小尺寸孔

小尺寸孔（精选4篇）

小尺寸孔 篇1

0 引言

零件的孔除有些是铸造成形或冲压成形外, 大部分是经过钻孔而成。钻孔工作通常也是铰孔、攻丝、镗孔、拉削等工作之前置操作。为了使钻孔顺利进行, 应事先考虑可能出现的各种问题, 如工件材料的性能、选择什么样的钻头及机床、选用哪种适当的钻头几何参数、钻头长度、钻头材质等。紫铜是比较纯净的一种铜, 一般可近似地认为是纯铜, 其塑性较好, 但强度、硬度较底。紫铜钻削时切削力小, 并且切削温度较低。由于紫铜的塑性很高 (δ=50%) , 切屑不易断裂, 变形大, 会卷在一起, 排屑困难。特别地, 当用普通的麻花钻钻直径1~5mm、孔长径比大于5的小孔时将是特别困难的。由于小钻头的刚度差, 横刃较宽, 轴向力较大和容屑槽小, 造成排屑不好, 使切屑易堵在孔中, 将钻头卡住而折断。针对紫铜零件小尺寸孔钻削难题, 本文将以某电流传感器的一个紫铜零件为例, 介绍紫铜零件小尺寸孔的钻孔工艺方法。

1 工艺分析

如图1 所示, 是一种大电流传感器的一个紫铜零件, 该零件的正面有6 个M5 的通螺纹孔, 通孔深14mm , 预先要钻孔的钻头直径为4 . 2mm , 而该零件的侧面则各有3 个M4 的盲螺纹孔, 盲螺纹孔的螺纹有效深度为12mm, 孔深17mm, 预先要钻孔的钻头直径为3.3mm, 由于两种螺纹孔孔径较小, 孔深较大, 在用一般麻花钻预钻孔时会有如下问题:新钻头刚开始钻削, 由于钻头主切削刃与横刃尚未磨钝, 由于紫铜的塑性, 切屑不易断裂, 钻孔时会有卷状切屑不停地向外排出, 钻孔比较顺利。但钻几个孔后, 由于钻头主切削刃与横刃磨钝, 切屑变为脆片状, 钻头产生振动与噪声, 排屑不好, 切屑易堵在孔中, 造成钻头折断。必须要有新的工艺方法与麻花钻研磨方法。

1.1 钻头的选择

针对图1 所示的较深小尺寸的孔来说, 用普通麻花钻是最经济的。麻花钻的种类较多, 按钻头材料不同, 分为碳钢钻头、高速钢钻头和硬质合金钻头等等。针对麻花钻的几何参数, 我们来分析一下其意义与作用, 进而优选出最合理的上述紫铜零件小尺寸孔加工钻头。

如图2 所示, 是最普通的麻花钻几何参数图, 其各参数的意义与作用如下:

1) 钻头顶角2φ:减少顶角, 轴向力小, 耐磨性好, 利于散热, 但转矩增大, 排屑困难, 适于脆性大、耐磨性好的材料;加大顶角, 钻头定心差, 切削厚度增大, 切削转矩低, 适于钻塑性大的材料。

2) 钻头螺旋角 β:螺旋角与钻头外缘轴向剖面内的前角近似相等, 螺旋角越大, 前角越大, 切削刃越锋利, 切削越省力, 切屑易排出。但螺旋角太大, 切削刃强度及散热条件越差, 螺旋角大小应根据不同的材料来确定。

3) 钻头前角 γ0:主切削刃上各点的前角变化很大, 从外缘到钻心, 由大逐渐变小, 直至负值。

4) 钻头后角 α0:钻头上每一点的后角, 从外缘到中心逐渐增大, 后角越大, 摩擦越小, 切削力越小, 但刃口的强度减弱。

5) 钻头横刃斜角 φ:横刃斜角与后角有关, 后角大, 斜角减小, 横刃变长, 横刃越长进给抗力越大, 钻头不易定心。

6) 钻头钻心厚度d1:钻心厚度由切削部分逐渐向尾部方向增厚。钻心厚度过大, 虽强度增加, 但容屑空间减小, 横刃变长, 切削时轴向力增大。其作用主要是为保持钻头有足够的强度和定心作用。

针对图1 所示紫铜零件, 由于紫铜的塑性很高, 钻头顶角2φ 要比通常的大, 取140°。由于紫铜加工排屑不好, 钻头螺旋角 β 也要比通常的大, 取35°~40°。

