劉暢

摘 要：道路橋梁的地基施工成孔作業(yè)過(guò)程中，一般用到的全液壓旋挖鉆機(jī)的動(dòng)力輸出扭矩范圍是180 kN·m～220 kN·m，施工中運(yùn)用到的鉆機(jī)在不斷優(yōu)化更新下基本可以滿(mǎn)足施工的質(zhì)量要求和工程進(jìn)度，對(duì)保障灌注樁施工具有重要意義。文章以道路橋梁施工發(fā)展為基礎(chǔ)，以動(dòng)力輸出扭矩為180 kN·m～220 kN·m的全液壓旋挖鉆機(jī)為參考，對(duì)全液壓旋挖鉆機(jī)中液壓系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，以及鉆機(jī)的具體運(yùn)行原理實(shí)施研究探索并進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

關(guān)鍵詞：全液壓旋挖鉆機(jī);液壓系統(tǒng);平衡閥;控制元件;執(zhí)行元件

中圖分類(lèi)號(hào)：TH17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）04-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.04.008

基礎(chǔ)工程建設(shè)中，旋挖鉆機(jī)因其污染少、效率高、功能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于碼頭、橋梁以及道路施工，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的旋挖鉆機(jī)機(jī)型為180 kN·m～220 kN·m類(lèi)鉆機(jī)，因此，文章針對(duì)180 kN·m～220 kN·m的旋挖鉆機(jī)展開(kāi)了進(jìn)一步闡述與研究。

全液壓旋挖鉆機(jī)主要由行走底盤(pán)、立柱、駕駛室、上下夾持器、立柱滑架、副塔、油箱、動(dòng)力單元、機(jī)架、動(dòng)力頭等構(gòu)成。連接各部件時(shí)要用到螺栓及高壓管，具有一定的緊湊性與可靠性。全液壓設(shè)備主要是借助液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作業(yè)的，其液壓系統(tǒng)的優(yōu)劣性直接決定著設(shè)備的可靠性。

1 液壓系統(tǒng)概述

全液壓旋挖鉆機(jī)通常是應(yīng)用全液壓控制，液壓系統(tǒng)主要包括行走、鉆進(jìn)、輔助及運(yùn)輸系統(tǒng)。負(fù)責(zé)鉆機(jī)行走的是行走系統(tǒng)，通過(guò)液壓控制實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)帶荷載行走及轉(zhuǎn)彎，需要兩個(gè)履帶分步行走，鉆機(jī)兩側(cè)履帶要使用獨(dú)立的液壓系統(tǒng)控制。鉆機(jī)在工作中所需動(dòng)能以及鉆桿鉆進(jìn)所需動(dòng)能全部由鉆進(jìn)系統(tǒng)負(fù)責(zé)，鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到較大的阻力，因此，鉆機(jī)需要強(qiáng)而有力的動(dòng)力，鉆桿同樣需要強(qiáng)大的推進(jìn)力，并在具備上述能力的基礎(chǔ)上具有一定超載重的能力。鉆桿在工作狀態(tài)下需要相當(dāng)大的油液量，且前進(jìn)速度比較慢，對(duì)鉆機(jī)機(jī)身的穩(wěn)定性提出了較高的要求。

液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)要被設(shè)置成節(jié)流調(diào)速回路，鉆機(jī)改變鉆進(jìn)方向主要借助擺動(dòng)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)鉆進(jìn)系統(tǒng)，要設(shè)置液壓鎖。液壓系統(tǒng)由油箱、主泵、輔助泵等設(shè)備組成，借助上述設(shè)備構(gòu)成液壓源和執(zhí)行元件。

液壓源通常被設(shè)計(jì)成斜軸式變量雙泵，型號(hào)是A8VO，加上輔助泵，配備M8和M4閥形成控制元件，通過(guò)液壓泵把油箱里的油提供給上述控制元件的方法，從而確保冷卻系統(tǒng)正常運(yùn)行，提高伺服閥的實(shí)用性。

執(zhí)行元件由A6V和A2F馬達(dá)構(gòu)成，控制元件則是依次管控履帶伸縮油缸和兩邊斜撐缸，可以達(dá)成加壓及回轉(zhuǎn)的目的。相關(guān)工作人員可以在對(duì)應(yīng)操作空間中，利用先導(dǎo)閥完成主閥和輔助閥之間的關(guān)聯(lián)動(dòng)作。

液壓控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于全液壓旋挖鉆機(jī)，對(duì)鉆機(jī)發(fā)展具有不可替代的作用。液壓控制系統(tǒng)由主油路和輔油路組成，主油路負(fù)責(zé)鉆頭在不同的環(huán)境中達(dá)到預(yù)期運(yùn)行狀態(tài)，輔油路則幫助鉆機(jī)完成推進(jìn)、支架、鉆孔等操作。

