摘要
针对国内山地信号塔基桩孔单纯依靠人工通过水磨钻结合风镐破碎,耗时久,而且危险系数大,所以市场急需一种能够减轻人工劳动强度,安全系数高,开孔破碎速度快,适合人工搬运、可拆卸的设备。目前常用的平地基桩开孔设备主要有:竖井钻机、反井钻机和竖井掘进机等,这些设备质量及外形尺寸大,搬运困难,对复杂地形和山地条件适应性差。根据以上现状,研发了一款YXW-2000型液压铣轮机,该设备结构布置合理,功能齐全,它能有效地改善山地基桩孔施工的机械化程度,降低工人劳动强度,提高设备运行的安全性。本文主要介绍液压铣轮机的主要技术参数、结构布局特点及液压系统。经试验表明,YXW-2000型液压铣轮机能满足钻孔施工的机械化需求,可解体性好,搬运方便,具有良好的应用前景。
近年来我国的通信工程飞速发展,信号塔随处可见。截至2018年底,我国拥有大约200万个通讯铁塔,遍布全国31个省、直辖市及自治
而目前的基桩孔设备主要在重量和效率两方面不够完善,如今的桩基孔成孔设备如竖井钻机、反井钻机和竖井掘进机等都较为笨重,用于施工大直径钻孔的设备动辄几十吨甚至几百吨,且爬坡能力较弱,很难实现利用人工携带上山,必须要借助其他的大型设备和额外的人工劳
据调查,迄今为止的大直径山地桩基孔主要是靠人工作业,由于钻孔直径在2 m左右,深度在6~20 m。单纯依靠人工通过水磨钻或风镐破碎耗时久,且危险系数大。所以现急需研发一种能够减少工人劳动强度,开孔破碎速度快,可以一次使钻孔成型,无需二次耗费人工,并且适合人工搬运的可拆卸的设
针对硬地层大口径山地桩基孔成孔的现状,研制了一款YXW-2000型液压铣轮机,该设备可以拆解为质量<100 kg的单个部件,方便提携,易于运输,极适合山岭地带的大口径钻孔。且此设备可开口直径大,破碎速度快,效率较高,无需人工二次挖掘,降低施工强度。本文主要介绍YXW-2000型液压铣轮机的技术参数、机械结构、工作原理及液压操作系统。
鉴于目前施工条件,综合国内外桩基孔成孔设备的特点,同时考虑了设备的解体、搬运及组装性能。铣轮机动力采用液压传动,保证大扭矩、低转速输出,配备液压蓄能器,设备抗冲击性能强、系统过载自动保护。整机分为主机、动作站、操作台3大部分,各部分之间用高压软管连接,便于施工现场布置和搬迁运输,操作方便直观。主机采用可拆解式模块化设计,合理选用工业材料,保证拆解单件质量≯100 kg。设备配备辅助斗提清扫机构,方便物料收集。整机结构布置合理,可操作性强,施工钻孔效率高,机动灵活,大大降低了人工劳动强度,同时提高了整体施工过程的安全性。
YXW-2000型液压铣轮机重点解决了桩基孔成孔设备的结构布置、液压系统、施工工艺等关键技术问题。根据桩基孔成孔实际工艺需求,经过多方面对比分析,确定铣轮机的主要技术参数如
1 | 公转参数 | 转速/(r·mi | 25 |
---|---|---|---|
额定转矩/(N·m) | 10000 | ||
2 | 使用条件 | 桩孔直径/m | 2 |
桩孔深度/m | 20 | ||
3 | 给进参数 | 给进行程/mm | 300 |
给进力/kN | 90 | ||
4 | 滑移参数 | 滑移行程/mm | 300 |
滑动力/kN | 90 | ||
5 | 自转参数 |
回转速度/(r·mi | 0~1 |
6 | 锚固参数 | 锚固数量/个 | 8 |
锚固力/kN | 75 | ||
7 | 电动机 | 额定功率/kW | 55 |
8 | 液压系统 | 主泵工作压力/MPa | 20 |
副泵工作压力/MPa | 18 | ||
小泵工作压力/MPa | 10 | ||
主泵额定排量/(mL· | 80 | ||
副泵额定排量/(mL· | 10 | ||
小泵额定排量/(mL· | 4.25 | ||
主马达额定排量/(mL· | 200 | ||
回转马达额定排量/(mL· | 1700 | ||
油箱有效容积/L | 350 | ||
9 | 外形尺寸 | 主机(长×宽×高)/mm | 1830×1830×2480 |
动力站(长×宽×高)/mm | 1550×1100×1030 | ||
操作台(长×宽×高)/mm | 850×550×1050 | ||
10 | 设备质量 | 主机/kg | 3590 |
动力站/kg | 760 | ||
操作台/kg | 350 |
YXW-2000型液压铣轮机采用分组布置模式,整机共分主机、动力站、操作台3大部件,各部件之间采用高压胶管连
YXW-2000型液压铣轮机主机由上平台、下平台、回转机构、截割头、给进油缸、导向机构、提料机构和辅助吊装等组成(如
图1 YXW-2000型液压铣轮机主机结构示意
Fig.1 Structural diagram of YXW-2000 hydromill
主机通过上、下平台侧方支撑油缸固定支撑于基坑内,上、下平台之间设置有导向机构, 通过导向机构实现上、下平台平行上、下移动,最大行程可以达到300 mm。
截割头是由液压马达经2级行星齿轮减速及3级直齿轮减速输出,带动左右截割头实现低速、大扭矩旋转切割。减速器齿轮油采用工业闭式齿轮油L-CKC 220(GB 5903-2011),配置油标、排气阀及放油堵头。
