張佑民
(1.河南黃河河務(wù)局,河南 鄭州 450003;2.河海大學(xué),江蘇 南京 210098)
經(jīng)濟社會的發(fā)展對抗洪搶險工作的要求不斷提高,工程搶險的任務(wù)也不斷加大,靠人海戰(zhàn)術(shù)搶險已不適應(yīng)新形勢下黃河防洪搶險的要求。 河南黃河河務(wù)局在20 世紀(jì)90 年代末組建機械化專業(yè)機動搶險隊伍之后, 在近20 年的抗洪搶險以及修筑堤防工程實踐中,不懈探索大型機械搶險技術(shù)。
當(dāng)搶險工地調(diào)石調(diào)柳料時,人工搬石運柳工作十分繁重。 黃河防洪工程險情又多發(fā)生在夏季,恰逢雨季,施工道路難以通行,石料柳料運送十分困難,嚴(yán)重影響了搶險速度,甚至導(dǎo)致工程搶險陷于停頓狀態(tài)。 為加快搶險速度,提高搶險效率,必須改變傳統(tǒng)人工拋石運柳搶險的方法。 河南黃河河務(wù)局搶險技術(shù)人員結(jié)合搶險機械設(shè)備情況,提出了在挖掘機斗上安裝輔爪的研發(fā)思路,并根據(jù)研發(fā)思路,完成了挖掘機輔爪裝置搶險技術(shù)的研制與應(yīng)用,徹底改變被動搶險的局面。
挖掘機輔爪裝置由兩個爪子、支撐板、前夾板、后夾板、前后擋塊和一些緊固件組成(如圖1 所示)。前夾板和后夾板通過6 條高強度螺栓夾住挖掘機的長臂。 由于挖掘機的長臂有一定的斜角,螺栓兩端均有方型斜墊片。 前后夾板的下面緊貼前后擋塊,斜面和擋塊共同限位,使前后夾板不會上下移動。 兩個爪子夾在后夾板的兩個槽子內(nèi),由6 個螺栓將其連接。 在兩個爪子之間,安裝三塊支撐板,將兩個爪子聯(lián)為一體,提高整體剛性。
圖1 挖掘機輔爪裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Excavator auxiliary claw device structure
爪子(如圖2 所示)是挖掘機輔爪裝置的核心部件,它采用流線型結(jié)構(gòu),弧線的半徑和圓心的位置都經(jīng)過精心設(shè)計,而且不同的圓弧段之間均為光滑過度, 因此外觀非常漂亮, 同時又避免了應(yīng)力集中,提高了機械韌性。 鋼板1 是爪子的主體部分,上面有5 個等距的φ32 的孔,選擇不同的孔進行連接,可以改變爪子的上下位置。 鋼板2 有3 個作用:(1)增強爪子的剛性和強度;(2) 增大爪子工作面的面積,提高抓物的穩(wěn)定性;(3)上面加工有螺栓孔,通過支撐板可以將兩個爪子連接起來[1]。
圖2 爪子部件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Claw part structure
如圖3 所示,輔爪在抓物體的時候,需要與鏟斗配合,產(chǎn)生一個夾力,這時候受力最大。 等抓起物體以后,鏟斗處于下位,爪子處于上位,這時爪子基本不受力或受力很小。
圖3 輔爪工況示意圖Fig.3 Auxiliary claw working condition
2.2.1 爪子機械強度分析
假定單只爪子在夾緊物體時所受的反作用力為P,離最近把合螺栓的距離為1.5 m(與實際情況非常接近),那么螺孔處所受的彎矩M=1.5 P。螺孔處材料的抗彎模量計算式[2]為
式中: W 為截面的抗彎模量;b 為截面的寬度,m;H 為截面的長度,m;h 為螺孔的直徑,m。
爪子的材質(zhì)為Q235-A, 我們?nèi)≡S用應(yīng)力[σ]=100 MPa[3],由于
所以,
螺栓孔的位置是爪子最薄弱的地方,上式所算即為爪子的允許承載能力。 如果兩只爪子受力均勻,可以允許30 kN 的夾緊力,偏載的話,許用夾緊力更小一些。 挖掘機的操作人員應(yīng)避免使夾緊力超過許用載荷。
2.2.2 爪子把合螺栓的強度分析
(1)螺栓受的剪應(yīng)力計算
當(dāng)爪子的夾緊力達(dá)到15 kN 時,按照靜力平衡關(guān)系(為簡化計算,忽略中間螺栓的影響),下面的螺栓將受到90 kN 的剪應(yīng)力,其剪應(yīng)力[3]為
式中:τ 為螺栓受的剪應(yīng)力,Pa; 為螺栓受的剪應(yīng)力,N;d 為螺栓的直徑,m。
(2)螺栓受的擠壓應(yīng)力計算
