国内旋挖钻机结构特点探讨

国内旋挖钻机结构特点探讨

国内旋挖钻机结构特点的探讨

摘要:以国内外旋挖钻机现有的底盘机构,钻桅,自行起落架,主副卷扬,动力头,钻杆,发动机系统等

结构为背景,分析了国内外旋挖钻机常见的结构特点,为国内企业开发起到一定的借鉴作用.

关键词:旋挖钻机;结构;特点;底盘结构

中图分类号:U445.3文献标识码:B文章编号:1000-033X(2004)10-0037-05Discussionofdrillingrigstructure

ZHANGQi-jun,ZHANGZhong-hai,CHENYi-tian,ZHENGHua

(XugongScience&TechnologyCo.Ltd,Xuzhou221004,China)

Abstract:Thispaperanalyzedthestructurecharacteristicsofpresentdrillingrig,suchaschasis,drillstring,

liftingframe,windlass,powerhead,drillrod,engine,etc.

Keywords:drillingrig;characterstics;chasis;structure

旋挖钻机是一种多功能,高效率的灌注桩成孔设备,被广泛应用于水利工程,高层建筑,城市交通建设,铁路公路桥梁等桩基础工程的施工.旋挖钻机还可配套长短螺旋钻具,普通钻斗,捞砂钻斗,筒式岩石钻头等钻具以适应粘土层,砂砾层,卵石层和中风化泥岩等不同的施工要求.

1概述

旋挖钻机的结构主要由底盘机构,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,覆盖件,配重,液压系统,电气系统等组成,其工作原理也完全相同,都是由全液压动力头产生扭矩,由安装在钻架上的油缸提供钻压力,并通过伸缩式钻杆传递至钻头,钻下的钻渣充入钻头,由主卷扬提拔出孔外.徐工研究院在调查研究的基础上已开发出RD15,RD18,RD22旋挖钻机,RD系列产品的旋挖钻机的整机主要由底盘,动力头,钻架,发动机系统,钻杆自动存取装置,钻杆自动润滑装置,虎钳,锚固装置,钻具,液压系统,电气系统及泥浆系统等部件组成.

2主要结构特点

2.1底盘的结构

旋挖钻机的底盘一般为液压驱动,轨距可调,'刚性焊接式车架,履带自行式的结构.底盘主要包括车架及行走装置,行走装置主要包括履带张紧装置,履带总成,驱动轮,导向轮,承重轮,托链轮及行走减速机等组成.目前国内外旋挖钻机的底盘结构大小不一样,履带板宽度为800一1200mm.如意大利SOILMECR622HD旋挖钻机的底盘采用的是摆动伸缩式底盘,尺寸相对较小,驱动轮节距为216,单边10个支重轮2个托链轮,底盘高度相对较低.底盘伸缩采用的是摆动式,在行走过程中实现底盘的伸缩;行走减速机采用意大利BON-FIGLIOLI公司产品.意大利的CMV公司的旋挖钻机采用228.6节距的驱动轮,支重轮,托链轮及链轨,履带板拟全部采用柏壳优士吉公司的进口件.单边11个支重轮2个托链轮,底盘伸缩仍采用通过油缸伸缩来实现,底架采用框架结构.CMVTH22的车架为箱形主体结构,上部布置有回转支承支座,中心回转体支座,车架的前,后部设置有履带伸缩箱形框架机构,车架主体两边上部固定托链轮,下部固定支重轮,前部设置了导向轮及

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其张紧装置,后部设置了驱动轮及其传动装置.MAIT公司采用自行设计的多功能底盘,稳定性好,重量轻,可配预留装置实现多功能,并具有上下车水平调整系统可进行倾斜调节.意马公司采用卡特彼勒履带底盘.意大利,德国制造的各类旋挖钻机的履带底盘均可以伸缩.国内的三一SYR220型旋挖钻机选用卡特彼勒3300底盘,C-9电喷发动机,内藏式液压可伸缩履带结构,宽履带提供较低的接地比压,提高施工时整机的稳定性和适应性,且便于施工和运输.总之,国内外生产的旋挖钻机大多数应用的是专用底盘,轨距可调,能根据施工情况对底盘进行宽度调整,以增加钻机的整体稳定性,驾驶室前窗配有防坠物保护;也有少数厂家应用的是起重机底盘或挖掘机底盘.

2.2发动机系统

旋挖钻机的发动机系统一般包括发动机,散热器,空滤器,消音器,燃油箱等.一般旋挖钻机设计时发动机选用国外的增压中冷式水冷发动机,选用进口CUMMINS发动机,为了适应不同用户的需求,也可选装国内二汽东风的康明斯发动机.其水散热器,空滤器等附件选用国产配套件,燃油箱自制.

