摘 要

水电开槽机能根据施工的不同需求一次性开出不同角度、宽度、深度的线槽，并且无需其他的辅助工具，开出的线槽能根据需求完成，美观实用而且不会损害墙体。墙体开槽是水电安装的重要组成部分，因此水电开槽机就变得非常重要。

本文根据水电开槽机的工作流程，在传统手持式开槽机的基础上进行了改进升级，现阶段的水电开槽机非常的简便。因此，为了迎合水电安装行业的发展需求，提高水电开槽机的性能、提高开槽效率、减少人力、降低粉尘污染，迫切需要研制一个高效、自动的水电开槽机。设计了立式自动开槽机，采用自动的方式操作，以便节省人力。在对墙砖的切割过程中所产生的粉尘及其他有害物，采取范围性的除尘，使施工现场保持干净。

本文对立式自动开槽机进行的总体设计分为三个部分：自动升降装置，辅助升降装置，旋转装置。并对其总体结构进行三维建模及对相关主要零件的有限元分析。

关键词：开槽机；建模；有限元

Abstract

The hydro slotting machine can open different angles, widths and depths of wire troughs at one time according to the different requirements of the construction, and no other auxiliary tools are needed. The opened troughs can be completed according to the requirements, beautiful and practical, and will not damage the wall. Wall slotting is an important part of the installation of hydropower, so the hydro slot machine becomes very important.

In this paper, based on the work flow of the hydroelectric slot machine, the traditional handheld slot machine has been improved and upgraded. The current hydro slot machine is very simple. Therefore, in order to meet the development needs of the hydropower installation industry, improve the performance of hydroelectric slot machines, improve the efficiency of slotting, reduce manpower, and reduce dust pollution, there is an urgent need to develop an efficient, automatic hydro slot machine. A vertical automatic slot machine was designed and operated in an automated manner to save manpower.In the process of cutting the wall tiles, dust and other harmful substances will be removed in a range of ways to keep the construction site clean.

The overall design of the vertical automatic slotting machine is divided into three parts: automatic lifting device, auxiliary lifting device, rotating device. And three-dimensional modeling of its overall structure and finite element analysis of the relevant major parts.

Key Words：Slotting machine;Modeling;Finite element

目录

第1章 绪 论 1

1.1 论文的研究背景 1

1.2 论文研究的目的和意义 2

1.3 论文的主要研究内容 3

第2章 立式自动开槽机的计算 4

2.1 立式自动开槽机整体机械结构 4

2.2 开槽机的转速设计 4

2.3开槽机的开槽速度设计 5

2.4传动系统设计（带传动）的设计 5

第3章 立式自动开槽机的工作原理 7

3.1 立式自动开槽机的关键机械机构 7

3.1.1立式自动开槽机的升降机构 7

3.1.2 立式自动开槽机的旋转机构 13

3.1.3 立式自动开槽机的除尘 14

第4章 立式自动开槽机相关部件选型 15

4.1立式自动开槽机的主要硬件选型 15

4.1.1 电机及减速器的选择 15

4.1.2 刀具的选择 16

第5章 主要零件的有限元分析 18

5.1 材料的选取 18

5.2 网格单元的选择与划分 19

5.3 作用力选择 20

5.4 有限元分析结果 20

第6章 总结 24

6.1论文总结 24

6.2工作小结 24

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪 论

随着社会的展开和国家城市化建立的推动,城市人口急剧上升,现有的城市容量已经不能满足人们居住的要求。许多城市都在现有的建设基础上进行整体规划和设计,楼房建设工程的大量增加，导致在水电安装和家装行业中,最令人头痛也最耗时的就是墙壁开槽。传统的墙壁开槽要先割出线缝后再用电锤凿出线槽,工作时，产生的振动非常大，工作噪音也非常大，噪音严重干扰其余的住户，而且操作复杂，效率低下，费工费时；墙面损伤极大，填补困难，灰尘四溅，灰尘多,长期从事这种工作的人员很容易造成听力下降，“ 尘肺”、“矽肺”等像毒品一样让无数健康的工人最终丧失了劳动能力，极度影响装修工人的身心健康，装修工人们非常希望有一款可以自动开槽的工具，而且能够节能环保的现代工具来替代现有的传统方法^[1]。在这几年当中，国内虽然有许多的水电开槽机出现,但大多都是按照欧美国家（墙面材质为轻质砖）的产品和技术,而国内的墙壁大多都为实心砖和老火砖,甚至是高标号的混凝土浇筑墙,其硬度远远高于欧洲国家的用砖标准,所以产品无法满足国内墙壁开槽的实际需求,因此墙体开槽机没有被广泛的推广与应用。

1.1 论文的研究背景

水电安装属于房屋装修的重要一块，在国内，大量的二手房，旧房，存在着许多的明线改暗线的工程，而在新建房屋中，开发商为了节省成本，造成水电开槽线路不合格，安装过程不合理。所以在房屋装修过程中，为达到隐蔽开槽线路需要重新布线布管是装修环节中最重要的一环。在装修房屋中，开槽是头等大事，开槽是装修行业中不可缺少的工程环节，拥有现代化开槽机工具不仅仅是国内市场上的需要，而且也是全球装修行业的共识。

