黄河抢险中挖掘机辅爪装置的设计

张佑民

（1.河南黄河河务局，河南 郑州 450003；2.河海大学，江苏 南京 210098）

0 引言

经济社会的发展对抗洪抢险工作的要求不断提高，工程抢险的任务也不断加大，靠人海战术抢险已不适应新形势下黄河防洪抢险的要求。 河南黄河河务局在20 世纪90 年代末组建机械化专业机动抢险队伍之后， 在近20 年的抗洪抢险以及修筑堤防工程实践中，不懈探索大型机械抢险技术。

当抢险工地调石调柳料时，人工搬石运柳工作十分繁重。 黄河防洪工程险情又多发生在夏季，恰逢雨季，施工道路难以通行，石料柳料运送十分困难，严重影响了抢险速度，甚至导致工程抢险陷于停顿状态。 为加快抢险速度，提高抢险效率，必须改变传统人工抛石运柳抢险的方法。 河南黄河河务局抢险技术人员结合抢险机械设备情况，提出了在挖掘机斗上安装辅爪的研发思路，并根据研发思路，完成了挖掘机辅爪装置抢险技术的研制与应用，彻底改变被动抢险的局面。

1 挖掘机辅爪装置的基本结构

挖掘机辅爪装置由两个爪子、支撑板、前夹板、后夹板、前后挡块和一些紧固件组成（如图1 所示）。前夹板和后夹板通过6 条高强度螺栓夹住挖掘机的长臂。 由于挖掘机的长臂有一定的斜角，螺栓两端均有方型斜垫片。 前后夹板的下面紧贴前后挡块，斜面和挡块共同限位，使前后夹板不会上下移动。 两个爪子夹在后夹板的两个槽子内，由6 个螺栓将其连接。 在两个爪子之间，安装三块支撑板，将两个爪子联为一体，提高整体刚性。

图1 挖掘机辅爪装置结构图Fig.1 Excavator auxiliary claw device structure

爪子（如图2 所示）是挖掘机辅爪装置的核心部件，它采用流线型结构，弧线的半径和圆心的位置都经过精心设计，而且不同的圆弧段之间均为光滑过度， 因此外观非常漂亮, 同时又避免了应力集中，提高了机械韧性。 钢板1 是爪子的主体部分，上面有5 个等距的φ32 的孔，选择不同的孔进行连接，可以改变爪子的上下位置。 钢板2 有3 个作用：（1）增强爪子的刚性和强度；（2） 增大爪子工作面的面积，提高抓物的稳定性；（3）上面加工有螺栓孔，通过支撑板可以将两个爪子连接起来［1］。

图2 爪子部件结构图Fig.2 Claw part structure

2 辅爪装置的工况及机械强度分析

2.1 辅爪装置的工况分析

如图3 所示，辅爪在抓物体的时候,需要与铲斗配合，产生一个夹力,这时候受力最大。 等抓起物体以后，铲斗处于下位，爪子处于上位，这时爪子基本不受力或受力很小。

图3 辅爪工况示意图Fig.3 Auxiliary claw working condition

2.2 辅爪装置的机械强度分析

2.2.1 爪子机械强度分析

假定单只爪子在夹紧物体时所受的反作用力为P，离最近把合螺栓的距离为1.5 m(与实际情况非常接近)，那么螺孔处所受的弯矩M＝1.5 P。螺孔处材料的抗弯模量计算式[2]为

式中： W 为截面的抗弯模量；b 为截面的宽度，m；H 为截面的长度，m；h 为螺孔的直径，m。

爪子的材质为Q235-A， 我们取许用应力[σ]=100 MPa［3］，由于

所以，

螺栓孔的位置是爪子最薄弱的地方，上式所算即为爪子的允许承载能力。 如果两只爪子受力均匀，可以允许30 kN 的夹紧力，偏载的话，许用夹紧力更小一些。 挖掘机的操作人员应避免使夹紧力超过许用载荷。

