董 杰,范榮全2,賀 前3,王 杰,李何鈺秋

(1. 四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610065；2. 國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，四川 成都 610041；3. 國網(wǎng)四川省電力公司達(dá)州供電公司, 四川 達(dá)州 635000)

0 引 言

由于受地形限制，傳統(tǒng)山區(qū)輸電線路樁基成孔裝備體積大、質(zhì)量重，難以快速上山轉(zhuǎn)運(yùn)，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工[1]。為滿足大型成孔設(shè)備通行條件，往往采用新建臨時道路與搭建索道系統(tǒng)等手段，造價非常高。對于大型旋挖鉆機(jī)無法進(jìn)入現(xiàn)場的黏土及巖石地基塔位，一般推薦采用微型樁基礎(chǔ)。微型樁基礎(chǔ)是由多個微型單樁共同承力組成的群樁基礎(chǔ)。在輸電線路桿塔基礎(chǔ)施工中，樁基成孔機(jī)械化率較低，不到50%。山地地區(qū)微型樁通常采用人工開挖樁進(jìn)行基礎(chǔ)施工，基坑施工過程中會發(fā)生基坑坍塌等事故威脅人員安全。即使有適用于微型樁的開挖設(shè)備，微型樁基礎(chǔ)形式目前也僅有巖石錨桿基礎(chǔ)，使用條件苛刻，使用率不高[2]。

為了解決山區(qū)微型樁成孔設(shè)備運(yùn)輸?shù)耐袋c(diǎn)與難點(diǎn)，提出將微型樁成孔鉆機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)拆分為快速組裝模塊，并配有遠(yuǎn)程操作手柄以便快速拆卸與快速組裝，實(shí)現(xiàn)山區(qū)機(jī)械化作業(yè)，解決山區(qū)交通不便、運(yùn)輸困難的問題。下面對所提出的微型樁成孔鉆機(jī)的液壓進(jìn)給系統(tǒng)、遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)、底部擴(kuò)孔和清渣桶等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了現(xiàn)場成孔試驗(yàn)驗(yàn)證。所設(shè)計(jì)的鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了輸電線路基礎(chǔ)施工的機(jī)械化過程。

1 模塊化鉆機(jī)設(shè)計(jì)方案

模塊化鉆機(jī)包括螺旋鉆桿、動力頭、桅桿組件(含推進(jìn)梁、提升馬達(dá)、提升鏈條、姿態(tài)油缸)、機(jī)架組件、動力系統(tǒng)組件、液壓油箱組件、擴(kuò)孔鉆頭、孔底清渣桶及電氣控制系統(tǒng)等部分，如圖1所示。這樣將整套系統(tǒng)的質(zhì)量進(jìn)行了分解，減輕搬運(yùn)的重量，保證成孔鉆機(jī)能夠快速在復(fù)雜山區(qū)快速搬運(yùn)，在滿足施工要求的同時提高施工效率。

1.1 結(jié)構(gòu)與原理

桅桿組件推進(jìn)梁采用箱型截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，頂部采用法蘭連接方式與提升馬達(dá)底座連接；推進(jìn)梁兩側(cè)配有方形滑道作為動力頭、鉆桿上下運(yùn)動的導(dǎo)向并增加抗扭強(qiáng)度；動力頭安裝底座與推進(jìn)梁滑道之間采用耐磨聚氨酯板接觸以減少滑道摩擦力及其磨損量。推進(jìn)梁中部設(shè)有鉸支點(diǎn)與支架旋轉(zhuǎn)支撐座鉸鏈，通過擺動油缸調(diào)節(jié)推進(jìn)梁與機(jī)架的垂直度。推進(jìn)梁底部設(shè)有姿態(tài)油缸2，鉆機(jī)就位后，通過姿態(tài)油缸2支撐推進(jìn)梁以達(dá)到固定推進(jìn)梁的作用。電控系統(tǒng)包含無線遙控器、可編程控制器、觸屏及控制柜等，工作時布置在機(jī)架組件中部右側(cè)空位處，可拆卸，采用螺栓與機(jī)架固定。機(jī)架組件包括散熱器、控制閥及閥塊等；動力系統(tǒng)包括電機(jī)、油泵、聯(lián)軸器等；液壓油箱組件包括油箱、濾芯等。工作時，動力系統(tǒng)與液壓油箱組件布置在機(jī)架尾部，兼顧配重作用，可拆卸，采用螺栓與機(jī)架固定。作業(yè)時，可通過遙控器遠(yuǎn)程控制，方便作業(yè)人員在任何方位觀察鉆機(jī)進(jìn)給情況，同時可最大限度保證人身安全。

