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1、1 前言 旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。主要适于砂土、粘性土、粉质土等土层施工，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛应用，旋挖钻机的额定功率一般为125450kW，动力输出扭矩为120400kNm，最大成孔直径可达1.54m，最大成孔深度为6090m，可以满足各类大型基础施工的要求。该类钻机一般采用液压履带式伸缩底盘、自行起落可折叠钻桅、伸缩式钻杆、带有垂直度自动检测调整、孔深数码显示等，整机操纵一般采用液压先导控制、负荷传感，具有操作轻便、舒适等特点。主、副两个卷扬可适用于工地多种情况的需要。该类钻机配合不同钻具，适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及
2、岩层（岩心钻）的成孔作业，还可配挂长螺旋钻、地下连续墙抓斗、振动桩锤等，实现多种功能，主要用于市政建设、公路桥梁、工业和民用建筑、地下连续墙、水利、防渗护坡等基础施工。1.1 旋挖钻机的简介1.1.1 旋挖钻机的特点SWDM-16钻机采用自制专用液压伸缩专用底盘，主、副卷扬安装在回转平台上，其工作装置对回转支撑的倾翻载荷相对较小，同时，配重按照主机稳定性要求设计，从结构设计上保证了整机稳定性非常好，其实施效果是360度可进行施工作业。而采用挖机底盘的旋挖钻机稳定性存在先天性不足。只能在顺履带方向的一定角度范围内施工，绝对不容许在与履带垂直的方向进行施工1。其底盘结构件的强度和刚度按旋挖钻机的实
3、际载荷设计；履带行走所用的四轮一带选型更加合理可靠，其刚度、强度和可靠性明显优于同级别采用通用挖掘机底盘的旋挖钻机。旋挖钻机因其施工速度快、成孔质量高、环境污染小、操作灵活方便、安全及适用性强等诸多优势，已成为发达国家钻孔灌注桩施工的主要成孔设备。 1.1.2 旋挖钻机的分类及主要结构特性国内外旋挖钻机可按进行如下分类：(1) 按底盘结构可分为轮式、履带式和步履式底盘的旋挖钻机。其中履带式底盘又可分为专用底盘结构和选用通用挖掘机或履带吊底盘结构两种结构形式；(2) 按动力头悬挂装置的结构可分为钻桅式和臂架式旋挖钻机；(3) 按动力源不同可分为电动和内燃驱动的旋挖钻机。(4) 按工作装置的结构形
4、式分：钻桅加双三角平行四边形连杆变幅机构和钻桅加大三角架支撑两种机型。其中前者是主流形式，占国内外机型的 90%，其优点：工作装置调整灵活；钻桅收放也较方便，易于实现自装自卸。缺点：钻桅调整稳定性相对较差。而后者的的优缺点正好与前者相反2。1.1.3 SWDM-16 旋挖钻机机构组成部分SWDM16旋挖型号组成及意义如下：S W D M 16最大回转扭矩（8KNm）Drilling Machine（钻孔机）SUNWARD（山河智能）该设备主要由底盘、转台、钻桅及变幅机构、主、副卷扬、动力头、钻杆、钻头、发动机系统、液压系统、电控系统、驾驶室、机棚、配重组成。关键结构件材料采用低合金高强度钢，确
5、保设备合理的结构强度。该机自带动力，具有履带行走、底盘履带轨距可伸缩、自行起落钻桅、伸缩钻杆、全液压驱动等功能。该机的机棚、转台、边纵梁及配重均采用大圆弧流线形设计造型。整机结构合理，外形美观，操作界面充分体现人性化设计, 驾驶室带防坠物保护装置，驾驶室内配有空调，操作舒适。如图1.1所示：图 1.1 SWDM-16 挖钻机外观图1.2 旋挖钻机国内外的研究现状1.2.1 国外现状及发展趋势旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的，第二次世界大战前，美国CALWELD首先研制出回转斗，短螺旋钻机。二十世纪五十年代，法国BENOTO将全套管钻机应用于桩基础施工，而后由欧洲各国将其组合
