对CFG长螺旋钻机动力头液压驱动方案的探究.pdf

对 CF G 长螺旋钻机动力头液压驱动方案 的探 究 止 ． 也 中南大学机电工程学院 陈义庄 胡均平 湖南冶金职业技术学院 陈义庄 摘要 介绍现有 C F G长螺旋钻机的功能、 现状与发展， 针对现有电机驱动动力头难以实现分级调速以及对地 层条件的适应能力差等问题提出了采用液压动力头的驱动方案；并就液压动力头的可行性方案进行了 分析说明； 在 实践的基础上提出了液压驱动动力头的转矩自动调节系统 ， 并针对动力头控制系统高压大流量的特点采用插装阀的 理论设计 ， 作了详尽的说明； 还就动力头采用液压驱动方式与电机驱动方式相比所具有的优势和潜力进行了初步的 探究。 关键词 长螺旋钻机动力头液压驱动方式 1 长螺旋钻机动力头的现状与发展 C F G 水泥、 粉煤灰、 碎石桩施工方法的英文缩 写 长螺旋钻孔机是钻孔灌注桩施工机械的主要机 种 ， 由于采取连续输土， 具有施工效率高的优点， 所 以在各种成孔灌注桩施工机械中， 它最被人们看好； 由于其工作噪声小， 对地基的破坏性小， 在近年逐渐 代替过去基础施工经常使用的柴油锤 ， 从而适应大 中城市地下基础施工对噪声的要求。随着我国经济 的发展和人们环保意识的提高， 长螺旋钻机最近几 年得到了大规模的应用。 目 前国内长螺旋钻机的生产厂家所用钻机动力 头几乎都采用三环减速机加两台交流电机 其外形 结构如图 1 所示 。电机功率一般为 3 7 k WX 2 、 4 5 图 1 电机驱动动力头外形图 k W X 2 和 5 5 k W X 2 ， 钻杆转速不能调节， 同时受三 环减速机的制约， 输出转矩很难提高。 事实上长螺旋 钻机还有很大的发展空间， 比如钻机动力头可以由 单速向多速发展『l j， 以适合不同桩径和深度的要求 ， 提高施工效率， 节约成本； 提高输出轴转矩， 增强钻 机适应性。电机驱动动力头的最主要缺点是钻具转 速调节不便； 启动转矩小， 对电网冲击大； 对地层条 件的适应能力差 ； 质量大圈 。 2 动力头液压驱动方案的提出 液压装置与电气装置相比在同等的功率下， 液 压装置的体积小、 重量轻、 结构紧凑； 液压装置工作 比较平稳 ， 易于实现快速启动、 制动和频繁的换向； 能在较大的范围内实现无级调速； 易于实现自动化； 易于实现过载保护。 由于液压传动的突出优点， 制定 了如下动力头改进方案。 2 ． 1 动力头液压驱动方案的确定 为了简化结构和节省成本， 液压驱动动力头减 速机构准备采用一级直齿轮减速器来实现 如图 2 。 减速比不能取得太大， 否则会引起减速机体积庞 大， 重量太重。减速比初步定在 6 以下， 工程实践中 取 4 ．2 。要实现钻孔所需的最大转矩输出， 则原动机 的输出转矩应当比较大， 初步估计在 8 k N m左右。 液压执行元件中能输出这样大转矩的元件主要有低 速大转矩液压马达和液压传动装置。国产的低速大 转矩马达在材质及制造工艺上还有欠缺，可靠性及 一 3 9 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 2 液压动力头传动原理 图 使用寿命方面不是十分令人满意。进口的低速大转 矩马达虽然故障率低、 寿命长， 但是其价格很高， 在 我国现有市场条件下不利于推广。而对于液压传动 装置， 国内制造工艺已非常成熟， 可靠性和价格方面 都比较令人满意。基于以上考虑 ， 决定采用液压传 动装置作为液压驱动动力头的驱动执行元件圈 。 2 ． 2 动力头液压系统的设计 为适应市场上工程机械节能的趋势， 且满足工 程实践中不同地层条件对动力头转矩大小的不同要 求， 在设计中采用多挡位动力驱动。