2.2.2 爪子把合螺栓的强度分析

（1）螺栓受的剪应力计算

当爪子的夹紧力达到15 kN 时，按照静力平衡关系（为简化计算，忽略中间螺栓的影响），下面的螺栓将受到90 kN 的剪应力，其剪应力［3］为

式中：τ 为螺栓受的剪应力，Pa； 为螺栓受的剪应力，N；d 为螺栓的直径，m。

（2）螺栓受的挤压应力计算

螺栓受的挤压应力[3]为

式中：σ 螺栓受的挤压应力，Pa；l 为挤压面的长度，即爪子的厚度，m。

以上所算应力对于8.8 级的螺栓来说是非常安全的。

2.2.3 前后夹板连接螺栓的工作情况

前后夹板连接螺栓在工作时常受到工作拉力，在装配时要设法控制预紧力。

（1）前后夹板单根螺栓的预紧力［2］。

前后夹板单根螺栓的预紧力计算机式为

式中：QP为螺栓连接的预紧力，N；0.5 为合金钢螺栓系统数；σ 为螺栓材料的屈服极限,螺纹性能等级8.8 级对应为640MPa；A 为螺栓危险截面的面积，m2；d 为螺栓危险截面的直径，m。

（2）螺栓的拧紧力矩［3］

螺栓拧紧力的计算式为

式中：T 为拧紧螺母的力矩，N·m；K 为扭矩系数（近似取0.2）；Qp为预紧力，N；d 为螺栓直径，m。知道了拧紧力矩，就可以通过控制拧紧力矩的大小来控制螺栓预紧力的大小。

所以，T＝0.2×130000×0.024=624N·m

（3）螺栓的总拉力［2］

根据前面对爪子的受力分析和夹板螺栓的分布，可以断定螺栓的工作拉力不会超过90 kN。又因为螺栓相对于挖掘机长臂的相对刚度比较小，可以断定螺栓的总拉力为为螺栓的相对刚度，金属垫片螺栓的相对刚度一般取0.2～0.3。

螺栓的相对刚度取0.2 时，QF＝148 kN， 螺栓危险剖面的最大拉应力σmax=363 MPa， 安全系数n=

式中：QF为螺栓总拉力；△Q 为残余预紧力；

螺栓的相对刚度取0.3 时，QF＝157 kN， 螺栓危险剖面的最大拉应力σmax=384 MPa，其安全系数n=

由此可见，安全系数n 始终大于1，螺栓是安全的。

3 应用效果及推广情况

挖掘机辅爪装置发明以后，河南黄河河务局对装置进行多次试验和应用，发现该装置对抓运柳石枕或石料均有令人满意的效果。 在近两年的抢险中，该局利用安装了辅爪的挖掘机向河坝根基抛柳石枕和铅丝笼，提高了抢险速度，取得抢险战斗的重大胜利。 根据抢险情况，大致进行了经济效益测算。

3.1 挖掘机是否安装辅爪装置抛石投资对比

未安装辅爪装置前，12 min 抛笼1 个，每台班8台时抛40 个笼；安装辅爪装置后，装石笼速度显著提高，4 min 抛笼1 个，每台班8 台时抛笼120 个。 以每台班油耗为133.6 L，1 L 柴油价格为7 元计算，则抛笼120 个（1 台班）可节省投资1 870.4 元。

3.2 挖掘机安装辅爪装置与人工200m送柳料投资对比

挖掘机未安装辅爪装置时，不能用于抓柳料抢险。安装辅爪装置后，可用于长距离送柳抢险。在运距200 m 的条件下，一台安装辅爪装置的挖掘机相当于200 人向抢险工地送柳， 每台班可节省投资3 000元[4]。

4 结语

随着科技的发展，大型机械代替人工进行抢险已成为发展的必然趋势。 经过微小改装的大型机械用于抢险，能够显著提高抢险速度，并能节省许多抢险费用。 如，安装了辅爪的挖掘机比抛石机的工作效率更高，在同样工作条件下，每年可节省投资数十万元， 甚至百万元， 而购置安装一个辅抓仅2万元左右。 在近年的黄河防洪抢险中，挖掘机辅爪装置在多处黄河防洪抢险中得到了充分运用，起到了人工抢险无法达到的效果。 因此，利用挖掘机辅爪进行抢险，是以后抢险技术的一个重要推广方向。

[1] 高兴利，刘红卫，曹克军，等.现代防洪抢险技术研究［M］.郑州：黄河水利出版社，2010：80.

[2] 濮良贵，纪名刚.机械设计［M］. 北京：高等教育出版社，2006：72.

[3] 孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学［M］. 北京：高等教育出版社，2000：156.

[4] 张佑民，苏本超，梅龙.机械筑埽技术研究［J］.人民黄河，2008（8）：112.