樊榮

（寧夏送變電工程有限公司，寧夏 銀川750000）

1 研究背景

山地桿塔基礎(chǔ)作為山地輸電線路的一個(gè)重要組成部分，其造價(jià)、工期和勞動(dòng)消耗量在整個(gè)輸電線路工程建設(shè)中的占比都很大。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，特殊地質(zhì)條件下桿塔基礎(chǔ)的工程造價(jià)有時(shí)甚至?xí)^(guò)線路工程本體總費(fèi)用的50%。

輸電線路工程山地基礎(chǔ)地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，交通條件差，常用的基礎(chǔ)型式主要有原狀土掏挖基礎(chǔ)（掏挖樁）、巖石嵌固基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)等型式。巖石錨桿基礎(chǔ)，可采用小型機(jī)械施工，但單根承載力小，對(duì)巖石完整性要求較高，應(yīng)用受限制，使用量較少。山地原狀土掏挖基礎(chǔ)、巖石嵌固基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)深度一般比較大，直徑在800 毫米以上，基坑開(kāi)挖需要大扭矩力機(jī)械裝備，其體積和重量大，難以上山。人工機(jī)具成孔目前是我國(guó)行業(yè)主要施工方式，由于市場(chǎng)炸藥的限制，人工掏挖基礎(chǔ)施工效率低，孔下作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大。因此，山地機(jī)械化施工一直以來(lái)是推進(jìn)輸電線路全過(guò)程機(jī)械化施工的瓶頸。

微型樁是一種新型基礎(chǔ)，其樁徑小，所需作業(yè)面小，挖孔扭矩力小，承載能力高，同等條件下所需混凝土量低，而且開(kāi)方量低。微型樁基礎(chǔ)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，降低機(jī)械扭矩力，機(jī)械裝備小型化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械上山，推進(jìn)微型樁基礎(chǔ)的應(yīng)用，是一種選擇。

旋挖鉆機(jī)因其效率高、污染少、功能多的特點(diǎn)，適應(yīng)上述綜合發(fā)展的需求，在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)澆混凝土灌注樁施工中得到了廣泛應(yīng)用。因常用旋挖鉆機(jī)是針對(duì)大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研發(fā)的，對(duì)于機(jī)械無(wú)法到達(dá)的地段仍采用人工開(kāi)挖的方法，施工危險(xiǎn)性很高。因此，根據(jù)全過(guò)程機(jī)械化施工的未來(lái)施工發(fā)展方向研發(fā)一種適用于微型樁的旋挖鉆機(jī)是很必要的。

2 液壓系統(tǒng)

山地微型樁多功能施工機(jī)具的液壓傳遞系統(tǒng)主要有：容積比例調(diào)速系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。給進(jìn)系統(tǒng)采用負(fù)載敏感系統(tǒng)，通過(guò)電流控制負(fù)載敏感閥的開(kāi)口度，由于泵設(shè)置的節(jié)流口壓差一定，閥的開(kāi)口改變就可以讓泵的流量自動(dòng)改變以適應(yīng)閥的流量要求。同時(shí)設(shè)置了泵的負(fù)載敏感+恒功率+壓力切斷控制。當(dāng)達(dá)到設(shè)置功率時(shí)泵自動(dòng)減小流量越權(quán)負(fù)載敏感，當(dāng)壓力達(dá)到極限時(shí)直接最小排量越權(quán)恒功率，起到多重保護(hù)作用。

2.1 液壓系統(tǒng)的基本組成

山地微型樁多功能施工機(jī)具液壓系統(tǒng)：包括沖洗閥（2），該沖洗閥（2）分別與液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（1）的兩個(gè)工作油口以及油箱連通；包括閉式泵（5），帶有變量缸（8）和補(bǔ)油泵（6），該閉式泵的兩個(gè)工作油口分別與液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩個(gè)工作油口連通；包括控制閥（3），該控制閥的兩個(gè)工作油口分別與上述變量缸的兩個(gè)工作油口連通，同時(shí)，分別與第一溢流閥（9）、補(bǔ)油泵和閉式泵連通。第一溢流閥的兩個(gè)工作油口分別與補(bǔ)油泵和閉式泵殼體泄油口連通，作為補(bǔ)油泵壓力控制閥；其中第二溢流閥（4）與第一高壓溢流閥（13）組成A 口多功能閥，該A 口多功能閥的兩個(gè)工作油口分別與閉式泵的工作油口和變量缸的工作油口連通，其中第二溢流閥為導(dǎo)閥，第一高壓溢流閥為主閥；同時(shí)，第三溢流閥（10）與第二高壓溢流閥（14）組成B 口多功能閥，該B 口多功能閥的兩個(gè)工作油口分別與閉式泵的工作油口和變量缸（的工作油口連通，其中第三溢流閥為導(dǎo)閥，第二高壓溢流閥為主閥；液壓系統(tǒng)包括第一單向閥（11）和第二單向閥（12），該第一單向閥和第二單向閥各自的兩個(gè)工作油口分別與補(bǔ)油泵和閉式泵的工作油口連通。