即在钻进阻力 较小时采用两个主液压传动装置 见图2 ， 分别带动 左上与右下两主动齿轮 驱动， 随着钻进深度的增加 或遇到阻力较大的施工情况时， 根据需要依次启动 另外两个辅助液压传动装置 见图2 ， 分别带动左下 与右上两主动齿轮 ， 进而带动连接钻杆的中间从动 齿轮， 进行小转速大转矩低速钻进。另外为实现动 力头的开、 停以及换向， 还需要根据 动力头系统的大流量特点设计专门 的大流量换向控制系统，因此动力 头液压系统设计分转矩调节系统与 方向控制系统两部分进行。 2 ． 2 ． 1 动力头转矩调节系统的设计 方案一根据地质勘察，预定 动力头转矩 ，进而通过操纵安置在 动力头上的控制装置确定开启传动 装置的数目， 工作中不可另行调节。 此方案操作简单，但对地质勘 探的精确程度提出了更高的要求 ， 且 由于现有土力学理论 尚未 成熟 ， 实际操作中往往为安全起见 ，采用 -- 4 0 -- 较大转矩挡位， 而这不仅不利于提高动力头的转速， 还会造成较大的能量浪费，不适应于现代市场对工 程设备节能的要求， 因此此种方案不可取。 方案二工作中根据需要，在控制室利用电磁 换向阀来开关辅助动力。 此方案，可以实现在工作中根据需要来调节输 出转矩， 但由于工程实践中， 国产电磁换向阀工作的 可靠性不高， 且实际工作中容易损坏， 而进口电磁换 向阀又较为昂贵， 使系统的生产成本大为提高， 因此 此种方案也予以排除。 方案三工作中根据需要，在控制室利用液控 换向阀开关辅助动力。 与方案二相比，利用液控换向阀的工作可靠性 有了较大的提高， 但同时机身到动力头的管路由2 根增至6 根， 不仅不利于节约成本， 还会使整机布置 显得凌乱。 上述方案均有缺陷，为了提高产品对市场的适 应性， 实现生产中动力转矩的自动调节， 新提出方案 的原理如图 3 所示。 1 钻进时在第一阶段， 钻杆钻入深度较小， 或土层钻进阻力不大时，在提高了钻机整体适应性 的同时， 为节能仅有两个主传动装置工作， 此时由于 负载不大 ， 系统的工作压力较小， 来 自 泵站 由4台 3 7 k W 电机分别带动一台恒功率变量泵组成的液 压油， 几乎全部用于驱动两个主传动装置， 因此更有 利于提高钻杆的转速，进而便于浅土层钻屑土块的 排出， 而此时液控换向阀的Y型中位机能可以实现 两辅助液压传动装置的自由转动； 第二阶段， 随着钻 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一～一一一一一一一一一一一一一一一一一． ； 主 传 动 装 置 ； 图 3 动力转矩的自动调节原理 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杆的深入， 钻进阻力逐渐增大 ， 工作压力也随之上 升， 泵站提供的流量也随之下降 因为系统采用了恒 功率变量泵 将不利于钻杆转速的维持， 当系统压力 上升至 1 2 M P a 时， 顺序阀 1 工作 ， 接通液控换向阀 1 左位控制回路， 换向阀左位工作， 辅助传动装置 1 随之启动； 当钻杆的阻力转矩继续增大或发生卡钻 时， 系统压力将会继续升高， 当压力升至1 6 M P a 时， 顺序阀2 工作， 启动辅助回转装置 2 ， 从而进行低速 大转矩钻进 上述顺序阀的调定压力全部由M a tl a b 仿真设计确定 。 