cfg長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)液壓動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)方案的選擇

cfg長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)液壓動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)方案的選擇

1長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)動(dòng)力頭的應(yīng)用cfg（水泥、粉煤灰、碎石樁施工方法的英文翻譯）是鉆孔樁工程機(jī)的主要挖掘機(jī)。由于采用連續(xù)輸土法，施工效率高，因此國(guó)內(nèi)各種開(kāi)挖樁工程機(jī)械最受歡迎。由于其工作噪聲小，對(duì)地面的破壞小，因此近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的使用越來(lái)越頻繁，這滿足了大城市地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的噪聲要求。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們環(huán)保意識(shí)的提高,長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)最近幾年得到了大規(guī)模的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的生產(chǎn)廠家所用鉆機(jī)動(dòng)力頭幾乎都采用三環(huán)減速機(jī)加兩臺(tái)交流電機(jī)(其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示)。電機(jī)功率一般為37kW×2、45kW×2和55kW×2,鉆桿轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié),同時(shí)受三環(huán)減速機(jī)的制約,輸出轉(zhuǎn)矩很難提高。事實(shí)上長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)還有很大的發(fā)展空間,比如鉆機(jī)動(dòng)力頭可以由單速向多速發(fā)展2液壓系統(tǒng)工作原理液壓裝置與電氣裝置相比在同等的功率下,液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊;液壓裝置工作比較平穩(wěn),易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向;能在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速;易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。由于液壓傳動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn),制定了如下動(dòng)力頭改進(jìn)方案。2.1動(dòng)力特性及可靠性分析為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和節(jié)省成本,液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭減速機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備采用一級(jí)直齒輪減速器來(lái)實(shí)現(xiàn)(如圖2)。減速比不能取得太大,否則會(huì)引起減速機(jī)體積龐大,重量太重。減速比初步定在6以下,工程實(shí)踐中取4.2。要實(shí)現(xiàn)鉆孔所需的最大轉(zhuǎn)矩輸出,則原動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)比較大,初步估計(jì)在8kN·m左右。液壓執(zhí)行元件中能輸出這樣大轉(zhuǎn)矩的元件主要有低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)和液壓傳動(dòng)裝置。國(guó)產(chǎn)的低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)在材質(zhì)及制造工藝上還有欠缺,可靠性及使用壽命方面不是十分令人滿意。進(jìn)口的低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)雖然故障率低、壽命長(zhǎng),但是其價(jià)格很高,在我國(guó)現(xiàn)有市場(chǎng)條件下不利于推廣。而對(duì)于液壓傳動(dòng)裝置,國(guó)內(nèi)制造工藝已非常成熟,可靠性和價(jià)格方面都比較令人滿意?；谝陨峡紤],決定采用液壓傳動(dòng)裝置作為液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件2.2主液壓傳動(dòng)裝置為適應(yīng)市場(chǎng)上工程機(jī)械節(jié)能的趨勢(shì),且滿足工程實(shí)踐中不同地層條件對(duì)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)矩大小的不同要求,在設(shè)計(jì)中采用多擋位動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。