山地輸電線路微型樁基礎(chǔ)施工機(jī)具的研究

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重要組成部分，其造價、工期和勞動消耗量在整個輸電線路工程建設(shè)中的占比都很大。據(jù)有關(guān)資料報道，特殊地質(zhì)條件下桿塔基礎(chǔ)的工程造價有時甚至?xí)^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)計深度一般比較大，直徑在800 毫米以上，基坑開挖需要大扭矩力機(jī)械裝備，其體積和重量大，難以上山。人工機(jī)具成孔目前是我國行業(yè)主要施工方式，由于市場炸藥的限制，人工掏挖基礎(chǔ)施工效率低，孔下作業(yè)安全風(fēng)險大。因此，山地機(jī)械化施工一直以來是推進(jìn)輸電線路全過程機(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，而且開方量低。微型樁基礎(chǔ)具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，降低機(jī)械扭矩力，機(jī)械裝備小型化，實現(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)是針對大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計研發(fā)的，對于機(jī)械無法到達(dá)的地段仍采用人工開挖的方法，施工危險性很高。因此，根據(jù)全過程機(jī)械化施工的未來施工發(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)，通過電流控制負(fù)載敏感閥的開口度，由于泵設(shè)置的節(jié)流口壓差一定，閥的開口改變就可以讓泵的流量自動改變以適應(yīng)閥的流量要求。同時設(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)置功率時泵自動減小流量越權(quán)負(fù)載敏感，當(dāng)壓力達(dá)到極限時直接最小排量越權(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），該閉式泵的兩個工作油口分別與液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)兩個工作油口連通；包括控制閥（3），該控制閥的兩個工作油口分別與上述變量缸的兩個工作油口連通，同時，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，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。

其中閉式泵的測壓口接壓力表，補(bǔ)油泵通過吸油濾芯（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，不是靠溢流分流來控制，做到流量與動作速度相適應(yīng)，大大提高了傳動效率和減少了發(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)油泵與吸油精密過濾器相連接。在閉式回路中的兩邊各增加一個單向閥（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。兩個單向閥實現(xiàn)低壓腔的補(bǔ)油。由于閉式泵有雙油口變量輸出，流動方向和流量都需要發(fā)生變化來實現(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)動下運(yùn)轉(zhuǎn)且控制閥動作狀態(tài)下輸出液壓油，形成一套雙油口變量輸出，實現(xiàn)在運(yùn)行過程中的變速與變向。

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)通過沖洗閥排到液壓油箱，實現(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)載敏感閥開口閥的大小與泵流量的關(guān)系近似正比，從而實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度調(diào)整。負(fù)載敏感閥的開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,通過控制電磁鐵電壓來控制閥芯不同的位置從而控制閥開口度的大小。

泵的保護(hù)控制技術(shù)鉆機(jī)的給進(jìn)動作，有時需要高速，有時需要高壓，兩者同時出現(xiàn)則為不正常的鉆進(jìn)方式。高速就需要泵流量大，同時又要保留高壓，這樣泵的功率就會大大超過實際工況功率。如果不加以控制就會出現(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)置功率時泵自動減小流量越權(quán)負(fù)載敏感，當(dāng)壓力達(dá)到極限時直接最小排量越權(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，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。當(dāng)多路閥工作時，先從執(zhí)行器得到壓力需求，并將壓力信號通過負(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，是因為其在各種工況下作了巧妙地設(shè)計，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帶有鉸接接頭的單級雙作用液壓油缸，打開旋轉(zhuǎn)連板和固定支撐固定連接支撐板之間的鎖銷。對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)連接器軸心逆時針轉(zhuǎn)至90 度位置，井架落在支撐平臺處，打開機(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)輸車開到支撐平臺處，將機(jī)械旋轉(zhuǎn)連接板與井架對接，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 動力機(jī)構(gòu)的設(shè)計

4.1 動力機(jī)構(gòu)設(shè)計

動力機(jī)構(gòu)設(shè)計，采用康明斯柴油機(jī)為動力；四個液壓支腿可獨(dú)立操作，方便調(diào)整平臺水平；鉆機(jī)動力頭回轉(zhuǎn)可配備兩種動力頭：回轉(zhuǎn)動力頭（采用低速大扭矩雙速馬達(dá)加一級減速傳遞方案，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，性能穩(wěn)定，安裝保養(yǎng)方便；動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 動力頭設(shè)計

山地微型樁多功能機(jī)具動力頭在鉆孔作業(yè)時候，既需要大扭矩鉆進(jìn)，又要快速拋土，需要頻繁的改動動力頭的旋轉(zhuǎn)速度，選用變量泵加變量馬達(dá)可滿足動力頭的這一要求，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，動力頭的輸出功率由液壓系統(tǒng)以及變量馬達(dá)自動調(diào)節(jié)，可根據(jù)不同的土壤地質(zhì)條件自動改變其扭矩和鉆進(jìn)速度工作時候，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，完成動力頭大扭矩鉆進(jìn)的動作，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，可滿足動力頭快速拋土的要求，動力頭根據(jù)實際情況可實現(xiàn)單泵供油和雙泵合流供油。為了滿足現(xiàn)場的靈活使用，設(shè)計動力頭如圖3 所示。

圖3 動力頭設(shè)計圖

4.3 動力鉆進(jìn)計算

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

4.3.1 扭矩計算

M-動力頭扭矩；

I-齒輪速比2.28；

P-系統(tǒng)壓力21Mpa；

Q-馬達(dá)排量 490ml/r 2 個；

M=2.28x21x490x2/2/3.14=7470N.m；

設(shè)計要求7000 N.m；

快擋時一個馬達(dá)工作；

M1=M/2=3735。

4.3.2 轉(zhuǎn)速計算

n-動力頭轉(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1 個馬達(dá)工作；

N2=2n=102rpm。

4.4 動力提升

為了滿足設(shè)計要求，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