cfg長螺旋鉆機(jī)液壓動力頭驅(qū)動方案的選擇

cfg長螺旋鉆機(jī)液壓動力頭驅(qū)動方案的選擇

1長螺旋鉆機(jī)動力頭的應(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，因此國內(nèi)各種開挖樁工程機(jī)械最受歡迎。由于其工作噪聲小，對地面的破壞小，因此近年來，隨著傳統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的使用越來越頻繁，這滿足了大城市地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的噪聲要求。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們環(huán)保意識的提高,長螺旋鉆機(jī)最近幾年得到了大規(guī)模的應(yīng)用。目前國內(nèi)長螺旋鉆機(jī)的生產(chǎn)廠家所用鉆機(jī)動力頭幾乎都采用三環(huán)減速機(jī)加兩臺交流電機(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),同時受三環(huán)減速機(jī)的制約,輸出轉(zhuǎn)矩很難提高。事實上長螺旋鉆機(jī)還有很大的發(fā)展空間,比如鉆機(jī)動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),易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向;能在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速;易于實現(xiàn)自動化;易于實現(xiàn)過載保護(hù)。由于液壓傳動的突出優(yōu)點,制定了如下動力頭改進(jìn)方案。2.1動力特性及可靠性分析為了簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)省成本,液壓驅(qū)動動力頭減速機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備采用一級直齒輪減速器來實現(xiàn)(如圖2)。減速比不能取得太大,否則會引起減速機(jī)體積龐大,重量太重。減速比初步定在6以下,工程實踐中取4.2。要實現(xiàn)鉆孔所需的最大轉(zhuǎn)矩輸出,則原動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)比較大,初步估計在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)和液壓傳動裝置。國產(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,但是其價格很高,在我國現(xiàn)有市場條件下不利于推廣。而對于液壓傳動裝置,國內(nèi)制造工藝已非常成熟,可靠性和價格方面都比較令人滿意?；谝陨峡紤],決定采用液壓傳動裝置作為液壓驅(qū)動動力頭的驅(qū)動執(zhí)行元件2.2主液壓傳動裝置為適應(yīng)市場上工程機(jī)械節(jié)能的趨勢,且滿足工程實踐中不同地層條件對動力頭轉(zhuǎn)矩大小的不同要求,在設(shè)計中采用多擋位動力驅(qū)動。即在鉆進(jìn)阻力較小時采用兩個主液壓傳動裝置(見圖2,分別帶動左上與右下兩主動齒輪)驅(qū)動,隨著鉆進(jìn)深度的增加或遇到阻力較大的施工情況時,根據(jù)需要依次啟動另外兩個輔助液壓傳動裝置(見圖2,分別帶動左下與右上兩主動齒輪),進(jìn)而帶動連接鉆桿的中間從動齒輪,進(jìn)行小轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩低速鉆進(jìn)。另外為實現(xiàn)動力頭的開、停以及換向,還需要根據(jù)動力頭系統(tǒng)的大流量特點設(shè)計專門的大流量換向控制系統(tǒng),因此動力頭液壓系統(tǒng)設(shè)計分轉(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)定動力頭轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而通過操縱安置在動力頭上的控制裝置確定開啟傳動裝置的數(shù)目,工作中不可另行調(diào)節(jié)。此方案操作簡單,但對地質(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,實際操作中往往為安全起見,采用較大轉(zhuǎn)矩?fù)跷?而這不僅不利于提高動力頭的轉(zhuǎn)速,還會造成較大的能量浪費,不適應(yīng)于現(xiàn)代市場對工程設(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開關(guān)輔助動力。此方案,可以實現(xiàn)在工作中根據(jù)需要來調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩,但由于工程實踐中,國產(chǎn)電磁換向閥工作的可靠性不高,且實際工作中容易損壞,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向閥開關(guān)輔助動力。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,但同時機(jī)身到動力頭的管路由2根增至6根,不僅不利于節(jié)約成本,還會使整機(jī)布置顯得凌亂。上述方案均有缺陷,為了提高產(chǎn)品對市場的適應(yīng)性,實現(xiàn)生產(chǎn)中動力轉(zhuǎn)矩的自動調(diào)節(jié),新提出方案的原理如圖3所示。