【文章內(nèi)容簡介】 看中。因此即使施工場地處于鬧市區(qū)內(nèi)，對居民正常生活亦無干擾。由于施工速度快，作業(yè)人員少，所以其施工成本較其他成孔方法低。成孔后可以從孔口直接傾倒混凝土進行灌注，質(zhì)量隱患通常比水下灌注少。憑借這些優(yōu)點，長螺旋鉆進施工方法在城市建筑中獲得了廣泛的運用。這種機器最早是美國在 1940 年前后開發(fā)成功的，前蘇聯(lián)，德國其后也開始使用。日本在 1950 年以后從美國引進施工技術，進行了有效 的推廣。我國的長螺旋鉆孔機在 20 世紀 70 年代開始起步，但一直發(fā)展緩慢，直到最近幾年才得到大規(guī)模的應用，這與國家的大環(huán)境有關。近年來，由于現(xiàn)今人們環(huán)保意識的提高，過去基礎施工經(jīng)常使用的柴油錘，振動錘受到了限制，而在大中城市使用的也越來越少；特別是 超流態(tài)工法 CFG 樁基礎工樁方法的推廣，更加促進了長螺旋鉆機在我國迅速發(fā)展。 長螺旋鉆機 CFG 樁工法及其 特點 CFG 工法的簡介 CFG 樁工方法是水泥、粉煤灰、碎石樁施工方法的英文縮寫。 樁具有碎石樁對地基的置換作用，其強度較高，能有效將地荷載傳遞到深處土層，確保對地基的加 固作用。 水泥粉煤灰碎石樁是在素混凝土樁基工藝上發(fā)展起來的新型樁體，樁體材料主要由碎石、砂、粉煤灰，與適量水泥和水拌制而成。樁體與樁間土體共同作用，組成水泥粉煤灰樁復合地基。加固處理后地基承載力可達到設計地基承載力要求，具有施工簡單、加固效果好、節(jié)省材料、無污染等特點，廣泛應用于地基加固。 目前以 鉆 孔管 內(nèi)泵壓 混合料灌注（超流 態(tài) 混凝土 壓 灌 ） 成 樁為主要工 藝 方法， 該 工法 適用于粘性土、粉土、砂土以及 對 噪 聲 或泥 漿污 染要求 嚴 格的 場 地 [1]。 使用長螺旋鉆機進行這種樁基礎施工的方法一般被稱為“長螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)砼樁工藝”。 這和國外稱為 CFA工法的樁基礎施工比較相似。 可滿足公路、中南大學本科生論文 4 鐵路、工業(yè)與民用建筑、海港碼頭、堤壩防滲等基礎施工的需要。 更加 具有 成樁速度快、成樁質(zhì)量可靠 、成孔垂直度高等技術特性。 CFG 樁工法 特點 CFG 樁工法之所以推廣迅速，是因為它具有以下諸多優(yōu)點 [13]： 1）施工低噪聲、低振動，不擾民。 2）進度穩(wěn)定，控制措施完善，工期保證性強。 3）施工中振動小，噪聲小，具有良好的社會效益。 4）施工作業(yè)簡便，機械設備容易解決。 施工中不需泥漿護壁、不用排污、不需降水、有利于文明施工。施工操作較為簡便 .。 5）以較小的投入 即可達到理想的加固效果，成本低、效益高。 6）施工簡便、可操作性強，施工質(zhì)量能夠很好的控制，滿足設計及驗收標準的要求。經(jīng)多種外加劑配制成的超流態(tài)混凝土具有摩擦系數(shù)低、流動性好、抗分散性好、細石能在混凝上中懸浮而不下沉、鋼筋籠放入容易、施工方便 [3]。 動力頭的 技術 現(xiàn)狀 與展望 動力頭是 能實現(xiàn)主運動和進給運動，并且有自動工件循環(huán)的動力部件。 目前國內(nèi)長螺旋鉆機的生產(chǎn)廠家所用鉆機動力頭幾乎都一樣：采用三環(huán)減速機加兩臺交流電機。電機功率一般為 37KW 45KW 2 和 55KW 2，輸出軸轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，同時受三環(huán)減速 機的制約，輸出扭矩提高困難 [1]。相比較在恒功率的條件下，液壓動力頭工作更高效更快速也更加節(jié)能，而且其對于不同土質(zhì)的負載變化能更好的適應和挺高效率，松軟土質(zhì)下負載低，效率高，能耗小；硬質(zhì)土層，阻力大速度慢，能增加穿越硬土層能力。這樣 機械施工 能 使 效率達到最大化，還能避免電機燒壞。 目前我國和日本的長螺旋鉆孔機幾乎 全部使用電機驅(qū)動動力頭，需要工地提供電源。而歐美等國家的長螺旋鉆孔機動力頭多用液壓馬達驅(qū)動，液壓動力源由樁架底盤的發(fā)動機提供。比如意大利土力公司、德國寶峨公司等國外的鉆機專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)很早就把液壓技術運 用于長螺旋鉆機動力頭上面，采用液壓馬達驅(qū)動鉆桿工作，其優(yōu)良的性能獲得了業(yè)界廣泛的認可。雖然其具有優(yōu)越的性能，但由于中南大學本科生論文 5 其價格昂貴，至今國內(nèi)還未見引進國外該類動力頭進行長螺旋鉆進施工 。 所以對于長螺旋鉆機液壓動力頭的設計是我國工程機械設計必須進行研發(fā)的。 電機動力頭 電機動力頭是由立式電機通過齒式聯(lián)軸器與行星變速機構(gòu)連接，再通過一級減速機構(gòu)將動力傳給輸出油，輸出法蘭盤與輸出軸固定連接，下面與螺旋鉆具連接進行長螺旋鉆孔施工。其輸出軸為中空式，上部配有回轉(zhuǎn)接頭和輸送彎頭設備，適宜于 CFG 樁的施工 。 