检查井盖更换机的研制与试验

2021-09-05江立凯徐卫杰

设备管理与维修 2021年13期

江立凯，徐卫杰，赖柯

（深圳市水务（集团）有限公司阀门检测及维修分公司，广东深圳 518000）

0 引言

市区道路检查井盖普遍存在下沉、突起、倾斜、破裂、跳动等现象，危及行人行车安全，对路面美观和井盖正常使用造成一定影响[1]。井盖修正、加固、更换的工作量巨大，复修率较高。现井盖更换多借助风镐和切割机由人工进行，施工质量难以提高，且施工时间较长，影响交通。个别进口井盖更换设备自动化程度较高，但国外检查井的结构、尺寸和路面材料等与国内存在一定差别，引进国外设备存在适用性不强、维护困难、维护成本高等问题而较少使用。因此，研制符合国内井盖更换要求、自动化程度较高的检查井盖更换机具有重要意义和必要性。

1 总体结构设计及工作原理

新研制的检查井盖更换机适用于市区道路常见的Φ700人孔井盖，其结构主要由机架、三角平台、喷水系统、桶刀、推裂夹取机构、接渣盘、减速箱、螺杆传动机构、同步带传动机构、齿轮组、液压马达、液压缸等组成，如图1 所示。该机固定装配在随车起重运输车上，利用车辆吊臂进行装载及操控；动力由液压站提供，可连接车辆动力源或另配；做到随车运输和作业，便于不同施工地点的高效施工；采用桶形刀具进行路面铣切；推裂夹取机构可对井座底部砌体材料进行推裂和平整，并夹取井座。该机具可一次完成路面铣切、井座提取、砼基座安装孔位生成等作业步骤。

图1 检查井盖更换机结构

作业步骤：①通过车辆吊臂实现对该机具的移动与定位；②液压马达II 带动齿轮组，实现桶刀的旋转切削动作；③液压马达I 经减速箱及同步带传动后，带动螺杆机构运动，可使三角平台垂直升降，实现桶刀的进给与退刀动作，以及井座的提拉动作；④桶刀铣切过程中，喷水系统可对桶刀进行降温并起到除尘效果；⑤桶刀铣切到设定深度后，将桶刀退回至高于路面的位置，此时将液压缸II 推出，使推裂夹取机构对准井座底部的砌体材料；⑥液压缸III 推出，对砌体材料进行挤压破裂和平整，液压缸III 满行程推出后回缩复位，再启动液压缸I，带动推裂夹取机构旋转90°，液压缸III 再次满行程推出，对井座底部的砌体材料进行全面平整，并使砌体材料与井座充分脱离，液压缸III 保持推出状态即可夹住井座，此时升起三角平台即可将井座提取出来；⑦砌体材料推裂及井座提取过程中掉落的杂碎物体被接渣盘承接，防止杂物落井。

2 关键部件设计

2.1 桶刀设计

设计一种桶形刀具，作为铣切路面的专用刀具。根据Φ700 人孔井盖的结构尺寸及预制砼基座安装要求，需铣切形成直径约1200 mm、深度250 mm的圆柱孔，故要求桶刀直径达1200 mm。为验证桶形刀具铣切的可行性，分别制作了1000 mm×1000 mm×400 mm的混凝土和沥青试样，用配备类似桶形刀具的圆弧板切石机（桶刀直径600 mm，配备40 kW 变频电机）进行铣切试验，如图2 所示。结果表明，采用合适的切削速度和进给速度，桶刀可顺利铣切混凝土和沥青材料，桶刀无明显磨损。试验取得了相关铣切参数：桶刀扭矩4500 N·m、转速120 r/min，混凝土试样铣切进给速度可达10 mm/min、沥青试样铣切进给速度可达20 mm/min。

