一种可用于冻土挖掘的工兵铲

1.本实用新型涉及工具技术领域，尤其涉及一种可用于冻土挖掘的工兵铲。


背景技术：

2.在高海拔寒冷地区，由于冻土的强度比温区非冻土强度大上好几倍甚至好几十倍，其冻土又具有不同于一般岩石介质的，轻松黏聚的特殊物质。单兵在冻土地区使用普通工兵铲构筑单人掩体(又称散兵坑)时，在规定时间内很难达到军事标准且不符合作战要求。此时就需要设计一款工兵铲，针对冻土进行挖掘，能够在更快的时间内完成冻土地区单兵掩体的构筑。
3.针对冻土进行挖掘，解放军工兵团有大型机械对战役提前构筑掩体及工事，其机械装备对于构筑冻土地区的大型工事是没有压力的。2020年8月，在中国军事网报道了一篇关于冻土地区构筑工事的新闻：其视频中，作战车辆中备有发电机及气动装置，多人合作在冻土地区挖掘冻土、构筑工事。
4.单兵掩体爆破器又被称之为炸坑爆破器，其是二战后出现的、单兵使用的、简易构筑掩体的一种工具。解放军从上个世纪七十年代开始研究并装备此类爆破器，并于八十年代在军队序列中装备了gbp133/gbp131a型分装式掩体爆破器。gbp133/gbp131a型爆破器专门用于冻土的等硬质土壤的爆破，其利用钻孔工具钻孔，运用炸药炸坑，又可依据坑穴的大小、数量及深度，选择单具或者多具使用，使用方法更加灵活多样。
5.单兵作战中，无法利用大型机械或者电气车辆构筑单兵掩体及小型工事。gbp133/gbp131a 型分装式掩体爆破器重量较轻，只有590克，但其钻孔工具等辅助装置在内的包装箱总重量达到34千克；其重量太重，在单兵作战中必定成为负担；而且在其作业时，动静大，极易暴露自己。


