旋挖鉆機的基本構造及工作原理

結合目前國內市場需求情況，由北京市三一重機有限公司獨立研發(fā)生產的旋挖鉆機于2003年3月1日成功下線，目前已經形成SR280、SR330、SR250、SR220C、SR200C、SR150及SR130C等系列化產品投入市場，穩(wěn)居市場占有率第一位。第一節(jié)概述SR系列旋挖鉆機是北京市三一重機有限公司獨立研發(fā)的新一代地基基礎施工機械產品，在設計和創(chuàng)造上吸取了國內外著名品牌產品的優(yōu)點，主要性能達到國際同類產品水平。關鍵零部件均采用國際知名品牌的產品，確保了整機的高可靠性。SR系列旋挖鉆機可廣泛應用于城市高層建造、鐵路、公路、橋梁等樁基礎工程的鉆孔灌注樁成孔的施工，具有成樁速度快、施工效率高、環(huán)保節(jié)能等特點，在地基基礎行業(yè)樹立了新的民族品牌。SR系列旋挖鉆機的結構從功能上分，主要包括底盤和工作裝置兩大部份。從使用底盤的不同又可分為履帶式和汽車底盤式兩種規(guī)格，SR130、SR150、SR200C、SR220C、SR220R、SR250、SR280R、SR280C、SR350旋挖鉆機等皆采用了液壓伸縮履帶式底盤，而SRC108采用了汽車底盤，使產品具有機動性強、遠距離移位便捷的優(yōu)勢。SR系列旋挖鉆機的工作裝置主要包括變幅機構、桅桿、主、輔卷揚、動力頭、隨動架、加壓裝置、鉆桿、鉆具等（詳見“機械結構章”）o采用了平行四邊形變幅機構、自行起落折疊式桅桿；自動控制監(jiān)測主機功率、回轉定位及安全保護；自動檢測、調整鉆桿的垂直度；鉆孔深度預置和監(jiān)測等新技術。彩色顯示屏直觀顯示工作狀態(tài)參數(shù)，整機控制上采用先導控制、負荷傳感，最大限度地提高了操作的方便性、靈敏性和安全舒適性，充分實現(xiàn)了人、機、液、電一體化。SR系列旋挖鉆機所配套的短螺旋鉆頭、普通鉆斗、撈沙鉆斗等鉆具，可鉆進黏土層、沙礫層、卵石層和中風化泥巖等不同地質。第二節(jié)工作原理旋挖鉆機鉆進成孔工藝旋挖成孔首先是通過鉆機自有的行走功能和桅桿變幅機構使得鉆具能正確的就位到樁位，利用桅桿導向下放鉆桿將底部帶有活門的桶式鉆頭置放到孔位，鉆機動力頭裝置為鉆桿提供扭矩、加壓裝置通過加壓動力頭的方式將加壓力傳遞給鉆桿鉆頭，鉆頭回轉破碎巖土,并直接將其裝入鉆頭內，然后再由鉆機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環(huán)往復，不斷地取土、卸土，直至鉆至設計深度。對粘結性好的巖土層，可采用干式或者清水鉆進工藝。而在松散易坍塌地層，則必須采用靜態(tài)泥漿護壁鉆進工藝。旋挖鉆機鉆進工藝與正反循環(huán)鉆進工藝的根本區(qū)別是，前者是利用鉆頭將破碎的巖土直接從孔內取出，而后者是依靠泥漿循環(huán)向孔外排除鉆渣。第三節(jié)機械系統(tǒng)的基本構造一、機械結構：SR系列旋挖鉆機的結構從功能上分，分為底盤和工作裝置兩大部份。鉆機的主要部件有：底盤（行走機構、底架、上車回轉）、工作裝置（變幅機構、桅桿總成、主卷揚、輔卷楊、動力頭、隨動架、鉆桿、鉆具等加壓）。圖1SR系列旋挖鉆機結構圖1、底盤2、變幅機構3、桅桿總成4、隨動架5、動力頭6、鉆桿7、鉆具8、主卷揚9、輔卷揚二、底盤底盤是鉆機工作裝置部份的安裝基礎，由行走機構、底架、上車回轉組成，見圖2。