国内开槽发展：开槽机在我国的开发与应用已经拥有了多年的历史，在我国公路建设朝向“一纵三横”的发展的形势下，公路养护的重要性就越发地体现了出来，沥青路面等高级公路的管理与养护重要性也越发地增大，使得开槽机的应用逐年增加，开槽机的技术研究也在不断加快。我国从2006 年7 月开始研发并应用“露肩割草机”，但是设备的保养是需要面对的主要问题，如何将这问题解决正成为人们思考的重点，同年的12 月份开始进行的开槽机项目，导致开槽机正式被应用在沥青路面上，而且我国的国有单位单独成立了一个名叫“五个小科技”的部门，就是专门应对技术进行开发。从无到有，我国对开槽机的研发最初像一张白纸一样，而且资金与技术、人员都严重匮乏，在这种情况下依然坚持自主创新的道路，对开槽机的研发与应用进行大胆的创新与试验，借助国外的相关经验与成功案例对开槽机的设计进行整体优化，先选型后设计再优化，每一个阶段都需要进行重新的学习与探讨，先进行简单的设计与制作，以实用性、简单性、易操作为目的开始设计，逐渐对所有型号与大小进行重点规划与设计，参考《中国公路》中对开槽机的设计与研发内容，经过许多的探讨与分析后正式进行设计与优化，使开槽机的设计方案最终确立^[2]。此阶段设计的开槽机由前轮、车体、万向轮、控制开槽机切割升降的手柄、箱体、发电机组成，同时还包括发电机组、传动梁、拉筋杆与切割片、排气吹风管等重要的部件及其相关的控制系统，最终这个方案被我国的公路管理专家小组评审通过。开槽机设备的制作与试验在对开槽机进行制作与安装中，面临量大的问题，分别为：在制作的材料选择上出现问题及制作工艺过程上的问题。其中，材料选择如何才能够同时保证质量与经济性，制作工艺过程如何才能保证生产的效率与质量，这些都是没有参考的范例与模式等，只能在检修库车间内进行反复的推敲与试验，一边尝试着制作，一边进行着试验、选材等。首先，在开槽机的制作材料的选择与应用上，初期应用钢材作为制作的主要材料，且大部分采用的是废弃的钢材，这是出于对成本的考量。其次，开展装配试验时，对制作应用技术进行适当改进，先后进行了十多次的试验与改进才最终成功。在对沥青路面开槽机进行装配的过程中，由于开槽机不能进行单独的使用，由最初的自身传输装置发展到后来的发动机装置带动，鉴于开槽机自身并未涉及到动力系统，因此，每次工作时，都需要采用四轮拖拉机来带动，需要较长的电力传输，使用起来非常的不方便，而且存在安全隐患。因此，工作人员对试验进行大胆地创新，保留了原有的设计概念，新增加了动力系统，不再受到外界环境的干扰，应用变得更加方便，而且只需要1个 人就可以进行操作^[3]。通过以上对开槽机的开发与制作可以看出，我国所应用的开槽机均是自主研发、自主制作的，是全体科研人员与技术智慧结晶，也显示了我国公路养护技术水平的不断进步与发展，新的技术成果也将不断地产生。

国外开槽机发展：国外开槽机的研发与应用相比我国起步得更早，而且在开槽机的种类上显得多样化，Trencor 公司生产的1660HD 型开沟机是世界上出现的最早的开槽机，应用到了50kW 的卡特彼勒发动机，采用单链或者双链进行驱动，应用铣刨装置将原来的开沟刀链取代了，这类型的开槽机在公路维护与采矿等领域中体现了重要的作用。欧美的开槽机供应商主是Northland Trenching 公司，最新的产品为1622 型刀链式开槽机，发电机功率为156kW，最窄开槽宽度为200cm，设置了输送带装置，可以将开槽过程中所产生的物体运送到机器的两侧。美国的Guntert 公司生产了4 款轮盘式的开槽机，大部分用于墙壁的开槽，也可以进行光缆铺设和水电管网的铺设等，驱动型号为液压驱动型，最大的机型为7500，开槽的深度为235cm。

从发展情况来看，开槽机的应用大部分为大型机械设备开槽机，极少数用于墙壁开槽机，更加稀少的是将开槽机安装在一个移动结构上进行自动开槽。

1.2 论文研究的目的和意义

研制一架具有高度自动化的立式自动开槽机对水电安装开槽行业具有重要的意义，一方面可以大幅度的提高水电开槽的效率，准确性和开槽质量^[4]。另一方面还可以节省人力，大大减少开槽时间，减轻工人负担又提高了工人的专业水平，最重要的是水电工人不用手持开槽机去开槽，减少了和灰尘的接触范围，增加了与灰尘直接接触的距离，减少了人工的伤害。本文针对以上问题进行了开槽机安装结构的总体设计，致使开槽机可以自动开槽，只存在一小部分需要人为操作。设计了立式自动开槽机，可以实现以下目标：