液压铣轮机的旋挖切割是由左、右截割头来执行,左截割头螺旋线右旋布置,右截割头螺旋线左旋布置。截割头安装于减速器输出轴两端,采用花键连接,拆解、更换方便。截割头截齿采用高耐磨自旋截齿,具有高耐磨性及抗冲击等特点。
液压铣轮机的给进靠两个给进油缸推动来执行,通过控制液压给进压力,实现铣轮机加压、减压截割。
液压铣轮机的回转由液压回转装置带动液压回转支承实现±360°回转,通过控制液压回转压力,实现铣轮机加压回转截割。回转机构设置有限位机构,实现可靠机械定位。
液压铣轮机配置滑移油缸,实现左右滑移。滑移油缸带动截割头在不同位置截割,滑移一次定位完成,一个工作面滑移一次实现全工作面截割。
液压铣轮机的物料清理由提料机构配合料筒实现。通过卷扬装置连接料筒,配合辅助吊装支架,在工作周期内分批次提升物料,实现物料有效清理。
综上所述,YXW-2000型液压铣轮机通过截割头自转与回转机构公转,实现局部、分层截割,截割效率高。同时铣轮机主机每个模块都可以单独拆卸,单件质量轻,搬迁运输方便。
考虑YXW-2000型液压铣轮机的使用安全性、经济性及可操作性,液压系统采用双泵供油的开式循环系
铣轮机液压操作系统主油泵为设备截割头回转马达动力源,副油泵为给进及支撑油缸、滑移油缸、液压回转装置提供供油动力,液压系统工作原理如
图2 液压系统原理
Fig.2 Schematic diagram of the hydraulic system
1—电机;2—油泵;3—副油泵;4—油箱;5、7—截止阀;6、8—吸油过滤器;9—液位液温计;10—空气滤芯器;11—回油过滤器;12—冷却器;13—副泵压力表;14—主泵压力表;15—多路换向阀;16—主马达;17—回油压力表;18—多路换向阀;19—多路换向阀;20—给进压力表;21—平衡阀;22—单向减压阀;23—给进油缸;24—回转马达;25—刮板油缸;26—单向节流阀;27—滑移油缸;28—抓斗油缸;29—上支撑;30—下支撑;31—蓄能器;32—梭阀;33—回转压力表;34—给进背压表
电动机启动后,主油泵2经过滤器6吸入低压油,输出高压油,经过蓄能器31,进入多路换向阀15,多路换向阀15控制马达的正、反转及停止。
副油泵3经过滤器8吸入低压油,输出高压油进入多路换向阀18,操作多路换向阀18第一个手柄控制设备给进油缸23给进、起拔功能;操作多路换向阀18第二个手柄控制液压回转马达24回转;操作多路换向阀18第三个手柄控制滑移油缸27,实现截割头不同位置截割;操作多路换向阀18第四个手柄控制抓斗油缸28,实现物料抓取。
回转油路串联刮板油缸,实现铣轮机截割头回转时,左、右刮板自动切换刮取物料。
多路换向阀18的过桥油路进入操作多路换向阀19,操作多路换向阀19第一个手柄,控制上平台油缸29支撑与松开;操作多路换向阀19第二个手柄,控制下平台油缸30支撑与松开。
在给进油缸油路中串联有减压阀22和平衡阀21。调节减压阀手轮,按标牌指示方向,能实现给进压力的调大与调小。调节平衡阀螺钉,能防止设备在自重力作用下滑落。
在液压回转装置油路中串联有正转、反转减压阀。调节减压阀手轮,按标牌指示方向,能实现正转、反转压力的调大与调小。
在滑移油缸油路中串联有单向节流阀26。调节单向节流阀,按箭头指示方向,能实现滑移油缸的滑移速度控制。
为了实现YXW-2000型液压铣轮机的可操作性,结合液压控制原理,其施工工艺流程如
(1)开机。
(2)下平台支撑油缸支撑,中心找正。
(3)上平台支撑油缸松开。
(4)给进油缸起拔至极限位置。
(5)上平台支撑油缸支撑。
(6)下平台支撑油缸松开。
(7)滑移油缸将截割头运行至基坑外圆。
(8)截割头正转。
(9)给进油缸给进,按现场实际岩石硬度条件,随时调节给进压力,给进30~50 mm,下平台支撑油缸支撑。
(10)液压回转装置正转,按现场实际岩石硬度条件,随时调节回转压力,完成360°截割。
(11)至360°限位位置,停止回转。滑移油缸将截割头拉至基坑中间位置。注意:此步骤也可以采用先将下平台支撑油缸松开,退回35~50 mm,再移动滑移油缸将截割头拉至基坑中间位置,然后步骤(8)接续。
(12)液压回转装置反转,按现场实际岩石硬度条件,随时调节回转压力,完成360°截割。
(13)至360°限位位置,停止回转。
(14)完成基坑一层截割。
(15)重复(6)~(13)实现一层一层往下截割。
(16)在完成几个层次截割后,设备停至运转,使用卷扬将物料通过提料桶提升至地面。
(17)完成一个给进油缸行程,回至步骤(2)接续。
(18)最终完成实际要求基坑深度。
综上所述,YXW-2000型液压铣轮机施工工艺流程简单,工艺适应性、可操作性强,操作省力、安全可靠。
YXW-2000型液压铣轮机试制完成后,在我公司的萧山工业园区进行试验,分别对不同型号水泥基坑进行了试验(如
图3 YXW-2000型液压铣轮机现场测试
Fig.3 Field test of YXW-2000 hydromill