1.2 紫铜零件钻孔加工钻头的刃磨

1) 钻头横刃修磨:如图3 所示, 修磨时将横刃磨短至原来长度的1/3~1/5, 并形成内刃, 内刃斜角 τ=20°~30°, 内刃处前角γτ=0°~-15°。横刃修磨的作用是:横刃修磨后使靠近钻心处的前角增大;减少轴向抗力和挤刮现象;改善定心作用。

2) 主切削刃修磨:如图4 所示, 方法为修磨出钻头第二顶角2φ0和过渡刃f0, 一般2φ0=70°~75°, f0=0.2D。主切削刃修磨的作用是:修磨后增加主切削刃的总长度和刃尖角ε, 从而增加刀齿强度, 改善散热条件, 提高了主切削刃交角处的抗磨性和钻头的使用寿命, 同时也有利于降低孔壁表面粗糙度值。

3) 分屑槽修磨:方法为在钻头的两个主后面上磨出几条相互错开的分屑槽。分屑槽修磨的作用是:可改变钻头主切削刃长、切屑较宽的不足, 使切屑变窄, 排屑顺利, 尤其适用于钻削钢料。直径大于15mm的钻头都可磨出分屑槽, 如图5 (a) 所示。对于直径小于5mm的钻头, 如磨分屑槽不方便, 可采用磨出阶梯刃的办法, 如图5 (b) 所示。

针对于图1 所示工件, 孔径为 3.3mm及 4.2mm, 长径比为3~5 之间, 工件材质为紫铜, 根据加工经验, 当钻头刃磨时, 可将钻头横刃磨短至原来长度的1/3~1/5, 将钻头顶角2φ 磨为140°, 而钻头第二顶角2φ0磨为90°左右, 由于钻头直径较小, 不必磨分屑槽。

1.3 紫铜零件钻孔加工切削用量的选择

1) 切削速度v (m/min) :切削速度与刀具材质、工件材质、钻孔孔径大小及所钻孔的长径比有关, 对于图1 所示工件, 孔径为 3.3mm及 4.2mm, 长径比为3~5 之间, 工件材质为紫铜, 根据加工经验, 当钻头为高速钢时, 切削速度取15~20m/min, 当钻头为硬质合金时, 切削速度取20~30m/min。根据切削速度v=πd0n/1000, 可以计算出两种孔径加工时的主轴转速, 当钻头为高速钢时, 钻孔径为 3.3mm的孔时, 主轴转速取1500r/min左右, 当钻孔径为 4.2mm的孔时, 主轴转速取1200r/min左右。

2) 进给速度f (mm/r) :进给速度也与刀具材质、工件材质、钻孔孔径大小及所钻孔的长径比有关, 对于图1 所示工件, 孔径为 3.3mm, 长径比为5, 工件材质为紫铜, 根据加工经验, 进给速度取0.02mm/r左右。而对于图1 所示工件, 孔径为 4.2mm, 长径比为3, 工件材质为紫铜, 根据加工经验, 进给速度取0.03mm/r左右。

1.4 紫铜零件钻小孔加工操作注意事项

1) 钻头夹紧位置要正确, 对于小直径钻头, 由于刚度低, 轴向受力后易变形弯曲, 使孔钻歪, 导致钻头很容易折断, 为了避免这种情况发生, 要使钻头伸出夹头尽量短, 提高钻头刚度。

2) 工件夹紧位置要正确, 工件钻孔面务必放平, 使钻头轴线垂直于工件的平面, 避免钻头钻孔时受到径向力, 使钻头弯曲, 使孔钻歪, 导致钻头很容易折断;此外, 钻小孔时, 为了防止钻头跑偏, 在钻孔前, 可用中心钻先钻一个定位孔, 然后再用钻头钻孔。

3) 钻紫铜零件的小孔时, 要加切削液, 切削液采用5%~8%乳化液加煤油的混合液, 也可以用菜油。

4) 一定要严格根据钻头直径和排屑情况, 控制每次钻削孔深, 勤退出钻头进行排屑, 防止切屑堵在孔中, 使钻头折断。

5) 当采用数控编程钻孔时, 考虑钻孔时要退出钻头进行排屑, 不能用单个G81 指令编程, 而用深孔琢钻G83编程, 虽然可行, 但每次钻深要以孔底部每次允许的钻深为准, 进给速度也要以孔底部允许的进给速度进行钻削, 生产效率较低。为了提高钻孔效率, 我们可以用多个G81指令编程来钻某个孔, 例如, 当用 3.3mm的钻头钻一个17mm深的孔时, 可以第1 次钻9mm, 第2 次钻3mm, 第3 次钻2mm, 第4 次钻2mm, 第5 次钻1mm, 用G81 指令编程如下:

……

G98G81X--Y--Z-9 R2 F40

Z-12 R-7 F35

Z-14 R-10 F30

Z-16 R-12 F25

Z-17 R-14 F20

G80

……

6) 当钻头磨钝, 发出振动噪声, 或加工的孔壁粗糙及孔的形状与尺寸有较大偏差时, 要及时研磨或更换钻头, 防止过度使用而使钻头断在孔中, 不易取出。

2 结语

紫铜零件小尺寸孔的钻削加工, 当孔较深时, 由于小钻头的刚度差, 强度差, 容屑槽小, 造成排屑不好, 使切屑易堵在孔中, 将钻头卡住而折断。通过对普通麻花钻的结构分析, 零件加工工艺分析, 对于紫铜零件小尺寸较深孔的加工, 一般应采用短刃、大螺旋角、大钻头顶角的钻头, 效果较好;而在钻头刃磨时, 可将钻头横刃磨短至原来长度的1/3~1/5, 将钻头顶角2φ 磨为140°, 而钻头第二顶角2φ0磨为90°左右, 效果较好;另外在钻孔加工时, 合理的切削用量及合理的操作方法也是必要的。

参考文献

[1]黄涛勋.简明钳工手册[M].上海:上海科学技术出版社, 1987.

[2]陈家芳, 曹志鸿, 唐益萍.实用金属切削加工工艺手册[M].上海:上海科学技术出版社, 1996.

[3]叶旭明, 郭易, 周兆元, 等.工具钳工实际操作手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社, 2009.

[4]张君.数控机床编程与操作[M].北京:北京理工大学出版社, 2010.

小尺寸孔 篇2

关键词：自由尺寸优化,维修孔,机翼,下壁板

0 引言

为满足翼盒装配通路要求和适航可达性[1]要求, 民用飞机机翼下壁板上布置有一系列维修口盖。维修口盖一般分为承力口盖和非承力口盖两种类型。承力口盖和机翼壁板直接紧固件连接, 参与整体传力, 重量较轻, 但拆卸困难, 且需在机翼下壁板上安装螺栓, 螺栓孔易产生裂纹。为提高维修性和疲劳寿命, 民用飞机机翼下壁板上的维修口盖一般选用非承力口盖。非承力口盖不参与机翼整体传力。如何在满足机翼整体传力的基础上合理分布下壁板维修孔区域的材料, 尽可能的减轻结构重量是下壁板工程师需要解决的重要问题。

拓扑优化设计能够在给定的设计空间里优化材料分布, 为设计人员提供优化的传力路径和良好的设计思路, 被广泛应用于概念设计。在二维结构优化设计中 (如机翼蒙皮优化设计) , 拓扑优化的单元厚度为离散变量, 只能在两个厚度之间选择[2] (一般为归一厚度1和0) 。单一的变量范围显然不能满足进一步的详细设计需求, 如无法得到材料连续分布的机翼壁板蒙皮优化方案。对于二维结构的优化, 自由尺寸优化设计恰好能弥补拓扑优化设计的不足。自由尺寸优化设计的变量能够在最小值和最大值之间连续变化, 既具有拓扑优化设计的功能, 又能优化出连续的材料分布 (结构参数) 。因此, 自由尺寸优化设计更加适用于壁板蒙皮的优化。

本文基于Hyperworks软件, 采用自由尺寸优化设计方法对某大型飞机机翼下壁板维修孔进行优化设计。为尽可能模拟合理的边界条件和载荷工况, 基于全机有限元模型, 建立了机翼下壁板维修孔区域的细节有限元模型。细节模型和全机模型之间用过渡网格连接。基于细节有限元模型定义自由尺寸优化设计模型, 对机翼下壁板维修孔区域进行优化设计。

1 有限元模型

为了仅可能模拟真实的边界条件, 本文先建立了翼身组合体 (包括外翼盒段、中央翼和中机身) 粗模型。外翼盒段有限元模型按自然网格划分:即按翼肋和长桁 (梁) 围成的自然网格划分有限元单元。蒙皮、梁腹板和肋腹板通过壳 (Shell) 单元模拟, 长桁、梁 (肋) 缘条通过梁 (Bar) 单元来模拟。考虑实际承载特点, 长桁单元的惯性矩设置为1, 忽略不计。整个粗模型包含5344个节点, 14986个单元。整体分析模型如图1所示。

选取机翼下壁板4个连续的典型维修孔区域建立细节有限元模型。其中维修孔加强凸台由于配合要求与实际厚度一致, 其余区域蒙皮初始厚度等厚。设计区域的细节有限元模型如图2所示。为尽可能模拟真实的边界条件和载荷工况, 细节模型从全机有限元模型中划出后重新划分网格得到。细节模型和全机模型之间通过过渡网格连接, 如图3所示。