2.3变幅机构及钻桅的结构

目前国内旋挖钻机的变幅机构一般采用两级变幅油缸,平行四边形连杆机构,上端一级变幅油缸两端具有万向节头便于调整,钻桅截面形式为梯形截面,钻桅下端有液压垂直支腿,上端有两套滑轮机构,上下两端均可折叠,钻桅左右可调整角度为士50,前倾可调整角度为50,后倾可调整角度为150.三一SYR220型旋挖钻机的桅杆采用大箱形截面,为动力头和钻杆提供导向作用,具有良好的刚性和稳定性,抗冲击,耐振动,无需拆卸的可折叠式结构能减少整机长度和高度,便于运输.采用流行的平行四边形结构,通过其上油缸的作用,可使桅杆远离机体或靠近机体.通过桅杆角度的调整,可实现桅杆工作幅度或运输状态桅杆高度,桅杆相对地面角度的调节,使其动作机动灵活,施工效率高.意大利,德国制造的各类旋挖钻机可自行移动,自立桅杆,整个工作机构可在履带底盘上做土3600回转.因而现场转移,对孔位灵活方便,辅助时间少;钻架采用"平行四边形连杆机构十三角形"的支撑结构,非常适合城市狭窄场地的施工;钻架上装有垂直度检测仪,可以检测和显示钻架的偏斜度,并可通过钻机的"微动"系统调整钻架的垂直度;国外的SOILMEC公司的旋挖钻机产品品种有

R-210,11-312,11-416,11-5161-11),R-620,R-622,R-625,11-725,11-825,11-930,11-940,R-1240等,其中SOILMECR622HD钻孔机的钻桅部分与国内的钻机产品相比,主要有以下几点不同.

(1)动力头滑轨的形式SOILMECR622HD钻孔机的滑轨采用板式滑轨,但目前许多新型的钻机采用的是方形钢管式滑轨,这种新型的滑轨在强度上容易保证.

(2)变幅机构与钻桅之间的十字轴结构SOILMECR622HD钻孔机的十字轴采用的是转盘式结构;钻机的十字轴结构采用的是柱式结构.

(3)加压油缸的固定型式SOILMECR622HD钻孔机的加压油缸采用的是2个铰点固定的方式,铰点所需的立板通过2--3个铰点固定在钻桅上;国内的钻机是将铰点所需的立板通过螺栓间接地焊在钻桅上.

(4)加压油缸的防掉SOILMECR622HD钻孔机的加压油缸在加压油缸的末端另有保护装置;国内的钻机则是利用上铰点来防掉的.

(5)动力头的下限位块SOILMECR622HD钻孔机的下限位块是在限位块与动力头之间加一橡胶块,并在橡胶块的动力头端加一金属挡板;国内钻机的下限位块是金属的,没有缓冲.

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(6)背轮的结构SOILMECR622HD钻孔机背轮上的2个滑轮是共面布置,主,副卷扬机的钢丝绳,在前后方向上错开;国内的钻机背轮上的2个滑轮是同心布置,主,副卷扬机的钢丝绳在左右方向上错开.

(7)背轮的位置及收放SOILMECR622HD钻孔机背轮在运输状态下,位于发动机与副卷扬机之间,并在用手动棘轮机构使之水平;国内的钻机背轮在运输状态下,位于配重后面,呈竖直状态.

(8)由于SOILMECR622HD钻孔机采用的是摆动伸缩式底盘,其钻桅没有在钻桅底部的支腿机构.宝峨公司的产品系列为BG12H,BG15H,BG18H,BG24H,BG24H,

BG40H,BG24,BG25,BG36,BG40,BG48等,该公司最新组装生产的BG20旋挖钻孔机,其二级变幅的结构形式较为特别,在转台上升起一横向支柱,变幅油缸安装在上面.这一设计可以加大变幅油缸安装距,增大钻桅的稳定性;但他也使转台的设计变的复杂,且升高了运输时的整车高度.国外车型中也仅有Bauer公司一家使用此结构.另一个特点是主,副卷扬机都安装在钻桅上,节省了回转平台上的安装空间,便于转台的布置.