1. 在水泥墙面上可以开出不同角度，宽度，深度的线槽；
2. 在切割过程避免产生分成飞扬；
3. 节省人力，提高开槽的效率。

以上功能可以很好地解决水电开槽机只能手持的作用，能将水电开槽机安装在立式自动升降结构，此设计的总体结构可以完成升降与旋转功能，升降开槽是自动控制，旋转功能需要一定人力，最终的结果可以保证施工人员与设备的良好结合。保证了在施工过程中的安全性、协调性、稳定性。

1.3 论文的主要研究内容

本文的主要研究内容包括以下几个方面：

1. 立式自动开槽机的总体结构设计

本文通过对立式自动开槽机进行功能需求与性能需求分析，制定立式开槽机的研究路线，完成立式自动开槽机的总体结构设计，并将总体结构细分为自动升降结构，手动升降结构，旋转结构。

1. 立式自动开槽机的各项部件的选型

针对立式自动开槽机的设计要求，如何完成自动升降，来保证开槽机能在升降架上自由的自动升降，从而满足自动性的要求。对所采用的电机和减速器的选型。

1. 立式自动开槽机的3D建模与分析

根据立式自动开槽机的工作原理和性能技术要求，实现立式自动开槽机的结构的创新设计，并运用计算机设计辅助软件Solidwoks进行三维建模、虚拟装配及干涉检查，保证结构合理性。运用Solidwoks自带的有限元分析功能对立式自动开槽机的主要零部件进行应力分析和结构优化设计，保证立式自动开槽机的整体性能。

第2章 立式自动开槽机的计算

2.1 立式自动开槽机整体机械结构

手持式开槽机是一种需要人为手持进行的电动工具，主要适用于房屋水电装修过程中对混凝土、老火转等砖墙进行埋线开槽的工作，其整体结构由主机和副机构成，主机主要用于墙面的开槽工作。副机是辅助主机的专用除尘器，用来吸收灰尘，保证施工现场的适度整洁。主机包含机身、电机、外壳、齿轮、开关、托架、刀罩、输出轴、手柄、刀片等组成。

本立式自动开槽机主要由开槽机自动升降架，辅助升降架，旋转结构，除尘结构等部分组成，能够完成开槽机的竖直切槽、水平切槽等动作，实现开槽机的各角度开槽与连续作业，立式自动开槽机的整体机械结构如图2-1所示，1为辅助升降架，2为自动升降架，3为滑轮组传动装置，4为旋转装置，5为皮带轮传动装置，6为手摇式装置。其中升降装置设计为左右双架式，左架部分实现开槽机在升降架上滑动，右架部分为辅助支架，辅助支架也可以进行升降，延长开槽机的开槽路径，整个立式自动开槽机分为开槽机升降装置^[5]、辅助升降装置^[6]、旋转装置^[7]，三种装置协调配合，共同完成开槽机的自动开槽和各角度的开槽工作^[8-9]。

图2-1 立式自动开槽机的整体机械结构

2.2 开槽机的转速设计

由毕业设计要求可知，开槽机的空转转速需达到1800rpm,因此采用Y90S三相异步电动机，同步转速为3000r/min,2级。确定总传动比为：

(2.1)

由于减速比较低，因此选用一级直齿圆柱齿轮减速器，选小齿轮齿数z1为20，则大齿轮齿数z2为32。

2.3开槽机的开槽速度设计

由毕业设计的要求可知，每分钟需开槽3000-5000mm,因开槽机挂载架采用的是自动升降架，因此需采用电机驱动，电机选用减速电机，型号为F27R17DR63,减速比为20，输入转速为1450rpm，则输出转速为:

(2.2)

又经过一级减速器，螺旋锥齿轮减速机，型号为K37，传动比为5，则滚筒转速为:

(2.3)

因此次滚筒直径为70mm，则钢丝绳每分钟拉动长度为3189mm,满足设计要求。

2.4传动系统设计（带传动）的设计

（1）确定计算功率Pc

Pc是根据传递的名义功率P，综合考量载荷及运行的时间等相关因素而确定，即：

(2.4)

式中：KA为工况系数，这里取为1。

（2）V带型号的选择

查阅机械设计手册，由V带的计算功率和小带轮的转速可以选择带型为Z型。

（3）确定带轮的基准直径

因为本设计的带轮传动比为1，所以，两个带轮的直径相同。若带轮直径过小，则传动尺寸紧凑，但弯曲应力将会变大，相应的使带的疲劳强度降低；同样的情况下，所需有效圆周力也会变大，带的根数增多。因此一般地，应取，见表2-1。并选用标准值，这里取。

表2-1 V带轮的最小基础直径和推荐轮槽数

（4）验算带速v

（2.5）

带速过高则离心力变大，带与带轮之间的压力将会减小，易打滑。因此，必须限制带速,对Z型V带来说，V_max为25m/s,因此带速合理。

第3章 立式自动开槽机的工作原理

3.1 立式自动开槽机的关键机械机构

3.1.1立式自动开槽机的升降机构

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