其中閉式泵的測(cè)壓口接壓力表，補(bǔ)油泵通過(guò)吸油濾芯（7）與油箱連通，另外液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的泄油口與油箱連通。如圖1所示。

圖1 液壓傳遞系統(tǒng)圖

2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理

山地微型樁多功能施工機(jī)具液壓系統(tǒng)，主要采用了容積調(diào)速系統(tǒng)和比例控制技術(shù)，鉆機(jī)的速度的改變靠泵輸出流量的改變，不是靠溢流分流來(lái)控制，做到流量與動(dòng)作速度相適應(yīng)，大大提高了傳動(dòng)效率和減少了發(fā)熱的產(chǎn)生，減少了功率的浪費(fèi)。山地微型樁多功能施工機(jī)具液壓系統(tǒng)使用方法和工作原理是（如圖1）：

2.2.1 閉式基本回路：變量泵的出油口與A 口連接至回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓油管的進(jìn)油口，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)出油口分別與B 口和變量泵的進(jìn)油口相連接，形成一套閉環(huán)回路。

2.2.2 補(bǔ)油系統(tǒng)：在閉式回路中為了抵消容積效率，在回路中并聯(lián)補(bǔ)油泵6，補(bǔ)油泵與吸油精密過(guò)濾器相連接。在閉式回路中的兩邊各增加一個(gè)單向閥（第一單向閥11 和第二單向閥12），第一單向閥進(jìn)油口與閉式泵的出油口連接，第一單向閥出油口與第一（9）溢流閥進(jìn)油口連接，第一溢流閥的出油口再與油箱連接。兩個(gè)單向閥實(shí)現(xiàn)低壓腔的補(bǔ)油。由于閉式泵有雙油口變量輸出，流動(dòng)方向和流量都需要發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行中的變速和變向，因此安裝控制閥3。

2.2.3 控制閥安裝：閉式泵變量缸的活塞桿的一端連接至閉式泵，另一端連接至控制閥，其中閉式泵在外力驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)且控制閥動(dòng)作狀態(tài)下輸出液壓油，形成一套雙油口變量輸出，實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中的變速與變向。

2.2.4 高壓溢流閥：由于系統(tǒng)有正反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在閉式系統(tǒng)中并聯(lián)兩個(gè)高壓溢流閥（第一高壓溢流閥13 和第二高壓溢流閥14），高壓溢流閥1 和高壓溢流閥2 的安裝方向相反。

2.2.5 第二溢流閥（4）和第三溢流閥（10）與節(jié)流閥相連接，連接在控制閥的進(jìn)出油口，保證補(bǔ)油壓力的正常維持，保持泄荷系統(tǒng)恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.2.6 沖洗閥：沖洗閥進(jìn)油口與馬達(dá)B 口連接，出油口與馬達(dá)A 口連接。對(duì)馬達(dá)所輸出的液壓油直接回油箱，把一部分熱油及雜質(zhì)通過(guò)沖洗閥排到液壓油箱，實(shí)現(xiàn)降溫和排雜的作用。

2.3 液壓負(fù)載敏感系統(tǒng)的基本組成

山地微型樁多功能施工機(jī)具負(fù)載敏感系統(tǒng)，包括負(fù)載敏感變量液壓泵，該負(fù)載敏感變量液壓泵（8）的進(jìn)油口與油箱連通，而該負(fù)載敏感變量液壓泵的壓力口與電磁液壓比例換向閥（1）的P 口連通，該電磁液壓比例換向閥的T 口通過(guò)回油濾油器（2）與油箱連通，并且電磁液壓比例換向閥的出油口和進(jìn)油口分別依次與工作油缸的進(jìn)油口和出油口連通；其中負(fù)載敏感變量液壓泵與流量控制油缸（7）連通，在該流量控制油缸中設(shè)有復(fù)位彈簧從而能與負(fù)載敏感變量液壓泵的壓力油平衡；其中還包括壓差控制閥（5），該壓差控制閥分別與負(fù)載敏感變量液壓泵和流量控制油缸連通；其中還包括恒功率控制閥（6），該恒功率控制閥分別與負(fù)載敏感變量液壓泵和流量控制油缸連通；其中還包括節(jié)流閥（3），該節(jié)流閥分別與前述的電磁液壓比例換向閥和壓差控制閥連通；其中還包括恒壓控制閥（4），該恒壓控制閥分別與前述的節(jié)流閥和負(fù)載敏感變量液壓泵連通。

