塑料排水板可伸缩式插板枪的接头分析与实验研究

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【摘 要】 当塑料排水板手工插板枪超过5米时，由于单根长度太长携带很不方便。此外，在插板过程中，插板枪晃动等问题明显影响使用。本文针对一种新型的塑料排水板可伸缩式两段式插板枪，设计了其接头机械结构，分析了其接头的摩擦特性和受力状态，并通过现场插板实验验证了这种应用在大深度场合的两段式插板枪的功能和效率。

【关键词】 塑料排水板 插板枪 接头分析

【Abstract】 When the manual inserting lance for plastic drainage board is more than 5 meters，because of the length its carrying is not convenient .In addition， In the process of inserting the shaking of the lance affects its using . This paper introduces a new design of extensible inserting lance for plastic drainage board， which combines two section， designs mechanical structure of the joint ， analyzes its friction characteristics and stress state and verifies the function and efficiency of inserting lance which is used in the field of great depth by field test of inserting the plastic drainage board.

【Key words】 Plastic drainage board Inserting lance Analysis of the joint

1 引言

真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空，增加地基的有效应力。无砂垫层真空预压法对传统真空预压法进行了改进，不需要铺设排水砂垫层，在处理场地上打插塑料排水板后，每隔两排塑料排水板布置一条水平管道，并使用连接器将塑料排水板露出部份紧密连接到水平管道上，适用于大面积软土地基加固，且节省了铺设砂垫层的大量投入，真空度传递效果好，具有施工工期短，经济节约的独特优势。

目前，大深度的插板主要通过插板机进行，而中小深度的插板则主要通过手工用插板枪进行。当插板枪超过5米时，传统的插板枪则由于单根长度太长携带很不方便。此外，在插板过程中，插板枪晃动等问题明显影响使用。因此，两段式的插板枪在淤泥厚度超过5米时成为不可或缺的塑料排水板插板工具。

2 插板枪接头设计和分析

两段式插板枪主体结构采用铝合金焊接而成，决定插板枪的装拆效率和功能的主要是接头部分。本文重点针对用于无砂垫层真空预压法塑料排水板的两段式插板枪接头进行设计和分析，并通过现场实验对插板枪的功能和效率进行验证。

两段式插板枪的接头部分实物图1所示，包括粗圆管1、内接头2、紧钉螺钉3、外接头4、细圆管5、手轮6。粗圆管与细圆管通过内外接头、紧定螺钉、手轮实现配合，其中紧钉螺钉固联内接头与细圆管，外接头与粗圆管螺纹联结，内接头由凸台和梯形螺纹组成，外接头除螺纹外的内径小于凸台内径，防止细圆管拔出，手轮内有与内接头配合的梯形螺纹，后旋手轮细圆管可滑入粗圆管，实现收缩，拉出细圆管锁紧手轮，实现伸长。其中，内接头、外接头和旋转手轮均具有梯形螺纹结构。

两端式插板枪快速锁紧和松开的关键部件是内接头梯形螺纹滑槽分别与外接头和手轮的连接部分，此时梯形螺纹间形成滑动摩擦。当两端式插板枪组合成一根长插板枪时，这些梯形螺纹滑槽通过摩擦力形成自锁，并保证在外力作用下不会形成滑动。

金属表面间的滑动摩擦。根据摩擦面间存在剂的情况，滑动摩擦又分为干摩擦、边界摩擦及流体摩擦。干摩擦是指表面间无任何剂或保护膜的金属接触时的摩擦。在工程实际中，并不存在真正的干摩擦，因为任何零件的表面不仅会因氧化而形成氧化膜，而且多少也会被含有剂分子的气体所湿润或受到“油污”。在机械设计中，通常把这种未经人为的摩擦状态当作干摩擦处理。当运动副的摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开、摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦称为边界摩擦。当运动副的摩擦表面被流体膜隔开、摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦称为流体摩擦。可以用膜厚比λ来大致估计两滑动表面所处的摩擦状态。

工作过程中插板枪的接头需要反复地浸没在淤泥中，因此接头部分的梯形螺纹滑槽避免不了会有淤泥和液体进入，两摩擦表面间有存在，由于吸附作用，因而在金属表面上形成极薄的边界油膜.边界油膜的厚度小于1μm，不足以将两金属表面分隔开，所以相互运动时，两金属表面微观的高峰部分将互相搓削，形成边界摩擦，如图2所示。一般而言，金属表面覆盖一层边界膜后，虽不能绝对消除表面的磨损，却可以起着减轻磨损的作用。这种状态的摩擦系数f≈0.1-0.3，因此梯形螺纹滑槽的自锁角度α必须根据此时的钢材摩擦系数作为设计依据。

采用有限元分析对接头部分进行应力和变形分析：简化分析模型，去掉次要特征，主要受力部位为手轮与内接头接触部分，故将力学模型简化为在大圆管前端固定划分网格，运行模型。大圆管下端固定，一个60kg重的人可施加最大600N的力，插板枪总长8米，粗杆和细杆各长4米，均采用铝合金6061材料。粗杆直径38毫米，细杆直径26毫米，有限元分析结果如图3所示。由分析结果可知，最大应力值为376MPa，出现在靠近接头的杆子背力处，最大变形量为0.01mm，出现在接头滑槽的最上部。因此，所设计的可伸缩式插板枪在指定的载荷作用下，由有限元分析软件计算出的各个零件最大应力均小于相对应材料的屈服极限值，不会产生永久性的变形。计算仿真出的结果满足安全要求。

3 插板枪实验

在工地现场，进行了两段式可伸缩插板枪插板现场实验，其淤泥层厚度平均在5.00～6.00m左右，排水板宽为100mm，插板枪共6米长，粗杆和细杆每段各3米，如图4所示。插板过程细分为八个步骤：（1）将两段式插板枪缩小到粗杆3米长，两人协作将排水板粗杆插入3米深的淤泥中（2）由一人抽出3米细杆；（3）然后，顺时针旋转手轮一圈，通过手轮内部的梯形螺纹和内接头相连锁紧；（4）其中一人加力将3米细杆压入淤泥中；（5）待插板枪完全插入预定深度后，将细杆抽离淤泥表面；（6）等接头刚露出淤泥表面后，逆时针旋转手轮一圈，使其与内接头脱开；（7）将细杆主要通过重力作用收入粗杆中；（8）最后将粗杆完全抽出，完成整个人工插板过程。

通过三次实验计时求平均，以上八个步骤耗时曲线如图5所示，共耗时25秒钟。通过实验可知，在6米或更深的插板工艺施工中，本文设计的两段式可伸缩插板枪不但具有传统单根插板枪的全部功能和相近施工效率，而且明显避免了传统单根长插板枪携带不方便和海风导致的上部晃动等两类问题。

3 结语

本文针对一种新型的塑料排水板可伸缩式两段式插板枪，设计了其接头机械结构，分析了其接头的摩擦特性和受力状态，并通过现场插板实验验证了这种应用在大深度场合的两段式插板枪的功能和效率。通过实验可知，在6米或更深的插板工艺施工中，本文设计的两段式可伸缩插板枪不但具有传统单根插板枪的全部功能和相近施工效率，而且明显避免了传统单根长插板枪携带不方便和海风导致的上部晃动等两类问题。

参考文献

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