江立凱，徐衛(wèi)杰，賴 柯

（深圳市水務(wù)（集團(tuán)）有限公司閥門檢測(cè)及維修分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

市區(qū)道路檢查井蓋普遍存在下沉、突起、傾斜、破裂、跳動(dòng)等現(xiàn)象，危及行人行車安全，對(duì)路面美觀和井蓋正常使用造成一定影響[1]。井蓋修正、加固、更換的工作量巨大，復(fù)修率較高?，F(xiàn)井蓋更換多借助風(fēng)鎬和切割機(jī)由人工進(jìn)行，施工質(zhì)量難以提高，且施工時(shí)間較長(zhǎng)，影響交通。個(gè)別進(jìn)口井蓋更換設(shè)備自動(dòng)化程度較高，但國(guó)外檢查井的結(jié)構(gòu)、尺寸和路面材料等與國(guó)內(nèi)存在一定差別，引進(jìn)國(guó)外設(shè)備存在適用性不強(qiáng)、維護(hù)困難、維護(hù)成本高等問題而較少使用。因此，研制符合國(guó)內(nèi)井蓋更換要求、自動(dòng)化程度較高的檢查井蓋更換機(jī)具有重要意義和必要性。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

新研制的檢查井蓋更換機(jī)適用于市區(qū)道路常見的Φ700人孔井蓋，其結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、三角平臺(tái)、噴水系統(tǒng)、桶刀、推裂夾取機(jī)構(gòu)、接渣盤、減速箱、螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪組、液壓馬達(dá)、液壓缸等組成，如圖1 所示。該機(jī)固定裝配在隨車起重運(yùn)輸車上，利用車輛吊臂進(jìn)行裝載及操控；動(dòng)力由液壓站提供，可連接車輛動(dòng)力源或另配；做到隨車運(yùn)輸和作業(yè)，便于不同施工地點(diǎn)的高效施工；采用桶形刀具進(jìn)行路面銑切；推裂夾取機(jī)構(gòu)可對(duì)井座底部砌體材料進(jìn)行推裂和平整，并夾取井座。該機(jī)具可一次完成路面銑切、井座提取、砼基座安裝孔位生成等作業(yè)步驟。

圖1 檢查井蓋更換機(jī)結(jié)構(gòu)

作業(yè)步驟：①通過車輛吊臂實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)具的移動(dòng)與定位；②液壓馬達(dá)II 帶動(dòng)齒輪組，實(shí)現(xiàn)桶刀的旋轉(zhuǎn)切削動(dòng)作；③液壓馬達(dá)I 經(jīng)減速箱及同步帶傳動(dòng)后，帶動(dòng)螺桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，可使三角平臺(tái)垂直升降，實(shí)現(xiàn)桶刀的進(jìn)給與退刀動(dòng)作，以及井座的提拉動(dòng)作；④桶刀銑切過程中，噴水系統(tǒng)可對(duì)桶刀進(jìn)行降溫并起到除塵效果；⑤桶刀銑切到設(shè)定深度后，將桶刀退回至高于路面的位置，此時(shí)將液壓缸II 推出，使推裂夾取機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)井座底部的砌體材料；⑥液壓缸III 推出，對(duì)砌體材料進(jìn)行擠壓破裂和平整，液壓缸III 滿行程推出后回縮復(fù)位，再啟動(dòng)液壓缸I，帶動(dòng)推裂夾取機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，液壓缸III 再次滿行程推出，對(duì)井座底部的砌體材料進(jìn)行全面平整，并使砌體材料與井座充分脫離，液壓缸III 保持推出狀態(tài)即可夾住井座，此時(shí)升起三角平臺(tái)即可將井座提取出來；⑦砌體材料推裂及井座提取過程中掉落的雜碎物體被接渣盤承接，防止雜物落井。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 桶刀設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種桶形刀具，作為銑切路面的專用刀具。根據(jù)Φ700 人孔井蓋的結(jié)構(gòu)尺寸及預(yù)制砼基座安裝要求，需銑切形成直徑約1200 mm、深度250 mm的圓柱孔，故要求桶刀直徑達(dá)1200 mm。為驗(yàn)證桶形刀具銑切的可行性，分別制作了1000 mm×1000 mm×400 mm的混凝土和瀝青試樣，用配備類似桶形刀具的圓弧板切石機(jī)（桶刀直徑600 mm，配備40 kW 變頻電機(jī)）進(jìn)行銑切試驗(yàn)，如圖2 所示。結(jié)果表明，采用合適的切削速度和進(jìn)給速度，桶刀可順利銑切混凝土和瀝青材料，桶刀無明顯磨損。試驗(yàn)取得了相關(guān)銑切參數(shù)：桶刀扭矩4500 N·m、轉(zhuǎn)速120 r/min，混凝土試樣銑切進(jìn)給速度可達(dá)10 mm/min、瀝青試樣銑切進(jìn)給速度可達(dá)20 mm/min。

圖2 桶刀銑切試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

設(shè)計(jì)的桶刀由蓋板、桶身和刀齒組成，如圖3 所示。蓋板上均布6 個(gè)安裝孔，與大齒輪連接；桶身采用16Mn 材料；刀齒為硬質(zhì)合金材料，與桶身采用銅焊焊接。

圖3 桶刀結(jié)構(gòu)

2.2 推裂夾取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的推裂夾取機(jī)構(gòu)主要由端頭塊、液壓缸III、乙烯板、方管I、方管II 組成，如圖4 所示。由液壓缸III 提供動(dòng)力，可使端頭塊向兩端推出；為增大接觸面積，將端頭塊做成圓弧狀；端頭塊下方安裝乙烯板，以減少滑動(dòng)時(shí)端頭塊與方管II的摩擦阻力；整個(gè)推裂夾取機(jī)構(gòu)可旋轉(zhuǎn)90°，從而可實(shí)現(xiàn)井座底部砌體材料全方位推裂、平整，與井座充分脫離。