2 反转时与钻进时相仿， 拔钻甩土时， 由于 所需的动力转矩不大， 且要求有一定的转速， 因此两 主传动装置工作可基本满足要求 ， 而此时由于液控 换向阀的Y型中位机能两辅助传动装置可以自由 转动， 但遇到钻进过程卡钻等特殊情况， 必须反转拔 钻时， 所需的反转转矩达到一定程度后， 当两主传动 装置不足以提供反转动力时， 在顺序阀 3 、 4的作用 下两辅助传动装置将依次参与驱动 ， 进而实现大转 矩反转 。 2 ．2 ．2 动力头控制系统的设计 根据设计要求， 动力头控制系统主要完成控制 动力头开停、 正反向转动和过载溢流的功能。由于 动力头液压系统属于中、 高压大流量系统， 普通换向 阀、 溢流阀的通流量均无法满足系统通流量的要求， 而无法正常实现对动力头的控制， 为此设计中采用 插装阀集成块来实现上述功能。 与普通换向阀相比采用插装阀集成 块有如下优点翻 ①通流面积大、 内阻小， 广 适宜大流量工作； ②阀芯动作灵敏， 响应 i 快； ③阀口采用锥面密封， 泄漏量小； ④ 结构简单， 工作可靠， 标准化程度高； ⑤ l 便于液压系统集成化，减少了管道连接 件及由管道引起的泄漏噪声等故障， 对 l 于高压大流量系统，集成化处理可以明 v 显减小系统尺寸和重量。 } 由上述功能分析可知，插装阀集成 块主要实现大流量三位四通换向阀以及 l 大流量溢流阀的双重功能 ，其液压原理 如图4 所示。 l 1 在换向阀中位工作时，由于其 P型中位机能，插装阀 1 ． 2 、 3 、 4的控制 油路均为高压，所以此时4 个阀块均被 锁紧， 各油路均被关闭， 当压力油管压力达到溢流阀 调定压力时，溢流阀工作而开启，油路开始产生流 动， 此时在节流阀的作用下， 插装阀5阀芯上作用面 压力低于下作用面压力而开启，从而实现大流量溢 流， 此时 A 、 B均无压力油输出， 动力头处于静止状 态。 2 在换向阀左位工作时，插装阀 1 、 3的控制 油路为高压而锁紧， 插装阀 2 、 4 的控制油路与油箱 相连而将所在支路接通， 此时 A油路与压力油管相 通 ， B油路与油箱相通， 从而驱动动力头正转； 3 在换向阀右位工作时，插装阀2 、 4的控制 油路为高压而锁紧，插装阀 1 、 3 的控制油路与油箱 相连而将所在支路接通， 此时 B油路与压力油管相 通， A油路与油箱相通， 从而驱动动力头反转。 3 结论 如果长螺旋钻机的动力头采用液压驱动，与电 机驱动动力头相比具有非常大的优势和潜力 1 液压驱动调速极为方便。在浅土层或疏松 土层中， 所需转矩较小， 此时可以实现高转速小转矩 钻进，进入深土层或坚硬土层而需要转矩较大时可 以实现低速大转矩钻进。这样可以提高施工效率和 对地层的适应性。 2 液压驱动的启动转矩大。 在施工中， 长螺旋 钻进经常会因某些原因在深层土壤中停钻或卡钻， 通至动力头 K 图4 动力头控制系统原理图 一 41 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 再重新启动时需要的转矩较大。实际中常用的自 耦 降压启动的电机驱动动力头启动转矩最高仅为额定 转矩的 6 4 ％， 所以经常出现异常停钻后无法重新启 动的情况， 造成很大的损失。而液压驱动的动力头 启动转矩达额定转矩的 8 5 ％～9 0 ％，与电机驱动的 动力头相比明显强劲。 3 液压驱动对电网的冲击小。电机驱动动力 头通常采用两台较大功率的交流电机， 且必须同时 启动， 启动时对电网冲击极大， 而在带载启动时更加 恶劣 ， 在施工中经常出现电网不能承受的现象。液 压驱动系统则可使用多台小功率电机 ， 而且可以分 别启动， 启动时对电网冲击相对较小。 4 液压驱动动力头质量轻。经初步估算， 质 量比电机驱动动力头轻 1 ．5 t 。由于动力头悬挂在约 3 0 m的高空， 动力头质量的减轻对整机的重心降低 和机器的稳定性有着极其重要的意义。 