旋转式开沟机的研制与应用

旋转式开沟机的研制与应用

1旋转式开沟机在油田施工中，必须挖掘井边、管道边和井边沟渠。从目前状况看,引进国外的开沟设备不仅成本高,维修也不方便。国内生产的开沟机分为铧式开沟机和旋转式开沟机两种。铧式开沟机是以铧式犁体为工作部件的开沟设备,其机体笨重,工作时所需牵引力较大,开沟深度在400mm左右时需1～2台东方红802履带式拖拉机牵引一次开沟成型,或一台牵引开掘两次。旋转式开沟机的工作部件为旋转刀齿,工作时利用拖拉机动力,驱动刀齿旋转切削土壤开沟,。与铧式开沟机相比,这种开沟机牵引力小,适应性强,作业质量高,但结构较复杂,生产率低。目前国内未见有生产与轮式拖拉机配套的开深宽沟(深400mm、宽400mm左右)的旋转式开沟机。为此我们设计了KX-40双圆盘旋转式开沟机,与大中功率轮式拖拉机配套使用,具有机动性好、质量轻,开沟尺寸大、沟型规范、抛土均匀等优点,满足了井场界沟开挖作业要求,同时可用于其它场所的地面开沟作业,是一种较为理想的地面工程开沟设备。2开沟作业速度型号:KX-40配套动力:30～40kW轮式拖拉机开沟尺寸:(沟面宽mm×沟底宽mm×沟深mm)500×400×400开沟作业速度:500～800m/h。外形尺寸:(长mm×宽mm×高mm)1300×1200×1400刀盘线速度:11m/s刀齿数:32把,左右铣刀各16把刀齿进给量:4～6mm3抛土板加工系统KX-40开沟机为双圆盘逆向铣削式,与轮式拖拉机配套作业,其挂接方式为后悬挂方式。主要结构由万向传动装置、悬挂系统、机架、齿轮传动箱、刀盘及铣刀总成、抛土板等组成,其工作过程为在拖拉机动力输出轴的带动下,经万向传动装置和齿轮传动箱带动双圆盘旋转,铣刀切削土壤并将土向沟外抛出,其抛土距离为距沟边6m内,可调。4设计和计算4.1整体设计4.1.1刀轴卧式刀轴开沟刀的作业方式我们的设计思路是在刀切土后,再利用刀的速度将土抛出,达到开沟的目的。故开沟机可以设计为卧式刀轴或立式刀轴,卧式为工作部件绕与地面平行的轴线水平旋转切削土壤;立式为工作部件绕与地面垂直或倾斜的轴线旋转切土。考虑到我们所要求的开沟深度(400mm),立式不容易入土,故采用刀轴卧式。卧式刀轴又有两种作业方式:顺铣和逆铣。顺铣即刀辊的旋转方向与拖拉机轮子转动方向相同,开沟刀由地面向下切土,刀辊切土的反作用力与拖拉机前进方向相同,因而有利于机组在潮湿土壤上作业;逆铣为刀辊旋转方向与拖拉机轮子转动方向相反,刀由已切土壤中入中,从底部向上切土。逆铣所需切削力小,适用于较硬土壤上作业,且会有较多的土块向前方抛掷。考虑到油田土壤的实际情况,我们采用逆铣作业方式。4.1.2开沟机悬挂装置开沟机与拖拉机的连接方式选用三点悬挂式。三点式悬挂式能与多种型号拖拉机配套,且挂接方便。动力由拖拉机动力输出轴通过万向轴传递至开沟机的动力输入轴,再经过中间传动带动刀轴工作。开沟机悬挂装置部件参数主要依据万向轴伸缩量与前后轴夹角大小和开沟机的通过性能来确定。要求工作时夹角不超过10°。工作部件提升时夹角不超过30°,提升至最高位置(运输状态)时,开沟机离地高度不小于250mm,离去角不小于18°。万向轴和轴套重叠量不小于40mm,还应考虑在工作和运输状态时机架和开沟刀不碰到拖拉机。4.1.3间传动系统组成开沟机传动方式有中间传动和侧边传动两种形式。