水泥型号 | 单层截割深度/mm | 单层截割时间/min |
---|---|---|
C30 | 30 | 8 |
C30 | 50 | 10 |
C50 | 30 | 10 |
C50 | 50 | 12 |
C60 | 30 | 15 |
C60 | 50 | 20 |
测试结果表明,该铣轮机截割效率高,定位、移机方便,物料收取可靠、提升方便,扭矩、转速、回转、给进、滑移等主要技术指标满足设计要求。
2021年3月,YXW-2000型液压铣轮机在浙江丽水进行了测试(如
图4 YXW-2000型液压铣轮机现场测试
Fig.4 Field test of YXW-2000 hydromill
针对国内山地信号塔基桩孔单纯依靠人工开挖存在的问题,研制了YXW-2000型液压铣轮机,该设备旋挖扭矩大,转速、给进、回转、滑移等参数设计合理,开挖效率高,施工工艺方便,主机模块化设计合理,移机、搬运方便,液压系统操作性强,系统传动简单,维修方便。该设备的研制成功,提高了山地基桩孔开挖的整体技术水平,同时提升了基坑开挖的经济效益和社会效益。
参考文献(References)
鲁先龙,程永锋.我国输电线路基础工程现状与展望[J].电力建设,2005,26(11):25-27,34. [百度学术]
LU Xianlong, CHENG Yongfeng. Current status and prospect of transmission tower foundation engineering in China[J]. Electric Power Construction, 2005,26(11):25-27,34. [百度学术]
方月舵,郑卫锋,叶超,等.输电线路岩石嵌固基础选型及施工技术研究[J].电力勘测设计,2017(5):10-14. [百度学术]
FANG Yueduo, ZHENG Weifeng, YE Chao, et al. Type selection and construction technology of rock embedded foundation in transmission line[J]. Electric Power Survey & Design, 2017(5):10-14. [百度学术]
蔡连杰.大型竖井钻机主动式导向器研究[D].淮南:安徽理工大学,2013. [百度学术]
CAI Lianjie. Research on active guiding device of large shaft drill[D]. Huainan: Anhui University of technology, 2013. [百度学术]
刘志强,甘文鸿.反井钻机技术与地下工程开发[J].地下空间,1999,19(4):425-428. [百度学术]
LIU Zhiqiang, GAN Wenhong. Raise boring machine technology and underground engineering development[J]. Underground Space. 1999,19(4):425-428. [百度学术]
牛庆磊,吕永亮,贾炜,等.旋挖钻机配套集束式潜孔锤硬岩施工方法研究[J].探矿工程(岩土钻掘程),2015,42(12):57-60. [百度学术]
NIU Qinglei, LÜ Yongliang, JIA Wei, et al. Study on hard rock drilling construction by rotary drilling rig matched with cluster DTH hammer[J]. Exploration Engineering (Rock & Solid Drilling and Tunneling), 2015,42(12):57-60. [百度学术]
张化民.大口径旋挖碎岩机理研究及钻具设计[D].成都:成都理工大学,2013. [百度学术]
ZHANG Huamin. Large diameter rotary drilling rock fragmentation mechanism research and drilling tool design[D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2013. [百度学术]
徐用超.输电线路岩石基础开挖方法的比较[J].建筑工程技术与设计,2017(20):1445-1446. [百度学术]
XU Yongchao. Comparison of excavation methods for rock foundation of transmission line[J]. Architectural Engineering Technology and Design, 2017(20):1445-1446. [百度学术]
陈长生.水磨钻机开挖输电线路岩石基础[J].城市建设理论研究(电子版),2015(7):1121-1122. [百度学术]
