滿足高效率電線桿挖洞要求的設備解決方案
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0 引言
隨著電網的高速發展，對電力施工單位施工效率要求越來越高，為了滿足多類電力施工單位的需求，研制一種高效率挖洞機愈加重要。經濟發展和人民生活水平的提高，城市供電與電力通訊的要求也越來越高，在電力系統、通訊系統中線路有時需要架設架空線，因此涉及到電桿基礎的挖洞，目前電桿基礎的挖洞都是人工挖洞，勞動強度大、工作效率低、施工成本大、跟不上時代步伐。
隨著農網改造的大力推進，線路改造數量大幅提升，且隨著時間推移，線路老化問題也越來越多，故挖洞需求量越來越大。根據調查，某地區2019年需新建線路1368條，需改建線路1948條，共計3316條。就嘉興區域而言，線路新建及改造數量較多，每個電桿基礎挖洞耗費時間1.5h，挖洞壓力較大。現有電桿基礎的挖洞技術及施工方法無法滿足實際需求。
1 技術分析
1.1 目標預估
由于螺旋采煤設備掘進軟質巖層2.5m需要花費2個小時左右，考慮到一般含煤巖層的緊固系數 約為5左右，而挖洞機應用的土壤的緊固系數 約為0.6-0.8左右，則可以預估挖洞用時如下：
由于挖洞機的挖土截面遠遠小于綜掘機掘進的截面，挖掘同樣深度所需的時間更少，所以經估算挖洞時間完全可以小于20min。
1.2 方案提出
本文提出一種新的設備方案，縮短電桿基礎的挖洞時間。方案選用汽油、柴油或電動發動機帶動減速機來作為挖洞機鉆頭的動力，可以為鉆頭提供足夠大的功率與扭矩，提高挖洞的效率；將挖洞機的鉆頭設計為帶齒的鉆頭前端與螺旋式鉆桿的組合體，能夠有效地挖掘各類土壤并將打碎的土塊高效運出桿洞；將挖洞機的發動機箱籠設計為可升降模式，可解決挖洞尺寸難以控制等問題；優化底座接觸方式，采用可調節圓盤接地，減小支架的晃動，增強設備穩定性；將挖洞機的支撐結構設計為三棱柱或四棱柱，提高設備的承重能力與穩定性；設計一個利用車輪來運輸設備的挖洞機，以適應不平整及各種空間高度的小區開閉所環境，確保設備水平，并已代替常規土建基礎。
1.3 方案細化
小組確定方案后，對方案進行分解細化，并繪制方案分解圖。
圖1 方案分解圖
2方案確定
2.1 方案對比
對比汽油、柴油或電動發動機，發動機接一個轉矩可調的負載，啟動5分鐘后測量發動機的功率，測完后關閉發動機，分別對3臺發動機測量6次參數，結果如下表1所示：
表1 某一間隔調試各個項目時間統計
試驗 次數 | 170f 汽油發動機 功率/kW | 173f 柴油發動機 功率/kW | YL112 電動發動機 功率/kW |
1 | 4.5 | 3.9 | 4.1 |
2 | 4.6 | 4.2 | 3.9 |
3 | 4.5 | 4.2 | 3.9 |
4 | 4.7 | 4.0 | 4.0 |
5 | 4.6 | 4.1 | 4.1 |
6 | 4.7 | 39 | 3.9 |
對挖洞機分別進行電啟動和手搖啟動，分別統計兩種啟動方式所需要的時間，并對相關數據進行分析，對電啟動的挖洞機以及手搖啟動的挖洞機的啟動裝置的使用壽命及維修次數進行調查，如表2所示。
表2 兩種啟動方式壽命統計
樣本 | 維修 次數 （次） | 使用 壽命 （年） | 維修破損原因 | |
電啟動 挖洞機 | 1 | 3 | 6.8 | 在啟動過程中操作不當； 在保存過程中未進行防潮等； |
2 | 3 | 7.5 | ||
3 | 2 | 6.9 | ||
4 | 1 | 7.8 | ||
5 | 0 | 8.2 | ||
6 | 2 | 7.2 | ||
7 | 3 | 7.0 | ||
平均值 | 2 | 7.3 | ||
手搖啟動 挖洞機 | 1 | 7 | 5.2 | 手搖啟動設備受到摩擦較大， 易造成手搖柄折斷、 磨損等損害；保存不當； |
2 | 5 | 5.6 | ||
3 | 7 | 5.1 | ||
4 | 6 | 6.2 | ||
5 | 6 | 5.5 | ||
6 | 7 | 5.4 | ||
7 | 6 | 5.2 | ||
平均值 | 6.3 | 5.5 |
對比單葉可伸縮式鉆頭與雙葉可伸縮式鉆頭，將樣機分別裝上兩類鉆頭，并選取一片平坦且土質條件相同的地點進行試施工，比較兩類鉆頭的鉆土速度。每種鉆頭分別挖5個2.5m的洞，記錄挖洞時間如下圖2所示：
圖2 兩種鉆頭挖洞速度對比圖
對普通鋼材，45#鋼，不銹鋼三種材料的力學性能進行實驗，并相關數據進行統計分析，選擇鉆頭材料。分析數據如表3所示：
表3 鉆頭材料對比情況
鋼材 類型 | 測試 次數 | 力學性能 | |||
抗拉強度 （MPa） | 屈服強度 （MPa） | 剪切屈服強度 （MPa） | 延伸率 | ||
普通鋼材 | 1 | 502.1 | 330.3 | 163.5 | 15.3% |
2 | 502.6 | 332.1 | 165.4 | 14.9% | |
3 | 504.2 | 335.2 | 163.2 | 14.5% | |
4 | 503.8 | 335.4 | 163.4 | 15.0% | |