圖4 推裂夾取機(jī)構(gòu)

2.3 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架需具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，以承載桶刀銑切運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的反作用力，否則可能發(fā)生桶刀跳動(dòng)崩壞或整機(jī)甩動(dòng)等安全事故。該機(jī)具用于路面作業(yè)，整體重量和體積不宜過大，以便于吊裝運(yùn)輸和施工作業(yè)。因此，機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需兼顧穩(wěn)定性與輕量化兩個(gè)要點(diǎn)，如圖5 所示。設(shè)計(jì)的機(jī)架采用三角結(jié)構(gòu)框架，穩(wěn)定性較高，重量較小；機(jī)架頂部配備連接頭，與吊臂連接，作業(yè)時(shí)可利用吊臂施加往下的作用力，進(jìn)一步提高機(jī)架的穩(wěn)定性。

圖5 機(jī)架

2.4 齒輪組設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一組直齒輪組，將液壓馬達(dá)II的動(dòng)力傳遞到桶刀上。根據(jù)上文桶刀銑切試驗(yàn)得出的參數(shù)，通過換算，可得出該井蓋更換機(jī)桶刀所需扭矩為18 000 N·m、轉(zhuǎn)速60 r/min。

根據(jù)扭矩及轉(zhuǎn)速參數(shù)，并結(jié)合機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸，初步選定小齒輪齒數(shù)z1為20，材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280 HBS；大齒輪材料為45#鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240 HBS。采用半開式傳動(dòng)，根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度公式[2]計(jì)算齒輪組模數(shù)m：

式中 K——載荷系數(shù)

φm——齒寬系數(shù)

YFS——復(fù)合齒形系數(shù)

σFP——許用彎曲應(yīng)力，MPa

計(jì)算得出模數(shù)m≥6.06，取m 為8。綜合考慮安裝空間、馬達(dá)II 選型及桶刀轉(zhuǎn)速要求，取大小齒輪轉(zhuǎn)速比為3.85，故大齒輪齒數(shù)z2為77。計(jì)算得出大小齒輪的幾何尺寸：小齒輪分度圓直徑，d1=z1m=20×8=160 mm；大齒輪分度圓直徑，d2=z2m=77×8=616 mm；齒輪寬度，b=φmm=12×8=96 mm，取小齒輪寬度b1為100 mm，大齒輪寬度b2為120 mm。

為使機(jī)具結(jié)構(gòu)更加緊湊，將小齒輪設(shè)計(jì)為齒輪軸形式，大齒輪下帶法蘭盤，直接與桶刀相連接，設(shè)計(jì)的齒輪組結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 齒輪組

3 試驗(yàn)

為檢驗(yàn)檢查井蓋更換機(jī)是否符合設(shè)計(jì)要求，以及獲取較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)，選取混凝土路面井蓋進(jìn)行了井蓋更換試驗(yàn)，如圖7所示。桶刀轉(zhuǎn)速為60 r/min，選取桶刀進(jìn)給速度作為試驗(yàn)因素，優(yōu)選了4 mm/min、5 mm/min、6 mm/min 三組工況進(jìn)行試驗(yàn)，每組工況重復(fù)試驗(yàn)3 次，觀察每次試驗(yàn)桶刀的銑切過程和效果。

圖7 井蓋更換機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)表明：桶刀進(jìn)給速度為4 mm/min 時(shí)，3 次試驗(yàn)銑切均較為平穩(wěn)、順暢，機(jī)架無明顯抖動(dòng)；桶刀進(jìn)給速度為5 mm/min時(shí)，3 次試驗(yàn)中有1 次出現(xiàn)短暫的銑切不暢，桶刀出現(xiàn)輕微抖動(dòng)，但隨著銑切的進(jìn)行，馬上恢復(fù)平穩(wěn)，可能銑切位置存在鋼筋等堅(jiān)韌物質(zhì)導(dǎo)致銑切速度發(fā)生變化，但仍能順利銑切；桶刀進(jìn)給速度為6 mm/min 時(shí)，3 次試驗(yàn)均出現(xiàn)間隔性的桶刀跳動(dòng)，且隨著銑切的進(jìn)行，桶刀跳動(dòng)逐漸增大，無法保持該進(jìn)給速度繼續(xù)銑切。綜合試驗(yàn)結(jié)果可知，更換混凝土路面井蓋時(shí)，桶刀銑切進(jìn)給速度設(shè)置為5 mm/min 較為合適，銑切用時(shí)約50 min/個(gè)。此外，試驗(yàn)表明推裂夾取機(jī)構(gòu)可有效推裂、平整砌體材料并夾取井座，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）研制了一種檢查井蓋更換機(jī)：采用桶形刀具進(jìn)行路面銑切，銑切半徑大、深度足；設(shè)計(jì)了一種推裂夾取機(jī)構(gòu)，對(duì)井座底部砌體材料進(jìn)行推裂和平整，使砌體材料與井座分離后提取井座；機(jī)架采用三角輕量化設(shè)計(jì)，既滿足穩(wěn)定性要求，又便于吊輸和施工作業(yè)。

（2）試驗(yàn)表明：該機(jī)具可有效銑切路面、提取井座、生成砼基座安裝孔位，滿足井蓋更換作業(yè)要求。更換混凝土路面井蓋時(shí)，桶刀銑切進(jìn)給速度設(shè)置為5 mm/min 較為合適；更換瀝青路面井蓋時(shí)，進(jìn)給速度可適當(dāng)加大。