(1)鉆進(jìn)時在第一階段,鉆桿鉆入深度較小,或土層鉆進(jìn)阻力不大時,在提高了鉆機(jī)整體適應(yīng)性的同時,為節(jié)能僅有兩個主傳動裝置工作,此時由于負(fù)載不大,系統(tǒng)的工作壓力較小,來自泵站(由4臺37kW電機(jī)分別帶動一臺恒功率變量泵組成)的液壓油,幾乎全部用于驅(qū)動兩個主傳動裝置,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,而此時液控?fù)Q向閥的Y型中位機(jī)能可以實現(xiàn)兩輔助液壓傳動裝置的自由轉(zhuǎn)動;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(因為系統(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,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,輔助傳動裝置1隨之啟動;當(dāng)鉆桿的阻力轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大或發(fā)生卡鉆時,系統(tǒng)壓力將會繼續(xù)升高,當(dāng)壓力升至16MPa時,順序閥2工作,啟動輔助回轉(zhuǎn)裝置2,從而進(jìn)行低速大轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn)(2)反轉(zhuǎn)時與鉆進(jìn)時相仿,拔鉆甩土?xí)r,由于所需的動力轉(zhuǎn)矩不大,且要求有一定的轉(zhuǎn)速,因此兩主傳動裝置工作可基本滿足要求,而此時由于液控?fù)Q向閥的Y型中位機(jī)能兩輔助傳動裝置可以自由轉(zhuǎn)動,但遇到鉆進(jìn)過程卡鉆等特殊情況,必須反轉(zhuǎn)拔鉆時,所需的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定程度后,當(dāng)兩主傳動裝置不足以提供反轉(zhuǎn)動力時,在順序閥3、4的作用下兩輔助傳動裝置將依次參與驅(qū)動,進(jìn)而實現(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)計要求,動力頭控制系統(tǒng)主要完成控制動力頭開停、正反向轉(zhuǎn)動和過載溢流的功能。由于動力頭液壓系統(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法滿足系統(tǒng)通流量的要求,而無法正常實現(xiàn)對動力頭的控制,為此設(shè)計中采用插裝閥集成塊來實現(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)點由上述功能分析可知,插裝閥集成塊主要實現(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,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4個閥塊均被鎖緊,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,溢流閥工作而開啟,油路開始產(chǎn)生流動,此時在節(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啟,從而實現(xiàn)大流量溢流,此時A、B均無壓力油輸出,動力頭處于靜止?fàn)顟B(tài)。(2)在換向閥左位工作時,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A油路與壓力油管相通,B油路與油箱相通,從而驅(qū)動動力頭正轉(zhuǎn);(3)在換向閥右位工作時,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B油路與壓力油管相通,A油路與油箱相通,從而驅(qū)動動力頭反轉(zhuǎn)。3液壓驅(qū)動的動力頭與電機(jī)的驅(qū)動能力如果長螺旋鉆機(jī)的動力頭采用液壓驅(qū)動,與電機(jī)驅(qū)動動力頭相比具有非常大的優(yōu)勢和潛力:(1)液壓驅(qū)動調(diào)速極為方便。在淺土層或疏松土層中,所需轉(zhuǎn)矩較小,此時可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速小轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn),進(jìn)入深土層或堅硬土層而需要轉(zhuǎn)矩較大時可以實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn)。這樣可以提高施工效率和對地層的適應(yīng)性。(2)液壓驅(qū)動的啟動轉(zhuǎn)矩大。在施工中,長螺旋鉆進(jìn)經(jīng)常會因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆,再重新啟動時需要的轉(zhuǎn)矩較大。實際中常用的自耦降壓啟動的電機(jī)驅(qū)動動力頭啟動轉(zhuǎn)矩最高僅為額定轉(zhuǎn)矩的64%,所以經(jīng)常出現(xiàn)異常停鉆后無法重新啟動的情況,造成很大的損失。而液壓驅(qū)動的動力頭啟動轉(zhuǎn)矩達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的85%~90%,與電機(jī)驅(qū)動的動力頭相比明顯強(qiáng)勁。(3)液壓驅(qū)動對電網(wǎng)的沖擊小。電機(jī)驅(qū)動動力頭通常采用兩臺較大功率的交流電機(jī),且必須同時啟動,啟動時對電網(wǎng)沖擊極大,而在帶載啟動時更加惡劣,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)動系統(tǒng)則可使用多臺小功率電機(jī),而且可以分別啟動,啟動