中间传动系统由万向轴和中间齿轮箱组成;侧边传动系统由万向轴、中间齿轮箱和侧边传动箱组成。考虑到动力传到刀轴上的距离较小,故采用中间传动方式。4.1.3.开沟机的轴传动件万向节传动轴是将拖拉机动力传递给开沟机第Ⅰ轴的传动件,它应适应开沟机的升降变化。由于开沟机为变载荷,工作条件较差,因此选用的十字轴应有足够的强度和可靠性。4.1.3.对锥齿轮和3根轴由于总传动比较大,采用比较复杂的齿轮箱,要将动力改变方向采用2对锥齿轮和3根轴。齿轮箱体的结构应保证在打开盖更换齿轮时箱体稍加倾斜而不用放掉润滑油。4.1.4开沟深度调节调节方法有高度调节、阻力调节、位置调节和力位综合调节等几种,其中位置调节方法简单,仅用开沟机与拖拉机的相对位置来控制开沟深度。输入信号是控制拖拉机与机具相对位置的提升臂转角的变化量,只需扳动操纵手柄即可调节开沟深度。故采用位置调节方式调节开沟深度。4.1.5网络连接参数的确定在确定开沟机的大体部件部署方式后,下一步就是确定一些具体参数。4.1.5.1.设备重量设计要求机组工作速度为500～800m/h,结合配套拖拉机各挡位的理论速度值,确定选用Ⅰ挡作业,速度在0.5km/h左右。4.1.5.2.打开沟刀，返回半直径在满足设计深度要求的前提下,宜取较小的刀具回转半径,以减小动力消耗,故开沟刀回转半径采用490mm。4.1.5.开沟刀旋转轴线转速n试验表明,抛出土粒最低线速度为9.14m/s。由于开沟较深,为使土粒能够顺利抛出,取切削线速度的初始值为τ=11m/s,开沟刀回转直径D=2R=980mm,可求得刀轴转速n=60τπD≈214.5r/minn=60τπD≈214.5r/min,圆整后取n=215r/min,切削线速度为τ≈11m/s。4.1.6机组开沟机消耗的功率影响开沟机功率的因素很多,通常采用下式计算P1=KN(a+b)hv2Ρ1=ΚΝ(a+b)hv2式中a——上口宽,a=500mmv——机组前进速度,v=0.5km/hb——下底宽,b=400mmh——开沟深度,h=400mmKN——旋耕比阻,KN=0.3计算得开沟机消耗的功率P1=27kW。选用配套动力30～40kW拖拉机,可以满足开沟机使用要求。4.2一般配置KX-40开沟机由机架、传动部分、刀轴、刀盘、刀片等组成,其传动系简图见1。4.2.1齿轮箱前后梁的组成机架由悬挂架、前后主梁及齿轮箱壳体等组成,前后梁由可锻铸铁制成,中间放动力输出轴,其一端用螺栓固定在悬挂架上,一端与齿轮箱壳体焊接在一起。4.2.2前齿轮箱轴的输出齿轮箱由灰铸铁浇铸而成,分前齿轮箱和后齿轮箱两部分。前齿轮箱有3个直齿圆柱齿轮和3根轴;第1轴伸出箱外与万向节相连,拖拉机动力输出轴的动力由此输入。第Ⅲ轴伸入后齿轮箱,两对锥齿轮分别带动左右铣刀盘旋转。4.2.3轴、方套管夹叉万向节是传递动力的部件,由活节夹叉、插销、十字节、方轴节叉、方轴及方套管夹叉等组成。为了满足开沟机升降要求,方轴可在方套内自由伸缩。万向节安装时应使方轴及套的夹叉位于同一平面内,且应将两端插销插入花键的凹槽内并用开口销插好,以防夹叉甩出,造成事故。4.2.4刀盘控制刀盘断裂因开沟刀具回转半径较大,刀座直接焊接在刀轴上,刀根部弯扭力矩均很大,易断裂,故采用刀轴带动刀盘,刀盘上焊接刀座连接刀片的方式。刀轴材料为40Cr,一端与刀盘用螺母连接组成一体。刀盘由球墨铸铁铸造而成,整个刀轴通过一对单列圆锥滚子轴承固