負載敏感系統(tǒng)旋挖鉆機動力頭補油優(yōu)化設計

王 姚 ，王 勇

（1.湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省送變電工程有限公司，湖南 長沙 410000）

影響旋挖鉆機工作質量和效率的關鍵部件之一，就是動力頭。因此，動力頭液壓馬達能否具有較強可靠性、穩(wěn)定性，直接關系到旋挖鉆機能否正常使用。在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，旋挖鉆機在不同地質區(qū)域進行作業(yè)時，施工現(xiàn)場切削避免物理特性密度以及硬度不均勻，從而不能連續(xù)鉆進作業(yè)。導致在施工期間容易出現(xiàn)液壓沖擊，并且動力頭系統(tǒng)負載波動較大，致使動力頭馬達在短時間內進行失速運動或者加速運動。而旋挖鉆機在挖土時，需要驅動系統(tǒng)頻繁轉向，因換向以及慣性等造成動力頭出現(xiàn)損壞?；诖?，應合理設計動力補油系統(tǒng)，從而確保旋挖鉆機能長時間擁有足夠動力。

1 旋挖鉆機概述

旋挖鉆機又叫旋挖機、打樁機，是建筑工程在施工過程中所使用重要基礎機械。旋挖鉆機可以用于多個地層，并且擁有施工效率高、較大輸出扭矩、污染較少、機動性較強等特點。我國地域相當遼闊，不同地區(qū)地質有著明顯差異，因此在工程施工過程中，使用旋挖鉆機能依據(jù)不同類型地質，選擇與之相匹配鉆頭進行施工，具有較強適應性，已經(jīng)成為工程機械行業(yè)各企業(yè)施工的重要依據(jù)之一。隨著城市化進程的加快，近年來我國在基礎設施建設、城市公共基礎設施建設上投入了巨額資金，其中包括建設城際公路、高速鐵路、城市地鐵以及港口、碼頭、電力設施等。因此，旋挖鉆機具有良好的經(jīng)濟前景，也有著較大的發(fā)展空間。旋挖鉆機是高效成孔設備，工程機械企業(yè)在施工過程中，可使用動力驅動系統(tǒng)驅動鉆桿和鉆頭的回轉進行挖土作業(yè)，并且為液壓油缸提供相應加壓力，當鉆頭裝滿石土之后，由主卷揚進行提升并回轉刨土，促使其進入保護孔壁。旋挖鉆機使用短螺旋鉆頭進行干挖作業(yè)時，也可使用回轉鉆頭進行濕挖作業(yè)。旋挖鉆機需要輔助時間相對較少，并不需要定期進行泥漿循環(huán)排渣，在推進工程建設的同時，降低了成本，因其獨具特性被廣泛應用在城市化建設之中。旋挖鉆機施工成孔所需的壓力和扭矩的傳遞過程為：動力頭加壓油缸→動力頭→鉆桿→鉆頭→切削刃；扭矩：動力頭馬達→動力頭驅動套→鉆桿→鉆頭→切削巖土等。

2 旋挖鉆機特點

2.1 成孔質量較高，對周邊環(huán)境影響較小

與傳統(tǒng)鉆機相比，輸出扭矩較大并且還具有自適應功能，可根據(jù)不同地區(qū)地質特點，自動調整輸出扭矩，能在保證整體成孔效率的同時提升作業(yè)質量。項目工程在施工過程中，旋挖鉆機鉆頭可直接提升成孔質量。旋挖鉆機則由泥漿循環(huán)排渣、鉆頭切削[1]，通過這種作業(yè)方式可做到省工、省力、省時間。大部分情況下，在砂層、土層旋轉速度可在10 m/h以上，而在黏土層進行作業(yè)時，則可達到5 km/h左右，是傳統(tǒng)回旋鉆機鉆進速度3倍以上。同時，在使用旋挖鉆機過程時，基于不同地區(qū)選擇特有施工技術和施工方法，促使清理孔壁較為簡單快捷，并且成孔質量也相對較高。旋挖鉆機主要使用鉆頭直接進行旋挖取土作業(yè)，并不斷伸縮鉆桿將鉆頭提出孔外，進行高速旋轉從而完成刨土作業(yè)。及時清理運走所挖石渣和泥土，確保施工現(xiàn)場整潔干凈，以免對周邊環(huán)境造成影響。旋挖鉆機主要工作方法是通過鉆頭對地層進行切割，也可采取正反循環(huán)方式，輸送走泥漿，利用泥漿將孔底石渣切割并與泥漿攜帶到地面，將其輸送到泥漿池中，不斷循環(huán)此方式[2]。在使用后旋挖鉆機進行施工時，也會使用到部分泥漿，但在其中使用泥漿的主要作用以及目的是保護孔壁，有助于施工現(xiàn)場地面清潔，可以多次循環(huán)使用泥漿，減少成本消耗，提升工程經(jīng)濟效益。