液壓系統(tǒng)控制圖如圖1所示。

2 多路換向閥

2.1 M8閥

M8閥設(shè)計(jì)工作運(yùn)用設(shè)計(jì)原理是：三位六通，屬于七聯(lián)整體多路閥的一種控制元件，主泵在工作狀態(tài)下，使油箱內(nèi)部的液壓油經(jīng)過(guò)P1*、P2*兩個(gè)閥口，最后使液壓油流入特定位置。閥桿位置都在中位是液壓油可以安全流入閥里全部通油管的基本條件，也是液壓油可以在進(jìn)入后適時(shí)返回油箱內(nèi)的前提條件。一般情況下，主閥能夠同時(shí)管控?cái)?shù)個(gè)執(zhí)行元件，但在部分系統(tǒng)中，主閥只能單獨(dú)控制其中一個(gè)執(zhí)行元件，由此實(shí)現(xiàn)執(zhí)行復(fù)合動(dòng)作的功能，進(jìn)一步確保主卷?yè)P(yáng)閥的內(nèi)部合流，以及動(dòng)力頭的各類(lèi)功能之間相互補(bǔ)充和配合。

對(duì)此，相關(guān)工作人員首先要構(gòu)成設(shè)計(jì)原理回路，設(shè)計(jì)圖顯示，設(shè)定系統(tǒng)在哪里需要合流或在哪里不需要合流。在不合流的情況下，當(dāng)P1*閥的液壓油流回油箱，通過(guò)二位二液控?fù)Q向閥之后再流回油箱。在合流的情況下，則是在主閥ab的共同助力下，動(dòng)力頭主閥和控制油箱接通，同時(shí)在獲得二位二液控?fù)Q向閥的換向支持后，B1閥口被連通，從而呈現(xiàn)合流狀態(tài)。

流經(jīng)P1*閥的液壓油與P2*閥的來(lái)油相互融合后，匯入動(dòng)力頭閥內(nèi)，流入單向閥，再一起流入動(dòng)力頭馬達(dá)。在壓力持續(xù)平穩(wěn)的情況下，動(dòng)力頭馬達(dá)的油流量快速提高。在保障此工作原理及技術(shù)運(yùn)用的過(guò)程中，展示馬達(dá)的作用，達(dá)到持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

設(shè)計(jì)M8閥時(shí)，特別設(shè)計(jì)了安全閥，作為保護(hù)液壓油的入口，連同多種閥，在達(dá)到執(zhí)行元件基礎(chǔ)需求時(shí)，還要補(bǔ)油及過(guò)載檢測(cè)功能。因此，要設(shè)置補(bǔ)油閥和過(guò)載閥，油口位置設(shè)置在閥體正反面，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)出實(shí)體結(jié)構(gòu)，有利于其他對(duì)應(yīng)管道及后期安裝過(guò)程更加簡(jiǎn)便快捷[1]。

2.2 M4閥

M4閥設(shè)計(jì)工作運(yùn)用的設(shè)計(jì)原理是：負(fù)荷傳感，運(yùn)用六聯(lián)整體多路閥形成控制元件，這種控制元件可以與A10VO泵搭配應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)比例控制的功能。M4閥設(shè)計(jì)中，還要考慮液壓泵與執(zhí)行元件的壓力狀況，對(duì)照壓力的變化狀況，設(shè)置補(bǔ)償閥調(diào)整壓力，保證在實(shí)際使用過(guò)程中即使發(fā)生負(fù)載等問(wèn)題，也不會(huì)影響原本執(zhí)行元件中的液壓油，能夠持續(xù)以原來(lái)的流量通過(guò)，有利于提高液壓系統(tǒng)工作中的穩(wěn)定性[2]。

2.3 行走回路設(shè)計(jì)

全液壓旋挖鉆機(jī)的行走功能要通過(guò)液壓系統(tǒng)獨(dú)立管控左右兩邊履帶，一般會(huì)在采用內(nèi)藏式液壓馬達(dá)，以此實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩大、體積小的功能。由左右操縱桿實(shí)現(xiàn)管控，在手動(dòng)操縱閥的操作下，主油路的壓力油順利流入馬達(dá)，為鉆機(jī)機(jī)身提供動(dòng)能，進(jìn)而完成前進(jìn)任務(wù)，而鉆機(jī)機(jī)身的前進(jìn)方向則是利用操縱閥位置的變換完成。在左右回路位置分別安裝平衡閥，防止行走情況下出現(xiàn)位置偏移，在使用過(guò)程中增強(qiáng)鉆機(jī)穩(wěn)定性，并進(jìn)一步提高鉆機(jī)操作安全性[3]。