6、并不断完擅，发展成为昨天的多功能组合模式。意大利土力公司首先从美国将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机引进欧洲，动力头为固定式，不能自行安装套管，难以适应硬质土层施工，1960年德国维尔特和盖尔茨盖特公司同时开发了可动式动力头。1975年德国宝峨公司研制了配有伸缩钻杆的BG7型钻机，该钻机直接从底盘供给动力，配置可锁式钻杆实现加压钻孔，钻孔扭矩增大，可实当初严密砂砾和岩层的钻孔。日本于1960年从美国引进CALWELD旋挖钻机，同时加藤制造所开发了15-H型钻机。以后开发了可配套摇管装置和抓斗的钻机，1965年日立建机研制了利用挖掘机底盘装有液压加压装置的钻机，1974年开发了利用液压
7、履带起重机底盘由液压马达驱动的钻机。1980年日立建机与土力公司竞争开发了为提高单桩承载力和扩底灌注桩的施工范畴。德国宝峨的参加和日立建机与住朋建机的同盟进一步增进了旋挖钻机技术在日本的发展。日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小3。目前国外的旋挖钻机主要生产厂家为：德国：BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF,意大利SoilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO；西班牙：LLAMADA。日本：日车车辆、HITACHI、住敌、加藤；芬兰：JUNTTAN、TAMROCK；美国：APE、Ingersoll-Rand；英国：BSP等。从旋挖钻机的发
8、展历程来看，今后旋挖钻机将在结构和控制系统方面体现如下发展趋势。（1） 底盘结构采用专用化设计，以加强整机的结构刚性和工作稳定性；（2） 功能实现和操作系统及界面设计更趋人性化；（3） 控制系统向管理信息化、操作自动化、监控智能。1.2.2 国内现状1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI公司引起车载式旋挖钻机。1988年北京城建工程机械厂仿制了土力公司1.5m直径附着式旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻机，1998年上海金泰股份有限公司与宝峨合作组装BG15。1999年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份公司先后开发了附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机。2001
9、年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功。2003年后三一、山河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线，产销两旺。目前，国内的旋挖钻机主要生产厂家为：湖南山河智能、湖南三一、徐工、中联重科、徐州东明、北京巨力、天津宝峨、石家庄煤机、连云港黄海、哈尔滨四海、内蒙古北方重汽、宇通重工、南车时代、山东鑫国、郑州勘察等。 根据旋挖钻机的主要技术参数，如扭矩、钻孔直径、钻深、发动机功率、整机质量等，可分为大中小3种类型。 旋挖钻机因其具有装机功率大，输出扭矩大，轴向压力大，机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。近年来，北京地铁
10、、环线路网建设、特别是青藏铁路、奥运场馆、首都机场新航站楼等大型工程的施工中，旋挖钻机高效、环保、效益高的优势得到公认。随着改革开放的逐步深化，国内市场经济的需求，使铁路公路水路交通、城市公共设施和工业民用建筑、水利电力设施、港口码头机场的建设全面飞速发展桩基础施工机械潜在的巨大市场已经出现。仅铁路建设方面，2005年我国将再上一批新项目，到2020年铁路建设总投资要超过2万亿元。2 SWDM-16 旋挖钻机变幅机构液压回路及方案选择SWDM-16挖钻机是一种用于桩基础工程现场灌注桩施工的成孔机械,整机主要有底盘行走机构、钻桅、自行起落架、主副卷扬、动力头、钻杆、钻头、转台、发动机系统、驾驶室