2.2 移動方便快捷，先進可靠

旋挖鉆機區(qū)別傳統(tǒng)鉆機，底部裝有可移動履帶，能驅動旋挖鉆機，不需要借助其他輔助裝置即可自由行走，而傳統(tǒng)鉆機底部則沒有履帶，需要借助吊車等工程機械才能移動位置[3]。同時，旋挖鉆機在進行對空作業(yè)時，全液壓驅動、電控制，能夠精確定位，方便快捷。傳統(tǒng)鉆機沒有相應定位控制設備，在進行對孔定位時，主要依靠作業(yè)人員經(jīng)驗和目測確定，使得定位精確性、合理性以及可行性不高。此外，為能提升旋挖鉆機自動化程度，生產(chǎn)旋挖鉆機采用液、電控制，具有較強可靠性、先進性，為延長使用壽命，條件允許情況下，選擇進口關鍵電器元件、液壓元件，例如，日本電控系統(tǒng)以及德國液壓系統(tǒng)等。

2.3 具有多種功能，適應多種地層

旋挖鉆機與傳統(tǒng)鉆機相比，拆卸起來較為簡單，也具有較長使用壽命，通過拆卸可實現(xiàn)多種樁工機械施工，如簡單長螺旋鉆油以及動力頭，有助于旋挖鉆機長時間施工。通過更換工作裝置以及臂架，也可實現(xiàn)連續(xù)墻抓斗作業(yè)[4]。懸掛振動錘，則可實現(xiàn)震動樁作業(yè)。旋挖鉆機更換起來較為方便快捷，工作效率較高，適用于多種類型地質，企業(yè)在購買旋挖鉆機之后，可實現(xiàn)一臺多用目的，不僅可以在一定程度上減少企業(yè)生產(chǎn)成本，還能極大提升施工質量、經(jīng)濟效益。我國地層相對復雜，南方地區(qū)以及北方地區(qū)地質有著較大差異，南方石頭較多，而北方多土并且地質有著較大變化。在使用旋挖鉆機進行施工時，可更換不同鉆頭進行施工，具有較強便捷性、適應性。

3 負載敏感系統(tǒng)的主要作用

負載敏感系統(tǒng)其本質上是依據(jù)當前系統(tǒng)流量、壓力需求，提供相應壓力和需求的一種液壓回路。負載敏感系統(tǒng)可以通過感應回路，檢測出壓力、功率以及流量的變化信號，并與液壓系統(tǒng)進行反饋，從而實現(xiàn)控制流量、節(jié)能以及原動機動力。而負載敏感系統(tǒng)最主要控制方式為電子控制以及液壓控制。負載敏感系統(tǒng)是由敏感閥和敏感泵組成的。負載敏感閥主要作用是將復雜流量、壓力以及功率變化情況及時對閥門進行反饋，實現(xiàn)控制效果。負載敏感系統(tǒng)主要優(yōu)勢和特點在于，合理應用負載敏感控制系統(tǒng)，工作效率和質量明顯大于常規(guī)液壓系統(tǒng)。同時，功率損失較小以及功率較高意味著燃料消耗以及發(fā)熱量較低。單一液壓泵可滿足多個回路流量以及壓力需求[5]。負載敏感系統(tǒng)與常規(guī)液壓系統(tǒng)有著較大差別，能提供較好操作控制方式，并且整體流程具有較高簡單性和較強可靠性?？梢詥伪梅绞焦灿?，即可同時滿足不同壓力、流量、多個執(zhí)行元件、多個回路的工作需求。此外，在設計控制系統(tǒng)時，單泵系統(tǒng)應具有多個執(zhí)行元件和回路，并對每一支路都有著不同流量和壓力需求，采用容積調速方式，系統(tǒng)對流量和壓力進行調節(jié)。并且，系統(tǒng)需要提供恒定流程，從而不受壓力和轉速變化影響，以免系統(tǒng)產(chǎn)生過多熱損耗和能量損耗，有助于元件能恒定運轉并且不受負載影響。