2.4 鉆桿驅(qū)動(dòng)回路

采用電液換向閥管控主油路的同時(shí)驅(qū)使馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，在鉆桿和馬達(dá)的中間安裝減速閥后能夠?yàn)殂@桿提供力矩，可以保證鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)。使用電磁換向閥改變方向后，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變，鉆桿的正反轉(zhuǎn)就可以完成。按照這一回路設(shè)計(jì)思路，可以向主泵反饋滿(mǎn)足鉆桿工作狀態(tài)時(shí)需要的油量信息，在此前提條件下，完成對(duì)主泵的排量的有效監(jiān)管[4]。

2.5 鉆桿鉆進(jìn)及運(yùn)輸回路

鉆桿運(yùn)行的主要?jiǎng)恿?lái)自液壓缸，主油路的液壓油流入手動(dòng)換向閥，又流入調(diào)速閥，經(jīng)過(guò)先導(dǎo)順序閥的分配，之后流入油缸內(nèi)部，最后為鉆桿運(yùn)行提供動(dòng)力。這里手動(dòng)換向閥控制鉆桿的前進(jìn)和后退，鉆桿的前進(jìn)及后退速度通過(guò)調(diào)速閥實(shí)施管控。

為保障鉆桿基礎(chǔ)的運(yùn)行能力，在回路中設(shè)置單向閥構(gòu)成液壓鎖。如果發(fā)生馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，那么鉆桿的運(yùn)行方向能夠通過(guò)調(diào)整完成雙向運(yùn)行，鉆桿鉆進(jìn)的位置也可以發(fā)生變化。運(yùn)輸回路和其他回路設(shè)計(jì)方法一樣[5]。

2.6 平臺(tái)支撐與調(diào)斜回路

在施工過(guò)程中，由于地理或振動(dòng)因素，鉆機(jī)容易發(fā)生移位現(xiàn)象，所以，要在鉆進(jìn)時(shí)做好固定，在巷道兩邊使用設(shè)備準(zhǔn)備的支撐油缸，需要單向閥的液壓鎖發(fā)揮作用達(dá)到固定目的。這樣只是對(duì)鉆機(jī)的固定，無(wú)法應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)操作過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜工況，雖然支撐油缸有一定支撐，但是會(huì)受到較大振動(dòng)的影響，因此，要具備相應(yīng)的平臺(tái)調(diào)斜設(shè)施以此實(shí)現(xiàn)減緩平臺(tái)振動(dòng)。

調(diào)斜設(shè)施應(yīng)用換向閥以及平衡閥等控制主油路油壓，可保證油缸處于正常狀態(tài)。支撐和調(diào)斜回路的設(shè)計(jì)工作中，液壓鎖需要被合理運(yùn)用，特別是支撐回路設(shè)計(jì)，鉆機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下可能有移動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，要使用單向閥構(gòu)成液壓鎖，平臺(tái)調(diào)斜設(shè)施的主要功能就是減緩平臺(tái)振動(dòng)，也要使用單向閥構(gòu)成液壓鎖[6]。

3 動(dòng)力頭設(shè)計(jì)

3.1 工作原理

動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)要根據(jù)其將要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行，在運(yùn)行過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)快速拋土和大轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn)，需要搭配A6V馬達(dá)和A8VO變量泵，保證所需功能得到實(shí)現(xiàn)。就A8VO變量泵而言，在使用過(guò)程中輸送的流量及壓力能夠依據(jù)雙曲線的性質(zhì)，為了控制變量閥，當(dāng)恒功率維持在一定區(qū)間，流量乘以壓力的積滿(mǎn)足固定常數(shù)的性質(zhì)，能夠使功率一直固定，液壓系統(tǒng)和動(dòng)力馬達(dá)負(fù)責(zé)輸出功率的調(diào)整工作。

動(dòng)力圖液壓原理圖如圖2所示。

當(dāng)前，動(dòng)力頭的設(shè)置可以自動(dòng)調(diào)節(jié)精準(zhǔn)變化鉆進(jìn)速度和轉(zhuǎn)矩，按照灌注樁所處位置的不同土質(zhì)自動(dòng)變換[7]。運(yùn)行狀態(tài)下，可以保持相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，變量馬達(dá)和變量泵在相互輔助的過(guò)程中，如果少量給油，會(huì)讓變量馬達(dá)出現(xiàn)減速，轉(zhuǎn)矩加大，輸出液壓油，出現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩鉆進(jìn)狀態(tài);如果轉(zhuǎn)矩減小、速度提高，會(huì)出現(xiàn)快速拋土狀態(tài)，根據(jù)施工過(guò)程的需求，動(dòng)力頭切換狀態(tài)，運(yùn)用單雙泵的給油方式，使轉(zhuǎn)速管控范圍保持在6 r/min～22 r/min，轉(zhuǎn)矩輸出最大值為200 kN·m，拋土速度為130 r/min。

