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浅谈旋挖钻机在西部高原灌注桩施工中的应用

   日期:2020-04-07     浏览:0    
核心提示:浅谈旋挖钻机在西部高原灌注桩施工中的应用恒天九五重工有限公司湛良传Zhan Liangchuan 黎起富Li Qifu 罗瑶Luo Yao摘要:本文针
 浅谈旋挖钻机在西部高原灌注桩施工中的应用

恒天九五重工有限公司 湛良传Zhan Liangchuan 黎起富Li Qifu 罗瑶Luo Yao

摘要:本文针对旋挖钻机在高海拔地区特殊施工环境中的使用特点,结合桩工行业旋挖钻机在我国西部高原地区施工作业中因空气稀薄极寒低温所致多年未解的两大难题:动力头甩土问题与发动机掉速问题,分析原因后归纳总结出一种新型的施工方法,从根本上解决了动力头甩土这个历史难题,为祖国一带一路伟大工程在西部高寒地区所遇瓶颈尽微薄之力。

关键词:旋挖工法 动力头甩土 上下抖杆 挤土式钻斗 斗门开锁器 发动机掉速 马达

随着“一带一路”国家建设在西部高寒地区如火如荼地进行,越来越多的旋挖钻机在高山大岭、高海拔的地区中发挥重要作用。在施工过程中,经常会碰到动力头甩土问题与发动机掉速问题影响施工作业。下面我们来详细分析原因:

一、动力头甩土问题:

介绍之前先来认识一下什么是旋挖钻机?旋挖钻机是一种液压驱动设备,在主卷扬减速机浮动工作状态时通过控制对动力头的旋转和加压来驱动钻杆钻斗的旋转和加压来切削土壤至钻斗内,然后依靠主卷扬钢丝绳的提升将钻斗带出孔外,再通过旋挖钻机的回转动作把钻斗带到偏离孔的位置,通过动力头的甩土盘打开钻斗斗门(没有斗门开锁器的钻斗可以免此操作)将土壤排出孔外的周期性作业设备。在旋挖钻机钻斗切削土壤完成后,主卷扬提升钻杆钻斗至孔外缷土,钻斗内时常有一些粘性较强的土壤粘在钻斗内壁排泄不出来的现象,历来设备施工操作手的解决办法主要有三个:依靠动力头高速甩土将土甩出、来回切换动力头马达的正反转泄土(或者操作动力头马达“动-停-动-停-”泄土)和来回切换主卷扬马达上下升降钻杆抖土(或者操作主卷扬马达“动-停-动-停-”抖土)。我们把依靠动力头高速甩土和来回切换动力头马达的正反转泄土(或者操作动力头马达“动-停-动-停-”泄土)的操作统称为动力头甩土,把来回切换主卷扬马达上下升降钻杆抖土的操作(或者操作主卷扬马达“动-停-动-停-”抖土)称为上下抖杆。

图:恒天九五挖钻机在西部高原灌注桩施工

动力头甩土:施工中采用动力头高速甩土是很伤液压元件的,尤其最容易伤害的是马达。动力头转速可达100rpm,马达高速运转容易造成吸空,特别是在和减速机连接的高低档换挡机构切换挡位不及时,容易导致一个甩土液压马达带动两个主液压马达被动工作的现象,即两个主液压马达变成了液压输出泵,而此时主液压马达已经断油,必然导致马达吸空损坏;同时,来回切换动力头马达的正反转泄土的操作(或者操作动力头马达“动-停-动-停-”泄土方式),主要是利用惯性将土壤震松,然后在重力的作用下排土的过程,因为切换马达的操作频率过高,容易产生瞬间高压导致马达油封被冲坏,或发生马达內泄。

上下抖杆:上下抖杆泄土方式,即来回切换主卷扬马达上下升降钻杆抖土(或者操作主卷扬马达“动-停-动-停-”抖土),原理和动力头马达的正反转泄土的操作(或者操作动力头马达“动-停-动-停-”泄土)方式是类似的,目的都是为了将钻斗里面的泥土排出,但是同时又损害着液压马达和减速机等元件。这种来回切换动力头马达的正反转泄土的操作与上下抖杆泄土的操作,不仅对设备带来伤害,同时排土效率也不高,噪音大,尤其对小孔钻斗排土起不到作用,特别是直径800mm以内的钻斗来说,粘土完全排不出来。

图:恒天九五挖钻机在西部高原灌注桩施工

马达与减速机之痛:我们来了解一下目前被很多客户认可的高速甩土除了容易造成马达损坏外还有什么问题:1、动力头高速甩不出土。旋挖钻机钻孔作业时,如果遇到钻斗直径在800mm以内的粘土层小孔桩,根本就甩不出土,这种状况,其实用物理的方式也是可以解释的,高速旋转的钻斗其离心力的作用只能让土壤进一步贴紧在钻斗壁,即使钻斗有微型喇叭状(向下张开较小角度,一般的钻斗约5°),也很难将钻斗里面的土被甩了出来; 2、容易损坏减速机。一般工程机械旋挖钻机动力头上的马达输出速度在3000r/min以内,但是高速甩土的情况下,马达的输出速度通常超过4000r/min,这样高速的运转,很容易烧坏马达,同时,减速机的输出速度达到正常工作时的5倍及以上,这样高速的运转很容易使减速机齿轮油对齿轮的润滑不充分,减速机内部温度升高,长期如此使得减速机齿轮软化,强度大打折扣,最终导致减速机出现断齿等故障。

