立式螺旋電纜挖溝機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

立式螺旋電纜挖溝機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

電纜挖掘機(jī)是為油田安裝電纜而開發(fā)的專用于定形溝的工程設(shè)備。電纜溝要求的溝形是寬300mm,深700mm。與目前采用的施工方法相比,該電纜挖溝機(jī)具有體積小、操作方便、工作效率高和工作裝置制造費(fèi)用低廉等特點(diǎn),具有較好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。這種挖溝機(jī)可得到規(guī)整的溝形,對(duì)于窄而深的溝,效率較高;對(duì)于較硬的地面條件,也可直接挖溝作業(yè),而不用預(yù)先松土,更有明顯的優(yōu)勢(shì)。螺旋挖溝機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)為:主機(jī)功率(kW)50挖溝寬度(mm)300挖溝深度(mm)700挖溝能力(m/h)100通過試驗(yàn),在滿足溝形尺寸的條件下,試驗(yàn)的土壤為黏重土壤(比阻0.09-0.15MPa),挖溝能力(挖溝速度)為100m/h左右。1拋土及挖掘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本電纜挖溝機(jī)采用立式螺旋挖溝結(jié)構(gòu),分為工作主機(jī)和挖溝工作裝置兩部分(見圖1)。挖溝方式不同于其它形式,如鏈齒式、鏈斗式或圓盤式等,是利用螺旋打洞機(jī)的基本原理,通過平移完成挖溝作業(yè)的。螺旋打洞機(jī)能打洞并將洞中的土輸送到地面,這是大家都熟悉的,如將其移動(dòng),則會(huì)形成一條溝線,螺旋后半圓周加上護(hù)壁鋼管(代替洞壁),利用螺旋面將土輸送到地面就可以完成挖溝作業(yè)。挖溝工作裝置是由刀軸、螺旋葉片、半圓護(hù)壁管、刀架、聯(lián)軸器和液壓馬達(dá)等部件組成(見圖2),從圖中可以看出,刀軸是兩點(diǎn)支撐,受力情況大大提高。選擇相應(yīng)的功率且經(jīng)過大比率降速行進(jìn)的輪式裝載機(jī),可以將螺旋挖溝工作裝置懸掛在動(dòng)臂上,實(shí)現(xiàn)升降,同時(shí)利用液壓馬達(dá)將動(dòng)力傳遞給螺旋葉片,在裝載機(jī)牽引下,實(shí)現(xiàn)挖溝功能。換上鏟斗,就可以實(shí)現(xiàn)電纜溝回填及場(chǎng)地平整,實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能。我們選擇了煙臺(tái)工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的小型裝載機(jī)ZL18,主機(jī)功率為50kW,帶動(dòng)液壓馬達(dá),使刀軸高速旋轉(zhuǎn)。根據(jù)液壓泵額定排量等參數(shù),通過刀軸臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算,選擇了BM-D320型液壓馬達(dá),額定轉(zhuǎn)速為250r/min,最高轉(zhuǎn)速為320r/min,保證拋土距離在輪距之外。樣機(jī)見圖3。2關(guān)鍵技術(shù)和解決方案2.1垂直螺旋變導(dǎo)過程開挖溝槽工作裝置2.1.1變導(dǎo)程設(shè)計(jì)立式螺旋刀具挖溝作業(yè)時(shí),必須同時(shí)完成對(duì)土壤的切削、軸向輸送和拋撒等3個(gè)工作過程,因此對(duì)螺旋葉片刀具的幾何形狀提出了一些特殊的要求:(1)切削土壤的立式螺旋刀具應(yīng)與其它金屬切削刀具一樣,保證整個(gè)刀具能連續(xù)切削,且在其切削長(zhǎng)度上的切削角恒定不變。(2)土壤輸送要求螺旋葉片能滿足“變導(dǎo)程”要求。在地下切削段螺旋葉片任意一水平截面里,其外緣刀刃切削的同時(shí),截面以下被切下的土塊必須同時(shí)通過該截面向上輸送。為避免泥塊在上下葉片之間的堵塞和擠壓,螺旋葉片的導(dǎo)程必須自下而上連續(xù)變化(增大),見圖4。切削刀具也按照葉片的變導(dǎo)程形式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,由多組刀片組成,材料為65錳鋼淬火增加硬度,通過沉頭螺釘連接在變導(dǎo)程螺旋葉片上,圖5為最下方的刀片形狀。變導(dǎo)程螺旋葉片與變導(dǎo)程螺旋刀片組成變導(dǎo)程螺旋刀具。(3)葉片的幾何形狀必須使被切下的土塊能沿葉片軸向輸送,不隨葉片的旋轉(zhuǎn)而在原地打轉(zhuǎn)。