2.4动力头的结构

动力头是螺旋钻孔机的关键工作部件,其性能好坏直接影响钻孔机整机性能的发挥.动力头的功能:动力头是钻孔机工作的动力源,他驱动钻杆,钻头回转,并能提供钻孔所需的加压力,提升力,能满足高速甩土和低速钻进2种工况.动力头驱动钻杆,钻头回转时应能根据不同的土壤地质条件自动调整转速与扭矩,以满足不断变化的工况.国内的动力头为液压驱动,齿轮减速,可实现双向钻进和抛土作业,主要包括回转机构,动力驱动机构及支撑机构.回转机构主要有齿轮与钻杆互锁的套管,两端支撑采用回转支承,密封等组成.动力驱动机构采用双变量马达带动减速机及小马达小减速机同时驱动钻进.抛土作业时,大减速机脱离,小马达小减速机工作,实现高速抛土.另外,支撑机构由滑槽,支座上盖与油缸连接件等组成,均为焊接结构件,应充分考虑其内部润滑,应有润滑油高度显示,加油口,放油口等,易于保养,维修.国内三一集团的动力头采用双变量液压马达驱动小齿轮,由小齿轮啮合大齿轮带动键套与钻杆配套,可根据不同地质条件自动无级改变旋转速度和输出扭矩.高品质双速减速机还可实现高速甩土功能.动力头有独立的润滑,冷却和换速液压系统,确保动力头可靠高效地工作.OILMECR622HD钻孔机的动力头部分与国内钻机的产品相比,主要有以下几点不大相同:SOILMECR622HD钻孔机的动力头由三液压马达驱动,其中有一对马达同轴驱动一齿轮,在反向抛土时,只依靠小马达提供动力.国内的钻机只是由两液压马达提供动力,在反向抛土作业时,两马达均提供动力输出.SOILMECR622HD钻孔机的动力头反向旋转由一单独机构实现,依靠此机构实现驱动齿轮与回转支承外齿轮的离合.国内的钻机是通过对减速器的更改来实现这一功能的;国内的钻机与SOILMECR622HD钻孔机与CMV钻孔机的动力头部分就结构上来讲,大体上是相似的,但SOILMECR622HD钻孔机与CMV钻孔机的动力头更为相似.他们均为三液压马达驱动,减速器与液压马达之间有一抛土换向机构.由于采用的三马达正常驱动及一马达反向抛土驱动.CMV公司的钻机采用平行连杆机构加三角形支撑型式,动力头可按土层自动调整扭矩和转速.意马公司采用动力头装有油浴式润滑.迈特公司系列旋挖钻机的动力头配有套管钻进增扭装置,钻机的摩擦钻杆驱动键的宽度和厚度大,可锁式钻杆为短键嵌入式可保证快速加锁和解锁.从国际知名大公司的钻孔机产品我们可以看出带有离合机构的钻孔机是比较普遍的机型.采用恒功率泵与变量液压马达配合,使动力头可根据地质条件自动改变其排量和压力,从而改变了输

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出扭矩及转速,即使动力头具有土壤自适应特性;采用带三挡或离合器的减速机,用远程液压操纵换档来实现钻孔机的低速钻进和高速抛土;液压换档,操作简单方便,提高了机器的作业效率.采用2个小齿轮同时驱动I个大齿轮且3个齿轮处于同一水平面.有利于倍增大齿轮所能传递的扭矩;齿轮中心连线为锐角三角形,使动力头结构紧凑.大齿轮与空心轴被联接为一体;空心轴内壁上均布有3条牙嵌板,其牙嵌钻进时与钻杆上的外牙嵌嵌合,可有效地传递扭矩和加压力;空心轴反转时,牙嵌即可分离.此结构不仅实现了轴的功能,也加强了轴的强度和刚度.动力头上,下箱体均为焊接结构,外形轮廓为一条包括几条圆弧及几条切线的封闭曲线;此结构不仅具有足够的强度和刚度,而且具有良好的工艺性.

2.5转台的结构

目前国内旋挖钻机的转台为整体焊接式结构,主纵梁为"工字梁"形截面,主要包括回转支承,转台主体,钻桅后支撑,配重组成,钻桅后支撑位于配重前与转台主体用螺栓固定,便于拆卸,配重采用分体铸造大圆弧结构,运输时可拆卸.国外旋挖钻机转台的结构不太一样,如R622-HD旋挖钻机回转平台整体上采用了高铰点,大截面结构,这也是由转台受力大,应力高的特点决定的.转台主梁为变截面工字梁结构,采用的是等强度设计,这种设计较矩形梁设计具有重量轻,省材等优点.边梁设计与徐工集团RD18大致相同,采用大圆弧造型设计.转台上布置与国内的具有较大区别,在布置上显得更为紧凑些,主要区别是回转减速机前置,充分利用了前的空间,主泵和液压油箱均放在转台左边,燃油箱放在发动机前端,吸油阻力较小,发动机水散和液压油散热放在转台右边,主阀等液压元件放在转台右边油散热之前,这样管路布置不会太乱.后面配重也采用大圆弧设计,与边梁和机棚造型相适应.

