細(xì)土破碎篩分一體機(jī)的研制

天然氣管道第二工程公司管道施工技術(shù)研究QC小組

（江蘇徐州221008）

細(xì)土破碎篩分一體機(jī)的研制

天然氣管道第二工程公司管道施工技術(shù)研究QC小組

（江蘇徐州221008）

1 小組概況

管道施工技術(shù)研究QC小組（表1）成立于2001年3月，成員10人，小組成立至今，持續(xù)不斷地針對(duì)管道施工技術(shù)開展QC活動(dòng)，先后開展多項(xiàng)創(chuàng)新型課題和問題解決型課題，成功解決了施工生產(chǎn)難題。

2 選擇課題

GB50369-2014《油氣長輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定，在戈壁地區(qū)進(jìn)行管道下溝、回填作業(yè)過程中，應(yīng)在管道下方和上方分別鋪設(shè)200mm和100mm厚的細(xì)土，細(xì)土粒徑≤20mm。而戈壁地區(qū)土質(zhì)為沙礫堅(jiān)土，須經(jīng)篩分后才能獲取細(xì)土。目前普遍采用的挖掘機(jī)配合人工的細(xì)土篩分方法細(xì)土出土率較低，僅為50%，且細(xì)土粒徑無法保證滿足施工驗(yàn)收規(guī)范。

表1 管道施工技術(shù)研究QC小組概況表

目前，市場上出現(xiàn)的可安裝在挖掘機(jī)上使用的自動(dòng)化細(xì)土篩分設(shè)備適用性較差。芬蘭某公司研制的處于國際領(lǐng)先地位的ALLU破碎篩分鏟斗破碎、篩分的細(xì)土粒徑大于20mm，難以滿足規(guī)范要求，而行業(yè)內(nèi)兄弟單位研制的一款濾網(wǎng)式篩分斗，僅用于松軟土質(zhì)的細(xì)土篩分，不適合土質(zhì)較硬的戈壁地區(qū)。

基于以上分析，小組提出了3個(gè)課題方向，即：研制一種細(xì)土篩分機(jī)、研制一種細(xì)土破碎機(jī)、研制一種細(xì)土破碎篩分一體機(jī)，并分別對(duì)其進(jìn)行選擇評(píng)價(jià)（表2、表3）。

基于選擇評(píng)價(jià)結(jié)果，QC小組將課題確定為：細(xì)土破碎篩分一體機(jī)的研制。

3 設(shè)定目標(biāo)

經(jīng)QC小組討論論證，決定將本次QC活動(dòng)課題的目標(biāo)設(shè)定為：破碎篩分機(jī)在戈壁地區(qū)細(xì)土出土率達(dá)80%。目標(biāo)設(shè)定后，QC小組對(duì)目標(biāo)進(jìn)行了可行性分析。

表2 課題選擇評(píng)價(jià)依據(jù)

表3 課題選擇評(píng)價(jià)表

1）經(jīng)調(diào)研，在戈壁地區(qū)進(jìn)行管溝細(xì)土篩分作業(yè)時(shí)，采用挖掘機(jī)配合人工的方式，細(xì)土出土率約為50%，而芬蘭某公司研制的ALLU破碎篩分鏟斗的細(xì)土出土率可達(dá)80%。

2）QC小組成員均為專科以上學(xué)歷，具有較強(qiáng)的科研能力，先后成功設(shè)計(jì)了非開挖水平定向鉆機(jī)、隧道內(nèi)運(yùn)管車、濕地鋪路車、液壓動(dòng)力抓管器等大型設(shè)備，且QC小組所在單位擁有焊接、機(jī)械加工車間，并與專業(yè)機(jī)械加工廠有著良好的合作關(guān)系。

因此，QC小組認(rèn)為，本課題的目標(biāo)是可行的。

4 提出方案并確定最佳方案

4.1 總體研究思路的提出及方案比選

小組通過頭腦風(fēng)暴法討論，形成了細(xì)土破碎篩分一體機(jī)的總體研究思路（圖1）。

圖1 總體研究思路提出系統(tǒng)圖

根據(jù)研究思路，小組提出了2種研究方案：破碎篩分步進(jìn)式和破碎篩分同步式，并進(jìn)行了方案比選。破碎篩分步進(jìn)式采用破碎輥和振動(dòng)篩相結(jié)合，先用破碎輥對(duì)原粗粒土進(jìn)行破碎作業(yè)，破碎過的粗粒土落入振動(dòng)篩進(jìn)行篩分作業(yè)，它的優(yōu)點(diǎn)是破碎篩分后細(xì)土粒徑均勻，缺點(diǎn)是篩分效率較低，取土不便；破碎篩分同步式采用破碎輥和篩分輥相結(jié)合，同步對(duì)粗粒土進(jìn)行破碎和篩分作業(yè),它的篩分效率較破碎篩分同步式提高了1倍，取土方便，缺點(diǎn)是為使破碎篩分后細(xì)土粒徑達(dá)標(biāo)，破碎輥和篩分輥上刀板布置較繁瑣。綜合分析比較，小組選用了破碎篩分同步式（圖2）。