经过筛选, 本文在优化过程中共考虑了32个典型工况。载荷通过分解直接加载于单元节点上。

2 优化设计模型

优化数学模型可以表达为:

式中:

X———设计变量;

f (X) ———是设计目标;

g (X) ———设计约束。

优化设计即在满足给定的约束条件下, 寻找合理的结构尺寸变量, 使得目标函数最小。本文基于Hyperworks软件进行优化设计, 其中利用Optistruct进行优化求解。优化设计定义如下 (表1) :

柔度代表结构的应变能, 可以理解为结构刚度的倒数。最小柔度常定义为拓扑优化设计或自由尺寸优化设计的设计目标。在优化设计中, 既可以定义整个结构的全局柔度也可以定义设计区域的局部柔度。由于下壁板维修孔区域的优化会影响翼盒的载荷传递, 同时设计区域的边界条件又来源于翼盒结构, 为保证整个机翼盒段结构效率最高, 优化目标定义为机翼整体柔度最小。

体积比是全局响应, 反映迭代过程中设计区域的体积变化, 常用于拓扑优化或自由尺寸优化设计约束。体积比定义如下:

体积比= (初始体积-当前迭代步体积) /初始体积。

为保证自由尺寸优化设计过程中蒙皮尺寸满足翼盒区最小厚度要求, 根据经验确定体积比约束大于0.3。

3 优化结果

设计目标迭代曲线如图4所示, 经过13步迭代收敛。优化结果如图5所示, 优化后维修孔区域的材料主要分布在开口的两侧, 形成连续的材料分布带, 而开口之间材料分布减少。实际结构中, 非承力口盖开口区域不传递载荷, 为提高结构效率, 载荷应尽可能从短的路线传递, 在维修孔两侧加强, 维修孔之间减弱能够使载荷尽快能的从维修孔两侧短路径传递。因此优化结果符合工程经验, 可以作为设计参考。不同于拓扑优化归一的尺寸结果, 自由尺寸优化设计能够提取每一个单元的结构尺寸, 为详细设计提供参考。结合应力分布 (图6所示为自由尺寸优化参数在最严重工况下的应力分布) , 将工作应力和许用应力进行对比分析, 即可进一步调整参数, 得到适用于详细设计的结构参数, 本文不再赘述。

4 结论

本文基于细节有限元模型定义了下壁板维修孔区域自由尺寸优化设计模型, 以机翼整体柔度最小为优化目标对设计区域进行优化, 得到了符合工程设计要求的优化结果。主要结论如下:

1) 为减轻结构重量, 应在维修孔两侧进行加强设计, 维修孔之间进行减弱设计, 以达到机翼整体刚度最大。

2) 自由尺寸优化方法不仅能够呈现优化的传力路径, 而且能够得到相应的结构尺寸, 适用于于飞机蒙皮类零件的初步和详细设计。

参考文献

[1]中国民用航空局.CCAR25-R4中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[S].中国:中国民用航空局, 2011.

大尺寸人工挖孔桩的成孔施工方案 篇3

本项目由4 栋超高层组成, 其中3 栋约238 m高的公寓 ( 50 ~ 51 层) , 1 栋约356 m商住楼 ( 72 ~ 75 层) , 6 层商业裙房和3 层地下室组成。规划图见图1。

1. 1 工程地质情况

1) 场地位于构造剥蚀丘陵及重庆市朝天门一、二级阶地地貌部位, 长江与嘉陵江交汇处的三角形地带, 地势总的趋势南边及中间高, 北侧及东、西两侧低。经后期人工改造, 场地呈多级台阶状。场地内基岩呈相同的趋势分布。

2) 场地内分布的地层有: 第四系全新统人工填土, 第四系全新统冲洪积层粉质黏土、粉土、含粉质黏土卵石土、砂含粉质黏土卵石土, 侏罗系中统沙溪庙组泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩。

3) 场地内浅层填土及地下水, 除钻孔ZC75 一带异常外 ( 紧靠原有排污管道, 拆迁施工造成排污管道损坏和泄漏所致, 不具代表性) , 其余对混凝土只具微腐蚀性。