二、发动机掉速问题:

我国西部高原地区因空气稀薄极寒低温容易使得发动机出现掉速(或发动机动力不做)问题。随着海拔升高,气压下降,空气密度减小,空气中的含氧量也随之减少,对以柴油机为动力的小型旋挖钻机影响十分突出。

在使用中掉速影响正常施工。旋挖钻机在高原山区施工时的特点是:因地势高、空气稀薄,使发动机功率下降,导致发动机动力下降,油耗增加。海拔每升高1000米,大气压力下降约11.5%,空气密度减少约9%,内燃机的功率、扭矩下降8%~13%,油耗上升6%~9%,热强度增加2%~5%,从而使发动机的动力性、经济性大幅下降。不仅如此,发动机还容易“开锅”,水的沸点随大气气压的降低而降低,海拔4500米,实测水的沸点为87℃,也就是在87度时就会呈现“开锅”现象,而发动机的正常工作温度在80~90℃左右。同时还会伴随着其他问题的出现,如高原低温、强紫外线辐射对各类机械用材料、电气元件造成影响、橡胶密封材料容易老化、脆裂、磨损,可靠性下降;金属材料存在低温冷脆问题;传感器所测信号失真。这些均会影响到旋挖钻机的正常工作。

如何解决柴油发动机掉速问题?旋挖钻机在西部高原灌注桩施工,我们一般会建议客户使用发动机功率偏大散热效果好的设备施工,但是当这些设备的硬件无法选型时,面对施工作业过程中发动机的掉速问题,我们一般这样去解决:

1)、为了适应高原山区空气稀薄的特点,保持散热器清洁,应定期清洗中冷器,使进气温度降低、密度增加,可大幅度提高发动机的功率并改善热负荷,最高燃烧温度、循环平均温度、排气温度、缸盖温度都会显著下降;

2)、为了减少积炭和胶化造成的不良影响,应缩短对燃烧室、活塞顶、气门顶等处的除炭清洗周期,可缩短为平常的30%-50%;

3)、勤检进气系统,高原地区空气压力低,堵塞的进气通道使得进气量更小,将导致小型旋挖钻机发动机功率严重下降;

4)、对于水冷发动机,要加强冷却水的密封性,减少冷却水的蒸发和外溢。冷却系统的清洗周期也应比平常缩短一半,以及时清除积垢;

5)、要对制动、转向等控制机构加强维护和保养,特别要注意气动制动系统的压力。制动液必须采用矿油类,以免蒸发过快而影响制动力的传递。

6)、旋挖钻机进入高原施工,因为发动机会不可避免的产生功率下降问题,应适当调低主泵功率,防止憋车现象。而下文即将描述的一种新型挤土式卸土的旋挖钻机及工法,不需要高速甩土和上下抖土,也不需要发动机和主泵的高速转动就可以轻松完成排土过程。

那么如何从根本上解决动力头甩土这个历史问题?多年来一直困扰业内人士,钻斗的排土问题严重影响了旋挖钻机的施工效率,虽然时间长了很多客户也就习惯了或者接受了这些传统的排土方式,当马达用一段时间后被损坏,他们也认为是很平常是事情。其实,这种对设备伤害很大的排土方式是可以避免的,这就涉及到新型的旋挖工法。

旋挖工法:即旋挖钻机在施工作业中采用的施工办法。

对此情况,目前有两种解决的方法:

分体式钻斗图

一是采用分体式钻斗钻进黏土层,但是对操作手还是有较高要求的。分体式钻斗钻进或提钻时,在孔内杜绝反转,提出钻孔后顶着地面反转卸土;同时,分体式钻斗在使用过程中也有其他问题:1、筒体错位。 这个问题大部分是在制作时两个铰链轴放的不平行, 或是在焊接后产生的应力不平衡, 在筒体割开后即会发生错位,再就是在钻具工作时,桩井中有硬质岩石突出,造成钻头左右压力不平衡,筒壁偏移;2、成孔质量不高,容易将孔钻成喇叭状。分体式钻斗在孔内持续钻进,钻斗内的泥土沙石会把两边的筒体顶开,造成钻孔的孔径变大。由于影响成孔质量等其他问题,这种办法一直在旋挖施工作业中被谨慎地使用。这不是本文的重点,我们稍微带过。

