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        雙立柱管棚鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        2015-02-20 13:47:30
        裝備制造技術(shù) 2015年7期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)梁管棚鉆具

        (中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

        管棚超前支護(hù)技術(shù)是提高軟弱圍巖地層自穩(wěn)能力的一種有效方法,尤其是在破碎帶、松散帶、涌水、涌砂地層中,采用管棚超前注漿支護(hù),能有效地防滲止水、控制地表沉降。管棚鉆機(jī)是管棚超前支護(hù)施工技術(shù)中最關(guān)鍵的設(shè)備,它的作用是沿著隧道斷面外輪廓超前鉆進(jìn)并安設(shè)管棚[1]。為了應(yīng)對(duì)我國(guó)隧道施工的需要,促進(jìn)國(guó)內(nèi)隧道建設(shè)的發(fā)展,本文對(duì)雙立柱管棚鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。

        1 管棚鉆機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

        管棚鉆機(jī)是在20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的一種新型隧道施工機(jī)械,目前,在國(guó)外隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外管棚法施工所用鉆機(jī)品種繁多、結(jié)構(gòu)多樣,并已形成系列化生產(chǎn),其大多能夠?qū)崿F(xiàn)自行走、擺臂、大臂升縮等功能,并且具有沖擊功率大,扭矩大,鉆孔深度和鉆孔直徑大等特點(diǎn)。國(guó)外管棚鉆機(jī)從結(jié)構(gòu)形式來說主要有單臂式、多臂式、門架式、復(fù)合式等多種,各種結(jié)構(gòu)形式有不同適用工況和優(yōu)缺點(diǎn)。鉆孔方式也從單一的沖擊或旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)到旋轉(zhuǎn)沖擊并用、套管跟進(jìn)、正反循環(huán)等多種方式,并且對(duì)施工環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。

        目前,國(guó)內(nèi)用于管棚施工的專用設(shè)備研究和使用還處于起步階段,在管棚施工中絕大多數(shù)是采用其他鉆機(jī)代替使用,有少數(shù)公司引進(jìn)國(guó)外專用的管棚鉆機(jī),但其價(jià)格昂貴,引進(jìn)的數(shù)量極其有限,滿足不了施工的需求。

        2 雙立柱管棚鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        雙立柱管棚鉆機(jī)可以在管棚施工中縮短輔助作業(yè)時(shí)間,簡(jiǎn)化施工工序環(huán)節(jié),減輕接管勞動(dòng)強(qiáng)度,提高施工進(jìn)度。它最大優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)軌變位小、穩(wěn)定性好,可采用較長(zhǎng)鉆桿鉆進(jìn)。雙立柱管棚鉆機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示,主要由鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、底盤、支腿、鉆具、動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。

        圖1雙立柱管棚鉆機(jī)結(jié)構(gòu)圖

        2.1 鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)

        鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)有動(dòng)力頭、導(dǎo)梁、夾持器、連接座、油缸-鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)油缸及頂緊裝置等,如圖2所示。

        圖2鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)

        (1)動(dòng)力頭。動(dòng)力頭是整個(gè)鉆機(jī)的核心部件,是鉆具工作的動(dòng)力源,其主要功能就是將回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所需的扭矩、轉(zhuǎn)速及沖擊能量傳給鉆具,驅(qū)動(dòng)鉆具進(jìn)行回轉(zhuǎn)和沖擊,其性能是評(píng)價(jià)整個(gè)鉆機(jī)技術(shù)水平的關(guān)鍵指標(biāo)[2]。在鉆進(jìn)過程中,鉆頭所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是根據(jù)所鉆巖層的性質(zhì)、鉆頭直徑、鉆進(jìn)方法和規(guī)程而變化的,所以動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應(yīng)是無級(jí)可調(diào)的,以滿足不同地質(zhì)條件下的鉆孔要求。同時(shí)要求動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動(dòng)小,且具有沖擊功能。

        (2)導(dǎo)梁及連接座。導(dǎo)梁承受著來自動(dòng)力頭的推進(jìn)力、回拔力及扭矩等,要求具有足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。導(dǎo)梁截面采用箱型結(jié)構(gòu),以便提供足夠的抗扭剛度,同時(shí)便于內(nèi)部安裝油缸—鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。導(dǎo)梁上部設(shè)置有動(dòng)力頭滑動(dòng)軌道,為動(dòng)力頭的進(jìn)給和回拔提供導(dǎo)向。連接座用來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)梁和舉升臂的鉸接,從而來調(diào)整管棚鉆機(jī)的鉆孔角度。

        (3)夾持器。夾持器的作用是與動(dòng)力頭協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)鉆桿間對(duì)接、脫離、鉆頭拆卸等。該裝置主要由前后兩個(gè)液壓鉗和一對(duì)卸桿油缸組成,當(dāng)前鉗和后鉗分別夾住相鄰鉆桿時(shí)候,動(dòng)作卸桿油缸,兩對(duì)液壓鉗可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)相鄰兩鉆桿之間螺紋的擰松。該裝置不僅可以裝卸鉆桿,而且具有對(duì)鉆桿起開孔導(dǎo)向控制作用。油缸的工作行程長(zhǎng)時(shí)為夾緊狀態(tài),短行程時(shí),可以調(diào)整夾塊與鉆桿之間的間隙。