圖1 模塊化鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.2 主要性能參數(shù)

山地鉆機(jī)因交通不便的客觀條件，在滿足正常鉆孔的前提下，對質(zhì)量條件尤其關(guān)注。結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用需求，主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 模塊化鉆機(jī)主要性能參數(shù)

1.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

對于微型樁基礎(chǔ)，還考慮了傳統(tǒng)旋挖鉆機(jī)成孔和輕型模塊化鉆機(jī)成孔兩種施工設(shè)備之間的價格差異。較輕型模塊化鉆機(jī)，傳統(tǒng)旋挖鉆機(jī)需要計(jì)列施工道路修筑費(fèi)用和設(shè)備進(jìn)場費(fèi)用。費(fèi)用計(jì)算中包括1基鐵塔對應(yīng)的4個基礎(chǔ)的費(fèi)用；采用大型旋挖機(jī)，需要計(jì)列施工道路(500 m)修筑費(fèi)用；人工挖孔樁基礎(chǔ)材料量保護(hù)護(hù)壁混凝土量。具體計(jì)算情況如表2所示。

表2 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)算

相比人工挖孔樁，采用微型樁基礎(chǔ)能節(jié)約基礎(chǔ)混凝土量，基礎(chǔ)綜合造價能夠節(jié)約4%左右。而微型樁基礎(chǔ)施工采用輕型模塊化鉆機(jī)，相比傳統(tǒng)旋挖鉆機(jī)，節(jié)約了修筑施工道路費(fèi)用和設(shè)備進(jìn)場費(fèi)用，基礎(chǔ)綜合造價能可節(jié)約5%～8%。

2 鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 液壓系統(tǒng)

2.1.1 液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、穩(wěn)定支撐的特點(diǎn)[3]。在設(shè)計(jì)鉆機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中，姿態(tài)油缸須在承受工作載荷中保持液壓斷電不泄壓；動力頭、提升馬達(dá)須在退鉆、空載送桿與鉆桿加接時實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)退。其中慢速增壓進(jìn)給是整體液壓設(shè)計(jì)系統(tǒng)的難點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度平穩(wěn)及無級調(diào)速。進(jìn)給系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 進(jìn)給系統(tǒng)液壓原理

模塊化鉆機(jī)采用單泵系統(tǒng)，利用電液比例流量分配來實(shí)現(xiàn)速度的無級調(diào)節(jié)。液壓油從油泵輸出，經(jīng)過管路過濾器進(jìn)入到電液比例分配閥，分為4路，分別控制動力頭、提升馬達(dá)、姿態(tài)油缸1和姿態(tài)油缸2等4個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。動力頭提供鉆機(jī)鉆桿破巖的扭矩。提升馬達(dá)提供鉆桿向下進(jìn)給與向上提鉆的動力。姿態(tài)油缸1作為支撐鉆機(jī)桅桿豎直狀態(tài)并將桅桿橫向載荷傳遞到機(jī)架。姿態(tài)油缸2輔助支撐鉆機(jī)及桅桿的穩(wěn)定性，用來適用于山地不平整樁基地面環(huán)境。同時，為了保護(hù)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)4個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全性，須對每個機(jī)構(gòu)都設(shè)計(jì)回油節(jié)流回路與斷電鎖壓功能。

2.1.2 液壓馬達(dá)的選型

根據(jù)微型樁樁基巖層[4]與工程機(jī)械常用系統(tǒng)壓力，選擇液壓系統(tǒng)的額定壓力為17 MPa，破巖最佳旋轉(zhuǎn)速度為15 r/min，查閱液壓馬達(dá)性能表可以得到執(zhí)行馬達(dá)載荷扭矩T。根據(jù)鉆孔需要確定執(zhí)行馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，即可確定馬達(dá)的工作流量，即：

(1)

(2)

式中:V為液壓馬達(dá)排量，mL/r；T為液壓馬達(dá)的載荷扭矩，N·m；P為額定工作壓力，MPa；q為液壓馬達(dá)工作流量，L/min；n為液壓馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速，r/min。