4) 场地东西两侧与江水联系密切, 连通性好, 水量大, 地下水位与江水位基本一致; 建议抗浮设计水位为+194. 4 m。

1. 2 工程水文情况

项目所处位置周围地下水情况复杂, 概括来讲分为南侧坡地段和北侧平缓段以及东西两侧临江段。南侧坡地基岩裂隙不发育, 岩体较完整, 详勘期间地下水位标高183. 09 ~ 184. 33 m, 不具统一潜水位。北部靠朝天门广场一带, 地形较平缓, 因靠近两江交汇处, 基岩裂隙水相对在此富集, 详勘期间地下水位标高168. 43 ~ 190. 21 m, 水位变动总体受江水涨落影响; 东西两侧临江处地下水位与江水位联系密切, 连通性好水量大, 地下水位与江水位基本一致。

1. 3 基坑周边情况

项目位于重庆市朝天门地区, 基地占地接近10 万m2, 项目红线范围北抵重庆市规划展览馆, 南靠基良广场和新华路以及九号宾馆, 西临嘉陵江, 东至长滨路路堤外侧。场地内地势呈南高北低的态势, 南部最高点在新华路与陕西路连接道处 ( 黄海高程约223 m) , 北部最低点在长滨路规划展览馆处高架桥下 ( 约181 m) 自然高差约42 m。土石方开挖完成后形成多标高台地如图2 所示。

2 施工准备

进场时, 由于止水帷幕未完成及地下水位影响, 人工挖孔作业有较大安全隐患。此时不宜进行大面积人工挖孔桩作业, 故考虑进场时, 首先进行止水帷幕和帷幕外的抗滑桩的施工, 与此同时, 每栋塔楼区域选择4 个直径较小的人工桩和塔楼外围一排的人工桩先行施工, 以便作为后续基坑大面积人工桩开挖时的降水井业。由于塔楼外围的少量先行施工的桩的降水作用, 在进行抽水作业降低塔楼的局部的地下水之后, 可以开始各塔楼区域内大面积人工桩施工, 各桩同步施工, 但到扩底标高时需要分批跳扩, 同时开始塔吊安装基础位置的桩基施工。最后完成塔楼下的大直径人工挖孔桩。

因为大直径人工挖孔桩全部在塔楼区域, 所以根据后浇带和塔楼进行分区, 将塔楼下的大直径人工挖孔桩分为4个小区同时施工。各步骤施工如图3 ~ 6 所示。

说明: 为了保证人工挖孔桩的安全性, 利用塔楼边上的桩基作为降水点。

说明: 止水帷幕完成施工后, 在进行塔楼同步开挖阶段之后, T4S塔楼桩基大部分处于基岩线以内, 其桩基平均桩长为10 m, 故T4S塔楼区域的桩基首先进行第一批桩的扩底作业。与扩底桩相邻的桩基暂停施工, 暂停施工区域的劳动力投入到T4N塔楼左边地库区域的人工开挖。T3N塔楼平均桩长20 m, T5、T6 塔楼的桩长平均18 m。这3 栋塔楼的平均桩长较为接近, 此时仍在进行桩身的开挖。

说明: 当桩基达到扩底标高时, 相邻桩需跳挖。T4S塔楼进行第二批扩孔, 此时T4N、T5、T6 塔楼桩基进行第一批扩孔, 塔吊基础桩基完成, 此时在进行塔吊安装。

说明: 待塔楼下的桩基施工完毕后, 完成之前每塔楼预留的4 个降水桩基, 完成大直径人工挖孔桩施工。

3 施工工艺

本工程的桩有多种直径并且还有椭圆桩, 圆桩最大直径为6 m, 扩大头直径达到11 m, 平均桩长为20 m, 因此, 单桩桩身钢筋笼最大, 重量非常大, 钢筋笼如果吊放时由于桩身钢筋笼较重, 且体积较大, 则钢筋笼在吊放过程中容易变形等。直径3 m以下的钢筋笼采用井口搭接, 直径3m或3 m以上的桩钢筋笼制作拟采用井下绑扎。

人工挖孔桩应分区分块施工, 以后浇带为界, 一个区段的挖孔桩应尽可能在同一时间段完工, 以便为下道工序施工提供作业条件。根据施工现场及塔楼位置, 我司将以塔楼为核心, 进场时将同时开工塔楼的人工挖孔桩。待塔楼下的桩基进行跳空扩底时, 此时多出的工人插入到以后浇带为界的地库小直径人工挖孔桩施工, 从而完成所有的人工挖孔桩施工。施工现场施工流程严格按规定执行, 场地经平整后, 进行测量放线、挖孔等施工流程。

1) 桩孔中心点的控制。为防止杂物在开挖时落入孔中, 便于第一节混凝土护壁施工, 防止地表水渗入井内, 开挖前应以桩中心点为中心, 护壁高出井周围地面200mm, 同时通过桩中心引两条垂直直径线与井圈相交得4点, 在这4 点处设置4 个钢钉, 或用油漆在这4 点作标记, 作为控制中心点及施工中控制垂直度的依据。要求每模都进行吊中, 拆模后进行复检, 及时修正, 做到中心偏差在10 mm以内。如图7 所示。