        (4)油缸-鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。油缸-鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要為動(dòng)力頭提供進(jìn)給力和回拔力,為進(jìn)給倍速機(jī)構(gòu),采用該種方案,在減小管棚鉆機(jī)導(dǎo)梁尺寸的同時(shí),使動(dòng)力頭的工作行程加倍。由于采用油缸提供動(dòng)力,可以使推進(jìn)和回拔無級(jí)調(diào)速,工作平穩(wěn)可靠[3]。動(dòng)力頭給進(jìn)是通過控制給進(jìn)油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn),從圖2可知,當(dāng)液壓缸無桿腔進(jìn)油時(shí),鉆桿起拔。反之,鉆桿推進(jìn)。

        (5)微調(diào)油缸。由于管棚的施工斷面一般凸凹不平,并且棚管的間距較小,鉆機(jī)對(duì)棚管定位時(shí),如果每次都通過調(diào)整底盤來實(shí)現(xiàn)頂尖頂緊斷面,會(huì)給施工帶來很多不便。因此在導(dǎo)梁的下方設(shè)置導(dǎo)梁微調(diào)移動(dòng)油缸,油缸控制回路上設(shè)置壓力傳感器,在鉆機(jī)定位時(shí),可以通過調(diào)整微調(diào)油缸來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)梁的伸縮微調(diào),從而避免了調(diào)整整個(gè)鉆機(jī)帶來的不便。當(dāng)導(dǎo)梁移動(dòng)使頂尖頂緊斷面時(shí),油缸回路中的壓力會(huì)升高,傳感器檢測(cè)到油缸壓力后,油缸回路控制閥自動(dòng)通斷,從而完成鉆機(jī)自動(dòng)定位。

        2.2 機(jī)架

        機(jī)架是雙立柱管棚鉆機(jī)的主體結(jié)構(gòu),用來實(shí)現(xiàn)鉆孔位置及支護(hù)仰角的調(diào)節(jié),同時(shí)達(dá)到鉆孔在施工范圍內(nèi)不存在盲點(diǎn)的要求,主要組成部分由前后舉臂油缸、舉臂導(dǎo)向柱、回轉(zhuǎn)盤、回轉(zhuǎn)馬達(dá)及車架組成。雙立柱管棚鉆機(jī)的機(jī)架為門式結(jié)構(gòu),其工作原理是:鉆機(jī)前后兩個(gè)舉臂油缸實(shí)現(xiàn)導(dǎo)梁的升降,兩個(gè)舉臂油缸分別裝在前后導(dǎo)向柱內(nèi),導(dǎo)向柱有導(dǎo)向和支撐作用。導(dǎo)向柱上部與導(dǎo)梁通過鉸接座相連,通過調(diào)整前后兩個(gè)舉臂油缸的起升高度,可以調(diào)節(jié)導(dǎo)梁俯仰角的大小,其最大外插角可達(dá)10°。舉臂油缸的導(dǎo)向柱焊接在兩個(gè)大回轉(zhuǎn)盤上,回轉(zhuǎn)盤內(nèi)焊接大齒輪盤,大齒輪盤由馬達(dá)-小齒輪帶動(dòng)進(jìn)行回轉(zhuǎn)。

        2.3 支腿

        雙立柱管棚鉆機(jī)的支腿的作用是:在不增加鉆機(jī)寬度的情況下,為鉆機(jī)工作時(shí)提供較大的支撐跨度,從而使導(dǎo)梁回轉(zhuǎn)時(shí),有穩(wěn)定的底部支撐結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中支腿采用H型液壓支腿,共有四個(gè)支撐點(diǎn),每個(gè)支撐點(diǎn)由一個(gè)水平伸縮油缸和一個(gè)豎向支承油缸組成。為避免鉆機(jī)工作時(shí),支腿出現(xiàn)“軟腿”現(xiàn)象,或行走時(shí)出現(xiàn)“掉腿”現(xiàn)象,支腿液壓控制回路配置雙向液壓鎖。

        2.4 底盤

        底盤是鉆機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)和支撐機(jī)構(gòu),也是管棚鉆機(jī)平順行駛和穩(wěn)定工作的重要保證,其用來安裝所有的總成和部件,使整機(jī)成為一個(gè)整體。底盤采用液壓驅(qū)動(dòng),車架采用剛性連接式。履帶的傳動(dòng)由低轉(zhuǎn)速大扭矩的柱塞式液壓馬達(dá),通過多級(jí)齒輪減速箱實(shí)現(xiàn)。