圖2 總體研究方案效果對(duì)比圖

針對(duì)破碎篩分同步式細(xì)土破碎篩分一體機(jī)，QC小組經(jīng)過討論、論證，確定其主要應(yīng)包括6部分（圖3）。

4.2 局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提出及優(yōu)選

4.2.1 殼體的形狀結(jié)構(gòu)

針對(duì)殼體的形狀結(jié)構(gòu)，小組提出了“圓斗”和“方斗”2種方案，圓斗的殼體左右兩側(cè)板和底板為圓弧狀，外觀美觀，挖土能力更強(qiáng)，但輥軸、液壓馬達(dá)、傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)、安裝較困難，且斗容量較小，僅為方斗的2/3；方斗的殼體左右兩側(cè)板和底板為四邊形結(jié)構(gòu)，整體設(shè)計(jì)可操控性強(qiáng)，各部分拆裝方便,斗容較大，但外觀不美觀，挖土能力較弱。綜上分析，小組選用了“方斗”（圖4）。

圖3 破碎篩分同步式細(xì)土破碎篩分一體機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 殼體形狀結(jié)構(gòu)效果圖

4.2.2 連接耳板的安裝方式

針對(duì)連接耳板的安裝方式，小組提出了“焊接方式”和“螺栓連接”2種方案。“焊接方式”是將連接耳板焊接在破碎篩分機(jī)殼體上，優(yōu)點(diǎn)是牢靠、不容易松動(dòng)，缺點(diǎn)是拆裝不便；“螺栓連接”是在連接耳板和破碎篩分機(jī)上加工圓孔，通過螺栓將兩者連接在一起，優(yōu)點(diǎn)是拆裝方便、適用性較強(qiáng)，缺點(diǎn)是對(duì)螺栓的強(qiáng)度要求較高（經(jīng)過對(duì)螺栓所受預(yù)緊力和傾覆力的力學(xué)分析，最終選定M20螺栓）。考慮到適用性要求，小組選用了“螺栓連接”（圖5）

圖5 連接耳板的安裝方式效果圖

4.2.3 篩分刀板結(jié)構(gòu)形狀

針對(duì)篩分刀板的結(jié)構(gòu)形狀，小組提出了“圓柱形”和“長方體形”2種方案。圓柱形刀板加工容易，但與物料接觸為線接觸，容易被物料卡住；長方體形刀板與物料接觸為面接觸，接觸面積較大，篩分能力較強(qiáng)，缺點(diǎn)是加工難度稍大。綜合考慮，小組選用了長方體形結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6 篩分刀板結(jié)構(gòu)形狀效果圖

4.2.4 破碎刀板結(jié)構(gòu)形狀

針對(duì)破碎刀板結(jié)構(gòu)形狀，小組提出了“長方體形”和“凸輪形”2種方案。長方體形刀板與篩分刀板形狀相同，整體結(jié)構(gòu)較美觀和諧，缺點(diǎn)是與物料接觸面積較小，破碎能力有限，僅能破碎硬度較小的土質(zhì)物料；凸輪形刀板與物料接觸面積較方案一增加了17%，破碎能力較強(qiáng)，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)過程較復(fù)雜，需另外考慮破碎刀板與篩分刀板的配合及破碎刀板與破碎篩分機(jī)殼體內(nèi)壁的間距。考慮到破碎能力性能要求，小組選用了凸輪形結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖7 破碎刀板結(jié)構(gòu)形狀效果圖

4.2.5 篩分刀板和破碎刀板的安裝方式

針對(duì)篩分刀板和破碎刀板的安裝方式，小組提出了方案一“輥軸整體套筒上安裝刀板”（圖8）和方案二“輥軸分段套筒上安裝刀板”（圖9）。方案一是將刀板焊接在一個(gè)和輥軸等長的套筒上，再將套筒套在輥軸上，這樣設(shè)計(jì)簡單，但套筒加工精度要求較高，套筒與輥軸組裝較困難，且刀板局部磨損需更換整個(gè)套筒；方案二是將刀板分別焊接在7段等長套筒上，再將7段套筒依次套在相應(yīng)的輥軸上，這樣套筒與輥軸組裝方便，且刀板局部磨損僅需更換一段套筒即可。綜合對(duì)比分析，小組選用了方案二“輥軸分段套筒上安裝刀板”。