根據(jù)有關(guān)資料介紹,正交螺旋葉片滿足軸向輸送的必要條件是葉片上任何一點(diǎn)的法線(垂直于切線的直線)與轉(zhuǎn)軸的空間夾角:δ≤90°-Ψ,式中:Ψ——摩擦角(°)。2.1.2量表螺線方程的建立如圖6所示,由圓錐葉片外緣螺線的導(dǎo)程自下而上連續(xù)變化的給定要求,令外緣螺線上任一動(dòng)點(diǎn)M沿圓錐母線上升的速度與距離OM成比例。用向量表示的刀刃螺線方程可寫成:式中:f——OM距離,mm;θ——螺線形成線轉(zhuǎn)角,(°);α——半錐角,(°)。當(dāng)動(dòng)點(diǎn)M沿圓錐母線上升速度與距離OM成比例時(shí),可列出微分方程:df/dθ=af式中:a——?jiǎng)狱c(diǎn)上升速度與OM的比例常數(shù)經(jīng)變量分離:df/f=adθ化簡(jiǎn)后:f=C·ea·θ式中:C——積分常數(shù);e——自然對(duì)數(shù)。由上式可以看出,滿足螺旋導(dǎo)程自下而上連續(xù)變化的外緣螺線是圓錐對(duì)數(shù)曲線。2.1.3螺旋葉片展開圖設(shè)計(jì)根據(jù)溝形需要,將變導(dǎo)程螺旋刀具設(shè)計(jì)成下底寬度為300mm,上底寬度為400mm,則半錐角α=4.5°,上寬下窄保證溝壁不易塌方;螺旋頭數(shù)Z不能選大,應(yīng)使Z≤2,選擇Z=2,即螺旋刀具為雙頭;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,選擇常數(shù)C=1625.0505,通過上述對(duì)數(shù)曲線方程,代入轉(zhuǎn)角θ,得到了變導(dǎo)程螺旋葉片刀具外廓螺線。通過計(jì)算,即可進(jìn)行螺旋葉片的展開圖設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)角θ取值一般為20°及其倍數(shù)逐次遞增。2.2大比率降速不論是哪一種挖溝工作裝置方案,都離不開牽引工作主機(jī)的速度匹配問題,也就是將主機(jī)底盤進(jìn)行改造,使原來的輪式裝載機(jī)進(jìn)行大比率降速,降速到100m/h左右。而原來的速度在最大油門情況下是11km/h。由于資金的問題,沒有對(duì)主機(jī)底盤進(jìn)行改造。雖然驅(qū)動(dòng)行走的液力變矩器可以在挖溝作業(yè)有阻力的情況下起到降速作用,但由于滿足不了實(shí)際的挖溝速度,所以行走不穩(wěn)定,影響了挖溝的效率和質(zhì)量。3測(cè)試3.1測(cè)試場(chǎng)在煙臺(tái)工程機(jī)械有限公司廠區(qū)內(nèi),場(chǎng)地內(nèi)可供試驗(yàn)的地方均為石塊和黏土堆積而成。3.2開溝速度和開溝速度第一次試驗(yàn):得到完整的溝形12m左右,開溝速度為100m/h左右;第二次試驗(yàn):得到完整的溝形18m左右,開溝速度為100m/h左右。圖7、圖8為試驗(yàn)照片。3.3改進(jìn)旋轉(zhuǎn)切削的工藝主要問題是挖溝時(shí)主機(jī)車速過快。雖然行走傳動(dòng)系統(tǒng)中液力變矩器遇到阻力時(shí)可以減小速度,但由于挖溝阻力不夠大,速度還是過快,當(dāng)挖溝工作裝置正常切削工作、未將土切削運(yùn)送到地面時(shí),主機(jī)便帶動(dòng)裝置中的切削刃切入較深的土中,致使土壤頂?shù)降遁S將旋轉(zhuǎn)軸抱死。在將車速減慢、腳踏油門減小時(shí),工作裝置的馬達(dá)又得不到足夠的動(dòng)力而不能進(jìn)行正常的旋轉(zhuǎn)切削。針對(duì)這一矛盾,我們將兩輛車串聯(lián)起來,其中前面的車掛上空擋,以全部油門全力帶動(dòng)螺旋刀具,后面的一臺(tái)以小油門低速行駛,推動(dòng)帶有開溝裝置的車,達(dá)到刀軸滿負(fù)荷工作狀態(tài)下低速行駛的目的。通過挖溝試驗(yàn),雖然證明了研制的立式螺旋挖溝機(jī)的可行性,但要實(shí)際應(yīng)用,還需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn),主要包括:1)對(duì)現(xiàn)有主機(jī)底盤進(jìn)行改造,或者選擇其它行走方式的工程機(jī)械,實(shí)現(xiàn)大比率降低車速;2)對(duì)于像試驗(yàn)場(chǎng)地這樣的黏度土壤,還需適當(dāng)增加挖溝裝置的功率;3)增加刀軸的轉(zhuǎn)速(原設(shè)計(jì)為250~310r/min),可產(chǎn)生更高的工作效率。4挖溝機(jī)的應(yīng)用通過試驗(yàn)和分析,我們認(rèn)為對(duì)