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1、RM C M 本 刊特稿 S p e c i 1 S t 浅 D i s c u s s i o no nW o r ki n gPe r f o n na n c eof Ro t a r yDr i 1 1 i n gRi gs 张世平 高崇金 北京市三一重机有限公司 北京 1 0 0 2 0 6 0 引言 旋 挖 钻 机是 近几 年 随 着 中 国基 础建 设 的迅 猛发 展 而逐 渐 兴 起 的一 种桩 基 础 施 工设 备 它 广泛 应 用于 道路 桥 梁 市 政 建 设 高层 建 筑 等 桩基 础 的施 工 中 发 挥着 巨大 的作 用 1 在 旋 挖 钻 机 中 工 作 装 置性
2、 能 的高 低 直接 决 定着 旋 挖 钻 机 的 工作 能力 与效 率 1 旋 挖钻机 的工作装置及工作 性能 2 6 旋 挖 钻 机 的工 作 装 置 是旋 挖 钻 机 最 重要 的组成 部 分 它 的配 置决 定 了旋 挖 钻机 的工作 能力 工作 装 置 主 要 包 括 动 力 头 变 幅 装 置 桅 杆 钻 杆 钻 具 加压 装置 起拔 装 置及 液 压 电气 控 制 部 分 在旋 挖 钻 机 的各 项 性 能 中 一部 分是 可 明 确 标 示 通 过数 学 公 式计 算 并 验 证 的显在 的物理 性 能 可称 之 为 硬 性 能 或 硬指 标 具 有 简 单 可计 算 可检 测
3、 和 易 控制 的特 点 例如 钻 机 的扭 矩 转 速 加 压 力和 提 升力 等 另 一 部 分 只 有借 助 统计 学 才 能获 得部 分 验 证 这 些 内在 的 综 合性 能 可称 之 为 软 性 能 软 指 标 其 特 点 是 不 明 显 不 可 见 不可 精确 演 算 包括 稳 定 性 可 靠 性 实 用 性 耐 用 性 和 智 能 化 等 方面 硬 性 能 简 单 易 控 制 特 别 是 液压 元 器 件配 置 可 导 致严 重 的产 品 同质 化 现 象 而体 现 综 合性 能 的 软 性 能 虽然 是 以 硬性 能 为 基础 必 须要 经 过 长 期 艰 苦 的深 入研 究
4、才 能 获得 国 内 产 品和 国外 高 端 品牌 之 间 的差 异 多 在 于 此 用 户 关于 硬 性 能 的 正 面 体验 总 结 主 要是 有 劲 干 活 快 对 软 性 能 则可 能总 结 说 好 用 稳 和 皮 实 因 此 了 解 掌 握 和 研 究 客 户 需 求 就 成 为 制造 商 必 然 要下 大 决 心 RM CM 本 刊 特 稿 S p e c ia l S to ry 人工 干预 其 变化 曲线如 图l 所 示 即 当发 动 机在 最 大油 门 以最 大 功 率 输 出 时 转 速 随地 层 硬 度 不 同而 自 动调 整 变 化 这 一 方面 适 应 了施工 工 法
5、 需 求 另 一 方面也 保 证 了输 出 功率保持在发动机功率范围内 2 5 0 2 0 0 拿 l 5 0 蚕 墨1 0 0 5 0 O 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 转速 r mil l 图 1 转 速 扭 矩 变化 关 系 动 力头 输 出扭 矩计 算 为 T X A p X 1 式 中 r动力 头 输 出 扭 矩 N m 动 力 头 马 达 扭 矩 常 数 N r n b a r 6 p 进 出 油 口 压 力 差 7 传 动 总 效率 1 2 加压 装置及加压力 加 压 装 置 的作 用 是 给 动 力 头 施 加压 力 并 通过 钻 杆 钻 头 钻 齿 传 到桩 基