4 動力頭系統(tǒng)補油優(yōu)化設計

4.1 動力頭補油系統(tǒng)工作原理

在構建負載敏感動力系統(tǒng)過程中，其系統(tǒng)負載多路閥，集成回油單向閥，而補油系統(tǒng)這部分回油單向閥作為背壓閥，采取邊回油邊補油方式。補油系統(tǒng)主要包括：多路閥回油單向閥、驅動力頭馬達主泵以及補油單向閥。因此，其補油系統(tǒng)主要工作原理為：主泵輸出壓力油驅動力馬達在旋轉后，在回油油路上經(jīng)過回油單向閥作用從而形成背壓[6]。當旋挖鉆機動力頭馬達吸空時，在背壓作用下，打開動力頭馬達補油單向閥，向馬達吸空負壓強進行補油操作，從而更好保護動力頭馬達。采用補油回油系統(tǒng)時，其設計成本較低，容易進行管路集成。

4.2 合理布置動力頭檢測點

相關調查研究發(fā)現(xiàn)，我國部分旋挖鉆機因為高速甩土技術尚未成熟，大部分都采取動力正反沖擊技術，在離心力、慣性以及重力等的作用下，將鉆頭內黏土甩掉。要想實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)，就需要動力頭液壓系統(tǒng)能在正反沖擊下具有快速轉向、沖擊較大、流量較大等特點[7]。鉆頭在進行甩土作業(yè)時，在動力頭馬達慣性較大、轉速快以及頻繁轉向時，負載敏感會因為敏感閥的頻繁關閉和開啟，反復在小排量和大排量之間切換，使得泵輸出流量會出現(xiàn)較大幅度波動，此時采取補油回油方式進行動力頭補油，流量會隨著泵輸出流量而發(fā)生明顯變化。流量出現(xiàn)變動時，會出現(xiàn)較為明顯壓力沖擊，而啟動鉆桿時，鉆頭會因為頻繁切換反轉以及正轉，使得動力頭馬達會受到正、反雙向沖擊，從而形成瞬間吸空現(xiàn)象。此外，因為補油、回油系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，旋挖鉆機動力頭一般管路都較長，若管道在運行期間出現(xiàn)磨損特別是出現(xiàn)沿層損失時，補油壓力會發(fā)生較大變化。因此，為能確保動力頭馬達補油參數(shù)具有較強合理性、嚴謹性以及真實性，在測試期間，將測試位置越靠近動力頭馬達越準確?；诖?，在動力頭上安裝檢測點。根據(jù)相關調查研究發(fā)現(xiàn)，在構建負載敏感系統(tǒng)時，可直接采用負載敏感多路集成背壓閥作為其補油油源，但若是不能對其進行針對性處理，在動力頭甩土時，正反周期都會出現(xiàn)較為嚴重液壓吸空以及沖擊，可能會對動力頭馬達造成較大影響，并且元件都會因沖擊受到不同程度破壞，從而在一定程度上影響動力頭驅動系統(tǒng)發(fā)揮其應有價值以及作用。所以，為避免出現(xiàn)這一情況，在設計時，有關人員應針對性進行處理，確保能有效保護動力頭馬達。

4.3 優(yōu)化完善旋挖鉆機頭補油系統(tǒng)

要想從根本上保護動力頭馬達、元器件，可采用蓄能器優(yōu)化和改進動力頭補油系統(tǒng)。蓄能器主要作用是將壓力液體的液壓能轉化為勢能，便于儲存[8]。當動力頭需要時，可再將勢能轉化為液壓能。因此，合理應用蓄能器，可將其作為應急或者輔助重要能源，起到穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的重要作用，并且還能在一定程度上吸收回路和泵脈動的液壓沖擊。又如在工程機械設備上，合理安裝蓄能器，不僅能幫助工作油路減少沖擊，還能減少泵出口壓力脈動。蓄能器也是流體技術和液壓技術必不可少的元件。在旋挖鉆機上，除先導上安裝蓄能器，其他部位應用較少。同時，蓄能器也能起到穩(wěn)定系統(tǒng)工作壓力并且吸收回路上液壓沖擊的作用，也可用于旋挖鉆機動力頭中，有助于更好解決壓力吸空和沖擊問題。最后，蓄能器主要是依據(jù)公稱容積、預充氣壓力以及工作壓力實際情況選擇相應類型。在選擇蓄能器時，有關人員應選擇最大壓力在所測峰值壓力之上的蓄能器，并應能耐負壓。

