塑料排水板可伸縮式插板槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

方偉 張偉芳 宋恩潤 陳喆

(1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120;2.溫州市甌江口新區(qū)開發(fā)建設(shè)管理委員會,浙江溫州 325000)

塑料排水板可伸縮式插板槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

方偉1張偉芳2宋恩潤1陳喆1

(1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120;2.溫州市甌江口新區(qū)開發(fā)建設(shè)管理委員會,浙江溫州 325000)

當(dāng)塑料排水板手工插板槍超過5米時,由于單根長度太長攜帶很不方便。此外,在插板過程中,插板槍晃動等問題明顯影響使用。本文設(shè)計(jì)了一種新型的塑料排水板可伸縮式插板槍結(jié)構(gòu),能在數(shù)秒鐘內(nèi)將兩段式的插板槍便捷省力地組合成一根滿足強(qiáng)度和剛度要求的單根插板槍,并同樣方便地拆卸為收縮式結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的可伸縮式插板槍在指定的載荷作用下,由有限元分析軟件計(jì)算出的各個零件最大應(yīng)力均小于相對應(yīng)材料的屈服極限值,不會產(chǎn)生永久性的變形。

塑料排水板 插板槍 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 引言

真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層,然后埋設(shè)垂直排水管道,再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕,薄膜四周埋入土中,通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道,用真空裝置進(jìn)行抽氣,使其形成真空,增加地基的有效應(yīng)力。當(dāng)抽真空時,先后在地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐步形成負(fù)壓,使土體內(nèi)部與排水通道、墊層之間形成壓差。在此壓差作用下,土體中的孔隙水不斷由排水通道排出,從而使土體固結(jié)。

無砂墊層真空預(yù)壓法對傳統(tǒng)真空預(yù)壓法進(jìn)行了改進(jìn),不需要鋪設(shè)排水砂墊層,在處理場地上打插塑料排水板后,每隔兩排塑料排水板布置一條水平管道,并使用連接器將塑料排水板露出部份緊密連接到水平管道上,無砂墊層真空預(yù)壓法適用于大面積軟土地基加固,如機(jī)場跑道、公路、港口、碼頭以及岸堤填海造陸的水下軟土等的地基處理施工,特別是對于吹填土和新近淤泥堆積的超軟土有特別好的加固效果,且節(jié)省了鋪設(shè)砂墊層的大量投入,真空度傳遞效果好,具有施工工期短,經(jīng)濟(jì)節(jié)約的獨(dú)特優(yōu)勢。從而使水平向排水板系統(tǒng)和垂直向排水板系統(tǒng)連成一個有機(jī)的整體,鋪膜后使用抽真空裝置進(jìn)行真空預(yù)壓施工。本文針對無砂墊層真空預(yù)壓法塑料排水板的插板槍通用結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

2 設(shè)計(jì)要求

目前,大深度的插板主要通過插板機(jī)進(jìn)行,而中小深度的插板則主要通過手工用插板槍進(jìn)行。當(dāng)插板槍超過5米時,傳統(tǒng)的插板槍則由于單根長度太長攜帶很不方便。此外,在插板過程中,插板槍晃動等問題明顯影響使用。因此,兩段式的插板槍在淤泥厚度超過5米時成為不可或缺的塑料排水板插板工具。然而,怎樣在數(shù)秒鐘內(nèi)將兩段式的插板槍便捷省力地組合成一根滿足強(qiáng)度和剛度要求的單根插板槍是設(shè)計(jì)中面臨的新問題。設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

(1)強(qiáng)度：桿件材料在800N(成人體重)垂直作用下不發(fā)生塑性變形;

(2)兩段式插板槍的組合/拆卸時間均≤3秒;

(3)插板槍組合和拆卸時操作力≤30N;

(4)防水和防長時間腐蝕。

3 插板槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行兩段可伸縮式插板槍機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。桿件主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金6061焊接而成,可以防止在桿子在淤泥中長期使用后帶來的腐蝕問題。接頭材料采用45鋼以滿足強(qiáng)度要求,表面經(jīng)過發(fā)黑處理防腐蝕,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

