超长边坡渠道削坡开槽机桁架与刀具设计研究*

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摘 要：采用理论分析和计算机仿真等方法对HJXK-1型超长边坡渠道削坡开槽一体机的桁架和刀具进行了研究，并在中线南水北调工程潮河段进行了现场试验。试验表明，HJXK-1型超长边坡渠道削坡开槽机能够确保施工精度，削坡、开槽合格率达100%，工作性能稳定；较传统的人工配合挖掘机工作方式，该机器削坡效率提高了1.18倍，费用节约了71.7%，开槽效率提高了3倍，费用节约了85.8%。

关键词：削坡开槽一体机；超长；桁架快速调整；密齿型组合式铣刨刀头

针对渠道边坡削坡、开槽的相关研究文献已有很多[1-3]，但存在长度不能满足各工况需要、削坡和开槽需用不同设备、施工现场安装调整时间过长、施工效率不高等问题。

为满足中线南水北调工程施工需要，文章对超长边坡渠道削坡开槽一体机的桁架和刀具进行研究，以提高切削效率、减少调整时间、确保施工精度、加快施工进度、节约施工成本。

1 桁架建模与仿真分析

HJXK-1型超长边坡渠道削坡开槽机桁架采用模块化组合，能够根据渠道不同坡长的需要进行组合，从而适用于各种坡长。桁架截面为：130cm×130cm，由三节组成，两节之间采用法兰连接，铰制孔螺栓固定，有效保证了连接的可靠性与互换性。

根据施工现场满足不同坡比及坡长的要求，桁架相应模块组合有7种，如表1所示。以下仿真参数设定均以表1中第一组数据（即第一行数据）为依据。

由表1可知，超长边坡渠道削坡开槽机整体跨度比较长，整体机身重量又比较大，为避免跨度过大使桁架中部向下弯曲，保证成型后坡面平直，采用反变形原理，在桁架各模块上部接合处加装垫片――法兰片。采用ABAQUS对桁架进行有限元分析，给出针对不同长度桁架组装调整时不同组装位置处需要垫的法兰片的厚度值，并以表格形式提供。

1.1 桁架建模

桁架主体结构是由160*80*6的矩形钢和80*80*5的方钢以及横梁、斜梁、轨道支撑、轨道等构成。第一节桁架的三维模型如图1所示。第二节与第三节的模型图与第一节相似。

图1 第一节桁架三维模型

1.2 仿真分析

分析桁架结构的主要目的就是找到桁架各模块结合点处最底端一个节点在未加垫块没有变形时垂直方向坐标值与加垫块且变形之后垂直方向坐标值的差额，判断桁架结构在加载重力之后是否依然保持与坡面平行。

由于受到重力的作用，未加垫块的桁架结构呈现凹状，如图2所示，如果只考虑在中间部位加载垫块，则桁架结构依旧是凹形的，所以考虑在桁架四个法兰连接处都加载相同的垫块。

1.3 加载垫块后数据统计

加载垫块后，分别对第一节中点、第三节下边法兰、第三节中点、第三节上边法兰、第二节中点等五个节点的坐标值进行查询统计。这里仅给出第三节下边法兰的查询数据统计，如表2所示。

由表2可以看出，在允许误差范围内法兰片的厚度取2.5mm时，桁架的直线度比较高。同理，可以计算出其他几种组合方式垫块的厚度值。其结果如表3所示。

2 刀具设计与仿真

铣削具有生产率高、排屑比较容易以及刀齿散热条件较好等优点，同时依据现场加工要求及国内外的相关研究文献[4-5]，采用如图3所示的刀头形状。将原始的铣刀刀头的螺旋叶片换成了螺旋密齿，同时密齿刀头可以进行拆卸，这样做既继承了铣削的优点，同时可以及时换掉磨损过度的刀头。

为优化刀具的结构和参数，并且合理选配合金刀头材料，运用ABAQUS有限元软件对刀具切削水泥改性土坡面材料过程进行有限元模拟，得到切削刀头的受力情况。根据已知的水泥改性土的相关试验参数并定义切削深度为60mm、切削速度为1000mm/s得出刀具与基体切削时在切削平面受到的切削力与摩擦力的情况如图4所示，由受力图可计算出最大切削力和平均切削力。采用相同模型，改变切削速度和切削时间就可以得到不同切削速度下的切削力，如表4所示。

切深为100mm时，切削速度由300mm/s增大到1000mm/s的过程中，刀具所受最大切削力与平均切削力增加均比较缓慢，所以在此切削速度区间刀具受到的冲击不是很大，刀具磨损不是很严重，且铣削功率变化不大。在切削速度从1000mm/s增大到3000mm/s过程中，刀具所受最大切削力与平均切削力急剧增加，所以在此切削速度区间，刀具的磨损情况会迅速加剧。结合施工现场条件，切削速度为1000mm/s既能满足施工要求。为适应水泥改性土切削，提高刀具使用寿命，采用了强度较高的合金刀头。

3 试验与分析

在潮河六标施工现场169+200-169+250（右坡）边坡对HJXK-1型超长边坡渠道削坡开槽机进行的渠道削坡开槽试验表明：坡面平整度设计要求误差在20mm/2m以内，试验检测合格率为100%，如表5所示。

根据设计指标，开槽作业的各项指标检测结果合格率也为100%，如表6所示。

潮河段六标共有削坡65万m2，总开槽长度约127.36km，以当前市场价格计算，削坡开槽机作业和人工配合挖掘机作业相比，切削效率提高了1.18倍、费用节约了71.7%；开槽效率提高了倍，费用节约了85.8%。除节省工日外，削坡和开槽两项共节约成本277.25万元，经济效益显著。

4 结束语

（1）给出了不同坡比不同长度桁架组装调整时加载垫片的厚度值，实现了桁架跨度调整快速化。

（2）研制了密齿型高效铣刨组合式刀具，提高了切削效率。较传统人工配合挖掘机工作方式，削坡效率提高了1.18倍，费用节约了71.7%，开槽效率提高了3倍，费用节约了85.8%。

参考文献

[1]郑状元，郭菁菁，吴林峰，等.南水北调工程削坡机的设计[J].技术与市场，2013，20（10）：24-25.

[2]张小刚，刘登超，陈崇德.削坡机在大型渠道施工中的应用[J].科技创业月刊，2013（9）：177-178.

[3]罗永平，代存军.旋耕式多齿开槽机研制与应用[J].治黄科技信息，2012（1）：14-16.

[4]母福生，熊宏志，栗慧.铣刨鼓铣削过程仿真及切屑应力分析[J].机械科学与技术，2014，33（1）：43-47.

[5]李安海，赵军，罗汉兵，等.高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究[J].摩擦学学报，2012，32（1）：40-46.

作者简介：马子领（1983-），男，河南郑州人，讲师，主要从事机械设计及自动化技术相关方面的研究。