行走機構的功能是實現(xiàn)鉆機的行走和移位。主要由液壓馬達、減速機、驅動輪及張緊裝置、履帶、承重輪、托鏈輪、導向輪等部件組成。行走裝置通過液壓系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)前行、后行、左轉彎、右轉彎、原地水平旋轉等動作。行走機構的履帶具有張緊度調節(jié)功能。當履帶過于松弛時，影響正常工作，需適時調整其張緊度。調整履帶張緊度時，用手壓黃油泵向張緊裝置的張緊油缸注油口注入適量油脂。張緊油缸的注油口位置如圖處。底架用于安裝和支承履帶行走機構，內部裝有液壓油缸、液壓系統(tǒng)的“中心回轉接頭“。上車的液壓系統(tǒng)的工作壓力油液通過“中心回轉接頭”傳輸?shù)铰膸凶邫C構和履帶伸縮機構。通過液壓油缸的伸縮運動實現(xiàn)了履帶行走機構的展寬和縮回。這一功能使鉆機在工作時展寬兩履帶的外邊距，提高了整機工作的穩(wěn)定性；在車載運輸時縮回履帶，減小整機寬度，適應了公路交通法規(guī)的要求?；剞D臺是工作裝置部份的安裝基礎，發(fā)動機、液壓系統(tǒng)、駕駛室、變幅機構、回轉機構、配重等部件直接安裝在其上。圖2SR系列旋挖鉆機底盤1、SR130/150型旋挖鉆機底盤型號為SY230R,采用的是三一集團SY230成熟的挖掘機底盤改制而成。動力系統(tǒng)（發(fā)動機）采用的是目前國際上先進的動力裝置之一的康明斯型渦輪增壓柴油發(fā)動機，它能夠自感應負載變化，并相應調整功率的大小。2、SR200型旋挖鉆機底盤型號為SY31OR,采用三一集團SY310成熟的挖掘機底盤改制而成。動力系統(tǒng)（發(fā)動機）采用的是康明斯的超強力、大扭矩、電控、直噴、渦輪增壓、中冷型型柴油機，可在高海拔地區(qū)工作。3、SR220C型和SR250型旋挖鉆機底盤型號為CAT330C采用CATC—9電噴渦輪增壓中冷柴油發(fā)動機，也是目前國際上最先進的動力裝置之一。能夠感應負載變化，并相應調整輸出功率的大小。該發(fā)動機噪音低，振動小，環(huán)保高效，性能穩(wěn)定可靠。SR42O三、工作裝置工作裝置包括變幅機構、桅桿總成、隨動架、動力頭、主卷揚、輔卷揚、加壓裝置、鉆桿、鉆具等。1、變幅機構變幅機構是桅桿的安裝部件。由動臂、三角架、支撐桿、變幅油缸、桅桿油缸等組成，見圖3o通過變幅油缸、桅桿油缸的作用，可以使桅桿遠離或者挨近機體和改變桅桿先后傾角，調節(jié)桅桿的工作幅度或者運輸狀態(tài)的整機高度。圖3SR系列旋挖鉆機變幅機構回轉臺一動臂一支撐桿一三角架通過銷軸較接，組成一個平行四邊形機構。當變幅油缸伸縮而改變工作幅度時，桅桿和三角架只作上下平行挪移。滿足了桅桿平移，升降的工況要求。2、桅桿總成桅桿總成由桅桿和滑輪架組成，見圖4o桅桿是鉆機的重要機構，是鉆桿、動力頭的安裝支承部件及其工作進尺的導向部件。其上裝有加壓油缸，動力頭通過加壓油缸支承在桅桿上，桅桿擺布兩側有矩形導軌，對這兩個工作機構（動力頭、隨動架）的工作進尺起導向作用。圖4SR系列旋挖鉆機桅桿桅桿為三段可折疊式，分為上段、中段、下段，運輸狀態(tài)時，將上段、下段折疊安裝，以減小運輸狀態(tài)時整機長度。滑輪架結構如圖5,安裝于桅桿的頂端，工作時用螺栓與桅桿聯(lián)接?