插板槍的下部靠近槍頭部位沿圓周均布小孔,便于泥漿的排除,如圖1(b)所示,否則在使用幾次過后,兩段式的桿子內(nèi)部會形成打氣筒式的壓力差,桿子會慢慢變得操作困難。

工作過程：可伸縮式插板槍,包括粗圓管1、細(xì)圓管2、槍頭3、內(nèi)接頭4、外接頭5、手輪6、緊釘螺釘7,槍頭位于前端,套置于粗圓管內(nèi),掛住排水板插入淤泥,粗圓管與細(xì)圓管通過內(nèi)外接頭、緊定螺釘、手輪實(shí)現(xiàn)配合,其中緊釘螺釘固聯(lián)內(nèi)接頭與細(xì)圓管,外接頭與粗圓管螺紋聯(lián)結(jié),內(nèi)接頭由凸臺和梯形螺紋組成,外接頭除螺紋外的內(nèi)徑小于凸臺內(nèi)徑,防止細(xì)圓管拔出,手輪內(nèi)有與內(nèi)接頭配合的梯形螺紋,后旋手輪細(xì)圓管可滑入粗圓管,實(shí)現(xiàn)收縮,拉出細(xì)圓管鎖緊手輪,實(shí)現(xiàn)伸長。其中,內(nèi)接頭、外接頭和旋轉(zhuǎn)手輪均具有梯形螺紋結(jié)構(gòu),如圖2所示。

4 插板槍結(jié)構(gòu)受力分析

采用有限元分析進(jìn)行應(yīng)力和變形分析：簡化分析模型,去掉次要特征,主要受力部位為接頭處,故將力學(xué)模型簡化為在大圓管前端固定,正常人是在1m處施力,劃分網(wǎng)格,運(yùn)行模型。

圖1 插板槍結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 插板槍結(jié)構(gòu)示意圖

大圓管下端固定,一個80kg重的人可施加最大800N的力,施力方向并不能保證垂直,而是有一定的小角度,假設(shè)在與垂直方向10°方向,分解成水平方向有800*sin10°≈138.9,安全起見,取150N。

圖3 插板槍結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果

插板槍總長8米,粗桿和細(xì)桿各長4米,均采用鋁合金6061材料。粗桿直徑38毫米,細(xì)桿直徑26毫米,有限元分析結(jié)果如圖3所示。由分析結(jié)果可知,最大應(yīng)力值為251MPa,出現(xiàn)在靠近接頭的桿子背力處,最大變形量為5.66mm,出現(xiàn)在桿子的最上部。因此,所設(shè)計(jì)的可伸縮式插板槍在指定的載荷作用下,由有限元分析軟件計(jì)算出的各個零件最大應(yīng)力均小于相對應(yīng)材料的屈服極限值,不會產(chǎn)生永久性的變形。計(jì)算仿真出的結(jié)果滿足安全要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型的塑料排水板可伸縮式插板槍結(jié)構(gòu),能在數(shù)秒鐘內(nèi)將兩段式的插板槍便捷省力地組合成一根滿足強(qiáng)度和剛度要求的單根插板槍,并考慮了防水和防腐蝕問題。所設(shè)計(jì)的可伸縮式插板槍在指定的載荷作用下,由有限元分析軟件計(jì)算出的各個零件最大應(yīng)力均小于相對應(yīng)材料的屈服極限值,不會產(chǎn)生永久性的變形。計(jì)算仿真出的結(jié)果滿足安全要求。

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When the manual inserting lance for plastic drainage board is more than 5 meters, because of the length its carrying is not convenient .In addition, In the process of inserting the shaking of the lance affects its using . This paper introduces a new design of extensible inserting lance for plastic drainage board, which combines two section to a single lance met the requirement of strength and rigidity conveniently and easily only in a few seconds and also removes to contractive type structure conveniently. The extensible inserting lance for plastic drainage board designed ,calculated by the finite element analysis software under the specified load, that the maximum stress of each parts are less than the yield limit of corresponding material , will not produce permanent deformation.

Plastic drainage board Inserting lance Structure design