HJXK－1型超长边坡渠道削坡开槽机的研制

郝用兴，张明慧，马子领，马少丹，宋利辉

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

南水北调工程是优化我国水资源时空配置的重大举措，是解决我国北方水资源严重短缺问题的特大型基础设施项目，是未来我国可持续发展和整个国土整治的关键性工程． 在南水北调工程的渠道衬砌施工阶段，衬砌施工之前需要对渠道边坡进行精削坡，结构层中排水系统的安装需要开挖沟槽．传统的削坡方式是人工配合机械进行施工，沟槽开挖则是人工配合小型挖掘机进行施工的． 此种施工方法需要投入较多人力且施工进度缓慢，施工精度也无法保证．南水北调中线一期工程潮河段六标，位于郑州航空港区，标段全长8 km，其中水泥改性土段长4 536 m，渠道深度8．50 ～9．15 m、坡比1∶2．0 ～1∶3．5、坡长22．87 ～33．34 m． 本标段共需削坡65 万m2，总开槽长度约127．36 km．按照南水北调的技术要求，混凝土衬砌的土质坡面平整度应不大于20 mm/2 m．施工中渠道边坡表面平整度不易控制且技术要求较为严格，经水泥改性土换填后的坡面土质强度较高，若采用人工配合挖掘机削坡、开槽，施工效率极低，削坡与开槽的精度不高［1－4］．为此，亟须研制出一种新型的渠道削坡开槽机，以提高施工效率和降低施工成本．

在黄河水利工程中，黄河三角洲地区麻湾灌区节水改造工程中使用的HHLJG2－1 型削坡器［5］和洛阳丽铭机器设备有限公司研制的自动削坡机，其功能单一，只具备削坡功能;菏泽黄河二期标准化堤防建设中研制的旋耕式多齿开槽机［6］和长江大堤牛屯河段防渗墙施工中运用的链斗式开槽机仅具备开槽功能;洛阳丽铭机器设备有限公司研制的自动削坡机的升降装置的可调整精度低．基于上述问题，笔者设计了一种HJXK－1 型超长边坡渠道削坡开槽机，实现了渠道削坡、开槽快速高效的机械化施工．

该机不仅能够进行自动削坡作业，同时还能够进行坡面开槽作业，具备一机多用的特点．与传统的施工方法相比，采用该机械施工提高了切削效率、减少了调整时间、确保了施工精度、加快了施工进度、节约了施工成本．

1 渠道削坡开槽机的结构组成

如图1 所示，渠道削坡开槽机由桁架1、大车行走系统2、边坡调整系统3、切削系统4、行走动力系统5 和控制室6 等部分组成［7］．

1．1 桁架

桁架是削坡机的主体部分，也是整个削坡装置的支撑部分．该机器的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，满足不同坡长的切削需要．该机器桁架由3 节组成，其中第1 节放于坡底，长11．150 m;第2 节放于坡顶，长12．032 m;第3 节是调节段，有1．740、4．011、8．266、10．483 m 4 种长度．通过不同的组合可以适应22．88、24．620、26．880、31．120、33．340 m 5 种长度的坡长的切削．2个框架之间采用法兰连接，铰制孔螺栓固定，保证了连接的可靠性与互换性，如图2 所示． 在荷载作用下，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，当跨度较大时比实腹梁节省材料，自重轻和刚度大．同时，该机器还可以通过调整桁架上部个别模块的间距来调整机架挠度，从而保证桁架底部的水平度，提高削坡精度．

图1 渠道削坡开槽机的结构组成

图2 桁架

1．2 大车行走系统

大车行走系统由电机、立式减速器带动滚轮沿着轨道运动来实现边坡工作面的切换，在行走轮的外端设有挡轨板，如图3 所示．

图3 大车行走系统

大车驱动采用连续变频控制，通过模拟输入能够实现无极调速功能，从而减少了大车行走时的冲击，保证了其行走的平稳性及行走精度．同时增加了大车行走电子纠偏装置，确保大车行走的同步性，保证了开槽的精度．

1．3 边坡调整系统

如图4 所示，边坡调整系统主要由4 个安装在大车行走梁上的电动丝杆升降机组成，通过电气控制可实现单个分动、单侧联动、整体联动等功能． 单个分动能够实现桁架的调平;单侧联动能够实现变坡，使桁架适用不同的坡角;整体联动能够实现桁架整体的起落，实现切削深度的调整．

图4 边坡调整系统

1．4 切削系统

切削系统包括切削装置和削坡刀架系统，是整个机器实施切削、开槽的执行机构．

1．4．1 切削装置

切削装置主要由机座、回转盘、电动机、减速器、切削刀具等组成．该机器采用密齿型铣刨组合式刀具，加装了合金刀头，刀头不易磨损，使用寿命长．同时，可以根据不同的工作环境更换切削刀具，亦可通过自适应控制系统控制刀头转速．刀头如图5 所示．

图5 合金刀头

1．4．2 切削刀架系统

削坡刀架系统由前板、中板、底板、滚轮组成，由钢丝绳卷扬机牵引带动滚轮沿着桁架轨道行走，如图6 所示．削坡刀架系统可在主机架上平稳运行，也可由电机控制在主机架上往复行走． 由于桁架比较长，在桁架上运行的削坡刀架有2 组，2 组的间距刚好是桁架总长的一半，这样可以减少整个系统的切削时间．待削坡刀架系统从最上端或最下端行走到另一端时，开启行走系统使主机架纵向移动，从而达到削坡、松土、找平的连续性． 削坡机削出的土还留在坡面上，既避免了建基面因暴晒产生干裂，又防止下雨时建基面被雨水冲毁，解决了渠道削坡速度慢、削坡建基面不平整、挖机削坡费用高等问题，在保证施工质量的前提下，大大提高了施工效率．