技术实现要素：

6.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可用于冻土挖掘的工兵铲，该种可用于冻土挖掘的工兵铲不仅能单兵可对寒冷地区冻土进行挖掘，而且总重量较轻。
7.要解决该技术问题，本实用新型的技术方案为：一种可用于冻土挖掘的工兵铲，包括铲柄、铲柄连接部和铲头，铲柄连接部将铲柄和铲头连接为一体，所述的铲柄连接部处设置有螺旋进土部，所述的螺旋进土部在破坏寒冷地区冻土结构时垂直于铲柄中心线。
8.所述的铲柄连接部包括铲柄连接部本体和铲柄连接部端头，所述的铲柄连接部本体与铲柄连接，所述的铲柄连接部端头位于铲柄连接部本体的端部，所述的螺旋进土部包括螺旋钻头连接件和与螺旋钻头连接件形成一体的螺旋钻头，螺旋钻头连接件与铲柄连接部端头可转动连接。
9.所述的螺旋钻头包括主轴杆、两对螺旋叶片、两对矩形刀片和定位尖，两对所述的螺旋叶片沿着主轴杆布置，所述的定位尖位于主轴杆的一端，所述的主轴杆的另一端与螺旋钻头连接件固接，每对螺旋叶片与定位尖相接处具有矩形刀片。
10.所述的铲柄连接部还设置有在破坏寒冷地区冻土结构时固定螺旋钻头的紧固加强件，所述的紧固加强件位于铲柄连接部端头旁侧。
11.所述的矩形刀片垂直于主轴杆。
12.所述的铲柄连接部端头具有伸出销，所述的螺旋钻头连接件设置有伸出销配合孔，所述的螺旋钻头连接件可绕着伸出销中心线旋转90度，所述的螺旋进土部在铲头挖掘寒冷地区冻土时主轴杆旋转至平行于铲柄中心线状态。
13.所述的铲头由铲头转动连接件和金属铲面组成，铲头转动连接件上设置有伸出销配合孔，金属铲面可绕着伸出销中心线旋转180度。
14.所述的铲柄一端具有圆锥段，所述的铲柄连接部本体具有与铲柄圆锥段相适应的结构，所述的铲柄连接部本体靠近铲柄连接部端头处设置有外螺纹段，铲柄连接部本体外螺纹段上设置有锁紧螺栓。
15.所述的主轴杆材料为45号钢，所述的螺旋叶片、矩形刀片和定位尖材料均为65mn热轧钢。
16.所述的铲柄的材质为木材。
17.本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲采用上述结构，单兵可对寒冷地区冻土进行挖掘，并且总重量较轻，与目前的工兵铲相比，能够在更短的时间内完成寒冷地区冻土单兵掩体的构筑，作业时动静小，能避免在构筑单人掩体时暴露自己。
附图说明
18.下面结合附图对本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲作进一步详细地说明；
19.图1为本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲在破坏寒冷地区冻土结构时的示意图；
20.图2为图1所示的螺旋进土部旋转90度放大结构示意图；
21.图3为图2所示的矩形刀片放大结构示意图；
22.图4为图2所示的定位尖放大结构示意图；
23.图5为本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲在铲头挖掘寒冷地区冻土时的结构示意图；
24.图6为本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲携带时的结构示意图；
25.在图中，1、铲柄；2、铲柄连接部本体；3、锁紧螺栓；4、铲柄连接部端头；5、伸出销； 6、螺旋钻头；7、螺旋钻头连接件；8、铲头转动连接件；9、金属铲面；11、矩形刀片；12、定位尖；13、伸出销配合孔；14、螺旋叶片；15、主轴杆；16、矩形刀片刀刃；17、定位尖刀刃。
具体实施方式
26.如图1至图6所示，一种可用于冻土挖掘的工兵铲包括铲柄1、铲柄连接部、铲头和螺旋进土部，铲柄连接部将铲柄1和铲头连接为一体，铲柄连接部处设置有螺旋进土部，铲柄连接部包括铲柄连接部本体2和铲柄连接部端头4，铲柄连接部本体2与铲柄1连接，铲柄连接部端头4位于铲柄连接部本体2的端部。螺旋进土部包括螺旋钻头连接件7和与螺旋钻头连接件7形成一体的螺旋钻头6，螺旋钻头连接件7与铲柄连接部端头4可转动连接。螺旋钻头6包括主轴杆15、两对螺旋叶片14、两对矩形刀片11和定位尖12，定位尖12为等腰三角
形片状结构，定位尖12的两个等腰边上具有定位尖刀刃17，两对螺旋叶片14沿着主轴杆15布置，定位尖12位于主轴杆15的一端，主轴杆15的另一端与螺旋钻头连接件7固接，每对螺旋叶片14与定位尖12相接处具有矩形刀片11，矩形刀片11垂直于主轴杆15，矩形刀片11伸出螺旋叶片14的端部具有矩形刀片刀刃16，铲柄连接部端头4具有伸出销5，螺旋钻头连接件7具有伸出销配合孔13，螺旋钻头连接件7的伸出销配合孔13与伸出销5 配合，螺旋钻头连接件7可绕着伸出销5中心线旋转90度，螺旋进土部在铲头挖掘寒冷地区冻土时主轴杆旋转至平行于铲柄中心线状态。
27.铲头由铲头转动连接件8和金属铲面9组成，铲头转动连接件8上具有伸出销配合孔，金属铲面9可绕着伸出销5中心线旋转180度。携带时金属铲面9紧贴铲柄1，金属铲面9 的顶端位于铲柄1中部，挖掘时，金属铲面9绕着伸出销5中心线旋转180度，变成常用的工兵铲状态。铲柄1一端具有圆锥段，铲柄连接部本体2具有与铲柄圆锥段相适应的结构，铲柄连接部本体2靠近铲柄连接部端头4处设置有外螺纹段，铲柄连接部本体2外螺纹段上设置有锁紧螺栓3。主轴杆15材料为45号钢，螺旋叶片14、矩形刀片11和定位尖12材料均为65mn热轧钢，铲柄1的材质为木材。
