郝用興，張明慧，馬子領(lǐng)，馬少丹，宋利輝

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

南水北調(diào)工程是優(yōu)化我國水資源時空配置的重大舉措，是解決我國北方水資源嚴重短缺問題的特大型基礎(chǔ)設(shè)施項目，是未來我國可持續(xù)發(fā)展和整個國土整治的關(guān)鍵性工程． 在南水北調(diào)工程的渠道襯砌施工階段，襯砌施工之前需要對渠道邊坡進行精削坡，結(jié)構(gòu)層中排水系統(tǒng)的安裝需要開挖溝槽．傳統(tǒng)的削坡方式是人工配合機械進行施工，溝槽開挖則是人工配合小型挖掘機進行施工的． 此種施工方法需要投入較多人力且施工進度緩慢，施工精度也無法保證．南水北調(diào)中線一期工程潮河段六標，位于鄭州航空港區(qū)，標段全長8 km，其中水泥改性土段長4 536 m，渠道深度8．50 ～9．15 m、坡比1∶2．0 ～1∶3．5、坡長22．87 ～33．34 m． 本標段共需削坡65 萬m2，總開槽長度約127．36 km．按照南水北調(diào)的技術(shù)要求，混凝土襯砌的土質(zhì)坡面平整度應(yīng)不大于20 mm/2 m．施工中渠道邊坡表面平整度不易控制且技術(shù)要求較為嚴格，經(jīng)水泥改性土換填后的坡面土質(zhì)強度較高，若采用人工配合挖掘機削坡、開槽，施工效率極低，削坡與開槽的精度不高［1－4］．為此，亟須研制出一種新型的渠道削坡開槽機，以提高施工效率和降低施工成本．

在黃河水利工程中，黃河三角洲地區(qū)麻灣灌區(qū)節(jié)水改造工程中使用的HHLJG2－1 型削坡器［5］和洛陽麗銘機器設(shè)備有限公司研制的自動削坡機，其功能單一，只具備削坡功能;菏澤黃河二期標準化堤防建設(shè)中研制的旋耕式多齒開槽機［6］和長江大堤牛屯河段防滲墻施工中運用的鏈斗式開槽機僅具備開槽功能;洛陽麗銘機器設(shè)備有限公司研制的自動削坡機的升降裝置的可調(diào)整精度低．基于上述問題，筆者設(shè)計了一種HJXK－1 型超長邊坡渠道削坡開槽機，實現(xiàn)了渠道削坡、開槽快速高效的機械化施工．

該機不僅能夠進行自動削坡作業(yè)，同時還能夠進行坡面開槽作業(yè)，具備一機多用的特點．與傳統(tǒng)的施工方法相比，采用該機械施工提高了切削效率、減少了調(diào)整時間、確保了施工精度、加快了施工進度、節(jié)約了施工成本．

1 渠道削坡開槽機的結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，渠道削坡開槽機由桁架1、大車行走系統(tǒng)2、邊坡調(diào)整系統(tǒng)3、切削系統(tǒng)4、行走動力系統(tǒng)5 和控制室6 等部分組成［7］．

1．1 桁架

桁架是削坡機的主體部分，也是整個削坡裝置的支撐部分．該機器的桁架采用模塊化組合，能夠根據(jù)渠道不同坡長的需要進行組合，滿足不同坡長的切削需要．該機器桁架由3 節(jié)組成，其中第1 節(jié)放于坡底，長11．150 m;第2 節(jié)放于坡頂，長12．032 m;第3 節(jié)是調(diào)節(jié)段，有1．740、4．011、8．266、10．483 m 4 種長度．通過不同的組合可以適應(yīng)22．88、24．620、26．880、31．120、33．340 m 5 種長度的坡長的切削．2個框架之間采用法蘭連接，鉸制孔螺栓固定，保證了連接的可靠性與互換性，如圖2 所示． 在荷載作用下，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強度，當跨度較大時比實腹梁節(jié)省材料，自重輕和剛度大．同時，該機器還可以通過調(diào)整桁架上部個別模塊的間距來調(diào)整機架撓度，從而保證桁架底部的水平度，提高削坡精度．

圖1 渠道削坡開槽機的結(jié)構(gòu)組成

圖2 桁架

1．2 大車行走系統(tǒng)

大車行走系統(tǒng)由電機、立式減速器帶動滾輪沿著軌道運動來實現(xiàn)邊坡工作面的切換，在行走輪的外端設(shè)有擋軌板，如圖3 所示．

圖3 大車行走系統(tǒng)