2) 成孔。测量放样后钻机就位, 固定钻机位置, 保证套筒向孔桩侧壁外倾一定角度, 这样在下循环才可以保证钻机就位后套筒起钻点能置于设计孔桩边线面不致造成缩孔, 此措施将使桩孔呈节段倒合体, 保证成孔截面尺寸。扩底倾斜角度计算: 水钻机高1 500, 钻芯直径为150; 电机或支架超出钻芯前端80, 正常钻孔时钻机倾斜角度即为 ( 80 + 150 /2) /1 500 = 0. 103, 倾斜角度≥tan ( 0. 103) - 1 =5. 88, 才能保证不缩孔。向外扩底时, 钻机倾斜角度≥10度就不易固定钻机位置, tan10 = 0. 176, 向外扩底宽度0. 176 × 1 500 - ( 80 + 150 /2 ) = 109 mm, 即每500 可向外扩100 宽。柱体岩芯与护壁内壁相切, 将岩芯取完后桩基外围便形成一个环形临空面; 再以二锤捶击钢楔分裂中部岩体, 以水平冲击力使岩石沿锤面拉裂, 底部发生水平剪切破裂, 以电动卷扬机出渣。

水钻施工安全操作要点: 采用提长架, 架体及基座牢固稳定, 孔口周边不能有任何堆土及杂物; 电力线路、接头完好; 钻机操作人员必须配戴绝缘靴、绝缘手套; 卷扬机及钢丝绳性能完成, 起吊岩石时操作人员必须先出桩井;上下桩井必须采用爬梯并系好安全带 ( 绳) 。扩底桩应按扩底部位的尺寸、形状自上而下削土扩充成设计图纸的要求。复查每根桩扩大头的尺寸, 确保其尺寸符合设计要求。终孔时, 必须清理好护壁污泥和桩底的残渣、杂物等, 清除积水, 经检验同意验收, 并办理好签证手续, 应马上组织浇灌桩芯混凝土, 以免泡水时间过长使土层软化。在进行挖孔时, 采用人字形钢架架设绞架, 并在桩孔周围设置钢管围栏, 桩顶设置半圆形防护板, 于井内设置刚爬梯。如图8 所示。

施工工序: 人工挖孔桩应分区分块施工, 以后浇带为界, 一个区段的挖孔桩应尽可能在同一时间段完工, 以便于下道工序施工提供作业条件。施工过程中, 桩净距小于2倍桩径且小于2. 5m的桩需跳挖。

4 结束语

对于大尺寸人工挖孔桩的施工难点主要集中在成孔施工阶段, 本文根据实际工程概况介绍成孔过程涉及的问题解决方法, 并为其他类似工程提供经验与借鉴。

摘要：大尺寸人工挖孔桩的成孔施工阶段是施工难点之一, 成孔的质量往往取决于在不同地质条件下所选用的施工方案, 根据成桩要求, 选用合理的施工工艺是关键。本文旨在通过实际施工探索研究成孔方法, 从而为其他类似工程实际问题提供经验与借鉴。

关键词：人工挖孔桩,水钻,成孔

参考文献

[1]常磊.水磨钻在临近居民区桩基施工的应用[J].城市建设理论研究:电子版, 2015, 5 (9) :81-82.

[2]陈征征, 夏红兵.大直径钻孔灌注桩的施工[J].四川建材, 2015, 41 (1) :156-158.

[3]付保江, 来国江.浅谈人工挖孔桩施工技术[J].建设工程技术与设计, 2014, 2 (3) :61-61.

小尺寸孔 篇4

水平圆盘式排种器是一种应用比较早的精密排种器,具有充种行程长、囊种率高、结构简单、工作可靠等特点[1]。国外以前苏联学者研究居多,主要用于玉米、棉花的精密播种;后菲律宾学者Than shein研究了水平圆盘排种器对不同作物的适应性问题,并给出了评价方法[2];Garcia P. P对水平圆盘排种器的结构参数进行了优化和试验研究,结果表明型孔的形状、尺寸和型孔导种槽对播种精度有着重要的影响,而型孔尺寸和导种槽是影响播种精度的两个主要影响因素[3];wang. H结合种子几何尺寸决定型孔参数的设计指导思想,对水平圆盘排种器的结构参数进行了优化设计[4]。国内吉林农业大学的梁天也教授、华中农业大学的廖庆喜教授等也对玉米水平圆盘精密排种器的诸多参数进行了研究,结果同样表明型孔参数是影响播种精度的重要因素[5,6]。所以,尽管该排种器20世纪70年代在我国就有应用,但由于玉米种子外形、尺寸的不一致性,目前只能停留在半精量化水平。笔者结合丸粒化种子具有外形统一、尺寸一致的特点,设计了一种能够适合丸粒化种子的新型水平圆台式精量排种器;进而通过对影响排种效果的型孔结构和尺寸进行了研究,建立该排种器型孔参数设计的数学模型,为其设计和推广应用提供了理论依据。