螺栓受的擠壓應(yīng)力[3]為
式中:σ 螺栓受的擠壓應(yīng)力,Pa;l 為擠壓面的長度,即爪子的厚度,m。
以上所算應(yīng)力對于8.8 級的螺栓來說是非常安全的。
2.2.3 前后夾板連接螺栓的工作情況
前后夾板連接螺栓在工作時常受到工作拉力,在裝配時要設(shè)法控制預(yù)緊力。
(1)前后夾板單根螺栓的預(yù)緊力[2]。
前后夾板單根螺栓的預(yù)緊力計算機式為
式中:QP為螺栓連接的預(yù)緊力,N;0.5 為合金鋼螺栓系統(tǒng)數(shù);σ 為螺栓材料的屈服極限,螺紋性能等級8.8 級對應(yīng)為640MPa;A 為螺栓危險截面的面積,m2;d 為螺栓危險截面的直徑,m。
(2)螺栓的擰緊力矩[3]
螺栓擰緊力的計算式為
式中:T 為擰緊螺母的力矩,N·m;K 為扭矩系數(shù)(近似取0.2);Qp為預(yù)緊力,N;d 為螺栓直徑,m。知道了擰緊力矩,就可以通過控制擰緊力矩的大小來控制螺栓預(yù)緊力的大小。
所以,T=0.2×130000×0.024=624N·m
(3)螺栓的總拉力[2]
根據(jù)前面對爪子的受力分析和夾板螺栓的分布,可以斷定螺栓的工作拉力不會超過90 kN。又因為螺栓相對于挖掘機長臂的相對剛度比較小,可以斷定螺栓的總拉力為為螺栓的相對剛度,金屬墊片螺栓的相對剛度一般取0.2~0.3。
螺栓的相對剛度取0.2 時,QF=148 kN, 螺栓危險剖面的最大拉應(yīng)力σmax=363 MPa, 安全系數(shù)n=
式中:QF為螺栓總拉力;△Q 為殘余預(yù)緊力;
螺栓的相對剛度取0.3 時,QF=157 kN, 螺栓危險剖面的最大拉應(yīng)力σmax=384 MPa,其安全系數(shù)n=
由此可見,安全系數(shù)n 始終大于1,螺栓是安全的。
挖掘機輔爪裝置發(fā)明以后,河南黃河河務(wù)局對裝置進行多次試驗和應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)該裝置對抓運柳石枕或石料均有令人滿意的效果。 在近兩年的搶險中,該局利用安裝了輔爪的挖掘機向河壩根基拋柳石枕和鉛絲籠,提高了搶險速度,取得搶險戰(zhàn)斗的重大勝利。 根據(jù)搶險情況,大致進行了經(jīng)濟效益測算。
未安裝輔爪裝置前,12 min 拋籠1 個,每臺班8臺時拋40 個籠;安裝輔爪裝置后,裝石籠速度顯著提高,4 min 拋籠1 個,每臺班8 臺時拋籠120 個。 以每臺班油耗為133.6 L,1 L 柴油價格為7 元計算,則拋籠120 個(1 臺班)可節(jié)省投資1 870.4 元。
挖掘機未安裝輔爪裝置時,不能用于抓柳料搶險。安裝輔爪裝置后,可用于長距離送柳搶險。在運距200 m 的條件下,一臺安裝輔爪裝置的挖掘機相當(dāng)于200 人向搶險工地送柳, 每臺班可節(jié)省投資3 000元[4]。
隨著科技的發(fā)展,大型機械代替人工進行搶險已成為發(fā)展的必然趨勢。 經(jīng)過微小改裝的大型機械用于搶險,能夠顯著提高搶險速度,并能節(jié)省許多搶險費用。 如,安裝了輔爪的挖掘機比拋石機的工作效率更高,在同樣工作條件下,每年可節(jié)省投資數(shù)十萬元, 甚至百萬元, 而購置安裝一個輔抓僅2萬元左右。 在近年的黃河防洪搶險中,挖掘機輔爪裝置在多處黃河防洪搶險中得到了充分運用,起到了人工搶險無法達(dá)到的效果。 因此,利用挖掘機輔爪進行搶險,是以后搶險技術(shù)的一個重要推廣方向。
[1] 高興利,劉紅衛(wèi),曹克軍,等.現(xiàn)代防洪搶險技術(shù)研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2010:80.
[2] 濮良貴,紀(jì)名剛.機械設(shè)計[M]. 北京:高等教育出版社,2006:72.
[3] 孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來泰.材料力學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,2000:156.
[4] 張佑民,蘇本超,梅龍.機械筑埽技術(shù)研究[J].人民黃河,2008(8):112.