6、 地层 实现 切 削 破 碎 或 碾 磨 的 目的 特 别是 对 八 岩钻 机 大 的加 压 力 显得 尤 为 重 要I 常 见 的加 压 方式 有 两 种 油 缸加 压 和 卷 扬 加 压 目前 桩 基 领 域 对加 压 力 有 三个 不 同版 本 的解 读 第 一 种 为 系统 加 压 力 即加 压 油 缸 或加 压 卷扬 所 能 够 提 供 的理 论 最 大值 参 考 上例 加 压油 缸 缸径 为1 6 0 mm 当大 腔进 油 压 力 设 定 为 8 9 5 MPa B 3 其 所 能 提 供 的最 大推 力 即最 大加压 力 为F 1 8 0 k N 因 此 该 压 力 值 为 液
7、压 系统 本 身 所 输 出 的理 论 能力 可 称 为油 缸 加压 力 加 压油 缸 大腔 进 油压 力 可在 0 3 1 5 iV I P a 的范 围 内 调 整 其 加 压 力 最 大 值 可 达 6 3 3 3 k N 从性 能表 可见 该 型 号钻 机 总 重 量 为6 8 0 k N 不 可 能 全部 提 供 给 加 压 力 而且 该 力 并 非钻 机 施 工 作 业 对地 层 的最 终作 用力 第 二 种 为 钻 机 加 压 力 即 钻 机 整 体 所 能 提 供 的 实 际 最 大 加 压 能 力 计 算 模 型 见 图2 动 力 头 对 钻 杆 的加 压 力 反 作 用 于
8、 动 力 头 即 加 压 反 力 设 其 值 为N 当 足 够 大 钻 机将 以后 支 点 为 支点 向 后倾 翻 此 时 前 支 点B离 地 此 后 继 续 加 大 加 压 力 将 毫 无 意 义 只 会 对 钻 杆 钻 具 产 生 不 利 影 响 计 算 可 得 本 例 钻 机 最 大 加 压 反 力N 2 5 O 5 k N 此 外 业 界 普遍 采 用 的欧 洲 安 全 标 准 EN 7 9 1 Dri l l Ri g s S a f e t y 第5 5 款 稳 定 性 一 章 规 定 动 态 稳 定 角 a不 应 小 于 5 该 角 度 用 于 考 核 钻 机 的 倾 翻 性 能
9、 在 此 角 度 限 制 下 计 算钻 机 加 压 所 能 提 供 的 最 大 加 压 力 为 1 8 3 k N 所 以 前 述 第 一 版 系 统加 压 力F1 不 可 能 大于 加 压 反 力 即 要 求 M 可见 钻 机所 能 提供 的最 大加 压 力 是钻 机 的最 大 加压 能力 加 压 力 的第 三 版 解读 为 对地 加 压 力 即钻 头 对地 层 实 际 施加 的作 用力 上述 系统 理论 加 压 力 由加 压 油 缸 活 塞杆 通 过 动 力头 作 用 在钻 杆 上 后 者 直接 加 在钻 头 由钻 头施 加 干 地 层 最 终 实 现 了钻 进 的加 压 作 用 油 缸
10、活塞杆 重 量 4 5 k N 假 设使 用 4 4 0 5 1 3 钻杆 钻 杆 重 量 为 一7 6 k N S R 2 2 0 C型钻 机 动力 头 重量 4 9k N 因 此 对地 加压 力 F d 3 0 9 5 k N 因 此 增 加 动力 头 和 钻杆 两个 部 件 的 重量 对于 钻机 作 业 有利 例 如 有 的 厂 家将 最 内 一节 钻 杆填 充 成实 心钻 杆 以增 加 对地 加 压 力 但 从 后面 的 提升 力 分析 可 知 重量 增 加并 非 可 以随 意而 为 以 上计 算 对于 加 压 卷扬 同样 适 用 加压 卷扬 通 常采 用 卷 扬机 加 双 倍率钢丝绳
11、 方式 不但可以提供更 大 的加 压 力 还 可获 得 长达 十几 米 的加 压 行 程 多 应 用 于 长 螺 旋 即 CF A施 工 法 特 别是 当钻 进 硬 地 层 时需 要较 大 的加压 力 值得 强 调 的 是 当 加 压 力 需 求 达 到 一 定 程 度 摩 阻 式钻 杆 就 要 更换 为机 锁式 以 便 获 得 更 大加 压 力 动 力头 旋 转 和 加 压 是旋 挖 掘 进 动作 的两 个主 要 驱 动 因素 足 够 的加 压 力 对某 些地 层 来 说 显得 特 别 重 要 例 如 火成 岩 弱风 化岩 卵 砾 石层 等 由于 岩 石 图2 钻机加压力 破碎 的需 要 超