其中工作油缸包括角度油缸、行走油缸、滑塔油缸、起塔油缸和給進(jìn)液壓油缸。另外負(fù)載敏感變量液壓泵采用開(kāi)式泵。（如圖2 所示)

圖2 液壓負(fù)載敏感系統(tǒng)

2.4 液壓負(fù)載敏感系統(tǒng)工作原理

負(fù)載敏感系統(tǒng)有帶有負(fù)載敏感功能的泵、負(fù)載敏感閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。給進(jìn)、履帶行走等動(dòng)作采用負(fù)載敏感系統(tǒng)，負(fù)載敏感泵上安有流量控制閥，閥的壓差為2Mpa，這樣泵出口壓力和負(fù)載壓力差值2Mpa 恒定，因此負(fù)載敏感閥的進(jìn)出口壓差恒定。在閥口壓差一定的情況下，負(fù)載敏感閥開(kāi)口閥的大小與泵流量的關(guān)系近似正比，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度調(diào)整。負(fù)載敏感閥的開(kāi)口度的控制采用電液比例控制技術(shù)，閥上裝有比例電磁鐵，電氣控制為PVEA,通過(guò)控制電磁鐵電壓來(lái)控制閥芯不同的位置從而控制閥開(kāi)口度的大小。

泵的保護(hù)控制技術(shù)鉆機(jī)的給進(jìn)動(dòng)作，有時(shí)需要高速，有時(shí)需要高壓，兩者同時(shí)出現(xiàn)則為不正常的鉆進(jìn)方式。高速就需要泵流量大，同時(shí)又要保留高壓，這樣泵的功率就會(huì)大大超過(guò)實(shí)際工況功率。如果不加以控制就會(huì)出現(xiàn)柴油機(jī)熄火現(xiàn)象和造成施工事故。因此設(shè)置了泵的恒功率+負(fù)載敏感+壓力切（NC+LS+TP）控制功能。負(fù)載敏感作為調(diào)速功能，恒功率和壓力切斷作為保護(hù)功能。當(dāng)達(dá)到設(shè)置功率時(shí)泵自動(dòng)減小流量越權(quán)負(fù)載敏感，當(dāng)壓力達(dá)到極限時(shí)直接最小排量越權(quán)恒功率和負(fù)載敏感，起到多重保護(hù)作用。

液壓負(fù)載敏感系統(tǒng)的使用方法和工作原理是：當(dāng)液壓系統(tǒng)未工作時(shí)，在較低的壓力下保持處于待機(jī)狀態(tài)，多路閥切斷執(zhí)行器與變量柱塞泵之間的壓力信號(hào)。當(dāng)多路閥工作時(shí)，先從執(zhí)行器得到壓力需求，并將壓力信號(hào)通過(guò)負(fù)載感應(yīng)油路傳遞給壓差調(diào)節(jié)閥（即負(fù)載敏感閥）,它和最高壓力調(diào)節(jié)閥共同控制柱塞泵的變量機(jī)構(gòu)，使泵的輸出壓力對(duì)系統(tǒng)壓力做出響應(yīng)。

負(fù)載敏感之所以能夠節(jié)能，是因?yàn)槠湓诟鞣N工況下作了巧妙地設(shè)計(jì)，使需求與供給達(dá)到近似平衡，使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)化。

3 快拆技術(shù)

3.1 快拆技術(shù)

為了能利用錨索上山控制單件重量，將鉆機(jī)設(shè)計(jì)成可拆分式結(jié)構(gòu)，將油缸銷軸和滑塔螺栓拆下，拔下快速接頭就可利用鉆機(jī)自行能力將鉆機(jī)分成兩部分-動(dòng)力部分和鉆進(jìn)部分，重量分別為2.8 噸和2.1 噸。

3.2 快拆原理

固定支撐連接板和機(jī)械旋轉(zhuǎn)連接板通過(guò)機(jī)械鎖扣連接在一起。在機(jī)械旋轉(zhuǎn)連接板下部和車架處裝有一個(gè)帶有鉸接接頭的單級(jí)雙作用液壓油缸，打開(kāi)旋轉(zhuǎn)連板和固定支撐固定連接支撐板之間的鎖銷。對(duì)井架和鉆頭連接的管路快速分離（液壓管路和線路設(shè)有快速接頭），以旋轉(zhuǎn)連接器為第一支撐點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)液壓油缸為第二支撐點(diǎn)作為（回拉力）輔助力，井架和鉆頭沿旋轉(zhuǎn)連接器軸心逆時(shí)針轉(zhuǎn)至90 度位置，井架落在支撐平臺(tái)處，打開(kāi)機(jī)械旋轉(zhuǎn)連接板與井架處鎖銷，車身后移井架拆卸完畢。

