全液壓旋挖鉆機液壓系統(tǒng)設(shè)計分析

劉暢

摘 要：道路橋梁的地基施工成孔作業(yè)過程中，一般用到的全液壓旋挖鉆機的動力輸出扭矩范圍是180 kN·m～220 kN·m，施工中運用到的鉆機在不斷優(yōu)化更新下基本可以滿足施工的質(zhì)量要求和工程進度，對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)，以動力輸出扭矩為180 kN·m～220 kN·m的全液壓旋挖鉆機為參考，對全液壓旋挖鉆機中液壓系統(tǒng)的整體設(shè)計，以及鉆機的具體運行原理實施研究探索并進行設(shè)計分析。

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

中圖分類號：TH17 文獻標識碼：A 文章編號：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，旋挖鉆機因其污染少、效率高、功能強等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于碼頭、橋梁以及道路施工，目前市場上常見的旋挖鉆機機型為180 kN·m～220 kN·m類鉆機，因此，文章針對180 kN·m～220 kN·m的旋挖鉆機展開了進一步闡述與研究。

全液壓旋挖鉆機主要由行走底盤、立柱、駕駛室、上下夾持器、立柱滑架、副塔、油箱、動力單元、機架、動力頭等構(gòu)成。連接各部件時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

全液壓旋挖鉆機通常是應(yīng)用全液壓控制，液壓系統(tǒng)主要包括行走、鉆進、輔助及運輸系統(tǒng)。負責鉆機行走的是行走系統(tǒng)，通過液壓控制實現(xiàn)鉆機帶荷載行走及轉(zhuǎn)彎，需要兩個履帶分步行走，鉆機兩側(cè)履帶要使用獨立的液壓系統(tǒng)控制。鉆機在工作中所需動能以及鉆桿鉆進所需動能全部由鉆進系統(tǒng)負責，鉆機在鉆進過程中會遇到較大的阻力，因此，鉆機需要強而有力的動力，鉆桿同樣需要強大的推進力，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)下需要相當大的油液量，且前進速度比較慢，對鉆機機身的穩(wěn)定性提出了較高的要求。

液壓系統(tǒng)回路設(shè)計要被設(shè)置成節(jié)流調(diào)速回路，鉆機改變鉆進方向主要借助擺動液壓系統(tǒng)實現(xiàn)。針對鉆進系統(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)計成斜軸式變量雙泵，型號是A8VO，加上輔助泵，配備M8和M4閥形成控制元件，通過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)正常運行，提高伺服閥的實用性。

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

液壓控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于全液壓旋挖鉆機，對鉆機發(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，主油路負責鉆頭在不同的環(huán)境中達到預(yù)期運行狀態(tài)，輔油路則幫助鉆機完成推進、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)計工作運用設(shè)計原理是：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P1*、P2*兩個閥口，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入后適時返回油箱內(nèi)的前提條件。一般情況下，主閥能夠同時管控數(shù)個執(zhí)行元件，但在部分系統(tǒng)中，主閥只能單獨控制其中一個執(zhí)行元件，由此實現(xiàn)執(zhí)行復合動作的功能，進一步確保主卷揚閥的內(nèi)部合流，以及動力頭的各類功能之間相互補充和配合。

對此，相關(guān)工作人員首先要構(gòu)成設(shè)計原理回路，設(shè)計圖顯示，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P1*閥的液壓油流回油箱，通過二位二液控換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，動力頭主閥和控制油箱接通，同時在獲得二位二液控換向閥的換向支持后，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*閥的來油相互融合后，匯入動力頭閥內(nèi)，流入單向閥，再一起流入動力頭馬達。在壓力持續(xù)平穩(wěn)的情況下，動力頭馬達的油流量快速提高。在保障此工作原理及技術(shù)運用的過程中，展示馬達的作用，達到持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

設(shè)計M8閥時，特別設(shè)計了安全閥，作為保護液壓油的入口，連同多種閥，在達到執(zhí)行元件基礎(chǔ)需求時，還要補油及過載檢測功能。因此，要設(shè)置補油閥和過載閥，油口位置設(shè)置在閥體正反面，根據(jù)實際設(shè)計出實體結(jié)構(gòu)，有利于其他對應(yīng)管道及后期安裝過程更加簡便快捷[1]。