12、 大 加 压 力和 扭 矩 成 为 必须 显 然 提 高 动 力头 扭 矩 和 加 压 力 都 有 利 于 提 升 钻 机 的 掘 进 硬 性 能 1 3 主卷扬及提升 力 主 卷 扬 是 旋 挖 钻 机 的 关 键 部 件 在 钻 机 每 个工 作 循 环 对 孔下 钻 钻 进 提钻 一回转 卸 土 者 B 起 着 十 分重 要 的作 用 起 拔力 的 大 小 钻 孔 效 率 的 高 低 钢 丝 绳 寿 命 的 长 短 等 都 与 主 卷 场 有 密 切 的 关 系 钻 机 施 工 中 经 常 遇 到 的 瓶颈 问题 是 提 不 动 大 口径 桩 施 工 尤 为 明 显 是 考 验 钻 机
13、最 大 提 升 能 力 的 时 候 本 例 最 大 提 升 力 为 2 4 0 k N 是 钢 丝 绳在 卷 简 的第 一 层 上计 算所 得 就 是 钻 入较 深桩 L B J 才 能发 挥 出 来 钢 丝 绳 在第 二 第 三层 上 提 升 力会 略 有 下 降 主 卷 扬 提升 极 限 负载2 2 8 8 4 k N 提 升 力 裕 度 为 1 1 1 6 k N 事 实上 这个 数 值 并 不 宽裕 这 主 要 是 因 为 钻 机 提 钻 的瞬 间 钻 头 和 地层 之 间存 在 真 Y R 一 l L 配重 j 9 A O J l I B I 图3 钻 机 提 升能 力 空 负压 即
14、 使 在 提 升过 程 中也 存在 这个 负压 阻 力 泥 浆高 速 流 经 钻具 和 桩 孔 之 间 的 环 隙 该 阻 力 不 能 忽 视 它可 能远 远 大于 钻 杆 钻 具 在 泥 浆 中 自然 产 生 的浮 力 该 阻 力 与 提 升速 度 成 某 种 正 比关 系 还 包 括 各 级钻 杆 之间 的摩 擦 阻力 于 是 主 卷 扬 提升 力 也 成 为钻 机 的 关键 硬 性 能 同样 地 为 了 避免 钻 机 提 钻 过 程 中 向前 倾 翻 欧洲 安 全 标 准 E N7 9 1 规 定 了钻 机 根 据 其 自身 结构 所 能提 供 的最 大提 升 力 其计 算 模 型 见
15、图3 所 示 据 此 计 算 得 稳 定 角提 升力 2 9 9 k N 另 一种 计 算 思 路 是 以B点 为支 点 以 后 支 点A 离开 地 面 为上 限 计 算可 得 离 地 提 升力F 2 3 1 8 k N 关 于这 两 个数 值 的 取合 同样 存 在 争议 不 同厂 家 会 有 不 同选 择 笔者 认 为 钻 机 使 用最 大提 升 力 的情 况 并 非额 定 工 况 其 出 现 的概 率 应该 在 1 0 以下 故 选 择 离地 提升 力 也是 安 全 的 1 4 小 结 旋 挖 钻 机 的 工作 装 置是 钻 机 的 重 要 组 成部 分 其 中动 力头 加 压 装 置
16、及 起拔 装置 的参 数 决定 了旋 挖 钻 机 的主要 工 作 性 能 设计 及 使 用 中 应注 意协 调 三 者 之 间 的 关系 这 些 硬性 能 参 数 形 成 了旋 挖 钻 机 核 心 竞争 力 基 础 是钻 机 设 计 使 用 中应 充 分重视 的指标 2 与国外钻 机的差距 目前 国 夕 知 名 厂 家 的 产 品 还 处 于 技 术 和 市 场 的 双 领 先 地 位 如 德 国 的BAUE R 意 大利 的 S o i l Me c MAI T I MT等 但是 伴 随 着 中 国经 济 高 速 发展 对旋 挖 钻 机 的 需 求 以 三一 重 工 中联 重 科 徐 工 山河 智 能 等 一 些 国有 企 业 为领 军 的 国 内旋 挖钻 生 产厂 家在 钻 机 的 研 发和 生 产 制造 上取 得 了长 足 的发 砖毯 着 S T R I D E R S T R 系列双钢轮压路机 f STRIO OC STR1 2OC STR1 3OC 中国湖南长沙经 济技术开发 区三一工业城 邮编 41 0 1 O 0 电话 0 7 3 1 8 4 0 3 1 1 2 4传真