圖8 方案一“輥軸整體套筒上安裝刀板”結(jié)構(gòu)效果圖

圖9 方案二“輥軸分段套筒上安裝刀板”結(jié)構(gòu)效果圖

4.2.6 篩分輥軸和破碎輥軸的結(jié)構(gòu)布局

針對(duì)篩分輥軸和破碎輥軸的結(jié)構(gòu)布局，小組提出了方案一“篩分輥軸4根，破碎輥軸2根”和方案二“篩分輥軸5根，破碎輥軸1根”。方案一，2根破碎輥軸位于殼體底部中間位置，其余4根篩分輥軸分別位于破碎輥軸的兩邊各2根，采用2臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是通過2根破碎輥軸之間的嚙合擠壓進(jìn)行破碎，破碎能力更強(qiáng)。缺點(diǎn)是篩分輥軸較方案二少1根，篩分效率較低；輥軸嚙合方式的破碎效率較低。方案二，1根破碎輥軸位于篩分機(jī)殼體底部的一側(cè)（通過與殼體擠壓實(shí)現(xiàn)破碎功能），其余5根篩分輥軸依次呈直線排列，采用1臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是篩分和破碎效率較高，缺點(diǎn)是破碎能力較方案一略弱。綜合考慮破碎篩分效率和能力，小組選用了方案二“篩分輥軸5根，破碎輥軸1根”（圖10）。

圖10 篩分輥軸和破碎輥軸結(jié)構(gòu)布局效果圖

4.2.7 材質(zhì)選擇

針對(duì)上述各個(gè)結(jié)構(gòu)部分，小組進(jìn)行了材質(zhì)選擇（表4）。

4.2.8 傳動(dòng)方式

針對(duì)傳動(dòng)方式，小組提出了“帶傳動(dòng)”和“鏈傳動(dòng)”2種方案。“帶傳動(dòng)”是6個(gè)輥軸之間通過皮帶隨著帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞動(dòng)力，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，安裝和維修方便，缺點(diǎn)是：①傳動(dòng)效率較低，約80%左右；②傳動(dòng)功率較小；③傳送帶易發(fā)生彈性滑動(dòng)導(dǎo)致傳動(dòng)比不準(zhǔn)確（彈性滑動(dòng)率約1%～2%）。“鏈傳動(dòng)”是6個(gè)輥軸之間通過鏈條隨著鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞動(dòng)力，優(yōu)點(diǎn)是：①傳動(dòng)效率較高，通常在90%以上；②同等條件下，傳動(dòng)功率約為帶傳動(dòng)的180倍；③無彈性滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是傳動(dòng)過程中會(huì)附加動(dòng)載荷、沖擊、振動(dòng)和噪聲。綜合分析比較之下，小組選用了鏈傳動(dòng)（圖11）。

表4 破碎篩分一體機(jī)各結(jié)構(gòu)部分材質(zhì)選擇表

圖11 傳動(dòng)方式效果圖

4.2.9 液壓馬達(dá)選型

QC小組根據(jù)各輥軸受力情況，經(jīng)過計(jì)算確定了篩分輥軸及壓碎輥軸所需的最大彎矩為3.14× 106N·mm，即：3140N·m。通過對(duì)市場上的液壓馬達(dá)型號(hào)、性能參數(shù)的對(duì)比，項(xiàng)目組決定選用寧波某液壓傳動(dòng)有限公司生產(chǎn)的ZHT3-1500-P型馬達(dá)。該馬達(dá)提供最大扭矩5100N·m，轉(zhuǎn)速0～90r/min。

4.3 最佳研究方案確定

圖12為最佳研究方案。

5 制定對(duì)策

根據(jù)最佳研究方案，小組制定了以下對(duì)策，見表5。

圖12 最佳研究方案系統(tǒng)圖

表5 對(duì)策表

6 按對(duì)策實(shí)施

6.1 圖紙繪制

2014年6月17日，小組先后完成了總體裝配圖和各個(gè)零件圖的繪制（圖13、圖14）。從圖上不難得出,殼體外形尺寸為1745mm×1620mm×1350mm,容量可達(dá)到1.6m3，輥軸間距20mm，每根輥軸上分布有7段套筒，篩分輥軸每段套筒上周向均布6塊刀板，破碎輥軸每段套筒周向均布6塊刀板，破碎輥軸與殼體底部端面距離20mm，可確保破碎篩分后細(xì)土粒徑≤20mm。

圖13 總裝配圖

6.2 零件加工

2014年8月18日，小組已完成殼體、連接耳板、篩分刀板、破碎刀板、篩分輥軸、破碎輥軸等各個(gè)結(jié)構(gòu)部分的加工任務(wù)，各個(gè)零件均滿足相應(yīng)的功能需要和設(shè)計(jì)要求。