图2 桶刀铣切试验现场

设计的桶刀由盖板、桶身和刀齿组成，如图3 所示。盖板上均布6 个安装孔，与大齿轮连接；桶身采用16Mn 材料；刀齿为硬质合金材料，与桶身采用铜焊焊接。

图3 桶刀结构

2.2 推裂夹取机构设计

设计的推裂夹取机构主要由端头块、液压缸III、乙烯板、方管I、方管II 组成，如图4 所示。由液压缸III 提供动力，可使端头块向两端推出；为增大接触面积，将端头块做成圆弧状；端头块下方安装乙烯板，以减少滑动时端头块与方管II的摩擦阻力；整个推裂夹取机构可旋转90°，从而可实现井座底部砌体材料全方位推裂、平整，与井座充分脱离。

图4 推裂夹取机构

2.3 机架设计

机架需具备较强的稳定性，以承载桶刀铣切运动产生的反作用力，否则可能发生桶刀跳动崩坏或整机甩动等安全事故。该机具用于路面作业，整体重量和体积不宜过大，以便于吊装运输和施工作业。因此，机架的结构设计需兼顾稳定性与轻量化两个要点，如图5 所示。设计的机架采用三角结构框架，稳定性较高，重量较小；机架顶部配备连接头，与吊臂连接，作业时可利用吊臂施加往下的作用力，进一步提高机架的稳定性。

图5 机架

2.4 齿轮组设计

设计一组直齿轮组，将液压马达II的动力传递到桶刀上。根据上文桶刀铣切试验得出的参数，通过换算，可得出该井盖更换机桶刀所需扭矩为18 000 N·m、转速60 r/min。

根据扭矩及转速参数，并结合机架结构尺寸，初步选定小齿轮齿数z1为20，材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS；大齿轮材料为45#钢（调质），硬度为240 HBS。采用半开式传动，根据齿根弯曲强度公式[2]计算齿轮组模数m：

式中 K——载荷系数

φm——齿宽系数

YFS——复合齿形系数

σFP——许用弯曲应力，MPa

计算得出模数m≥6.06，取m 为8。综合考虑安装空间、马达II 选型及桶刀转速要求，取大小齿轮转速比为3.85，故大齿轮齿数z2为77。计算得出大小齿轮的几何尺寸：小齿轮分度圆直径，d1=z1m=20×8=160 mm；大齿轮分度圆直径，d2=z2m=77×8=616 mm；齿轮宽度，b=φmm=12×8=96 mm，取小齿轮宽度b1为100 mm，大齿轮宽度b2为120 mm。

为使机具结构更加紧凑，将小齿轮设计为齿轮轴形式，大齿轮下带法兰盘，直接与桶刀相连接，设计的齿轮组结构如图6 所示。

图6 齿轮组

3 试验

为检验检查井盖更换机是否符合设计要求，以及获取较优的作业参数，选取混凝土路面井盖进行了井盖更换试验，如图7所示。桶刀转速为60 r/min，选取桶刀进给速度作为试验因素，优选了4 mm/min、5 mm/min、6 mm/min 三组工况进行试验，每组工况重复试验3 次，观察每次试验桶刀的铣切过程和效果。

图7 井盖更换机试验现场

试验表明：桶刀进给速度为4 mm/min 时，3 次试验铣切均较为平稳、顺畅，机架无明显抖动；桶刀进给速度为5 mm/min时，3 次试验中有1 次出现短暂的铣切不畅，桶刀出现轻微抖动，但随着铣切的进行，马上恢复平稳，可能铣切位置存在钢筋等坚韧物质导致铣切速度发生变化，但仍能顺利铣切；桶刀进给速度为6 mm/min 时，3 次试验均出现间隔性的桶刀跳动，且随着铣切的进行，桶刀跳动逐渐增大，无法保持该进给速度继续铣切。综合试验结果可知，更换混凝土路面井盖时，桶刀铣切进给速度设置为5 mm/min 较为合适，铣切用时约50 min/个。此外，试验表明推裂夹取机构可有效推裂、平整砌体材料并夹取井座，达到设计要求。