图6 削坡刀架系统

1．5 切削行走机构

如图7 所示，切削行走机构采用钢丝绳牵引，通过固定在桁架上的卷筒的旋转来实现钢丝绳的收放，从而实现对切削机座的牵引．切削行走机构共有4 个车轮，其行走轮可以沿着桁架轨道运动，在切削行走机构的外端还设有清轨板和缓冲器．

在坡顶侧和坡底侧分别装有换向限位开关，从而实现切削行走机构的自动换向，减少了劳动强度，提高了工作效率．同时，该机器通过更换齿轮实现不同的开槽切削速度(0．25 ～2．50 m/min)，既能满足削坡高速的需求，又能满足开槽低速的要求．

图7 切削行走机构

1．6 控制室

该机器的控制系统以单片机AT89C52 为核心控制部件，整个系统包括变频器、变频电机、霍尔传感器等器件． 用A44E 霍尔传感器来获取数字脉冲信号，通过选择合适的硬件，并对硬件的工作方式及内容进行设计和软件编程，使之完成速度测量，进而实现对电机的变频控制，达到匀速切削、开槽的目的［8］．

2 渠道削坡开槽机在Pro/E 中的建模和运动仿真

2．1 建模

运用Pro/E 的装配功能将各部件按照一定的运动方式组装起来，可以得到削坡开槽机的三维模型图，如图8 所示．

图8 整机三维模型装配图

2．2 削坡开槽机的运动仿真

削坡开槽机的一个完整的运动周期为:切削系统沿桁架轨道运动、刀具旋转→桁架整体下降→切削系统沿桁架轨道反向运动、刀具旋转→桁架整体上升→整机沿坡面轨道运动．

依据上述工作过程，对模型相应的部件添加电动机，各运动参数定义的情况见表1．

表1 各工序下部件的运动参数值

在Pro/E 中模拟削坡开槽机的运动过程结果表明，该机器各机构的运动力学参数适宜，可以实现削坡开槽的一体化作业．

3 应用实例

将HJXK－1 型超长边坡渠道削坡开槽机应用于南水北调中线一期工程潮河段六标渠道工程施工中，其成型后的坡面和沟槽平整、顺直，如图9 所示．

图9 采用渠道削坡开槽机成型的坡面和沟槽

对潮河段六标渠道施工桩169 +200—169 +250(右坡)段坡面和沟槽的质量进行检查，其检测数据见表2．

表2 坡面和沟槽的检测数据

根据设计指标，坡面平整度要求误差在20 mm/2 m，沟槽位置要求偏差在0 ～±50 mm．由表2 中的检测数据可知，检测结果合格率为100%，削坡平整度和沟槽位置精度均在设计允许误差之内． 因此该机器削坡、开槽的质量均满足施工要求．

在工程应用中，对该削坡开槽机的效率、费用方面做了分析:与传统的人工削坡相比，该机器每削坡1 m2，可节约成本5．43 元;每开槽1 m，可节约成本14．76 元． 在潮河段六标工程中，使用HJXK －1 型超长边坡渠道削坡开槽机完成削坡约35 万m2，开槽长度约66 640 m，节约成本约288．43 万元，效益显著．

HJXK－1 型超长边坡渠道削坡开槽机，已在南水北调中线一期工程潮河六标等工程中推广应用，结果显示，施工进度加快，施工质量得到保证，施工成本得到降低，并获得了业主和监理的一致好评．

4 结 语

HJXK－1 型超长边坡渠道削坡开槽机，实现了渠道削坡、开槽的机械化施工，保证了施工质量，简化了施工中设备的调整工序，减少了辅助工作时间，降低了施工成本．其结构简单，操作安全，维修方便，工作可靠，渠道一次成型，且表面光滑密实，断面标准，抗冻性能好，寿命长．与渠道衬砌机、磨光机等机械配套使用，可以完成大型渠道的开挖和混凝土衬砌的机械化施工，且效益显著．

目前，该机器不能实现自动出土．下一步的研究工作将围绕在保证施工进度和质量的前提下，继续改进和完善本机器的功能，使其实现削坡(开槽)、出土、装车的一体化作业．

［1］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，2013，26(9):177 －178．

［2］姚贤华，王静，王丹，等．南水北调工程渠道衬砌反滤料的施工质量控制［J］． 华北水利水电大学学报(自然科学版)，2014，35(4):27 －30．

［3］张彬，杨永波，王德霞． 渠道机械化削坡技术的施工应用［J］．河北水利，2012(12):35 －36．

［4］王兆卿，孙建党，张新江，等．旋铣式成槽机［J］．中国水利，2010(10):67 －68．

［5］刘升华，吕树田，张思彬．HHLJG2 －1 型削坡器在节水改造工程中的创造应用［J］． 河南水利与南水北调，2003(6):39 －39．

［6］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．

［7］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．

［8］孙朝阳，盛文利，齐辉，等．水下沟槽式管道连接件安装作业机器人设计［J］． 机械设计与制造，2015(5):127－129．