1 结构和工作原理

该排种器由齿轮、定盘、导种管、动盘、清种器、压种轮和种箱构成,如图1所示。排种器工作时,随着动盘的转动,种子在重力和离心力作用下自动沿动盘斜面滚向动盘周边,并沿着导种槽充入型孔;当充种的型孔转到清种器位置时,由柔性清种器将多余的种子清出,型孔内的种子则随着动盘的转动进入清种盒;当充种型孔转到定盘的排种孔位置时,种子在压种轮作用下被投入导种管,完成播种过程的充种、清种和投种。

1.齿轮 2.定盘 3.导种管 4.动盘 5.种子6.清种器 7.压种轮 8.清种盒 9.种箱

2 动盘型孔结构尺寸的确定

2.1 动盘锥角的确定

考虑播种机工作过程的实际情况,当种箱种子量较少,或在田间地头作业速度较慢时,可能出现种子不能甩向型孔周边,这样可能导致充种不足的问题,造成空穴率的升高。为此,笔者将动盘设计为如图1所示的圆台型,以弥补种子流动性欠缺的问题,且动盘锥角大于丸粒化种子的休止角,即α≥δ。其中,α为动盘锥角;δ为丸粒化种子的休止角,根据试验测定为32.2°。

考虑丸粒化种子随动盘运动,且锥角过大会影响到种箱的容种量,所以将动盘锥角确定为α=32°。

2.2 排种器型孔直径的确定

型孔是保证玉米精量排种的关键结构,而型孔的尺寸大小又是型孔的重要参数。所以,为了保证型孔能容纳单粒种子,又不出现多粒种子,则型孔的直径Dk要满足

Dz<Dk<1.5Dz

其中,Dz为丸粒化种子的直径。本研究的丸粒化种子尺寸服从D(13.9,0.056 644),根据机械可靠性设计方法确定型孔的直径[7]。考虑农机加工精度多为IT7级,而IT7级的最大偏差值0.018mm。按照6σ原则有,6σ=0.018mm,则σ=0.003mm,即型孔直径服从Dk(Dk,0.0032)。根据国家标准,精密播种机的使用可靠度不低于90%[8],影响精密播种机的可靠度的因素主要有地轮滑移的可靠度,传动系统的可靠度、型孔尺寸能够充种的可靠度以及播种机各个零件(如清种器、投种器等)的可靠度,根据可靠度分配原则有R1R2R3R4≥90%。R1为型孔尺寸能够充种的可靠度;R2为地轮滑移的可靠度,一般为98%;R3为播种机各个零件的可靠度,一般取95%[9];R4传动系统的可靠度,一般为98%[10],则有R1=99.7%。

R1=1-Φ(z)=Φ(-z)=Φ(zR)=0.997

查表可得ZR=2.75,则

${\rm Z}{}_R=-\frac{D{}_k-D{}_z}{\sqrt{\sigma {}_k{}^2+\sigma {}_z{}^2}}=-2.75$。由此求得Dk=14.554 5,为了便于充种,本文取Dk=15mm。经过计算,当型孔的直径Dk=15mm时,该排种器充种的可靠度达到了99.999 8%。

2.3 型孔结构的确定

为了提高充种的准确性,减少种子充种的时间,满足高速播种的要求,在每个型孔沿其转动方向开设导种槽,如图2所示。

同时,为了保证位于型孔外的种子能够顺利地被清种器刮出,对处于型孔外的种子进行受力分析,如图3所示。

$\{\begin{array}{l}F+{\rm N}{}_2\sin \beta ={\rm N}{}_1\cos \beta +f{}_2{\rm N}{}_2\cos \beta +f{}_1{\rm N}{}_1\sin \beta \\ mg+f{}_1{\rm N}{}_1\cos \beta ={\rm N}{}_1\sin \beta +{\rm N}{}_2\cos \beta +f{}_2{\rm N}{}_2\sin \beta \\ Fh=f{}_2{\rm N}{}_{2}r+f{}_1{\rm N}{}_{1}r\end{array}$

式中 F—清种器对种子的力;