將鉆機(jī)工作選定的參數(shù)代入式(1)計(jì)算，得到動力頭馬達(dá)的排量大致為4 L/r；再代入式(2)得到動力頭馬達(dá)工作流量約為60 L/min。根據(jù)GB/T 2347—1980《液壓泵及馬達(dá)公稱排量系列》，并綜合上述指標(biāo)參數(shù)，選擇動力頭馬達(dá)型號為YDS10000，主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 YDS10000液壓馬達(dá)主要性能參數(shù)

根據(jù)上述方法，依據(jù)提升馬達(dá)實(shí)際工作狀況，選取提升馬達(dá)型號為IY3-2450CZD120201，主要性能參數(shù)如表4所示。

表4 IY3-2450CZD120201液壓馬達(dá)主要性能參數(shù)

2.1.3 液壓泵的選型

在確定液壓泵的工作壓力時，根據(jù)安全性即工作效率考慮，一般選擇液壓泵壓力高于液壓馬達(dá)壓力的20%[5]。液壓泵關(guān)系式為

qvmax≥K·q

(3)

式中:qvmax為液壓泵的流量,L/min；K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)。

在此鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中，取K為1.1，取q為動力頭馬達(dá)工作流量75 L/min，代入式(3)，得到qvmax≥82.5 L/min。結(jié)合液壓元件樣本，綜合液壓馬達(dá)與油泵參數(shù)及價格，選擇型號為31R-PSC12N00的液壓泵，主要參數(shù)如表5所示。

表5 31R-PSC12N00液壓泵主要性能參數(shù)

2.2 電控系統(tǒng)

模塊化鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)原理如圖3所示。電控系統(tǒng)是鉆機(jī)的重要部分，由控制器、傳感器、顯示器和遙控裝置等零部件組成[6]，這些電子元器件的組合能夠極大地提升鉆機(jī)設(shè)備的自動控制、自動檢測與自我保護(hù)能力，進(jìn)而提高鉆孔效率與人員安全。

圖3 鉆機(jī)電氣控制原理

控制器主要處理數(shù)據(jù)信息，處理鉆機(jī)過程中傳感器產(chǎn)生的信號結(jié)果并發(fā)送相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)鉆進(jìn)或提鉆的控制。該鉆機(jī)采用芬蘭MKS-ECU公司的I01706型號控制器，采用鋁鑄外殼，可有效防水防震，能夠適用于山地運(yùn)輸中顛簸、潮濕等較為惡劣的環(huán)境。該控制器I/O接口具有高度擴(kuò)展性，作為鉆機(jī)中獨(dú)立的控制單元，是鉆機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成模塊。處理器提供標(biāo)準(zhǔn)的CANOpen和CAN總線接口，可以將具有獨(dú)立CAN接口的傳感器、執(zhí)行器、遙控手柄與其他設(shè)備連接到處理器的開放式I/O端口。

處理器作為電控設(shè)計(jì)核心，其32芯插座接線定義分別為鉆機(jī)的以下部件：1為動力頭正傳1A+；2為正轉(zhuǎn)1A-/0V；3為動力頭反轉(zhuǎn)；4為反轉(zhuǎn)1B-/0V；5為動力頭上升2A+；6為上升2A-/0V；7為動力頭下降2B+；8為下降2B-/0V；9為回油報(bào)警XM1.9；10為動力頭壓力XM1.10；11為動力頭轉(zhuǎn)速XM1.11；12為鏈輪轉(zhuǎn)速XM1.12；13為姿態(tài)油缸1下降；14為姿態(tài)油缸1上升；15為姿態(tài)油缸2上升；16為姿態(tài)油缸2下降；17為液壓油溫XM1.17；18為液位報(bào)警XM1.18； 20為系統(tǒng)壓力XM1.20；21為進(jìn)給壓力XM1.21；22為進(jìn)油報(bào)警XM1.22； 30為風(fēng)扇U；31為風(fēng)扇V；32為風(fēng)扇W。

智能化的監(jiān)測可視化平臺能夠有效地降低鉆機(jī)操作過程的復(fù)雜性，并提高電控系統(tǒng)的整體智能化水平[7]。系統(tǒng)采用芬蘭MSK-ECU公司的SPD-7顯示屏，可在線監(jiān)測鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的變化。鉆機(jī)處理器對動力頭轉(zhuǎn)速、壓力、下降速度、液壓油溫、液位高度、進(jìn)給壓力與下降深度等鉆機(jī)各個運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行讀取，同時利用測量技術(shù)對各個參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，利用CAN通訊協(xié)議將結(jié)果顯示給顯示屏，如圖4所示?，F(xiàn)場操作人員可通過顯示出的實(shí)時參數(shù)獲取鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)包括動力速度、下鉆速度等在內(nèi)的工作參數(shù)，也可以精準(zhǔn)定位鉆機(jī)工作過程中的故障發(fā)生位置，依據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的壽命管理與零件替換。