2.6钻杆的结构

决定设备地层适应能力的主要因素在于旋挖钻机所使用的钻杆形式,钻头类型以及与之相适应的设备本身的结构,其中采用什么样的凯式伸缩钻杆是最重要的因素.这是因为钻杆要将动力头的全部扭矩一直传递到孔底的钻头上,并且还要将加压液压缸的压力,动力头自重和钻杆自重等钻压稳定地传递到几十米以下的钻头上,因此当钻进较坚硬的地层时,钻杆可能要同时承受大扭矩和大钻压,还要克服很大的弯矩,这样使得钻杆的受力条件变得非常复杂,如果钻杆本身的能力达不到要求,则很容易损坏.凯式钻杆可以分为摩擦钻杆和锁紧钻杆2大类.摩擦钻杆是指钻杆上的键只能传递扭矩而不能传递钻压的钻杆,而锁紧钻杆是指钻杆之间通过加压平台可以锁成一个刚性体对地层加压钻进的钻杆.摩擦钻杆在提钻时不需要解锁,操作简单,但由于加压能力有限无法钻进较硬地层.锁紧钻杆的地层适应能力强,但需要解决提钻时可能对钻杆造成强烈冲击的问题.锁紧钻杆又可分为简单的加压式钻杆和六键式嵌岩钻杆.简单加压式钻杆可以实现加压,但加压平台较窄,压强较大,容易磨损造成加压失效,因此不能真正适应坚硬地层的施工.而六键式嵌岩钻杆的加压平台宽大,可以稳定地传递大钻压,又因为是六键结构,钻杆本身抗失稳的能力很强,可以有效地克服钻杆的细长杆效应.国内外的六键式嵌岩钻杆和简单锁紧式钻杆都可以实现加压,但是这类钻杆也有不足,就是在提钻时必须先反转解锁,然后再卸土.正常的提钻顺序应该是钻杆由内向外依次上升,但是如果反转解锁不完全,就会造成某相邻两节钻杆尚未解锁就一起缩进外层钻杆,一般称为挂钻.而这两节钻杆继续往上运动时,受到轻微的扰动就会自动解锁,这样外面的钻杆就会悬空,对钻杆和动力头会形成强大的冲击.通常单节钻杆的质量约为2t,假如钻杆从3m甚至8m高度自由落体冲击下来,冲击能量

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将非常大,如果没有保护装置,很容易造成动力头和钻杆的严重破坏.因此使用六键式或其他锁紧式加压钻杆必须配置动力头减振器.减振器包括弹簧装置和液压减振装置,能有效缓冲并吸收钻杆对动力头的冲击以及钻杆之间的冲击,保证锁紧式钻杆的安全使用.目前国内外旋挖钻机的钻杆采用4节或5节伸缩内锁式钻杆,每节长度大约为13m,装配后总长不小于48m,采用高强度合金钢管,钻杆与动力头采用长牙嵌内锁式连接方式.顶端与上滑动板用010系列无齿回转支承相连,下端带有弹簧缓冲,第4节上端用可滑转万向节与主卷钢丝绳相连,下端采用方形截面杆通过销轴与钻头相连,每只钻头应与方形截面杆相配,具有互换性.

2.7钻头的结构

钻头是决定旋挖钻机能否较好适应复杂地层,提高工效的重要部件,目前国内外旋挖钻机的钻头共分3种常用的结构:短螺旋钻头(0600-02500mm),回转斗钻头(0800-02500mm)和岩心钻钻头(0800-02500mm),如R622-HD旋挖钻机的钻头有:短螺旋钻头,单层底旋挖钻头,双层底旋挖钻头共4个沙900,O1000,0800,01500)0目前国内外旋扮钻机钻头的3种常用的进土结构如下.

(1)短螺旋钻头旋挖钻头主要纵短螺旋钻头为主,他主要靠螺旋叶片之间的间隙来容纳从孔底切削下来的土,砂砾等,这种钻头结构简单,造价低.地层较好时,使用他也可达到好的效果,如果地下砂砾石较多或含水较多时,在提钻时很容易掉块,钻进效率低,甚至于不能成孔.