2.2 M4閥

M4閥設(shè)計工作運用的設(shè)計原理是：負荷傳感，運用六聯(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，以此實現(xiàn)比例控制的功能。M4閥設(shè)計中，還要考慮液壓泵與執(zhí)行元件的壓力狀況，對照壓力的變化狀況，設(shè)置補償閥調(diào)整壓力，保證在實際使用過程中即使發(fā)生負載等問題，也不會影響原本執(zhí)行元件中的液壓油，能夠持續(xù)以原來的流量通過，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

全液壓旋挖鉆機的行走功能要通過液壓系統(tǒng)獨立管控左右兩邊履帶，一般會在采用內(nèi)藏式液壓馬達，以此實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩大、體積小的功能。由左右操縱桿實現(xiàn)管控，在手動操縱閥的操作下，主油路的壓力油順利流入馬達，為鉆機機身提供動能，進而完成前進任務(wù)，而鉆機機身的前進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，在使用過程中增強鉆機穩(wěn)定性，并進一步提高鉆機操作安全性[3]。

2.4 鉆桿驅(qū)動回路

采用電液換向閥管控主油路的同時驅(qū)使馬達旋轉(zhuǎn)，在鉆桿和馬達的中間安裝減速閥后能夠為鉆桿提供力矩，可以保證鉆桿轉(zhuǎn)動。使用電磁換向閥改變方向后，馬達的旋轉(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)計思路，可以向主泵反饋滿足鉆桿工作狀態(tài)時需要的油量信息，在此前提條件下，完成對主泵的排量的有效監(jiān)管[4]。

2.5 鉆桿鉆進及運輸回路

鉆桿運行的主要動力來自液壓缸，主油路的液壓油流入手動換向閥，又流入調(diào)速閥，經(jīng)過先導順序閥的分配，之后流入油缸內(nèi)部，最后為鉆桿運行提供動力。這里手動換向閥控制鉆桿的前進和后退，鉆桿的前進及后退速度通過調(diào)速閥實施管控。

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

2.6 平臺支撐與調(diào)斜回路

在施工過程中，由于地理或振動因素，鉆機容易發(fā)生移位現(xiàn)象，所以，要在鉆進時做好固定，在巷道兩邊使用設(shè)備準備的支撐油缸，需要單向閥的液壓鎖發(fā)揮作用達到固定目的。這樣只是對鉆機的固定，無法應(yīng)對現(xiàn)實操作過程中出現(xiàn)的復雜工況，雖然支撐油缸有一定支撐，但是會受到較大振動的影響，因此，要具備相應(yīng)的平臺調(diào)斜設(shè)施以此實現(xiàn)減緩平臺振動。

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)計工作中，液壓鎖需要被合理運用，特別是支撐回路設(shè)計，鉆機在運行狀態(tài)下可能有移動的風險，要使用單向閥構(gòu)成液壓鎖，平臺調(diào)斜設(shè)施的主要功能就是減緩平臺振動，也要使用單向閥構(gòu)成液壓鎖[6]。

3 動力頭設(shè)計

3.1 工作原理

動力頭的設(shè)計要根據(jù)其將要實現(xiàn)的功能進行，在運行過程中，為實現(xiàn)快速拋土和大轉(zhuǎn)矩鉆進，需要搭配A6V馬達和A8VO變量泵，保證所需功能得到實現(xiàn)。就A8VO變量泵而言，在使用過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，當恒功率維持在一定區(qū)間，流量乘以壓力的積滿足固定常數(shù)的性質(zhì)，能夠使功率一直固定，液壓系統(tǒng)和動力馬達負責輸出功率的調(diào)整工作。