圖4 電控系統(tǒng)顯示屏

為增大鉆機(jī)工作過程中的安全性，鉆機(jī)可使用手動或遙控裝置。使用手動操作過程時，共有4個操作手柄，每個操作手柄均有2個方向，可以通過扳動的幅度調(diào)整相應(yīng)部件的工作快慢，如圖5所示。

圖5 鉆機(jī)姿態(tài)調(diào)整

遙控器操作和手柄操作原理一樣，操作方式可參照手動操作[8]。鉆機(jī)遙控裝置采用瑞典SCANRECO公司的CN3741，可有效實(shí)現(xiàn)對鉆機(jī)遠(yuǎn)距離操作。遙控器操作包括主泵啟動/停止、姿態(tài)油缸1伸/縮、姿態(tài)油缸2伸/縮、提升馬達(dá)正/反轉(zhuǎn)、動力頭正/反轉(zhuǎn)、姿態(tài)調(diào)整是/否鎖定、急停按鈕、遙控器電源開關(guān)按鈕，如圖6所示。遙控器“姿態(tài)調(diào)整鎖定”按鈕的設(shè)置，是為了在鉆機(jī)工作狀態(tài)時保證姿態(tài)調(diào)整油缸處于鎖死狀態(tài)，操作人員如果誤觸碰到“姿態(tài)調(diào)整油缸操作閥”，姿態(tài)調(diào)整油缸也不會移動，確保鉆機(jī)在鉆孔作業(yè)時的穩(wěn)定和安全。

圖6 鉆機(jī)遙控界面

3 現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)

在成昆鐵路甘洛南段測試微型樁模塊化鉆機(jī)的性能，并進(jìn)行了現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)，如圖7所示?，F(xiàn)場微型樁試驗(yàn)場地地層上部為第四系，由含碎石粉質(zhì)黏土和含粉質(zhì)黏土碎塊石組成；下部為基巖，為三疊系的粉砂巖、砂質(zhì)板巖等。鉆機(jī)各模塊之間大多采用銷軸與螺栓連接，組裝便利快捷。在黏土地基的鉆進(jìn)下降速度約為巖石地基的4～6倍，鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中的提升力與扭矩超過巖土地基所需的提升力和扭矩。在整個試驗(yàn)期間，鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中受到的隨機(jī)沖擊載荷與扭矩載荷不會導(dǎo)致鉆機(jī)振動大，強(qiáng)度失效等問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，該模塊化鉆機(jī)可有效提升輸電線路基礎(chǔ)機(jī)械化施工率，樁基成孔形成孔徑為300 mm、孔深為8 m的樁基孔，且孔底通過擴(kuò)孔裝備形成孔徑為500～600 mm的擴(kuò)孔樁基基底，能夠保證微型樁樁基鉆孔施工的質(zhì)量和效率。同時，在保證施工人員安全與施工質(zhì)量的前提下，節(jié)約了索道搭建與臨時道路鋪設(shè)等鉆機(jī)運(yùn)輸費(fèi)用，帶來了客觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有顯著的推廣價值[9]。

圖7 微型樁鉆機(jī)實(shí)地鉆進(jìn)試驗(yàn)

4 結(jié) 論

上面針對山區(qū)地形復(fù)雜、整體運(yùn)輸不便的客觀因素，研制了一款山區(qū)輸電線路微型樁模塊化鉆機(jī)。該鉆機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，包含液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)，綜合實(shí)現(xiàn)了模塊化鉆機(jī)的姿態(tài)調(diào)整、下鉆與退鉆等功能，可利用遙控裝置遠(yuǎn)距離操作，保證了現(xiàn)場施工安全。相對于傳統(tǒng)大型鉆機(jī)，該鉆機(jī)具有更高效和安全的就位與拆解特點(diǎn)，同時也降低了運(yùn)輸成本，具有可靠與廣闊的市場前景。

該鉆機(jī)對施工場地水平條件有一定要求，針對鉆機(jī)后續(xù)發(fā)展，將進(jìn)一步探究直徑為600 mm的樁基與傾斜的微型樁基成孔方式和設(shè)備，并結(jié)合有限元分析軟件在保證機(jī)械強(qiáng)度條件下進(jìn)一步減重。