【摘 要】 當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。本文針對一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設計了其接頭機械結構，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態，并通過現場插板實驗驗證了這種應用在大深度場合的兩段式插板槍的功能和效率。
　　【　　【Abstract】 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， designs mechanical structure of the joint ， analyzes its friction characteristics and stress state and verifies the function and efficiency of inserting lance which is used in the field of great depth by field test of inserting the plastic drainage board.
　　【Key words】 Plastic drainage board Inserting lance Analysis of the joint
　　1 引言
　　真空預壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設砂墊層，然后埋設垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內埋設的吸水管道，用真空裝置進行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應力。無砂墊層真空預壓法對傳統真空預壓法進行了改進，不需要鋪設排水砂墊層，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，適用于大面積軟土地基加固，且節省了鋪設砂墊層的大量投入，真空度傳遞效果好，具有施工工期短，經濟節約的獨特優勢。
　　目前，大深度的插板主要通過插板機進行，而中小深度的插板則主要通過手工用插板槍進行。當插板槍超過5米時，傳統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。
　　2 插板槍接頭設計和分析
　　兩段式插板槍主體結構采用鋁合金焊接而成，決定插板槍的裝拆效率和功能的主要是接頭部分。本文重點針對用于無砂墊層真空預壓法塑料排水板的兩段式插板槍接頭進行設計和分析，并通過現場實驗對插板槍的功能和效率進行驗證。
　　兩段式插板槍的接頭部分實物圖1所示，包括粗圓管1、內接頭2、緊釘螺釘3、外接頭4、細圓管5、手輪6。粗圓管與細圓管通過內外接頭、緊定螺釘、手輪實現配合，其中緊釘螺釘固聯內接頭與細圓管，外接頭與粗圓管螺紋聯結，內接頭由凸臺和梯形螺紋組成，外接頭除螺紋外的內徑小于凸臺內徑，防止細圓管拔出，手輪內有與內接頭配合的梯形螺紋，后旋手輪細圓管可滑入粗圓管，實現收縮，拉出細圓管鎖緊手輪，實現伸長。其中，內接頭、外接頭和旋轉手輪均具有梯形螺紋結構。
　　兩端式插板槍快速鎖緊和松開的關鍵部件是內接頭梯形螺紋滑槽分別與外接頭和手輪的連接部分，此時梯形螺紋間形成滑動摩擦。當兩端式插板槍組合成一根長插板槍時，這些梯形螺紋滑槽通過摩擦力形成自鎖，并保證在外力作用下不會形成滑動。
　　金屬表面間的滑動摩擦。根據摩擦面間存在潤滑劑的情況，滑動摩擦又分為干摩擦、邊界摩擦及流體摩擦。干摩擦是指表面間無任何潤滑劑或保護膜的金屬接觸時的摩擦。在工程實際中，并不存在真正的干摩擦，因為任何零件的表面不僅會因氧化而形成氧化膜，而且多少也會被含有潤滑劑分子的氣體所濕潤或受到“油污”。在機械設計中，通常把這種未經人為潤滑的摩擦狀態當作干摩擦處理。當運動副的摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開、摩擦性質取決于邊界膜和表面的吸附性能時的摩擦稱為邊界摩擦。當運動副的摩擦表面被流體膜隔開、摩擦性質取決于流體內部分子間粘性阻力的摩擦稱為流體摩擦。可以用膜厚比λ來大致估計兩滑動表面所處的摩擦狀態。
　　工作過程中插板槍的接頭需要反復地浸沒在淤泥中，因此接頭部分的梯形螺紋滑槽避免不了會有淤泥和液體進入，兩摩擦表面間有潤滑存在，由于吸附作用，因而在金屬表面上形成極薄的邊界油膜.邊界油膜的厚度小于1μm，不足以將兩金屬表面分隔開，所以相互運動時，兩金屬表面微觀的高峰部分將互相搓削，形成邊界摩擦，如圖2所示。一般而言，金屬表面覆蓋一層邊界膜后，雖不能絕對消除表面的磨損，卻可以起著減輕磨損的作用。這種狀態的摩擦系數f≈0.1-0.3，因此梯形螺紋滑槽的自鎖角度α必須根據此時的鋼材摩擦系數作為設計依據。
　　采用有限元分析對接頭部分進行應力和變形分析：簡化分析模型，去掉次要特征，主要受力部位為手輪與內接頭接觸部分，故將力學模型簡化為在大圓管前端固定劃分網格，運行模型。大圓管下端固定，一個60kg重的人可施加最大600N的力，插板槍總長8米，粗桿和細桿各長4米，均采用鋁合金6061材料。粗桿直徑38毫米，細桿直徑26毫米，有限元分析結果如圖3所示。由分析結果可知，最大應力值為376MPa，出現在靠近接頭的桿子背力處，最大變形量為0.01mm，出現在接頭滑槽的最上部。因此，所設計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算出的各個零件最大應力均小于相對應材料的屈服極限值，不會產生永久性的變形。計算仿真出的結果滿足安全要求。
　　3 插板槍實驗
　　在工地現場，進行了兩段式可伸縮插板槍插板現場實驗，其淤泥層厚度平均在5.00～6.00m左右，排水板寬為100mm，插板槍共6米長，粗桿和細桿每段各3米，如圖4所示。插板過程細分為八個步驟：（1）將兩段式插板槍縮小到粗桿3米長，兩人協作將排水板粗桿插入3米深的淤泥中（2）由一人抽出3米細桿；（3）然后，順時針旋轉手輪一圈，通過手輪內部的梯形螺紋和內接頭相連鎖緊；（4）其中一人加力將3米細桿壓入淤泥中；（5）待插板槍完全插入預定深度后，將細桿抽離淤泥表面；（6）等接頭剛露出淤泥表面后，逆時針旋轉手輪一圈，使其與內接頭脫開；（7）將細桿主要通過重力作用收入粗桿中；（8）最后將粗桿完全抽出，完成整個人工插板過程。
　　通過三次實驗計時求平均，以上八個步驟耗時曲線如圖5所示，共耗時25秒鐘。通過實驗可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設計的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統單根長插板槍攜帶不方便和海風導致的上部晃動等兩類問題。
　　3 結語
　　本文針對一種新型的塑料排水板可伸縮式兩段式插板槍，設計了其接頭機械結構，分析了其接頭的摩擦特性和受力狀態，并通過現場插板實驗驗證了這種應用在大深度場合的兩段式插板槍的功能和效率。通過實驗可知，在6米或更深的插板工藝施工中，本文設計的兩段式可伸縮插板槍不但具有傳統單根插板槍的全部功能和相近施工效率，而且明顯避免了傳統單根長插板槍攜帶不方便和海風導致的上部晃動等兩類問題。
　　 (責任編輯：寶振)