5 旋挖鉆機動力頭設計

在設計旋挖鉆機頭時，應合理匹配功能設計，從而在實際運行時，實現(xiàn)旋挖鉆機頭快速刨土。同時，需搭配A8VO變量泵以及A6V馬達。對A8VO變量泵來說，在使用期間，輸出電壓和電流都將依據(jù)雙曲線來分析。此外，為可控制變量閥，當恒動力保持在某個位置時，電流與電壓的乘積滿足恒定常數(shù)的要求，可以使動力保持恒定，液壓機構和驅動電機承擔輸出功率的調節(jié)任務。安裝動力頭后，可隨著不同精準自動調節(jié)鉆進速率，可根據(jù)情況不同灌注樁土質自動改變[9]。可手動調整精準變化的鉆進速率和轉矩，并根據(jù)灌注樁所處地點的不同土質自行改變。工作狀況下，可以維持比較平穩(wěn)的速度，但可變電機與變量泵在互相輔佐的工作過程中，只要少量給油，就會使可變電機轉速減慢，扭矩增大，并輸送大量液壓油，從而產(chǎn)生較大扭矩鉆進狀況；而一旦扭矩降低、轉速增加，會產(chǎn)生高速拋土狀況，可以按照實際施工過程的需要，動力頭轉換工作狀態(tài)，通過運用單雙泵的給油方法，將速度控制范圍維持在6 r/min~22 r/min，最大扭矩輸出峰值為200 kN·m，最大拋土速率為130 r/min。驅動頭液壓電機主要由油缸、補油閥、主閥和液壓電機等組成。推動頭的操作過程如下：通過選擇鉆孔的具體位置，使旋挖鉆機先與鉆孔對接，然后通過換向閥的換向作用，將加壓氣缸桿推至驅動頭上。以上過程完成后，當調節(jié)閥M8保持換向時，將主泵的液壓油順暢輸送至液壓電機，而流經(jīng)液壓控制電機A6V的液壓油則經(jīng)過回轉車和減速機，使用發(fā)電機形成動能，其動力幫助鉆頭準確地鉆進，并結合了鉆桿的重力效應。遵循以上運行過程，能夠防止鉆進時由于地質改變形成的問題，如遇硬質地層轉化為軟弱地層時會發(fā)生吸空情況，避免馬達持續(xù)保持超速運行。

在設計液壓系統(tǒng)回路時，可基于實際情況，合理設置成節(jié)流調速回路，并擺動液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)改變旋挖鉆機鉆進方向的目的。針對鉆進系統(tǒng)，可設置液壓鎖。借助上述設備構成的液壓源和執(zhí)行元件液壓源通常被設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，從而確保冷卻系統(tǒng)正常運行，提高伺服閥的實用性。

6 設計主卷揚

主卷揚設計也可以兼顧液壓馬達的作用，內部設有平衡閥、梭閥、自由下放的閥門、控制油缸等，雙速操作時可以實現(xiàn)預期目標，放置和提升刃具質量的過程也比較合理。該系統(tǒng)是以使用液壓的先導系統(tǒng)為主要推進手段，同時也能夠根據(jù)鉆進要求進行自由浮動[10]。在實際運行時，由主要工作人員控制先導手柄，主卷揚與M8閥的連接也由先導手柄遙控，而主卷揚的提升速度則說明了該馬達在B腔中順利進油。在此動作條件下，由于要保證主卷揚保持在放松位置，各操作員都需要調整位置，并控制好主卷揚，同時打開了電機制動器作業(yè)門，接通了電機A、B腔，并利用刃具和浮船塢的自重作用，完成了下放動作。副卷揚的作用原理與主卷揚一樣，但還有提高了下鋼筋捆扎籠直徑和吊掛護筒直徑的作用。

7 保障措施

隨著城市經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，將城區(qū)設計作為城市市政工程的重點工程，不但要重視城市設計質量，同時需要大批的高科技設計專業(yè)人才，以判斷其技術和設計上的先進水平，為城市優(yōu)秀工程師的迅速成長提供最大程度的保障。增設研究院探討機制，與設計院共同研究由其專業(yè)人員所提供的鉆機技術是否符合實際項目的需要。作為一門經(jīng)常用到高速公路、大橋、港口工地當中的主要機械，旋挖鉆機的具體功能顯而易見。所以要按照實際的工作需要，認真做好工作實踐和檢驗任務，與有關專家合作，認真研究優(yōu)化在工程設計中出現(xiàn)的不足之處，以提升在實際工作流程中的正常工作品質。

8 結語

綜上所述，城市化進程的持續(xù)推進，各種基礎工程建設數(shù)量逐漸增加，對鉆機性能提出更高的要求。旋挖鉆機區(qū)別傳統(tǒng)鉆機，不僅能在各種地質條件下進行施工，而且能在一定程度上減少施工成本，提升經(jīng)濟效益。因此，基于當前實際情況，合理進行旋挖鉆機動力頭補油優(yōu)化設計，并合理添加蓄能器，可以有效避免動力頭馬達不吸空，延長旋挖鉆機使用壽命，從而有效提升各種基礎工程建設質量以及水平。