5 向大功率发展更方便。电机驱动动力头的 电机在笨重的动力头上，向大功率发展比较困难。 液压动力头的能源系统可移至机身，向大功率发展 比较方便。 参考文献 [ 1 ] 兰毓蕃． 我国桩工机械的现状与展望 [ J ] ． 建筑机械 化， 2 0 0 2 1 1 3 1 6 ． [ 2 ] 郭传新， 张立新． 国内桩工机械发展趋势[ J ] ． 市场前 沿， 2 0 0 4 1 4 0 4 3 ． [ 3 ] N ． Mu r e ， J ．N． S c o t t ．J u s t - I n T i m e c o n n u o u s fl i g h t a u g e r p i l e s u s i n g a n i n s t r u me n t e d a u g e r[ J ] ． I s a r c ， 2 0 0 2 8 4 1 6 ． [ 4 ] 章宏甲， 黄谊． 液压传动[ M ] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 成大先． 机械设计手册 单行本 液压控制嗍 ． 北 京 化学工业出版社， 2 0 0 4 ． 通信地址 湖南株洲 湖南冶金职业技术学院机械工程系 4 1 2 0 0 0 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 1 2 双液压缸翻转式重型备胎架的设计 泰安航天特种车有限公司赵殿华李兰英张华 摘 要 为解决重型备胎的起落以及当前备胎架应用中存在的起落质量小、翻转角度小和高位置起落困难等问 题， 开发了一种新型双液压缸翻转式重型备胎架， 该机构由固定架、 中间架、 翻转架、 液压缸及电动液压泵等组成， 备 胎通过备胎器固定在旋转架上 ， 装卸备胎依靠两个液压缸的伸缩按先后顺序推拉中间架和翻转架来完成。在系统上 设有多重安全装置， 且操作简单、 维修方便。 通过试制备胎架， 达到了起落质量大和翻转角度大于 1 8 0 。的设计要求 ， 在液压系统辅助下可迅速方便地进行高位置起落， 完全满足实际应用需求， 具有很高的实用价值和推广前景。 关键词 备胎架重型轮胎P r o ／ E 备胎几乎是所有轮式行走车辆的常用备件， 对 于小型轿车、 轻卡等车辆， 由于轮胎外形尺寸较小、 质量轻， 能够依靠人力进行备胎装卸， 而对于某些配 置大直径轮胎的工程车辆、 越野车辆， 多数轮胎直径 超过 1 m 、 质量超过 1 0 0 k g ， 仅仅依靠人力装卸更换 备胎是比较困难的。本文中将直径超过 1 ．5 m、 质量 超过 2 0 0 k g 的轮胎称为重型轮胎。 综合考察国内商用卡车中备胎的实际应用情 况， 可以概括有固定式和活动式两种备胎机构， 均普 遍存在备胎质量轻、 安装位置低、 翻转角度小 一般 一 4 2一 在 0 。～ 9 0 。 等缺点， 有个别高位置大轮胎应用在 军用车辆上的实例， 但其备胎机构结构复杂， 翻转角 度也局限在 0 。 ～1 8 0 。。 为解决上述问题，本文针对重型轮胎的备胎机 构开发了一种双液压缸翻转式重型备胎架，该机构 由轮胎固定器、 固定架、 第 1 液压缸、 第 1 I 液压缸、 中间架和翻转架组成，液压系统采用电动液压泵作 为两液压缸的驱动力，利用双液压缸的联动动作可 实现翻转角度大于 1 8 0 。的起落要求，而且操纵方 便、 省力， 解决了大轮胎、 重轮胎高位置起落中的诸 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m