即在鉆進(jìn)阻力較小時(shí)采用兩個(gè)主液壓傳動(dòng)裝置(見(jiàn)圖2,分別帶動(dòng)左上與右下兩主動(dòng)齒輪)驅(qū)動(dòng),隨著鉆進(jìn)深度的增加或遇到阻力較大的施工情況時(shí),根據(jù)需要依次啟動(dòng)另外兩個(gè)輔助液壓傳動(dòng)裝置(見(jiàn)圖2,分別帶動(dòng)左下與右上兩主動(dòng)齒輪),進(jìn)而帶動(dòng)連接鉆桿的中間從動(dòng)齒輪,進(jìn)行小轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩低速鉆進(jìn)。另外為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的開(kāi)、停以及換向,還需要根據(jù)動(dòng)力頭系統(tǒng)的大流量特點(diǎn)設(shè)計(jì)專門的大流量換向控制系統(tǒng),因此動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)分轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)與方向控制系統(tǒng)兩部分進(jìn)行。2.2.1液控?fù)Q向閥控制系統(tǒng)在生物鉆機(jī)中的應(yīng)用方案方案一根據(jù)地質(zhì)勘察,預(yù)定動(dòng)力頭轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而通過(guò)操縱安置在動(dòng)力頭上的控制裝置確定開(kāi)啟傳動(dòng)裝置的數(shù)目,工作中不可另行調(diào)節(jié)。此方案操作簡(jiǎn)單,但對(duì)地質(zhì)勘探的精確程度提出了更高的要求,且由于現(xiàn)有土力學(xué)理論尚未成熟,實(shí)際操作中往往為安全起見(jiàn),采用較大轉(zhuǎn)矩?fù)跷?而這不僅不利于提高動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速,還會(huì)造成較大的能量浪費(fèi),不適應(yīng)于現(xiàn)代市場(chǎng)對(duì)工程設(shè)備節(jié)能的要求,因此此種方案不可取。方案二工作中根據(jù)需要,在控制室利用電磁換向閥來(lái)開(kāi)關(guān)輔助動(dòng)力。此方案,可以實(shí)現(xiàn)在工作中根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩,但由于工程實(shí)踐中,國(guó)產(chǎn)電磁換向閥工作的可靠性不高,且實(shí)際工作中容易損壞,而進(jìn)口電磁換向閥又較為昂貴,使系統(tǒng)的生產(chǎn)成本大為提高,因此此種方案也予以排除。方案三工作中根據(jù)需要,在控制室利用液控?fù)Q向閥開(kāi)關(guān)輔助動(dòng)力。與方案二相比,利用液控?fù)Q向閥的工作可靠性有了較大的提高,但同時(shí)機(jī)身到動(dòng)力頭的管路由2根增至6根,不僅不利于節(jié)約成本,還會(huì)使整機(jī)布置顯得凌亂。上述方案均有缺陷,為了提高產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中動(dòng)力轉(zhuǎn)矩的自動(dòng)調(diào)節(jié),新提出方案的原理如圖3所示。(1)鉆進(jìn)時(shí)在第一階段,鉆桿鉆入深度較小,或土層鉆進(jìn)阻力不大時(shí),在提高了鉆機(jī)整體適應(yīng)性的同時(shí),為節(jié)能僅有兩個(gè)主傳動(dòng)裝置工作,此時(shí)由于負(fù)載不大,系統(tǒng)的工作壓力較小,來(lái)自泵站(由4臺(tái)37kW電機(jī)分別帶動(dòng)一臺(tái)恒功率變量泵組成)的液壓油,幾乎全部用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主傳動(dòng)裝置,因此更有利于提高鉆桿的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而便于淺土層鉆屑土塊的排出,而此時(shí)液控?fù)Q向閥的Y型中位機(jī)能可以實(shí)現(xiàn)兩輔助液壓傳動(dòng)裝置的自由轉(zhuǎn)動(dòng);第二階段,隨著鉆桿的深入,鉆進(jìn)阻力逐漸增大,工作壓力也隨之上升,泵站提供的流量也隨之下降(因?yàn)橄到y(tǒng)采用了恒功率變量泵)將不利于鉆桿轉(zhuǎn)速的維持,當(dāng)系統(tǒng)壓力上升至12MPa時(shí),順序閥1工作,接通液控?fù)Q向閥1左位控制回路,換向閥左位工作,輔助傳動(dòng)裝置1隨之啟動(dòng);當(dāng)鉆桿的阻力轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大或發(fā)生卡鉆時(shí),系統(tǒng)壓力將會(huì)繼續(xù)升高,當(dāng)壓力升至16MPa時(shí),順序閥2工作,啟動(dòng)輔助回轉(zhuǎn)裝置2,從而進(jìn)行低速大轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn)(2)反轉(zhuǎn)時(shí)與鉆進(jìn)時(shí)相仿,拔鉆甩土?xí)r,由于所需的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩不大,且要求有一定的轉(zhuǎn)速,因此兩主傳動(dòng)裝置工作可基本滿足要求,而此時(shí)由于液控?fù)Q向閥的Y型中位機(jī)能兩輔助傳動(dòng)裝置可以自由轉(zhuǎn)動(dòng),但遇到鉆進(jìn)過(guò)程卡鉆等特殊情況,必須反轉(zhuǎn)拔鉆時(shí),所需的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定程度后,當(dāng)兩主傳動(dòng)裝置不足以提供反轉(zhuǎn)動(dòng)力時(shí),在順序閥3、4的作用下兩輔助傳動(dòng)裝置將依次參與驅(qū)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩反轉(zhuǎn)。