        2.5 鉆具

        鉆具配置主要根據(jù)地質(zhì)情況而定,且鉆具的類型較多。不同的地層施工方法不同,主要有先鉆孔后下管施工、跟管鉆進(jìn)施工兩種。跟管鉆進(jìn)施工能適用于多種復(fù)雜地層,同先鉆孔后下管施工相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn),如減少了鉆具的鉆進(jìn)阻力,提高鉆進(jìn)速度,防止孔壁坍塌等。

        跟管鉆具主要由鉆頭、內(nèi)鉆桿、導(dǎo)向器、管靴、外套管及鉆頭組成,對(duì)心擴(kuò)孔沖擊跟管鉆具結(jié)構(gòu)如圖3所示。動(dòng)力頭帶動(dòng)內(nèi)鉆桿旋轉(zhuǎn)并沖擊,同時(shí)通過內(nèi)鉆桿中心孔將清水輸送到鉆頭前部,進(jìn)行冷卻鉆頭并排碴。當(dāng)動(dòng)力頭通過內(nèi)鉆桿帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí),外套管由于空套聯(lián)接的作用,并不會(huì)隨著鉆頭一起旋轉(zhuǎn),而只是隨著內(nèi)鉆桿做向地層的垂直運(yùn)動(dòng),因而減小了動(dòng)力頭的阻力矩;外套管底端內(nèi)壁設(shè)計(jì)成階梯形狀,和鍵槽與導(dǎo)向器下端的階梯部分相吻合,當(dāng)導(dǎo)向器正向旋轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆進(jìn)時(shí),帶動(dòng)外套管下端一起旋轉(zhuǎn)跟進(jìn)。

        圖3跟管鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

        鉆桿承受著沖擊振動(dòng)、扭矩及軸壓力等復(fù)雜載荷的作用,并且由孔壁和鉆桿之間排出的巖碴對(duì)其表面產(chǎn)生噴砂性的磨蝕作用,因此,鉆桿需要有足夠的強(qiáng)度、剛度和沖擊韌性。

        鉆頭一端承受沖擊器的沖擊,另一端打擊在巖石上,同時(shí)還承受著軸壓、扭矩和巖碴的磨蝕作用,受力狀態(tài)極其復(fù)雜。因此,要求鉆頭材料具有較高的動(dòng)載荷強(qiáng)度和優(yōu)良的耐磨性,結(jié)構(gòu)上應(yīng)利于高壓水進(jìn)入孔底以冷卻鉆頭和排除巖碴。

        跟管鉆進(jìn)鉆具根據(jù)不同的圍巖情況,也應(yīng)配置不同的鉆具,主要有以下幾種形式:

        (1)當(dāng)?shù)貙訔l件為斷層破碎帶、破損堆積層等時(shí),圍巖軸抗壓強(qiáng)度小于60 MPa的條件下,配置沖擊跟管鉆具,鉆進(jìn)方式為旋轉(zhuǎn)加沖擊,以沖擊為主。

        (2)當(dāng)?shù)貙訛橥翃A石、砂卵石,碎石夾層等條件時(shí),配置沖擊跟管鉆具,鉆進(jìn)方式為旋轉(zhuǎn)加沖擊,以旋轉(zhuǎn)為主。

        (3)當(dāng)?shù)貙訔l件為土層、砂層、砂土地層時(shí),配置螺旋跟管鉆具,鉆進(jìn)方式為旋轉(zhuǎn)擠壓鉆進(jìn),以旋轉(zhuǎn)為主。

        (4)當(dāng)?shù)貙訛檎惩翆訒r(shí),配置擠壓跟管鉆具,鉆進(jìn)方式為旋轉(zhuǎn)擠壓,以擠壓為主。

        3 結(jié)束語

        在管棚鉆機(jī)施工過程中,巖石的性質(zhì)會(huì)不斷發(fā)生變化,施工工況和地層具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和模糊性,并且各種因素又交互影響,這些不確定性為管棚鉆機(jī)的研發(fā)帶來了很多困難。筆者認(rèn)為要提高管棚鉆機(jī)的自動(dòng)化程度,需要在自動(dòng)防卡鉆系統(tǒng)、負(fù)載自適應(yīng)系統(tǒng)、鉆機(jī)的自動(dòng)定位、鉆孔軌跡的監(jiān)測(cè)和糾偏等幾個(gè)方面繼續(xù)深入研究。

        [1]夏 季.管棚鉆機(jī)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的分析和優(yōu)化[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011.

        [2]臧臣坤.SDC1000型鉆機(jī)動(dòng)力頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及支架有限元分析[D].北京:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院,2009.

        [3]劉元堂.管棚鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2010,(4):86-88.

        [4]陳淼林.管棚鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械,2012,(1):31-34.

        [5]李科軍.管棚鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)力頭給進(jìn)與回轉(zhuǎn)回路仿真研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011.

        [6] 齊永前.Z-GP150 型管棚鉆機(jī)[J].工程機(jī)械,2011,8(42):9-13.

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