在工程施工中，采用機(jī)......



在工程施工中，采用機(jī)械鉆孔法就地灌注樁，在國內(nèi)外已成為主要施工形式，本實(shí)例設(shè)計(jì)的工程鉆機(jī)就是為滿足施工鉆孔灌注樁而設(shè)計(jì)制造的全液壓轉(zhuǎn)盤式工程鉆機(jī)。
一、設(shè)計(jì)原理
目前市場(chǎng)上使用的鉆機(jī)從鉆進(jìn)方式可分為回轉(zhuǎn)和沖擊兩種，從傳動(dòng)方式有機(jī)械的液壓兩類，通過綜合分析后我們認(rèn)為，對(duì)大口徑鉆進(jìn)來說，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)要優(yōu)于沖擊鉆進(jìn)；在傳動(dòng)方式上，我們認(rèn)為液壓傳動(dòng)要比機(jī)械傳動(dòng)更平穩(wěn)，并可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，更適合于鉆進(jìn)工藝要求。因此我們?cè)O(shè)計(jì)制造的工程鉆機(jī)為全液壓轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)。
鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)架和液壓系統(tǒng)四大部分組成，根據(jù)目前市場(chǎng)上大口徑鉆機(jī)普遍存在實(shí)際能力低于公稱能力的狀態(tài)，我們經(jīng)過計(jì)算，將驅(qū)動(dòng)功率加大，使鉆機(jī)的公稱能力名實(shí)相符。根據(jù)用戶的意見，我們?cè)阢@機(jī)上又增加了鉆進(jìn)加壓裝置，這又進(jìn)一步提高了鉆機(jī)的使用性能。
下面將設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行簡要說明：
轉(zhuǎn)盤 這一部分是鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)核心，通過它來驅(qū)動(dòng)鉆桿使鉆頭回轉(zhuǎn)，其性能優(yōu)劣直接影響到鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力。選用Φ1250回轉(zhuǎn)支承實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)并傳遞扭矩，該裝置由模數(shù)為12mm的內(nèi)齒圈、Φ45mm鋼球和外圈構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大的特點(diǎn)，配置雙變量液壓馬達(dá)和一級(jí)減速的傳動(dòng)方式，通過與液壓泵匹配，使轉(zhuǎn)速可在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)任意調(diào)整，最大扭矩可達(dá)50KN. m。轉(zhuǎn)盤底座采用ZG35鑄造，轉(zhuǎn)盤蓋采用結(jié)構(gòu)鋼板組焊，這就使轉(zhuǎn)盤具有足夠的傳遞扭矩能力。
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卷揚(yáng) 這一部分是在鉆進(jìn)過程中完成鉆具上下、重物提升、減壓鉆進(jìn)等功能的機(jī)構(gòu)。選用配一臺(tái)液壓馬達(dá)的二級(jí)減速傳動(dòng)方式，一主軸雙卷筒結(jié)構(gòu)，各配離合、制動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)用。由液壓馬達(dá)和液壓泵匹配，卷繩速度可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，而且傳動(dòng)平穩(wěn)，單繩提升能力為30KN，平均提升速度為0.2-1.0m/s 。
液壓系統(tǒng) 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)由一臺(tái)45KW和一臺(tái)5.5KW電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)一臺(tái)大排量A8V斜軸式變量柱塞泵和一臺(tái)SCY14-1B小排量手動(dòng)變量泵構(gòu)成液壓動(dòng)力源，通過手動(dòng)換向閥組分別控制兩臺(tái)變量馬達(dá)和一臺(tái)定量馬達(dá)及油缸，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤、卷揚(yáng)回轉(zhuǎn)和鉆塔升降、滑臺(tái)移動(dòng)及鉆進(jìn)加壓。