2.2.2插裝閥集成塊的液壓原理根據(jù)設(shè)計(jì)要求,動(dòng)力頭控制系統(tǒng)主要完成控制動(dòng)力頭開(kāi)停、正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和過(guò)載溢流的功能。由于動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)屬于中、高壓大流量系統(tǒng),普通換向閥、溢流閥的通流量均無(wú)法滿足系統(tǒng)通流量的要求,而無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力頭的控制,為此設(shè)計(jì)中采用插裝閥集成塊來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。與普通換向閥相比采用插裝閥集成塊有如下優(yōu)點(diǎn)由上述功能分析可知,插裝閥集成塊主要實(shí)現(xiàn)大流量三位四通換向閥以及大流量溢流閥的雙重功能,其液壓原理如圖4所示。(1)在換向閥中位工作時(shí),由于其P型中位機(jī)能,插裝閥1、2、3、4的控制油路均為高壓,所以此時(shí)4個(gè)閥塊均被鎖緊,各油路均被關(guān)閉,當(dāng)壓力油管壓力達(dá)到溢流閥調(diào)定壓力時(shí),溢流閥工作而開(kāi)啟,油路開(kāi)始產(chǎn)生流動(dòng),此時(shí)在節(jié)流閥的作用下,插裝閥5閥芯上作用面壓力低于下作用面壓力而開(kāi)啟,從而實(shí)現(xiàn)大流量溢流,此時(shí)A、B均無(wú)壓力油輸出,動(dòng)力頭處于靜止?fàn)顟B(tài)。(2)在換向閥左位工作時(shí),插裝閥1、3的控制油路為高壓而鎖緊,插裝閥2、4的控制油路與油箱相連而將所在支路接通,此時(shí)A油路與壓力油管相通,B油路與油箱相通,從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭正轉(zhuǎn);(3)在換向閥右位工作時(shí),插裝閥2、4的控制油路為高壓而鎖緊,插裝閥1、3的控制油路與油箱相連而將所在支路接通,此時(shí)B油路與壓力油管相通,A油路與油箱相通,從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)。3液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力頭與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力如果長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)的動(dòng)力頭采用液壓驅(qū)動(dòng),與電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭相比具有非常大的優(yōu)勢(shì)和潛力:(1)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速極為方便。在淺土層或疏松土層中,所需轉(zhuǎn)矩較小,此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速小轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn),進(jìn)入深土層或堅(jiān)硬土層而需要轉(zhuǎn)矩較大時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn)。這樣可以提高施工效率和對(duì)地層的適應(yīng)性。(2)液壓驅(qū)動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。在施工中,長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)經(jīng)常會(huì)因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆,再重新啟動(dòng)時(shí)需要的轉(zhuǎn)矩較大。實(shí)際中常用的自耦降壓?jiǎn)?dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最高僅為額定轉(zhuǎn)矩的64%,所以經(jīng)常出現(xiàn)異常停鉆后無(wú)法重新啟動(dòng)的情況,造成很大的損失。而液壓驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力頭啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的85%~90%,與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力頭相比明顯強(qiáng)勁。(3)液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊小。電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭通常采用兩臺(tái)較大功率的交流電機(jī),且必須同時(shí)啟動(dòng),啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊極大,而在帶載啟動(dòng)時(shí)更加惡劣,在施工中經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)不能承受的現(xiàn)象。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則可使用多臺(tái)小功率電機(jī),而且可以分別啟動(dòng),啟動(dòng)