(2)单层底旋挖钻头在地下水位较高,或含砂砾较多的地层,目前多数旋挖钻机均采用钻头钻进,用静压泥浆护壁,这种钻孔工艺已明显优于短螺旋钻头钻孔.最早的旋挖钻头是单层底,在底下方有对称的2扇仅可向头内方向打开的合页门.当钻头钻进时,孔底切削下来的土,砂经合页门压入头内;在提钻时,在头内土砂的重力作用下,两扇门向下关闭,以阻止砂土漏回孔内.由于这种重力作用不是十分可靠,时常发生合页门关闭不严,造成砂土漏回孔内,降低了钻进效率,还会影响孔底清洁度.

(3)双层底旋挖钻头自20世纪90年代以来,国外的一些钻机制造公司,在原单层底钻头的基础上,开发出双层底的旋挖钻头.其特点是2层底可以相对回转一个角度,以实现头底进土口的打开与关闭.即在顺时针旋转切削时,底部的进土口为开放状态,当钻完一个回次后,将钻头逆时针旋转一个角度,致使进土口强行关闭,从而使切削物完整地保存在头内.实践表明,在复杂地层中,双层底钻头的钻进效率及孔底清洁度明显优于单层底钻头.

2.8卷扬的结构

国内外旋挖钻机的卷扬有主副卷扬2种,卷扬的结构采用卷扬减速机,具有卷扬,下放,制动功能,卷筒自行设计,主卷扬应具有自由下放功能,且实现快,慢双速控制.主,副卷扬应配有压绳器.

2.9液压电器系统

意大利,德国制造的各类旋挖钻机的机,电,液一体化高度集中,结构紧凑,操纵灵活方便,自动化程度高.他采用伸缩式钻杆,节省了人力和加接钻杆的时间,施工中只需一人即可操纵整台钻机,工人劳动强度低.钻架上装有垂直度检测仪,可以检测和显示钻架的偏斜度,并可通过钻机的"微动"系统调整钻架的垂直度.驾驶室控制面板上装有孔深和钻架垂直度显示仪以及反映发动机,液压系统工作状态的仪表,显示屏及报警装置,有的还装有全电脑操作系统,使操作手能实时掌握钻进深度,钻架垂直度,保证钻孔准确到达设计深度和良好的垂直度.

2.10旋挖钻机的电液比例伺服控制系统

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国内外旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统,PLC,CAN总线控制等,提高了定位钻孔精度,具有钻孔深度的自动化检测,荧光屏显示功能等,当钻桅发生倾斜时,钻机会自动报警,并进行自动调整.采用能显示多种信息的多功能液晶显示器,能进行起钻桅控制,自动垂直调平,回转倒土控制,发动机的监控,钻孔深度测量及显示,车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示,故障检测与报警等信息的显示.

2.11安全保护

国内外钻机的设计充分考虑操作人员的安全,并采取了一些措施,例如:驾驶室前窗配有FOPS(防坠物保护);卷扬的高度限位;驾驶室内操作台安全控制;发动机,液压等参数显示,报警等.

3国外旋挖钻机主要特点

意大利,德国等制造的各类旋挖钻机虽然能力大小有别,结构上略有差异,但总体性能和质量都比较先进,可靠,具有以下特点.

(1)机,电,液一体化高度集中,结构紧凑,操纵灵活方便,自动化程度高,采用伸缩式钻杆,节省了人力和加接钻杆的时间.

(2)可自行移动,自立桅杆,整个工作机构可在履带底盘上做13600回转.因而现场转移,对孔位灵活方便,辅助时间少.

(3)与施工能力相同的常规钻机相比,回转扭矩大,并可根据地层情况自动调整.

(4)钻架采用"平行四边形连杆机构+三角形"的支撑结构,非常适合城市狭窄场地的施工.

(5)履带底盘可以伸缩.

(6)钻架上装有垂直度检测仪,可以检测和显示钻架的偏斜度,并可通过钻机的"微动"系统调整钻架的垂直度.

(7)驾驶室控制面板上装有孔深和钻架垂直度显示仪,以及反映发动机,液压系统工作状态的仪表,显示屏及报警装置,有的还装有全电脑操作系统,使操作手能实时掌握钻进深度,钻架垂直度,保证钻孔准确到达设计深度和良好的垂直度;实时掌握各系统工作情况,便于及时采取维修措施,保证钻机正常运转.

(8)可实现多工艺钻进,能适应不同地层,不同桩基础处理方法施工的需要.一般类型的旋挖钻机除能进行旋挖钻进外,通过更换工作装置,还可实现跟管钻进和长螺旋钻进.

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