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）

0 引言

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)抗洪搶險(xiǎn)工作的要求不斷提高，工程搶險(xiǎn)的任務(wù)也不斷加大，靠人海戰(zhàn)術(shù)搶險(xiǎn)已不適應(yīng)新形勢(shì)下黃河防洪搶險(xiǎn)的要求。 河南黃河河務(wù)局在20 世紀(jì)90 年代末組建機(jī)械化專業(yè)機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)伍之后， 在近20 年的抗洪搶險(xiǎn)以及修筑堤防工程實(shí)踐中，不懈探索大型機(jī)械搶險(xiǎn)技術(shù)。

當(dāng)搶險(xiǎn)工地調(diào)石調(diào)柳料時(shí)，人工搬石運(yùn)柳工作十分繁重。 黃河防洪工程險(xiǎn)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(yùn)送十分困難，嚴(yán)重影響了搶險(xiǎn)速度，甚至導(dǎo)致工程搶險(xiǎn)陷于停頓狀態(tài)。 為加快搶險(xiǎn)速度，提高搶險(xiǎn)效率，必須改變傳統(tǒng)人工拋石運(yùn)柳搶險(xiǎn)的方法。 河南黃河河務(wù)局搶險(xiǎn)技術(shù)人員結(jié)合搶險(xiǎn)機(jī)械設(shè)備情況，提出了在挖掘機(jī)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(jī)輔爪裝置搶險(xiǎn)技術(shù)的研制與應(yīng)用，徹底改變被動(dòng)搶險(xiǎn)的局面。

1 挖掘機(jī)輔爪裝置的基本結(jié)構(gòu)

挖掘機(jī)輔爪裝置由兩個(gè)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(guò)6 條高強(qiáng)度螺栓夾住挖掘機(jī)的長(zhǎng)臂。 由于挖掘機(jī)的長(zhǎng)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(huì)上下移動(dòng)。 兩個(gè)爪子夾在后夾板的兩個(gè)槽子內(nèi)，由6 個(gè)螺栓將其連接。 在兩個(gè)爪子之間，安裝三塊支撐板，將兩個(gè)爪子聯(lián)為一體，提高整體剛性。

圖1 挖掘機(jī)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(jī)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(guò)精心設(shè)計(jì)，而且不同的圓弧段之間均為光滑過(guò)度， 因此外觀非常漂亮, 同時(shí)又避免了應(yīng)力集中，提高了機(jī)械韌性。 鋼板1 是爪子的主體部分，上面有5 個(gè)等距的φ32 的孔，選擇不同的孔進(jìn)行連接，可以改變爪子的上下位置。 鋼板2 有3 個(gè)作用：（1）增強(qiáng)爪子的剛性和強(qiáng)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(guò)支撐板可以將兩個(gè)爪子連接起來(lái)［1］。

圖2 爪子部件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Claw part structure

2 輔爪裝置的工況及機(jī)械強(qiáng)度分析

2.1 輔爪裝置的工況分析

如圖3 所示，輔爪在抓物體的時(shí)候,需要與鏟斗配合，產(chǎn)生一個(gè)夾力,這時(shí)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(shí)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 輔爪裝置的機(jī)械強(qiáng)度分析

2.2.1 爪子機(jī)械強(qiáng)度分析

假定單只爪子在夾緊物體時(shí)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(shí)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(jì)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(zhǎng)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(jī)的操作人員應(yīng)避免使夾緊力超過(guò)許用載荷。

2.2.2 爪子把合螺栓的強(qiáng)度分析

（1）螺栓受的剪應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)爪子的夾緊力達(dá)到15 kN 時(shí)，按照靜力平衡關(guān)系（為簡(jiǎn)化計(jì)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(jì)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(zhǎng)度，即爪子的厚度，m。

以上所算應(yīng)力對(duì)于8.8 級(jí)的螺栓來(lái)說(shuō)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(shí)常受到工作拉力，在裝配時(shí)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(jì)算機(jī)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(jí)8.8 級(jí)對(duì)應(yīng)為640MPa；A 為螺栓危險(xiǎn)截面的面積，m2；d 為螺栓危險(xiǎn)截面的直徑，m。