井架的自裝，將履帶運(yùn)輸車開(kāi)到支撐平臺(tái)處，將機(jī)械旋轉(zhuǎn)連接板與井架對(duì)接，用連接銷將井架與旋轉(zhuǎn)連接板鎖死。以旋轉(zhuǎn)連接器為第一支撐點(diǎn)，單擊雙作用液壓油缸為第二支撐點(diǎn)作用伸出推力，井架和鉆頭沿旋轉(zhuǎn)連接器軸心順時(shí)針轉(zhuǎn)至90 度位置，鎖住固定支撐連接板和旋轉(zhuǎn)連板之間的鎖銷。連接快速接頭，將處在水平面的井架旋轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，以達(dá)到旋挖鉆機(jī)工作要求，旋挖鉆機(jī)方可工作。

4 動(dòng)力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4.1 動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用康明斯柴油機(jī)為動(dòng)力；四個(gè)液壓支腿可獨(dú)立操作，方便調(diào)整平臺(tái)水平；鉆機(jī)動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)可配備兩種動(dòng)力頭：回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭（采用低速大扭矩雙速馬達(dá)加一級(jí)減速傳遞方案，單位質(zhì)量傳遞扭矩大，轉(zhuǎn)速范圍寬），液壓沖擊回轉(zhuǎn)動(dòng)力頭（YDHV80/60），給進(jìn)回拉系統(tǒng)采用給進(jìn)采用油缸直接驅(qū)動(dòng)，性能穩(wěn)定，安裝保養(yǎng)方便；動(dòng)力采用康明斯柴油機(jī)，帶渦輪增壓，山區(qū)氣候適應(yīng)性強(qiáng)。

4.2 動(dòng)力頭設(shè)計(jì)

山地微型樁多功能機(jī)具動(dòng)力頭在鉆孔作業(yè)時(shí)候，既需要大扭矩鉆進(jìn)，又要快速拋土，需要頻繁的改動(dòng)動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)速度，選用變量泵加變量馬達(dá)可滿足動(dòng)力頭的這一要求，變量泵的壓力和排量以雙曲線特性輸出，在恒功率控制變量的范圍內(nèi)，壓力和流量的乘積理論上為常數(shù)，功率保持恒定，動(dòng)力頭的輸出功率由液壓系統(tǒng)以及變量馬達(dá)自動(dòng)調(diào)節(jié)，可根據(jù)不同的土壤地質(zhì)條件自動(dòng)改變其扭矩和鉆進(jìn)速度工作時(shí)候，在恒定轉(zhuǎn)速下，若變量泵以高壓小排量向變量馬達(dá)供油，變量馬達(dá)以低速大扭矩輸出，完成動(dòng)力頭大扭矩鉆進(jìn)的動(dòng)作，當(dāng)變量泵以低壓大排量向變量馬達(dá)供油，變量馬達(dá)以高速小扭 矩輸出，可滿足動(dòng)力頭快速拋土的要求，動(dòng)力頭根據(jù)實(shí)際情況可實(shí)現(xiàn)單泵供油和雙泵合流供油。為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的靈活使用，設(shè)計(jì)動(dòng)力頭如圖3 所示。

圖3 動(dòng)力頭設(shè)計(jì)圖

4.3 動(dòng)力鉆進(jìn)計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求為了滿足最大鉆孔直徑400mm，鉆孔最大深度10m 要求，通過(guò)計(jì)算扭力及轉(zhuǎn)速如下：

4.3.1 扭矩計(jì)算

M-動(dòng)力頭扭矩；

I-齒輪速比2.28；

P-系統(tǒng)壓力21Mpa；

Q-馬達(dá)排量 490ml/r 2 個(gè)；

M=2.28x21x490x2/2/3.14=7470N.m；

設(shè)計(jì)要求7000 N.m；

快擋時(shí)一個(gè)馬達(dá)工作；

M1=M/2=3735。

4.3.2 轉(zhuǎn)速計(jì)算

n-動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速；

n1-柴油機(jī)轉(zhuǎn)速2100rpm；

q1-泵排量 55ml/r；

I-齒輪速比2.28；

q2-馬達(dá)排量490 x2；

n=2100x55/2.28/490/2=51rpm；

快轉(zhuǎn)時(shí)1 個(gè)馬達(dá)工作；

N2=2n=102rpm。

4.4 動(dòng)力提升

為了滿足設(shè)計(jì)要求，采用油缸鏈條倍速機(jī)構(gòu)，繪制CAD 圖紙如圖4。

圖4 倍速機(jī)構(gòu)圖