大車驅(qū)動采用連續(xù)變頻控制，通過模擬輸入能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速功能，從而減少了大車行走時的沖擊，保證了其行走的平穩(wěn)性及行走精度．同時增加了大車行走電子糾偏裝置，確保大車行走的同步性，保證了開槽的精度．

1．3 邊坡調(diào)整系統(tǒng)

如圖4 所示，邊坡調(diào)整系統(tǒng)主要由4 個安裝在大車行走梁上的電動絲桿升降機組成，通過電氣控制可實現(xiàn)單個分動、單側(cè)聯(lián)動、整體聯(lián)動等功能． 單個分動能夠?qū)崿F(xiàn)桁架的調(diào)平;單側(cè)聯(lián)動能夠?qū)崿F(xiàn)變坡，使桁架適用不同的坡角;整體聯(lián)動能夠?qū)崿F(xiàn)桁架整體的起落，實現(xiàn)切削深度的調(diào)整．

圖4 邊坡調(diào)整系統(tǒng)

1．4 切削系統(tǒng)

切削系統(tǒng)包括切削裝置和削坡刀架系統(tǒng)，是整個機器實施切削、開槽的執(zhí)行機構(gòu)．

1．4．1 切削裝置

切削裝置主要由機座、回轉(zhuǎn)盤、電動機、減速器、切削刀具等組成．該機器采用密齒型銑刨組合式刀具，加裝了合金刀頭，刀頭不易磨損，使用壽命長．同時，可以根據(jù)不同的工作環(huán)境更換切削刀具，亦可通過自適應(yīng)控制系統(tǒng)控制刀頭轉(zhuǎn)速．刀頭如圖5 所示．

圖5 合金刀頭

1．4．2 切削刀架系統(tǒng)

削坡刀架系統(tǒng)由前板、中板、底板、滾輪組成，由鋼絲繩卷揚機牽引帶動滾輪沿著桁架軌道行走，如圖6 所示．削坡刀架系統(tǒng)可在主機架上平穩(wěn)運行，也可由電機控制在主機架上往復行走． 由于桁架比較長，在桁架上運行的削坡刀架有2 組，2 組的間距剛好是桁架總長的一半，這樣可以減少整個系統(tǒng)的切削時間．待削坡刀架系統(tǒng)從最上端或最下端行走到另一端時，開啟行走系統(tǒng)使主機架縱向移動，從而達到削坡、松土、找平的連續(xù)性． 削坡機削出的土還留在坡面上，既避免了建基面因暴曬產(chǎn)生干裂，又防止下雨時建基面被雨水沖毀，解決了渠道削坡速度慢、削坡建基面不平整、挖機削坡費用高等問題，在保證施工質(zhì)量的前提下，大大提高了施工效率．

圖6 削坡刀架系統(tǒng)

1．5 切削行走機構(gòu)

如圖7 所示，切削行走機構(gòu)采用鋼絲繩牽引，通過固定在桁架上的卷筒的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)鋼絲繩的收放，從而實現(xiàn)對切削機座的牽引．切削行走機構(gòu)共有4 個車輪，其行走輪可以沿著桁架軌道運動，在切削行走機構(gòu)的外端還設(shè)有清軌板和緩沖器．

在坡頂側(cè)和坡底側(cè)分別裝有換向限位開關(guān)，從而實現(xiàn)切削行走機構(gòu)的自動換向，減少了勞動強度，提高了工作效率．同時，該機器通過更換齒輪實現(xiàn)不同的開槽切削速度(0．25 ～2．50 m/min)，既能滿足削坡高速的需求，又能滿足開槽低速的要求．

圖7 切削行走機構(gòu)

1．6 控制室

該機器的控制系統(tǒng)以單片機AT89C52 為核心控制部件，整個系統(tǒng)包括變頻器、變頻電機、霍爾傳感器等器件． 用A44E 霍爾傳感器來獲取數(shù)字脈沖信號，通過選擇合適的硬件，并對硬件的工作方式及內(nèi)容進行設(shè)計和軟件編程，使之完成速度測量，進而實現(xiàn)對電機的變頻控制，達到勻速切削、開槽的目的［8］．

2 渠道削坡開槽機在Pro/E 中的建模和運動仿真

2．1 建模

運用Pro/E 的裝配功能將各部件按照一定的運動方式組裝起來，可以得到削坡開槽機的三維模型圖，如圖8 所示．

圖8 整機三維模型裝配圖

2．2 削坡開槽機的運動仿真

削坡開槽機的一個完整的運動周期為:切削系統(tǒng)沿桁架軌道運動、刀具旋轉(zhuǎn)→桁架整體下降→切削系統(tǒng)沿桁架軌道反向運動、刀具旋轉(zhuǎn)→桁架整體上升→整機沿坡面軌道運動．