；喖苌系闹骶頁P滑輪和輔卷揚滑輪用以改變卷揚鋼絲繩運動方向，是提升、下降鉆桿和物件起吊的重要支撐部件?；喖転檎郫B式，運輸時與桅桿錢接聯(lián)接，以降低運輸狀態(tài)時整機的高度。圖5SR系列旋挖鉆機滑輪架3、隨動架隨動架是鉆桿工作的輔助裝置，結構如圖6,一端裝有軸承并與鉆桿螺栓聯(lián)接，對鉆桿起回旋支承作用；另一端設有導槽與桅桿兩側導軌滑動聯(lián)接，運行于桅桿全長，是鉆桿工作的導向部件，扶持鉆桿正常工作。圖6SR系列旋挖鉆機隨動架4、動力頭動力頭是鉆機最重要的工作部件，結構如圖7,它由液壓馬達、減速機、動力箱、緩沖裝置、滑移架、聯(lián)接板、壓盤組成。動力箱內有一組與回轉支承固定在一起的齒圈，齒圈與輪轂固定，輪轂內壁有三組驅動鍵。圖7SR系列旋挖鉆機動力頭液壓馬達的高速旋轉通過減速機減速以后，減速機的動力輸入給動力箱中的齒輪軸，齒輪軸小齒輪與齒圈嚙合，形成最后一級減速。與輪轂固定在一起的齒圈，在回轉支承的支撐下被驅動旋轉，輪轂上的鍵驅動鉆桿旋轉，實現(xiàn)鉆機鉆孔工作的旋轉運動。緩沖裝置的作用：當鉆孔深度超過第一層鉆桿的長度時，下鉆桿時會沖擊動力頭，特殊是卡鉆時的意外情況，沖擊力更大，此時緩解對動力頭的沖擊，保護動力頭不受到損壞?；萍苁莿恿︻^的導向部件，通過聯(lián)接板和銷軸與動力箱固定，在對鉆孔加壓和對動力頭起拔工況時，沿桅桿導軌導向。壓盤的作用是鉆斗上提時與鉆斗上的碰塊相撞，打開鉆斗卸渣。SR220C旋挖鉆機動力頭匹配兩種，一 自 輸出轉速：一種是低一 速大扭矩，用于正常M機） 成孔作業(yè)；另一種是一.高速小扭矩，用于空白 I 載卸土。兩種轉速通IlJ " 過液壓系統(tǒng)進行切」上 換，切換時有3秒滯后延時。其它鉆機沒有高速甩土功能。5、主卷揚卷揚由液壓減速機構、卷筒、卷揚支座、鋼絲繩、繩套等組成，結構如圖8O主卷揚的功能是提升或者下放鉆桿，是鉆機完成鉆孔工作的重要組成部份，其提升和下放鉆桿的工作由液壓系統(tǒng)驅動和控制。在鉆機進行成孔工作時，須打開主卷揚制動器；使系統(tǒng)中主卷揚馬達進、回油通道互相導通，卷揚機系統(tǒng)處于浮動狀態(tài)，這樣才干操作加壓油缸對鉆桿進行加壓，以便鉆桿順利進行鉆進。圖8SR系列旋挖鉆機主卷揚6、輔卷揚輔卷揚由液壓減速機構、卷筒、卷揚支座、鋼絲繩、繩套等組成。輔卷揚置于三角架內，其功能是吊裝鉆具以及其他不大于額定起分量的重物，是鉆機進行正常工作的輔助起重設備。7、加壓裝置加壓裝置由加壓油缸和動力頭總成組成。加壓油缸固定于桅桿上，加壓油缸活塞桿連接于動力頭滑移架上。8、鉆桿部份：一、鉆桿的類型根據(jù)鉆孔時采用的鉆進加壓方式不同，鉆桿分為三種類型：磨擦加壓式鉆桿（簡稱：磨擦桿）、機鎖加壓式鉆桿（簡稱：機鎖桿，又稱：凱式鉆桿）和組合加壓式鉆桿（簡稱：組合桿）。磨擦式鉆桿（見圖1）普通用于較軟地層的鉆孔施工，可鉆進淤泥層、泥土、（泥）砂層、卵（漂）石層。磨擦式鉆桿普通制成5節(jié)，1?4節(jié)桿每節(jié)鋼管長13米。鉆孔深度可達60米擺布。1、扁頭2、一桿擋環(huán)3、第一節(jié)鉆桿4、第二節(jié)鉆桿5、第三節(jié)鉆桿6、第四節(jié)鉆桿7、第五節(jié)鉆桿8、減振器總成9、一桿外鍵10、一桿內鍵11、彈簧座（托盤）12、鉆桿彈簧13、方頭14、銷軸圖1磨擦式鉆桿機鎖式鉆桿（見圖2和圖3）非但可用于軟地層，也可用于較硬地層施工。