二是采用一种新型挤土式卸土的旋挖钻机及工法,也就是本文将重点介绍的一种解决方法,这种旋挖施工工法不采用动力头甩土与上下抖杆泄土,从根本上解决了旋挖钻机排土困难这个历史问题。如图一,挤土式旋挖钻机总成。主要由旋挖钻机主机(序号1)、钻斗开锁装置(序号2)、加压油缸(序号3)、动力头减速机及马达(序号4)、动力头主体(序号5)、动力头甩土盘(序号6)、钻杆(序号7)、减震压杆(序号8)、钻斗开锁杆(序号9)、挤压盘(序号10)、钻斗体(序号11)、斗门及斗齿(序号12)、桅杆总成(序号13)组成。

图一 挤土式旋挖钻机总成

在序号13桅杆总成上增加一个钻斗开锁装置(序号2,详细工作原理如图二),将钻斗总成重新设计,增加压杆减震功能及挤土功能,如图三。

  

图二 挤土式旋挖钻机斗门开锁装置

钻斗开锁装置一般有以下几个机构组成(如图二):开锁油缸安装座(序号1) 、销轴(序号2)、开锁油缸(序号3)、开锁盘安装座(序号4)、开锁盘筋板(序号5)、开锁盘(序号6)组成。其中序号1开锁油缸安装座焊接在下桅杆后面(即靠近驾驶室部位),序号4开锁盘安装座焊接在下桅杆侧面,控制序号3液压开锁油缸伸出,序号6开锁盘将沿着序号4开锁盘安装座销轴旋转至钻斗开锁位置,在顶开钻斗斗门之后,控制序号3液压开锁油缸收回使序号6开锁盘将沿着序号4开锁盘安装座销轴旋转至初始位置,从而完成斗门开锁。

图三 钻斗总成(省略方头驱动部分)

挤土式钻斗(如图三)一般有以下几个机构组成:开锁杆(序号1)、减震头(序号2)、减震弹簧(序号3)、减震杆(序号4)、挤土杆(序号5)、导向座(序号6)、挤土盘(序号7)、钻斗筒(序号8)、斗门(序号9)。先将序号4减震杆与序号2减震头相连,再将序号3减震弹簧装上,然后通过拧紧减震杆与挤土杆完成安装。此时减震头与减震杆顶部的距离即为缓冲距离。

一种新型挤土式卸土的旋挖钻机工法解析:

1、设备入场作业至粘土层。设备入场采用普通钻斗及工法进行施工作业到粘土层,当出现钻斗卸土困难时,拆下普通钻斗,换上挤土式钻斗;

2、挤土式钻斗孔内作业特征。挤土式钻斗在孔内的作业与普通钻斗一样,正转则切削土壤钻进,反转则关闭斗门挡板,在正转的时候土壤会把挤土盘和挤土杆慢慢顶至钻斗顶部,在孔内作业完成之后将钻斗提升至孔外空余处;

3、给挤土式钻斗开斗门。将钻斗开锁杆转动到靠桅杆端,控制开锁油缸伸出使开锁盘沿着销轴转动至开锁位置,然后提升钻斗让开锁杆顶在开锁盘上,打开斗门,最后控制开锁油缸收缩,开锁盘复位至初始位置;

4、动力头甩土盘给钻斗挤土。将动力头下放,动力头甩土盘与挤土式钻斗的减震头接触,压缩弹簧至减震杆顶部,此位置为弹簧限位位置,然后继续往下压,此时减震杆与挤土杆挤土盘是刚性连接,土壤沿着钻斗壁被挤出;

5、关闭斗门,继续作业。关闭挤土式钻斗斗门的方式与普通钻斗斗门关闭的方式相同。

这种新型挤土式卸土旋挖钻机的优点和积极效果:

1、 这种新型挤土式卸土的旋挖钻机及工法使施工作业更高效、更安全、更环保;

2、 极大限度地减少了施工抖土时带来的巨大噪音,避免了抖土时对施工设备结构件的破坏,减少了桅杆、动臂、钻杆等结构件的开裂、破损;

3、 避免了施工设备液压元器件的破坏。改善了液压元器件的内部环境,极大地提高了液压元器件的使用寿命。

以上是我司在多年施工中总结出来的经验和一些粗浅认识,仅供从事旋挖钻机设计、制造、施工的同行们参考。

 

 

参考文献:

[1]、《灌注桩基础技术规程》YS J212-92 [S]. 北京:中国计划出版社,1993;

[2]、《工程机械液压传动原理、故障诊断与排除》[M]. 北京:机械工业出版社,2005.刘忠,杨国平;

[3]、《旋挖钻机动力头液压马达损坏的原因分析及应对措施》 徐工基础工程机械张刚;

[4]、《用于小孔径粘性地层的体开式钻斗》 周召槿,吝涛涛,张冰《筑路机械与施工机械化》;

[5]、《柴油机掉速故障的排查》 饶劲松 - 《工程机械与维修》

[6]、《柴油发动机起动困难的原因及排除方法》 张林武 - 《吉林农业》

[7]、《对开发旋挖钻机的几点看法》 张启君 - 《工程机械》

 

作者简介:湛良传 (1982-  ) 大学本科

通信地址:湖南省 长沙市 漓湘路与东11路交叉口 恒天九五重工旋挖事业部

 
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