（2）螺栓的擰緊力矩［3］

螺栓擰緊力的計(jì)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(guò)控制擰緊力矩的大小來(lái)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(duì)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(huì)超過(guò)90 kN。又因?yàn)槁菟ㄏ鄬?duì)于挖掘機(jī)長(zhǎng)臂的相對(duì)剛度比較小，可以斷定螺栓的總拉力為為螺栓的相對(duì)剛度，金屬墊片螺栓的相對(duì)剛度一般取0.2～0.3。

螺栓的相對(duì)剛度取0.2 時(shí)，QF＝148 kN， 螺栓危險(xiǎn)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(duì)剛度取0.3 時(shí)，QF＝157 kN， 螺栓危險(xiǎn)剖面的最大拉應(yīng)力σmax=384 MPa，其安全系數(shù)n=

由此可見(jiàn)，安全系數(shù)n 始終大于1，螺栓是安全的。

3 應(yīng)用效果及推廣情況

挖掘機(jī)輔爪裝置發(fā)明以后，河南黃河河務(wù)局對(duì)裝置進(jìn)行多次試驗(yàn)和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該裝置對(duì)抓運(yùn)柳石枕或石料均有令人滿意的效果。 在近兩年的搶險(xiǎn)中，該局利用安裝了輔爪的挖掘機(jī)向河壩根基拋柳石枕和鉛絲籠，提高了搶險(xiǎn)速度，取得搶險(xiǎn)戰(zhàn)斗的重大勝利。 根據(jù)搶險(xiǎn)情況，大致進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益測(cè)算。

3.1 挖掘機(jī)是否安裝輔爪裝置拋石投資對(duì)比

未安裝輔爪裝置前，12 min 拋籠1 個(gè)，每臺(tái)班8臺(tái)時(shí)拋40 個(gè)籠；安裝輔爪裝置后，裝石籠速度顯著提高，4 min 拋籠1 個(gè)，每臺(tái)班8 臺(tái)時(shí)拋籠120 個(gè)。 以每臺(tái)班油耗為133.6 L，1 L 柴油價(jià)格為7 元計(jì)算，則拋籠120 個(gè)（1 臺(tái)班）可節(jié)省投資1 870.4 元。

3.2 挖掘機(jī)安裝輔爪裝置與人工200m送柳料投資對(duì)比

挖掘機(jī)未安裝輔爪裝置時(shí)，不能用于抓柳料搶險(xiǎn)。安裝輔爪裝置后，可用于長(zhǎng)距離送柳搶險(xiǎn)。在運(yùn)距200 m 的條件下，一臺(tái)安裝輔爪裝置的挖掘機(jī)相當(dāng)于200 人向搶險(xiǎn)工地送柳， 每臺(tái)班可節(jié)省投資3 000元[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的發(fā)展，大型機(jī)械代替人工進(jìn)行搶險(xiǎn)已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。 經(jīng)過(guò)微小改裝的大型機(jī)械用于搶險(xiǎn)，能夠顯著提高搶險(xiǎn)速度，并能節(jié)省許多搶險(xiǎn)費(fèi)用。 如，安裝了輔爪的挖掘機(jī)比拋石機(jī)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(wàn)元， 甚至百萬(wàn)元， 而購(gòu)置安裝一個(gè)輔抓僅2萬(wàn)元左右。 在近年的黃河防洪搶險(xiǎn)中，挖掘機(jī)輔爪裝置在多處黃河防洪搶險(xiǎn)中得到了充分運(yùn)用，起到了人工搶險(xiǎn)無(wú)法達(dá)到的效果。 因此，利用挖掘機(jī)輔爪進(jìn)行搶險(xiǎn)，是以后搶險(xiǎn)技術(shù)的一個(gè)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(xiǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)［M］. 北京：高等教育出版社，2006：72.

[3] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)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(jī)械筑埽技術(shù)研究［J］.人民黃河，2008（8）：112.