液壓系統(tǒng)原理如下圖示：
轉(zhuǎn)盤采用兩個(gè)二級(jí)變量馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速范圍換檔。
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在卷揚(yáng)控制回路設(shè)置平衡閥，以確保起吊重物的可靠懸停，并在油路通斷和換向動(dòng)作時(shí)起緩沖作用。
在滑臺(tái)移動(dòng)控制回路設(shè)置雙向液壓鎖，確保滑臺(tái)/井口/板底座三者間不因外界影響發(fā)生位置變化。
油箱吸油、回油口分別設(shè)置濾油器，防止油污染損傷液壓件。
選用的A8V液壓泵為恒功率變量泵，并設(shè)手動(dòng)變量裝置，使轉(zhuǎn)盤在鉆進(jìn)過程中具有根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)變速的功能，避免憋車，保護(hù)電動(dòng)機(jī)不過載，同時(shí)，通過手動(dòng)變量裝置可任意設(shè)定泵最大排量，從而設(shè)定轉(zhuǎn)盤最大轉(zhuǎn)速，其在恒功率下的壓力/流量曲線圖及轉(zhuǎn)盤的輸出扭矩-轉(zhuǎn)數(shù)-系統(tǒng)壓力關(guān)系圖如下所示
SCY14 -1B泵為手動(dòng)變量泵，可以調(diào)整鉆機(jī)起塔和加壓的速度。
通過這種變量泵 - 變量馬達(dá)的選配方式，可以使用戶在使用中把轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、加壓、提升、移動(dòng)速度按鉆進(jìn)工藝要求調(diào)整到最理想狀態(tài)。
二、鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的選擇及選擇依據(jù)
國內(nèi)工程施工鉆孔灌注樁樁徑設(shè)計(jì)一般為 1.0-2.0米,孔深50米以內(nèi),個(gè)別橋梁設(shè)計(jì)樁徑已采用2.2米。對(duì)于嵌巖樁，由于我國地域廣大，各地嵌巖樁遇到的巖石硬度較大，但一般巖石硬度單軸抗壓強(qiáng)度在98N/mm2以下。因此，確定鉆機(jī)以下參數(shù)：鉆孔徑1.0-2.0m米,孔深80米,滿足巖石單軸抗壓強(qiáng)度98N/mm2的嵌巖樁施工要求。
轉(zhuǎn)盤扭矩的計(jì)算 按下列石油鉆探中采用的公式：T=0.946×10-2×K×D2..5×Wd1..5 N. m 式中：
T 扭矩 N.m K 地質(zhì)補(bǔ)正系數(shù) D 鉆孔直徑 cm Wd 鉆頭單位直徑上的壓力 N/m
由計(jì)算知, 滿足φ2.0m嵌巖樁鉆孔轉(zhuǎn)盤扭矩需48.67KN.m
鉆頭轉(zhuǎn)速的計(jì)算 2.1國外推薦按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定鉆頭的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速：n=36575/D r / m i n 式中：
D 鉆頭直徑 ：mm
取D=2000 mm時(shí)，n=18.3 r / m i n ；
D=1000mm時(shí)，n=36.6 r / m i n
對(duì)牙輪 / 滾刀鉆頭, 有下列最高轉(zhuǎn)速公式 ： n max = (100 - 120) d / D r / m i n
式中：d 鉆頭外側(cè)牙輪 / 滾刀直徑； D 鉆頭直徑
取：D=1000， d=7″時(shí) n max = 17.8 ~21.3 r / m i n
綜合2.1、2.2 所述，孔徑 1.0-2.0m的鉆進(jìn)需鉆頭轉(zhuǎn)速范圍為10-36.6 r / m i n。
為確保鉆機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)滿足施工要求，我們還結(jié)合國內(nèi)其他類似鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行類比法確認(rèn)，如下
綜合上述論證，最終確定鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：
鉆孔直徑 m ： 1.0-2.0
孔深 m : 80
最大扭矩 : KN .m : 50
轉(zhuǎn)速 r / m i n : 2.5 - 44r/min
主卷揚(yáng)提升力 KN ： 30 × 6=180