動力圖液壓原理圖如圖2所示。

當前，動力頭的設(shè)置可以自動調(diào)節(jié)精準變化鉆進速度和轉(zhuǎn)矩，按照灌注樁所處位置的不同土質(zhì)自動變換[7]。運行狀態(tài)下，可以保持相對穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，變量馬達和變量泵在相互輔助的過程中，如果少量給油，會讓變量馬達出現(xiàn)減速，轉(zhuǎn)矩加大，輸出液壓油，出現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩鉆進狀態(tài);如果轉(zhuǎn)矩減小、速度提高，會出現(xiàn)快速拋土狀態(tài)，根據(jù)施工過程的需求，動力頭切換狀態(tài)，運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

動力頭液壓馬達由油箱、補油閥、主閥及液壓馬達構(gòu)成。動力頭的工作流程：確定打孔的具體位置，使旋挖鉆機鉆頭和打孔位置對應(yīng)，借助換向閥的換向能力，把加壓活塞桿推至動力頭。

上述流程結(jié)束后，當控制閥M8保持換向，把主泵的液壓油順利送至液壓馬達，流入液壓馬達A6V的液壓油通過回轉(zhuǎn)機和減速機，利用馬達產(chǎn)生動力，此動力促使鉆頭準確鉆進，結(jié)合鉆桿的重力作用。按照上述操作流程可以避免鉆進時由于土質(zhì)變化產(chǎn)生的問題，如果遇硬土層轉(zhuǎn)變?yōu)檐浲翆訒r出現(xiàn)吸空情況，防止馬達持續(xù)保持超速運行[8]。

4 主卷揚設(shè)計

主卷揚設(shè)計要考慮液壓馬達的功能，配備平衡閥、梭閥、自由下放閥、控制油箱等，雙速控制能夠達到預(yù)期效果，下放以及提升鉆桿的過程更加理想。此結(jié)構(gòu)是由液壓先導成為控制模式，依照鉆進要求實現(xiàn)自由浮動。

實際工作中，相關(guān)工作人員操作手柄，主卷揚和M8閥的接通由先導手柄控制，調(diào)節(jié)方向，主卷揚提升說明馬達B腔順利完成進油。在此工作狀態(tài)下，要保證主卷揚保持下放狀態(tài)，相關(guān)人員變換方向，操作主卷揚，并啟動馬達制動器作業(yè)，連通馬達A、B腔，利用鉆桿和鉆頭的重力作用完成下放。副卷揚的功能與主卷揚基本一致，另外附加了下鋼筋籠和吊裝護筒的功能[9]。

5 保障設(shè)計工作高效科學的措施

隨著社會的不斷發(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)計情況，而且要積極投入大量的高科技專業(yè)人才，判斷其技術(shù)能力與對應(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)計院一起考察研究相關(guān)工作人員設(shè)計的鉆機設(shè)備能否滿足現(xiàn)實工作的要求。

作為一種經(jīng)常用于道路、橋梁、碼頭施工當中的重要機械設(shè)備，旋挖鉆機的具體作用顯而易見。因此，要根據(jù)現(xiàn)實的工作要求，做好運行實踐和檢驗任務(wù)，與相關(guān)專家一起，研究優(yōu)化設(shè)計中存在的不足之處，提高現(xiàn)實運行過程中的工作質(zhì)量[10]。

6 結(jié)語

多功能全液壓旋挖鉆機是利用回轉(zhuǎn)斗、短螺旋鉆頭或其他工作設(shè)備，依次取土，反復循環(huán)作業(yè)成孔，是最基礎(chǔ)的建筑樁施工機械設(shè)備。鉆機能完成工作的重要部分是主卷揚液壓系統(tǒng)以及動力頭液壓系統(tǒng)。同時，在液壓系統(tǒng)設(shè)計方面要持續(xù)深化，依次從整機系統(tǒng)再到系統(tǒng)各個子項目的方法改善設(shè)計內(nèi)容，最后畫出設(shè)計圖，相關(guān)人員要根據(jù)設(shè)計圖判斷這一系統(tǒng)是否符合科學性，能否完成現(xiàn)實工作中的工作要求，進一步推動施工質(zhì)量和效率，對實際操作和行業(yè)發(fā)展具有重要的指導意義。

參考文獻

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