機鎖式鉆桿可鉆進淤泥層、泥土、（泥）砂層、卵（漂）石層和強風化巖層。機鎖式鉆桿普通制成4節(jié)，1?3節(jié)桿每節(jié)鋼管長13米。鉆孔深度可達50米擺布。1、扁頭2、一桿擋環(huán)3、第一節(jié)鉆桿4、第二節(jié)鉆桿5、第三節(jié)鉆桿6、第四節(jié)鉆桿7、減振器總成8、一桿外鍵9、一桿內鍵10、彈簧座（托盤）11、鉆桿彈簧12、方頭13、銷軸圖2固定點分段加壓式機鎖式鉆桿二、鉆桿結構1、結構名詞解釋“鉆桿節(jié)桿號旋挖鉆機鉆桿是由數(shù)節(jié)直徑大小不等的鋼管和內外鍵制成的桿套裝而成，其各節(jié)桿的名稱從外向里分別定義為：第1節(jié)桿；第2節(jié)桿；第3節(jié)桿…。鉆桿結構如圖5（磨擦桿）旋挖鉆機鉆桿通常為直徑大小不等的多節(jié)無縫圓鋼管套裝構成，每節(jié)桿鋼管的外圓按120°均布焊有通長外鍵；除最里邊一節(jié)桿外，每節(jié)桿下管（長度5001000mm）鋼管內圓弧面上都焊接（或者安裝）了內鍵（內鍵長度500~900mm）,形成120°均布的三個內鍵槽，與其相鄰內桿的外鍵配裝，留有足夠的間隙，使外鍵能在內鍵槽內全長自由伸縮滑動；除1桿外每節(jié)桿的上端部都焊接（或者安裝）有擋環(huán)；（a）鉆桿收縮狀態(tài) （b）鉆桿斷面結構（c）鉆桿伸出狀態(tài)圖5磨擦桿結構圖外鍵的作用：傳遞旋挖扭矩和加壓力；內鍵的作用：（1）傳遞旋挖扭矩和加壓力，（2）與相鄰內桿鋼管的徑向定位；擋環(huán)的作用：（1）與相鄰外桿鋼管的徑向定位，（2）該桿徹底從其外桿向下伸出時，擋環(huán)被其外桿內鍵上端面擋住，阻撓該桿從其外桿下管滑落脫出。磨擦桿各節(jié)桿上的外鍵是焊在鋼管上圓周120°均布的3條（或者6條）通長鋼條，無臺階（無加壓點）。機鎖桿各節(jié)桿上的外鍵是焊在各節(jié)桿鋼管上圓周120。均布的3條（或者6條）帶有加壓端面（有臺階）或者齒面的鋼條。最里邊一節(jié)桿上端部焊裝有扁頭，其與提引器相連接，通過旋挖鉆機的主卷揚、鋼絲繩將鉆桿吊起。其下端部焊裝有方頭，由它將動力頭傳來的旋挖扭矩和加壓力傳遞給鉆具。在該桿的下部還裝有減振彈簧和彈簧座（托盤），該兩零件托著其它各節(jié)鉆桿，在提、放鉆桿操作時減小其它各節(jié)鉆桿的慣性沖擊，對提引器、鋼絲繩和主卷揚等零部件起緩沖保護作用。第1節(jié)桿上端部焊（裝）有可與隨動架的滾動支撐連接的法蘭盤，通過螺栓與隨動架連接；在其上部安裝有橡膠減振環(huán)，以減小鉆桿對動力頭的沖擊。2、鉆桿的提升和伸放鉆桿在徹底縮進狀態(tài)被安裝到旋挖鉆機上，整根鉆桿的分量通過最內一節(jié)桿的扁頭和提引器相連接作用在主卷揚鋼絲繩上。最內一節(jié)桿通過焊接（或者安裝）在其上的圓盤和安裝的彈簧、彈簧座（托盤）將其它各節(jié)桿托起（彈簧座的外徑與一桿鋼管外徑相同）。鉆桿下放（伸出）：鋼絲繩下放，鉆桿由于自重整體下降，1桿在動力頭內鍵套內滑動下降。當1桿上的減振環(huán)碰到動力頭上平面時，1桿被動力頭托住，住手下降；鋼絲繩繼續(xù)下放，其余各節(jié)桿在重力作用下一起繼續(xù)下降。當?shù)?