圖14 零件圖

6.3 液壓馬達(dá)、鏈條、鏈輪等標(biāo)配件的訂購，整機(jī)組裝、調(diào)試

2014年9月15日前，小組訂購?fù)瓿闪艘簤厚R達(dá)、鏈條、鏈輪等標(biāo)配件，對(duì)破碎篩分機(jī)進(jìn)行了組裝，并對(duì)安裝好的破碎篩分機(jī)進(jìn)行了性能調(diào)試。調(diào)試結(jié)果證明，篩分輥軸和破碎輥軸能夠正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，且能夠?qū)τ捕炔淮笥?5MPa的磚塊進(jìn)行破碎、篩分，破碎篩分后的磚塊粒徑不大于20mm。

7 效果檢查

7.1 性能測試

2014年9月22日，國家工程機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)破碎篩分機(jī)進(jìn)行了性能測試（表6）。測試證明，該機(jī)型的性能參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 細(xì)土破碎篩分一體機(jī)性能參數(shù)表

7.2 應(yīng)用情況

2014年9月25日，QC小組將細(xì)土破碎篩分一體機(jī)運(yùn)抵新疆戈壁地區(qū)施工現(xiàn)場進(jìn)行破碎、篩分應(yīng)用。應(yīng)用前，將破碎篩分機(jī)安裝在一臺(tái)30噸級(jí)的挖掘機(jī)上，經(jīng)過20min的安裝調(diào)試，開始對(duì)現(xiàn)場粗粒土進(jìn)行為時(shí)1h的現(xiàn)場破碎、篩分應(yīng)用。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，共破碎、篩分了46斗粗粒土（經(jīng)計(jì)算為73.6m3），破碎篩分后的細(xì)土約為61m3（細(xì)土土方按照?qǐng)A錐模型計(jì)算，經(jīng)測量，其直徑為10.8m，高度為2m）。應(yīng)用證明，該破碎篩分機(jī)能夠順利實(shí)現(xiàn)取土、篩土及土塊破碎，破碎篩分后的細(xì)土粒徑達(dá)到了≤20mm的相應(yīng)施工規(guī)范要求。

7.3 目標(biāo)檢查

經(jīng)過為時(shí)1h的現(xiàn)場應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該破碎篩分機(jī)共破碎、篩分了73.6m3，破碎篩分后的細(xì)土約為61m3，則細(xì)土出土率為83%，實(shí)現(xiàn)了既定研究目標(biāo)。

7.4 效益分析

1）經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)調(diào)研，芬蘭某公司研制的ALLU破碎篩分鏟斗價(jià)格大概為30萬元，而QC小組研制的破碎篩分機(jī)成本費(fèi)約為10萬元，大大降低了成本。同時(shí)，與挖掘機(jī)配合人工的篩分方式相比，至少節(jié)約了2名人工，篩分效率較挖掘機(jī)配合人工方式提高了約29%。

篩分效率計(jì)算過程為：由前面得知，破碎篩分機(jī)的篩土效率為61m3/h，又經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研并計(jì)算得，挖掘機(jī)配合人工的篩土效率約為43.5m3/h（采用斗容為1.5m3的挖掘機(jī)，每小時(shí)能篩分58斗，即：87m3，細(xì)土出土率為50%），由以上計(jì)算得，破碎篩分機(jī)的篩土效率較挖掘機(jī)配合人工篩土效率提高了約29%。

2）社會(huì)效益。該破碎篩分機(jī)降低了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，無需地面輔助人員，僅1名挖掘機(jī)操作手在駕駛室內(nèi)即可完成管溝細(xì)土破碎、篩分、回填作業(yè)；同時(shí)，也確保了施工現(xiàn)場的規(guī)范化管理，進(jìn)一步提升了管道施工質(zhì)量。

8 標(biāo)準(zhǔn)化

QC小組申請(qǐng)了一項(xiàng)國家實(shí)用新型專利“一種篩分破碎裝置”，目前已被受理，同時(shí)對(duì)細(xì)土破碎篩分一體機(jī)的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行整理歸檔（歸檔號(hào)PSSFJ2014-10），并編寫了相應(yīng)的操作使用說明書。

9 總結(jié)和下一步打算

通過此次活動(dòng)，提高了小組成員的質(zhì)量意識(shí)，進(jìn)一步鞏固了QC知識(shí)。活動(dòng)結(jié)束后，小組成員總結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該破碎篩分機(jī)的挖硬土能力較弱，于是，就在殼體端口增加了斗齒。

下一步，小組計(jì)劃開展的課題為“石方段管溝掘進(jìn)機(jī)的研制”。

路萍

2015-11-09