CHEN Changsheng. Excavation of transmission line rock foundation with water mill drill[J]. Theoretical Research on Urban Construction (Electronic Version), 2015(7):1121-1122. [百度学术]
高进军.水磨钻人工挖孔施工技术的应用[J].浙江建筑,2015(2):23-26. [百度学术]
GAO Jinjun. Application of the construction technology of hand‑dugging by water‑mill drilling[J]. Zhejiang Construction, 2015(2):23-26. [百度学术]
陈礼仪,宋刚,于好善,等.动静组合加载下刀具破岩的力学模型[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(2):15-18. [百度学术]
CHEN Liyi, SONG Gang, YU Haoshan, et al. Mechanical analysis on rock fragmentation under combined static and dynamic loading[J]. Exploration Engineering (Rock & Solid drilling and Tunneling), 2013,40(2):15-18. [百度学术]
张祖培,刘宝昌.碎岩工程学[M].北京:地质出版社,2004. [百度学术]
ZHANG Zupei, LIU Baochang. Rock Crushing Engineering[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2004. [百度学术]
徐小荷,余静.岩石破碎学[M].北京:煤炭工业出版社,1981:20-45. [百度学术]
XU Xiaohe, YU Jing. Rock Fragmentation[M]. Beijing: Coal Industry Press, 1981:20-45. [百度学术]
闻邦椿.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,2010:100-200. [百度学术]
WEN Bangchun. Mechanical Design Manual[M]. Beijing: China Machine Press, 2010:100-200. [百度学术]
江耕华.机械传动设计手册(上下册)[M].北京:煤炭工业出版社,1992:35-75. [百度学术]
JIANG Genghua. Mechanical Transmission Design Manual (Volume One and Volume Two)[M]. Beijing: Coal Industry Press, 1992:35-75. [百度学术]
许贤良.液压传动[M].北京:国防工业出版社,2011:27-35. [百度学术]
XU Xianliang. Hydraulic Transmission[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2011:27-35. [百度学术]
何存兴.液压元件[M].北京:机械工业出版社,1982:15-35. [百度学术]
HE Cunxing. Hydraulic Components[M]. Beijing: China Machine Press, 1982:15-35. [百度学术]
臧克江.液压缸[M].北京:化学工业出版社,2010:50-80. [百度学术]
ZANG Kejiang. Hydraulic Cylinder[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010:50-80. [百度学术]
雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:机械工业出版社,1998:125-300. [百度学术]
LEI Tianjue. New Handbook of Hydraulic Engineering[M]. Beijing: China Machine Press, 1998:125-300. [百度学术]
刘家荣.复杂地层桩孔钻进工艺及机具研究[D].北京:中国地质大学(北京),2010. [百度学术]
LIU Jiarong. Research on pile hole drilling technology and tools in complex strata[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2010. [百度学术]