11、、机棚、配重、液压系统、电气系统等组成，该机自带动力，具有履带行走、底盘可伸缩履带轨距、自行起落钻桅、伸缩钻杆、全液压驱动等功能。该机的机棚、转台、边纵梁及配重均采用大圆弧流线设计造型。2.1 钻桅及变幅机构（1）钻桅采用箱形大截面，具有良好的刚性和稳定性，共有四节，上部鹅头与钻桅、上部一节钻桅与主钻桅、下部一节钻桅与主钻桅之间采用折叠式结构。上部鹅头装有滑轮，主、副卷支扬钢丝绳从中穿过；下面一节钻桅装有支腿油缸，当调整轨距时，钻桅转到履带一侧(90方面)，腿油缸伸出，将该侧履带抬起，即可通过控制阀将履带伸缩油缸自由伸出或缩回，从而加大或缩小轨距。同时可用来作为底盘检修、维护保养、更换履带。每
12、节钻桅都带有滑轨，动力头、钻杆依靠滑轨上下滑动。通过桅杆支腿的支撑可实现履带在最小载荷状态下完成履带的拓展与收缩，克服了无支撑而造成的履带拓展力或收缩力过大、损坏地基等问题。（2）变幅机构如图2.1所示，由动臂4、三角架1、连杆5及变幅油缸2、6组成。变幅采用两级油缸，动臂变幅油缸调节动臂的幅度，钻桅倾斜油缸调节钻桅的垂直。钻桅左右可调整角度各为5，前后可调整角度分别为5、15。各关节采用自润滑轴承结构，维护保养方便4。由于主、副卷扬移到回转平台，减轻了钻桅重量，改善了变幅机构的受力，同时使得旋挖钻机在钻大口径（1000mm）桩孔时，不会产生“点头”而造成的桩孔失圆、超方现象，以及塌孔、缩孔的
13、产生。该钻桅及变幅机构具有如下结构特点：（1）钻桅变幅油缸下铰座与动臂的上铰轴同轴，结构简单，拆装方便，便于维修。（2）钻机运输或转场组装时，利用自身的动力和结构，不需要吊车辅助即可在主钻桅小于90倾角（钻桅处于后倾状态）时实现下钻桅与主钻桅的自装自卸功能，降低了客户的使用成本，并提高了设备装卸时的稳定性5。（3）通过钻桅、动臂、三角架、各变幅油缸及连杆各铰接点的优化设计，增大了钻桅的驱动力，确保了动力头处于任意钻桅位置都能实现钻桅的平举和变幅。（4）该机工作半径大，可沿底盘360任意位置钻孔施工，适应能力强6。1.三角架 2.钻桅变幅油缸 3.钻桅 4.动臂 5.连杆 6.动臂变幅油缸图 2
14、.1 变幅机构结构示意图2.2 变幅机构液压回路选择2.2.1 主干回路选择液压执行元件运动控制回路只要有调速回路、同步回路。调速回路方案选择，调速回路有三种：节流调速回路，容积调速回路，容积节流调速回路7。（1）节流调速回路效率较低，机械特性较软，变载下的运动平稳性较差，只适合在负载小、低速、小功率的场合。（2）容积调速回路没有溢流损失和节流损失，且工作压力随负载而变化，因此效率高，发热少。（3）容积节流调速回路用流量控制速度，使输油泵的流量自动与负载相适应，它没有溢流损失，效率较高，速度稳定性比比单纯的容积调速回路好8。因此选用容积节流调速回路。由于定压式容积节流调速回路大多用在负载变化不
15、大的中小功率场合，而变压式容积节流调速回路用在负载变化大、速度较低的中小功率场合，故选用定压式容积节流调速回路。对于泵来说是容积调速，对于阀来说是节流调速，用电液比例阀进行节流调速，如图2.2所示：图 2.2 电液比例阀对于任何液压传动系统来说，调速回路都是它的核心部分。这种回路可以通过事先的调整或在工作过程中通过自动调整来改变元件的运行速度，但它的主要功能却是在传递动力（功率） 。根据节流口 （2.1）2dvpqC x式中：主滑阀流量q阀流量系数dC阀口通流面积vx阀进出口压差p流体密度其中和为常数，只有和为变量。dCvxp液压缸活塞杆的速度：qvA（2.2）式中为活塞杆无杆腔或有杆腔的有效
16、面积，调节流量 q（调节）即调节液Avx压缸活塞运动速度。同步回路选择方案：一般情况下，两调平液压缸是完全一样的，即可确定和所以要保证两缸同步，只需使，由式（2.2）可知，只要1121AA1222AA12qq主滑阀流量一定，则活塞杆的速度就能稳定。又由式（2.1）分析可知，如果为p一定值，则主滑阀流量与阀芯流通面积成正比即：,所以要保证两缸同步，则qvq x只需满足以下条件：，且11pc22pc12vvxx此处主滑阀选择三位四通的电液比例方向流量控制阀，如图2.3所示。图 2.3 三位四通的电液比例方向流量控制阀它是一种按输入的电信号连续地、按比例地对油液的流量或方向进行远距离控制的阀。比例阀一般都具有压力补偿性能，所以它输出的流量可以不受负载变化的影响。与手动调节的普通液压阀相比，它能提高系统的控制水平。它和电液伺服阀的区别见表2.1表 2.1 比例阀和电液伺服阀的比较项目比例