3.2 工作步驟

動(dòng)力頭液壓馬達(dá)由油箱、補(bǔ)油閥、主閥及液壓馬達(dá)構(gòu)成。動(dòng)力頭的工作流程：確定打孔的具體位置，使旋挖鉆機(jī)鉆頭和打孔位置對(duì)應(yīng)，借助換向閥的換向能力，把加壓活塞桿推至動(dòng)力頭。

上述流程結(jié)束后，當(dāng)控制閥M8保持換向，把主泵的液壓油順利送至液壓馬達(dá)，流入液壓馬達(dá)A6V的液壓油通過(guò)回轉(zhuǎn)機(jī)和減速機(jī)，利用馬達(dá)產(chǎn)生動(dòng)力，此動(dòng)力促使鉆頭準(zhǔn)確鉆進(jìn)，結(jié)合鉆桿的重力作用。按照上述操作流程可以避免鉆進(jìn)時(shí)由于土質(zhì)變化產(chǎn)生的問(wèn)題，如果遇硬土層轉(zhuǎn)變?yōu)檐浲翆訒r(shí)出現(xiàn)吸空情況，防止馬達(dá)持續(xù)保持超速運(yùn)行[8]。

4 主卷?yè)P(yáng)設(shè)計(jì)

主卷?yè)P(yáng)設(shè)計(jì)要考慮液壓馬達(dá)的功能，配備平衡閥、梭閥、自由下放閥、控制油箱等，雙速控制能夠達(dá)到預(yù)期效果，下放以及提升鉆桿的過(guò)程更加理想。此結(jié)構(gòu)是由液壓先導(dǎo)成為控制模式，依照鉆進(jìn)要求實(shí)現(xiàn)自由浮動(dòng)。

實(shí)際工作中，相關(guān)工作人員操作手柄，主卷?yè)P(yáng)和M8閥的接通由先導(dǎo)手柄控制，調(diào)節(jié)方向，主卷?yè)P(yáng)提升說(shuō)明馬達(dá)B腔順利完成進(jìn)油。在此工作狀態(tài)下，要保證主卷?yè)P(yáng)保持下放狀態(tài)，相關(guān)人員變換方向，操作主卷?yè)P(yáng)，并啟動(dòng)馬達(dá)制動(dòng)器作業(yè)，連通馬達(dá)A、B腔，利用鉆桿和鉆頭的重力作用完成下放。副卷?yè)P(yáng)的功能與主卷?yè)P(yáng)基本一致，另外附加了下鋼筋籠和吊裝護(hù)筒的功能[9]。

5 保障設(shè)計(jì)工作高效科學(xué)的措施

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城區(qū)建設(shè)成為市政工程的主要工作，不僅要注意設(shè)計(jì)情況，而且要積極投入大量的高科技專(zhuān)業(yè)人才，判斷其技術(shù)能力與對(duì)應(yīng)施工水平，為優(yōu)秀技術(shù)人員的發(fā)展提供最大限度的支持。增加設(shè)立研究院，與設(shè)計(jì)院一起考察研究相關(guān)工作人員設(shè)計(jì)的鉆機(jī)設(shè)備能否滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)工作的要求。

作為一種經(jīng)常用于道路、橋梁、碼頭施工當(dāng)中的重要機(jī)械設(shè)備，旋挖鉆機(jī)的具體作用顯而易見(jiàn)。因此，要根據(jù)現(xiàn)實(shí)的工作要求，做好運(yùn)行實(shí)踐和檢驗(yàn)任務(wù)，與相關(guān)專(zhuān)家一起，研究?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)中存在的不足之處，提高現(xiàn)實(shí)運(yùn)行過(guò)程中的工作質(zhì)量[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

多功能全液壓旋挖鉆機(jī)是利用回轉(zhuǎn)斗、短螺旋鉆頭或其他工作設(shè)備，依次取土，反復(fù)循環(huán)作業(yè)成孔，是最基礎(chǔ)的建筑樁施工機(jī)械設(shè)備。鉆機(jī)能完成工作的重要部分是主卷?yè)P(yáng)液壓系統(tǒng)以及動(dòng)力頭液壓系統(tǒng)。同時(shí)，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面要持續(xù)深化，依次從整機(jī)系統(tǒng)再到系統(tǒng)各個(gè)子項(xiàng)目的方法改善設(shè)計(jì)內(nèi)容，最后畫(huà)出設(shè)計(jì)圖，相關(guān)人員要根據(jù)設(shè)計(jì)圖判斷這一系統(tǒng)是否符合科學(xué)性，能否完成現(xiàn)實(shí)工作中的工作要求，進(jìn)一步推動(dòng)施工質(zhì)量和效率，對(duì)實(shí)際操作和行業(yè)發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。

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