依據(jù)上述工作過程，對模型相應(yīng)的部件添加電動機，各運動參數(shù)定義的情況見表1．

表1 各工序下部件的運動參數(shù)值

在Pro/E 中模擬削坡開槽機的運動過程結(jié)果表明，該機器各機構(gòu)的運動力學參數(shù)適宜，可以實現(xiàn)削坡開槽的一體化作業(yè)．

3 應(yīng)用實例

將HJXK－1 型超長邊坡渠道削坡開槽機應(yīng)用于南水北調(diào)中線一期工程潮河段六標渠道工程施工中，其成型后的坡面和溝槽平整、順直，如圖9 所示．

圖9 采用渠道削坡開槽機成型的坡面和溝槽

對潮河段六標渠道施工樁169 +200—169 +250(右坡)段坡面和溝槽的質(zhì)量進行檢查，其檢測數(shù)據(jù)見表2．

表2 坡面和溝槽的檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計指標，坡面平整度要求誤差在20 mm/2 m，溝槽位置要求偏差在0 ～±50 mm．由表2 中的檢測數(shù)據(jù)可知，檢測結(jié)果合格率為100%，削坡平整度和溝槽位置精度均在設(shè)計允許誤差之內(nèi)． 因此該機器削坡、開槽的質(zhì)量均滿足施工要求．

在工程應(yīng)用中，對該削坡開槽機的效率、費用方面做了分析:與傳統(tǒng)的人工削坡相比，該機器每削坡1 m2，可節(jié)約成本5．43 元;每開槽1 m，可節(jié)約成本14．76 元． 在潮河段六標工程中，使用HJXK －1 型超長邊坡渠道削坡開槽機完成削坡約35 萬m2，開槽長度約66 640 m，節(jié)約成本約288．43 萬元，效益顯著．

HJXK－1 型超長邊坡渠道削坡開槽機，已在南水北調(diào)中線一期工程潮河六標等工程中推廣應(yīng)用，結(jié)果顯示，施工進度加快，施工質(zhì)量得到保證，施工成本得到降低，并獲得了業(yè)主和監(jiān)理的一致好評．

4 結(jié) 語

HJXK－1 型超長邊坡渠道削坡開槽機，實現(xiàn)了渠道削坡、開槽的機械化施工，保證了施工質(zhì)量，簡化了施工中設(shè)備的調(diào)整工序，減少了輔助工作時間，降低了施工成本．其結(jié)構(gòu)簡單，操作安全，維修方便，工作可靠，渠道一次成型，且表面光滑密實，斷面標準，抗凍性能好，壽命長．與渠道襯砌機、磨光機等機械配套使用，可以完成大型渠道的開挖和混凝土襯砌的機械化施工，且效益顯著．

目前，該機器不能實現(xiàn)自動出土．下一步的研究工作將圍繞在保證施工進度和質(zhì)量的前提下，繼續(xù)改進和完善本機器的功能，使其實現(xiàn)削坡(開槽)、出土、裝車的一體化作業(yè)．

［1］張小剛，劉登超，陳崇德． 削坡機在大型渠道施工中的應(yīng)用［J］．科技創(chuàng)業(yè)月刊，2013，26(9):177 －178．

［2］姚賢華，王靜，王丹，等．南水北調(diào)工程渠道襯砌反濾料的施工質(zhì)量控制［J］． 華北水利水電大學學報(自然科學版)，2014，35(4):27 －30．

［3］張彬，楊永波，王德霞． 渠道機械化削坡技術(shù)的施工應(yīng)用［J］．河北水利，2012(12):35 －36．

［4］王兆卿，孫建黨，張新江，等．旋銑式成槽機［J］．中國水利，2010(10):67 －68．

［5］劉升華，呂樹田，張思彬．HHLJG2 －1 型削坡器在節(jié)水改造工程中的創(chuàng)造應(yīng)用［J］． 河南水利與南水北調(diào)，2003(6):39 －39．

［6］羅永平，代存軍．旋耕式多齒開槽機研制與應(yīng)用［J］．治黃科技信息，2012(1):14 －16．

［7］鄭狀元，郭菁菁，吳林峰，等．南水北調(diào)工程削坡機的設(shè)計［J］．技術(shù)與市場，2013，20(10):24 －25．

［8］孫朝陽，盛文利，齊輝，等．水下溝槽式管道連接件安裝作業(yè)機器人設(shè)計［J］． 機械設(shè)計與制造，2015(5):127－129．