28.本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲不局限于上述结构，为了使本实用新型的工兵铲经久耐用，铲柄连接部还设置有紧固加强件，紧固加强件位于铲柄连接部端头旁侧。紧固加强件的作用是在破坏寒冷地区冻土结构时将螺旋钻头牢牢固定，此时螺旋进土部垂直于铲柄中心线。
29.下面从理论分析本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲单兵破坏寒冷地区冻土结构进行挖掘冻土的可行性。
30.上述螺旋钻头的主要结构参数与作业参数见下表：
[0031][0032]
上述螺旋钻头螺旋升角α与导程(螺距)h的确定见下式：
[0033]
根据其螺旋升角的计算公式：
[0034]
α＜90
°‑
(θ2+θ1)
[0035]
公式中：θ2——冻土与刀片之间的摩擦角，取20
°
[0036]
θ1——冻土的内摩擦角，取44
°
[0037]
既：α＜90
°‑
(θ2+θ1)＝90
°‑
(20
°
+44
°
)＝26
°
，取α＝25
°
[0038]
根据导程h的计算公式：
[0039]
h＝πd tanα
[0040]
公式中：d——螺旋钻头螺旋叶片直径，取60mm
[0041]
即：h＝πd tanα＝3.1416*60*tan25
°
≈88mm
[0042]
通过实验，很难直接使用铲头或者另用镐头来挖掘冻土，通过研究冻土的可钻性，通过工兵铲的螺旋钻头部分，钻削冻土的过程中，冻土会在动载荷的作用下发生形变，使冻土里面的孔隙、裂纹陆续变大和扩张，从而破坏冻土结构，使冻土断裂，最后达到了破碎挖掘冻土的目的。螺旋钻头入土深度30cm左右，其安装在工兵铲铲头端部。不使用时，可安置在是木制手柄旁侧。使用时展开钻头，利用手柄进行旋转，钻头旋转并且垂直地向下做进给的运动，在轴向力与扭矩的作用下切削冻土土壤。定位尖首先做定位工作，然后定位尖刀片切入冻土土壤，定位尖刀片切削的冻土土壤沿着螺旋叶片上升排出到坑穴的周围。钻入深度约 30cm，完全可以达到单兵卧姿掩体的规范要求。破碎冻土后，就可以利用工兵铲铲头部分，进行挖掘冻土作业并及进行构筑工事。
[0043]
通过查阅资料及参考文献，我们可以计算出螺旋钻头在工作时受到的转矩：
[0044]
螺旋钻头切削冻土所受到的总转矩由以下三个部分组成：
[0045]
m＝m
尖升
+m
刀
+m
[0046]
公式中：m
尖
——定位尖切削工作时所受到的转矩
[0047]
m
刀
——刀片切削冻土时所受到的转矩
[0048]
m
升
——削碎冻土后，升运碎土所受到的转矩
[0049]
(1)、定位尖切削工作时所受到的转矩m
尖
[0050]
m
尖
＝(q1+k1s)d
12
[0051]
公式中：q1——为系数，相对于坚硬的冻土土壤，取q1＝32.37*102n/m
[0052]
k1——为系数，取k1＝78.48*103n/m2[0053]
s——螺旋钻头每转的进给量，取s＝0.0012m
[0054]
d1——定位尖的回转直径，取d1＝0.017m
[0055]
因此，得到：
[0056]
m
尖
＝(q1+k1s)d
12
[0057]
＝(32.37*102+78.78*103*0.0012)*0.0172[0058]
＝0.96(n
·
m)
[0059]
(2)、刀片切削冻土时所受到的转矩m
刀
[0060][0061]
公式中：i——螺旋头数，其取i＝2
[0062]
q——为土壤阻力比列系数，相对于坚硬的冻土土壤，取q＝3200n/m
[0063]
k2——为土壤变形阻力系数，相对于坚硬的冻土土壤，取k2＝225000n/m2[0064]
ψ——土壤切削时阻力与水平面的夹角，取ψ＝55
°
[0065]
δ——刀片的入土角，取δ＝25
°
[0066]
——土壤与刀片之间的摩擦角，取
[0067]
r1——定位尖的回转半径，取r1＝0.0085m
[0068]
将数值带入到上式的公式中，得到：
[0069][0070]
(3)、削碎冻土后，升运碎土所受到的转矩m
升
[0071][0072]
公式中：b1——为系数
[0073]
μ0——在过钻头轴线截面r0处土壤流动曲线和水平面的夹角
[0074]
β——土壤流动的绝对速度和水平面的夹角
[0075]
r2——土壤流动内径
[0076]
将数值带入到上式的公式中，得到：
[0077][0078]
(4)、螺旋钻头工作时受到的总转矩m
[0079]
m＝m
尖
+m
刀
+m
升
[0080]
＝0.96+2.18+2.85
×
10
‑4[0081]
＝3.14(n
·
m)
[0082]
理论计算得知，螺旋钻头在钻削冻土的过程中受到的转矩数值为3.14n
·
m，能够满足单兵破坏寒冷地区冻土结构进行挖掘冻土。
[0083]
制作时，两对螺旋叶片与主轴杆通过焊接的方式进行连接，两对矩形刀片与两对螺旋叶片通过焊接进行连接，定位尖与主轴杆通过铆钉进行连接，木制手柄与铲柄连接部本体通过楔子进行固定，锁紧螺栓与铲柄连接部进行连接，其达到固定螺旋钻头的活动，锁紧螺栓与铲柄连接部的螺纹部分采用m 30
×
3.5的标准。
[0084]
本实用新型一种可用于冻土挖掘的工兵铲采用上述结构，单兵可对寒冷地区冻土进行挖掘，并且总重量较轻，与目前的工兵铲相比，能够在更短的时间内完成寒冷地区冻土单兵掩体的构筑，作业时动静小，能避免在构筑单人掩体时暴露自己。