐標系Ox0y0z0到坐標系Ox1y1z1的變換矩陣為[13，14]

(1)

如圖15所示，將笛卡爾坐標系Ox1y1z1按右手螺旋法則繞y1軸正向旋轉(zhuǎn)θ2角，得到新坐標系Ox2y3z2，此時y1軸和y2軸重合，則由坐標系Ox1y1z1到坐標系Ox2y2z2的變換矩陣為

(2)

(3)

將式(1)和式(2)帶入式(3)，得到

(4)

圖14 坐標系繞x0旋轉(zhuǎn)示意圖

圖15 坐標系繞y1旋轉(zhuǎn)示意圖

(5)

(6)

(7)

圖16 空間向量與平面夾角關(guān)系示意圖

(8)

(9)

聯(lián)立式(8)和式 (9)，得到轉(zhuǎn)角θ1和θ2的關(guān)于α角和β角的表達式為

(10)

(11)

四支腿在坐標系Ox0y0z0中(與懸架固連)的坐標分別為0P1(0,0,0)、0P2(0,l1,0)、0P3(l2,0,0)和0P4(l2,l1,0)，則該四點在水平坐標系Ox2y2z2中(水平坐標系)坐標表示為2Pi(2Pix,2Piy,2Piz)。

(12)

得到個支腿在水平坐標系Ox2y2z0中z軸方向的坐標為

(13)

若液壓支腿縮回，則懸架會下降，因其大慣性質(zhì)量會導(dǎo)致極大沖擊力，所以在懸架姿態(tài)調(diào)平過程中遵循“追逐最高點”法。此外，液壓伺服系統(tǒng)在工作時難免出現(xiàn)滯后性，且油缸縮回時的抖動影響調(diào)平的精度，這也決定了調(diào)平過程需遵循“追逐最高點”法[15]，[16]。當傾角傳感器測出懸架平臺的兩軸關(guān)于水平面的夾角α和β角時，代入式(13)可得到最高支撐點，記最高點為Ph，各時刻四個支腿同最高點的位置誤差記為δi(i=1、2、3、4)，δi=Ph-2Piz≥0。

(1)當α>0，≤>0時，液壓支腿4最高，Ph=2P4z=l1·sinα+l3·sinβ，各支腿誤差為

(14)

(2)當α>0，β<0時，則液壓支腿2最高，Ph=2P2z=l1·sinα，各支腿誤差為

(15)

(3)當α<0，β>0時，則液壓支腿3最高，Ph=2P3z=l2·sinβ，各支腿誤差為

(16)

(4)當α<0，β>0時，則液壓支腿1最高，Ph=2P1z=0，各支腿誤差為

(17)

根據(jù)四種懸架模型的相對水平面傾角的不同情況，結(jié)合“最高點追逐法”，能夠確定四支腿中以誰為基準，并直接把各支腿誤差作為輸入，控制四液壓支腿的伸長行程，實現(xiàn)懸架的姿態(tài)調(diào)平。

4 裝備制造及現(xiàn)場測試

4.1 裝備制造

地下深窄槽鋸切裝備滿足國家重型裝備設(shè)計要求，符合國家重型裝備設(shè)計規(guī)范，經(jīng)理論分析，裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計可行且合理，經(jīng)過多輪專家評審后，對裝備進行加工制造。裝備加工制造主要分為主體框架制造、刀具制造以及外殼制造。

4.2 裝備切削試驗及分析

完成加工制造以及噴漆作業(yè)后，將裝備運輸至試驗場進行現(xiàn)場組裝與設(shè)備調(diào)試。啟動鏈鋸夾緊油缸，并借助吊車吊裝，完成鏈鋸的夾緊與鏈鋸銷孔定位，在夾緊油缸及升降油缸的共同作用下實現(xiàn)鏈鋸系統(tǒng)下行鋸切，調(diào)整切削馬達柱塞泵控制切削速度為0.3 m/s至0.6 m/s的速度區(qū)間。在鋸片下行切削至十米處啟動鏈鋸進給馬達，調(diào)整控制進給馬達的比例換向閥的開合設(shè)置進給速度為6 mm/s，實現(xiàn)鏈鋸橫向進給切削。

在預(yù)緊11 380 N緊鏈力情況下，鏈鋸底部張緊充足，未出現(xiàn)鏈節(jié)脫位的情況，且在鏈鋸下行切削過程中底部鏈節(jié)切削狀態(tài)良好，刀具未出現(xiàn)明顯傾覆且鏈鋸底部未見振動異響，驗證鏈鋸張緊力的可行性。

根據(jù)現(xiàn)場取樣刀具排屑以粘土為主并且刀具排屑情況良好，但是仍有少部分含水率過高的粘土在刀具上粘連。切削過程未見較大以及較堅硬巖石情況，鏈鋸切削至地下10 m處未出現(xiàn)卡刃現(xiàn)象，所排出切屑中僅存在少部分堅硬砂巖以及脆性軟巖，其尺寸在15～60 mm，僅有少部分樣品出現(xiàn)破碎斷面。試驗表明，在河南省平輿試驗場地質(zhì)條件下，地下深窄槽裝備鋸切情況良好。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款開挖槽深大于10 m的地下深窄槽鋸切裝備，采用SolidWorks軟件建立模型，對深窄槽鋸切裝備進行設(shè)計。并依據(jù)所建立四足支撐缸懸架平臺，結(jié)合雙軸傾角傳感器所測傾角，確定“追逐最高點”的姿態(tài)調(diào)平策略，修正了實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)平策略的算法，得到給定兩向傾角情況下每個支腿油缸應(yīng)有的伸縮量，為樣機的姿態(tài)調(diào)平提供理論和現(xiàn)實意義。