N1—种子之间的压力;

N2—型孔外的种子对导种槽的支承力;

f1—种子之间的摩擦因数,f1=0.65;

f2—种子与导种槽之间的摩擦因数。

要使型孔外的种子能够被顺利清出,则N2=0,且翻转力矩大于0。经计算有β=52.008°,对其圆整后取该角为β=55°。

3 试验方法与设备

3.1 试验材料

本试验所用材料是根据种子丸粒化技术处理后得到的类球形的丸粒化种子[11],种子直径分布为D(13.9,0.056 644),其休止角为32.2°。

3.2 试验设备

将本研究的排种器嫁接在黑龙江农业机械科学研究所研制的JPS012型精密排种试验台上。

3.3 试验方法

按照GB6973-86《单粒(精量)播种机试验方法》[12]的取样要求对种子进行取样,对影响型孔囊种率的因素进行正交试验设计。试验指标包括种子囊入型孔的概率$\eta =\frac{S}{L}$。其中,S为种子实际囊入型孔的值;L为种子理论上囊入型孔的值。

3.4 试验方案

根据水平圆台式排种器的工作原理和充种过程中种子的受力分析可知,影响种子充种的主要参数有:导种槽位置高度、型孔直径、转速和开槽深度角;考虑不同因素之间的交互作用,对型孔的囊种率进行正交试验。由于当型孔直径Dk=15mm时,充种的可靠度达到了99.999 8%。故型孔直径选用两个水平,分别为15,16mm。另外,3个因素均选用三水平,试验的因素水平如表1所示。

这是具有1个二水平因素,3个三水平因素的试验,为了减少试验次数,采用拟水平法,把因素A的两个水平中的某一好水平重复一次,把它当作因素A的第3水平,由于型孔的直径Dk=15mm时,充种的可靠度达到了99.999 8%。故取15为A的第3水平。采用选择正交表L27(313)安排试验[13],则试验结果及方差分析如表2和表3所示。

3.5 试验结果分析

由正交试验结果以及对结果进行的方差和极差分析可知,影响种子囊率的因素顺序为:C>B>A>B×C>D>A×C>A×B。由方差分析和极差分析可知,导种槽高度、转速、直径以及导种槽高度与转速的交互作用是影响囊种率的主要因素。

由试验结果分析可知,导种槽高度对型孔的囊种率影响最大,当导种槽高度过小时,导种槽的深度增加,虽然有利于种子充入型孔,但是增加了清种时的难度,容易造成种子的破损;当导种槽高度过高时,种子充入型孔的行程就会变小。当动盘转速变大时,容易出现种子飞过型孔而不被型孔囊入的现象,造成种子的漏播。

动盘转速也是影响型孔囊种率的一个重要因素。当转速过高时,由于种子的速度过大,导致种子在充种时飞出型孔,从而降低型孔的囊种率,产生空穴现象。其次,动盘转速过高时,清种时种子受到冲击变大,造成种子的破损。

型孔的直径对囊种率有一定的影响,当型孔的直径Dk=15mm,充种的可靠度达到了99.999 8%。由试验结果可知型孔的囊种率已满足精密播种的要求,如果型孔的直径变大,则只会增加清种难度,导致种子破损率的升高。

4 结论

1)本文中对水平圆台式排种器的型孔所进行的数学分析基本正确,为以后型孔的研究和改进提供了理论基础。

2)通过对型孔进行正交试验并进行方差和极差分析可知:导种槽位置高度以及动盘转速对型孔的囊种率有显著影响。导种槽位置高度过高/过低时,型孔的囊种率就会过小/过大;当转速过高时,型孔的囊种率就会过小。

3)在研究中,当动盘的倾角为32°,转速为17r/min,型孔直径为15mm,导种槽的开槽角度为55°,导种槽位置高度为7mm时,种子的囊种率既能够满足精量播种的技术要求,同时又能减少清种的难度,具有最理想的排种效果;且该条件在低速和高速时种子的囊种率变化不大,表明该排种器在该条件下能够适应低速和高速播种,具有良好的适应性。

摘要：在对新型水平圆台排种器研究基础上,从水平圆台式排种器的结构和工作原理出发,结合丸粒化种子尺寸分布的特点,采用可靠性理论对型孔结构和参数进行了研究,确定了型孔参数的模型,进一步通过试验确定了影响型孔囊种率的主要因素,最后通过试验数据分析确定了具有最佳效果的参数组合,即动盘倾角32°,型孔直径15mm,导种槽角度55°,导种槽高度为7mm,动盘转速为17r/min时囊种效果最好,为该类排种器的设计提供了借鉴和理论依据。