節(jié)桿的擋環(huán)碰到1桿下管內鍵上端面時，2桿被1桿擋住，住手下降；鋼絲繩繼續(xù)下放，其余各節(jié)桿在重力作用下一起繼續(xù)下降。當?shù)?節(jié)桿的擋環(huán)碰到2桿下管內鍵上端面時，3桿被2桿擋住，住手下降。如此繼續(xù)，直到各節(jié)桿全部伸出，將安裝在最里邊一節(jié)桿方頭上的鉆具下放到孔底。由此可見，各節(jié)鉆桿的伸出（下放）是由外向里進行的。鉆桿提升（縮進）：（以5節(jié)桿為例）每次鉆進結束后，鋼絲繩提升，5桿帶著鉆具一起向上提升，同時5桿向4桿內縮進。當5桿徹底進入4桿內時，安裝在5桿上的彈簧座（托盤）將4桿托起，帶著4桿一起上升，同時4桿、5桿一起向3桿內縮進。如此繼續(xù)，直到5、4、3、2各節(jié)桿全部縮進1桿內，并且1桿也被彈簧座托起在動力頭內鍵套內滑動上升，直至鉆桿和鉆具全部提出地面。由此可見，各節(jié)鉆桿的提升（縮進）是由內向外進行的。三、鉆桿扭矩傳遞和加壓原理鉆機在鉆孔作業(yè)時，鉆桿要將動力頭的兩個作用力傳遞給鉆具，一個是圓周方向的旋挖扭矩M（圓周力F）；另一個是軸向的加壓力No把這兩個作用力從第1節(jié)鉆桿傳遞給第2節(jié)鉆桿；第2節(jié)鉆桿傳遞給第3節(jié)鉆桿…最末一節(jié)鉆桿傳遞給鉆具。這兩個作用力的傳遞是靠外面一節(jié)桿下部的內鍵和其里面一節(jié)桿的外鍵相互作用完成的。由于磨擦桿和機鎖桿加壓力傳遞的作用原理不同，故分開論述。下面均以第1、2節(jié)鉆桿為例論述各節(jié)鉆桿傳遞旋挖扭矩和加壓力的原理。磨擦式鉆桿（見圖6）圖6（a）是鉆桿在非工作狀態(tài)的示意圖。120°均布的三條通長外鍵和120°圖6磨擦桿扭矩傳遞和加壓原理示意圖均布的三組內鍵分別焊接在2桿鋼管外圓和1桿鋼管內圓上，62是內外鍵單邊間隙。圖6（b）是鉆桿在旋挖、加壓狀態(tài)的示意圖。動力頭通過其內鍵套的鍵齒將旋挖扭矩M傳遞給1桿，1桿轉動，當右側內鍵頂上2桿外鍵后（見圖6（b））繼續(xù)轉動，把扭矩傳遞給了2桿。2桿轉動，把扭矩傳遞給3桿，…加壓力是靠內外鍵側的磨擦傳遞的。傳遞的加壓力（N）的大小計算如下：假設：（1）鉆桿、鉆具承受孔底土石料的負載反扭矩為：Mf=22tm；（2）1、2桿扭矩傳遞作用半徑為：R=195mm=0.195m；（3）鋼-鋼磨擦系數(shù)為：k=（在有泥漿潤滑條件時）；則：F圓周力二M/R=22/二代），F(xiàn)正壓力二F圓周力二（t）；千磨擦力二kXF正壓力=X二（t）；N=f磨擦力二（t）以上是以SR220C旋挖鉆機為例，并且假定負載反扭矩與其最大輸出扭矩相等，即Mf=M=22tm計算的加壓力。實際上負載反扭矩比機器的最大輸出扭矩要小得多，因為較松軟的泥砂地層不會對鉆具形成多大的負載反扭矩；較硬實的風化巖層鉆具截齒在上邊打滑，不易進尺，也不能形成多大的負載反扭矩。負載反扭矩小-F圓周力小TF正壓力小Tf磨擦力小TN加壓力小，所以磨擦式鉆桿傳遞的加壓力很小。磨擦式鉆桿的進尺加壓力主要來自于最末一節(jié)鉆桿和鉆具的自身分量（@440-5X13m磨擦桿的第5節(jié)桿分量為：擺布，一個中1.5m的撈砂鉆斗的分量為：2t擺布，加起來共擺布）。加壓油缸提供給動力頭的加壓力雖然很大（20t）,但經過動力頭內鍵套鍵齒側與1桿外鍵側的磨擦傳遞和