平均值 | 503.2 | 333.3 | 163.9 | 14.9% | |
45#鋼 | 1 | 613.2 | 356.2 | 189.2 | 16% |
2 | 612.5 | 356.8 | 189.2 | 16.3% | |
3 | 620.1 | 356.4 | 189.6 | 16.7% | |
4 | 618.2 | 356.6 | 188.5 | 17.2% | |
平均值 | 616 | 356.5 | 189.1 | 16.7% | |
不銹鋼 | 1 | 550 | 345 | 172 | 13.4% |
2 | 548.3 | 343.5 | 173.5 | 13.6% | |
3 | 547.9 | 344.6 | 174.2 | 14.2% | |
4 | 551.2 | 345.2 | 173.6 | 13.9% | |
平均值 | 549.4 | 344.6 | 173.3 | 13.8% | |
新設備方案采用可升降模式的發動機箱籠設計，對比蓄電池驅動電動絞盤和手搖驅動兩種升降方案，這兩種方案都經減速機為鉆頭、發動機及其框架的升降提供動力，對比結果如下圖3所示。
圖3 兩種升降方案對比圖
由于新設備要求結構穩定，挖洞過程中無明顯抖動，對比三棱柱支撐結構和長方體支撐結構。分別用三棱柱、長方體結構為支撐結構的挖洞機進行挖洞，并對所挖的洞的直徑大小進行測量，并算出偏差值，從側面可以印證兩種結構的挖洞機的穩定性，其中鉆頭直徑為40cm，結果如下表4所示：
表4 兩種支撐方式對比情況
測量次數 | 不同支撐結構挖洞機打洞直徑（cm） | ||||||
三棱柱結構 | 長方體結構 | ||||||
挖洞機1 | 挖洞機2 | 挖洞機3 | 挖洞機1 | 挖洞機2 | 挖洞機3 | ||
1 | 43.6 | 42.3 | 43.0 | 49.6 | 50.2 | 48.0 | |
2 | 43.8 | 42.5 | 43.1 | 50.0 | 50.0 | 48.2 | |
3 | 42.9 | 42.5 | 42.9 | 48.9 | 49.8 | 48.3 | |
4 | 43.6 | 42.3 | 43.2 | 50.2 | 50.1 | 48.2 | |
平均值 | 43.5 | 42.4 | 43.1 | 49.7 | 50.0 | 48.2 | |
與鉆頭直徑偏差 | 3.5 | 2.4 | 3.1 | 9.7 | 10.0 | 8.2 | |
與鉆頭直徑的平均偏差 | 3.0 | 9.3 | |||||
最后，為方便移動新設備，對比車載移動方式和帶輪移動方式，車間師傅們嘗試對200kg支架進行搬運，得到兩種移動方式搬運各個過程所需的人數。
表5 兩種移動方式對比情況
運輸 過程 | 車載移動 需求人數 | 帶輪移動 需求人數 |
車輛長距離 運輸 | 2人 | 2人 |
裝卸 | 4人 | 3人 |
現場轉運 | 3人 | 3人 |
挖洞準備 | 4人 | 3人 |
全過程 | 4人 | 3人 |
2.2 新設備方案
通過對相關參數及優缺點對比分析最終確定細化后最終方案，如圖4所示。
圖4 最終設備解決方案
3 效果驗證
完成新設備方案后，進行現場應用，如圖5所示，應用后對挖洞時間進行統計比較，如表6所示。
圖5 方案現場應用
從表6中可以發現，新設備方案投入使用前后挖洞時間統計表可以看出，效果顯著，在挖一個洞的情況下，平均挖洞時間由投入使用前的80.6min減少為7.5min，前后挖洞時間差高達73.1min。
表6 新設備方案投入使用前后挖洞時間統計表
測試 次數 | 投入使用前 挖洞時間 （min） | 投入使用后 挖洞時間 （min） | 投入使用前后 挖洞時間差 （min） |
1 | 80.3 | 7.5 | 72.8 |
2 | 80.8 | 7.5 | 73.4 |
3 | 80.3 | 7.6 | 72.7 |
4 | 80.6 | 7.4 | 73.2 |
5 | 80.9 | 7.5 | 73.4 |
6 | 80.5 | 7.5 | 73.1 |
平均值 | 80.5 | 7.5 | 73.1 |
3 結論
機器代人是電力生產發展的必然趨勢，精益化發展成為潮流所在，為進一步提升電力生產工作效率，實現高效率電線桿挖洞，本文探究了一種采用汽油發動機為動力源、單旋葉伸縮鉆頭的全新解決方案，大幅提升了電線桿挖洞工作的工作效率與作業標準化水平。
針對傳統挖洞方法，進行變革性改造，提出全自動、快速轉移、高效挖洞的設備解決方案，并現場實施，成效明顯。
參考文獻:
[1] 吳發展，劉貴紅. 電纜隧道頂管機洞內擴徑改造作業洞室施工技術[J]. 城市建筑，2020，02: 126-128.
[2] 丁守陣. 泥水平衡頂管掘進機洞內組裝施工技術[J].珠江水運. 2019 (02).
作者簡介:申志成(1989.10一)，男，碩士，工程師，從事電力一線生產工作。
注：本文來源于《電子產品世界》雜志2020年10月期
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