檢查井蓋更換機的研制與試驗

江立凱，徐衛杰，賴 柯

（深圳市水務（集團）有限公司閥門檢測及維修分公司，廣東深圳 518000）

0 引言

市區道路檢查井蓋普遍存在下沉、突起、傾斜、破裂、跳動等現象，危及行人行車安全，對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，復修率較高。現井蓋更換多借助風鎬和切割機由人工進行，施工質量難以提高，且施工時間較長，影響交通。個別進口井蓋更換設備自動化程度較高，但國外檢查井的結構、尺寸和路面材料等與國內存在一定差別，引進國外設備存在適用性不強、維護困難、維護成本高等問題而較少使用。因此，研制符合國內井蓋更換要求、自動化程度較高的檢查井蓋更換機具有重要意義和必要性。

1 總體結構設計及工作原理

新研制的檢查井蓋更換機適用于市區道路常見的Φ700人孔井蓋，其結構主要由機架、三角平臺、噴水系統、桶刀、推裂夾取機構、接渣盤、減速箱、螺桿傳動機構、同步帶傳動機構、齒輪組、液壓馬達、液壓缸等組成，如圖1 所示。該機固定裝配在隨車起重運輸車上，利用車輛吊臂進行裝載及操控；動力由液壓站提供，可連接車輛動力源或另配；做到隨車運輸和作業，便于不同施工地點的高效施工；采用桶形刀具進行路面銑切；推裂夾取機構可對井座底部砌體材料進行推裂和平整，并夾取井座。該機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步驟。

圖1 檢查井蓋更換機結構

作業步驟：①通過車輛吊臂實現對該機具的移動與定位；②液壓馬達II 帶動齒輪組，實現桶刀的旋轉切削動作；③液壓馬達I 經減速箱及同步帶傳動后，帶動螺桿機構運動，可使三角平臺垂直升降，實現桶刀的進給與退刀動作，以及井座的提拉動作；④桶刀銑切過程中，噴水系統可對桶刀進行降溫并起到除塵效果；⑤桶刀銑切到設定深度后，將桶刀退回至高于路面的位置，此時將液壓缸II 推出，使推裂夾取機構對準井座底部的砌體材料；⑥液壓缸III 推出，對砌體材料進行擠壓破裂和平整，液壓缸III 滿行程推出后回縮復位，再啟動液壓缸I，帶動推裂夾取機構旋轉90°，液壓缸III 再次滿行程推出，對井座底部的砌體材料進行全面平整，并使砌體材料與井座充分脫離，液壓缸III 保持推出狀態即可夾住井座，此時升起三角平臺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 關鍵部件設計

2.1 桶刀設計

設計一種桶形刀具，作為銑切路面的專用刀具。根據Φ700 人孔井蓋的結構尺寸及預制砼基座安裝要求，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1200 mm。為驗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（桶刀直徑600 mm，配備40 kW 變頻電機）進行銑切試驗，如圖2 所示。結果表明，采用合適的切削速度和進給速度，桶刀可順利銑切混凝土和瀝青材料，桶刀無明顯磨損。試驗取得了相關銑切參數：桶刀扭矩4500 N·m、轉速120 r/min，混凝土試樣銑切進給速度可達10 mm/min、瀝青試樣銑切進給速度可達20 mm/min。

圖2 桶刀銑切試驗現場

設計的桶刀由蓋板、桶身和刀齒組成，如圖3 所示。蓋板上均布6 個安裝孔，與大齒輪連接；桶身采用16Mn 材料；刀齒為硬質合金材料，與桶身采用銅焊焊接。

圖3 桶刀結構

2.2 推裂夾取機構設計

設計的推裂夾取機構主要由端頭塊、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，以減少滑動時端頭塊與方管II的摩擦阻力；整個推裂夾取機構可旋轉90°，從而可實現井座底部砌體材料全方位推裂、平整，與井座充分脫離。

圖4 推裂夾取機構

2.3 機架設計

機架需具備較強的穩定性，以承載桶刀銑切運動產生的反作用力，否則可能發生桶刀跳動崩壞或整機甩動等安全事故。該機具用于路面作業，整體重量和體積不宜過大，以便于吊裝運輸和施工作業。因此，機架的結構設計需兼顧穩定性與輕量化兩個要點，如圖5 所示。設計的機架采用三角結構框架，穩定性較高，重量較小；機架頂部配備連接頭，與吊臂連接，作業時可利用吊臂施加往下的作用力，進一步提高機架的穩定性。

圖5 機架

2.4 齒輪組設計

設計一組直齒輪組，將液壓馬達II的動力傳遞到桶刀上。根據上文桶刀銑切試驗得出的參數，通過換算，可得出該井蓋更換機桶刀所需扭矩為18 000 N·m、轉速60 r/min。

根據扭矩及轉速參數，并結合機架結構尺寸，初步選定小齒輪齒數z1為20，材料為40Cr（調質），硬度為280 HBS；大齒輪材料為45#鋼（調質），硬度為240 HBS。采用半開式傳動，根據齒根彎曲強度公式[2]計算齒輪組模數m：

式中 K——載荷系數

φm——齒寬系數

YFS——復合齒形系數

σFP——許用彎曲應力，MPa

計算得出模數m≥6.06，取m 為8。綜合考慮安裝空間、馬達II 選型及桶刀轉速要求，取大小齒輪轉速比為3.85，故大齒輪齒數z2為77。計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。

為使機具結構更加緊湊，將小齒輪設計為齒輪軸形式，大齒輪下帶法蘭盤，直接與桶刀相連接，設計的齒輪組結構如圖6 所示。

圖6 齒輪組

3 試驗

為檢驗檢查井蓋更換機是否符合設計要求，以及獲取較優的作業參數，選取混凝土路面井蓋進行了井蓋更換試驗，如圖7所示。桶刀轉速為60 r/min，選取桶刀進給速度作為試驗因素，優選了4 mm/min、5 mm/min、6 mm/min 三組工況進行試驗，每組工況重復試驗3 次，觀察每次試驗桶刀的銑切過程和效果。

圖7 井蓋更換機試驗現場

試驗表明：桶刀進給速度為4 mm/min 時，3 次試驗銑切均較為平穩、順暢，機架無明顯抖動；桶刀進給速度為5 mm/min時，3 次試驗中有1 次出現短暫的銑切不暢，桶刀出現輕微抖動，但隨著銑切的進行，馬上恢復平穩，可能銑切位置存在鋼筋等堅韌物質導致銑切速度發生變化，但仍能順利銑切；桶刀進給速度為6 mm/min 時，3 次試驗均出現間隔性的桶刀跳動，且隨著銑切的進行，桶刀跳動逐漸增大，無法保持該進給速度繼續銑切。綜合試驗結果可知，更換混凝土路面井蓋時，桶刀銑切進給速度設置為5 mm/min 較為合適，銑切用時約50 min/個。此外，試驗表明推裂夾取機構可有效推裂、平整砌體材料并夾取井座，達到設計要求。

4 結論

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

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