長螺旋鉆機采用電機驅(qū)動 動力頭的最主要缺點 [3]是： 1） 電機驅(qū)動鉆具轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不便。電機驅(qū)動一般只有一個鉆進速度，而對于在淺土層和易鉆土層中，所用扭矩較小而輸出轉(zhuǎn)速不能改變，從而能耗高浪費大。在深土層時，所用扭矩大而還是保持輸出轉(zhuǎn)速鉆進，很容易卡鉆，對機器損害大。 2） 電機驅(qū)動 啟動扭矩小 。 在施工中，長螺旋鉆進經(jīng)常會因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆，再重新啟動時需要的扭矩較大 。 實際中常用的自耦降壓啟動的電機驅(qū)動動力頭啟動扭矩最高僅為額定扭矩的 64%，所以經(jīng)常出現(xiàn)異常停鉆后不能啟動的情況，造成很大的損失 。 3）電機驅(qū)動 對電網(wǎng)沖擊大 。 電 機驅(qū)動動力頭通常采用兩臺較大功率的交流電機，而且必須同時啟動，啟動時對電網(wǎng)沖擊極大。特別是在帶負載啟動時更加惡劣，在施工中經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)不能承受的現(xiàn)象。 4） 電機驅(qū)動對地層條件的適應能力差。由于電機驅(qū)動調(diào)速不便，使其對于施工工地的地質(zhì)條件適應性差。如果土層過硬則鉆進時易對機器產(chǎn)生破壞。 5） 質(zhì)量大， 成本高 (由于 三環(huán)減速機為專利技術產(chǎn)品，價格很高 )。 液壓動力頭 該機 液壓 動力頭采用兩個液壓 傳動裝置 驅(qū)動，動力頭可自適應地層變化，根據(jù)不同的地質(zhì)情況調(diào)節(jié)鉆桿轉(zhuǎn)速，提高工作效率。輸入法蘭依次與聯(lián)接盤、螺旋桿，鉆頭聯(lián)接進 行鉆孔作業(yè)。該機動力頭上可配超流態(tài)回轉(zhuǎn)接頭與注漿器，以適應超流態(tài)砼施工與高壓注漿等施工工藝的要求。 在同等體積下能比產(chǎn)生更多的動力，在同等的功率下，液壓裝置曲體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊；液壓裝囂工作比較平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向；能在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)中南大學本科生論文 6 速；易于實現(xiàn)制動化；易于實現(xiàn)過載保護。由于液壓傳動的突出優(yōu)點，在各種機械上得到了廣泛的應用。液壓馬達調(diào)速方便，自重也輕。所以我國的長螺旋鉆機在動力頭上還有很大的發(fā)展空間，比如鉆機動力頭可以由單速向多速發(fā)展，提高施工效率，節(jié)約成本；提高輸出軸扭矩， 增強鉆機適應性。 長螺旋鉆機的動力頭 如果 采用液壓驅(qū)動， 其 與電機驅(qū)動動力頭相比具有非常大的優(yōu)勢和潛力 ，其主要優(yōu)點 [3]有： 1） 、液壓驅(qū)動調(diào)速極為方便。 在淺土層或易鉆土層中，所需扭矩低時可以實現(xiàn) 高轉(zhuǎn)速小扭矩鉆進，進入深層土或難鉆土 層 需要扭矩高時可以實現(xiàn)低速大扭矩鉆進。這樣可以提高施工效率和對地層的適應性。 2）、液壓驅(qū)動的啟動扭矩大。在施工中，長螺旋鉆進經(jīng)常會因某些原因在深層土壤中停鉆或卡鉆，再重新啟動時需要的扭矩較大 。 而液壓驅(qū)動的動力頭 的 啟動扭矩達 到 額定扭矩的 85％～ 90％，比起電機驅(qū)動動力頭顯然更加強勁 。 3）、液壓驅(qū)動啟動時對電網(wǎng)的沖擊小。液壓驅(qū)動系統(tǒng)使用多臺小功率電機，而且可以分別啟動，啟動時對電網(wǎng)沖擊相對較小。 4）液壓驅(qū)動對于地質(zhì)條件適宜性高。由于液壓驅(qū)動的質(zhì)量輕，且其調(diào)速方便，使其對于地質(zhì)條件適應跟強，硬土層可以低轉(zhuǎn)速高扭矩鉆進，軟土層則高轉(zhuǎn)速鉆進，這樣可以達到最好效果 5）、液壓驅(qū)動動力頭質(zhì)量輕。經(jīng)初步估算，質(zhì)量比電機驅(qū)動動力頭輕 。由于動力頭懸掛在約 30 米的高空，動力頭質(zhì)量的減輕對整機的重心降低和機器的穩(wěn)定性有著及其重要的意義。 6）、液壓動力頭價格相對低廉。液壓驅(qū)動動力頭采用普通減速 裝置即可實現(xiàn)，不需要電機驅(qū)動動力頭所用的擁有專利技術的三環(huán)減速機，系統(tǒng)成本相對低廉。 7）、向大功率發(fā)展更加方便。電機驅(qū)動動力頭的電機在笨重的動力頭上，向大功率發(fā)展比較困難。液壓驅(qū)動動力頭可使能源系統(tǒng)移至機身，向大功率發(fā)展比較方便。 根據(jù)以上的對比分析，長螺旋鉆機采用 CFG 工法液壓驅(qū)動動力頭具有非常明顯的實用意義和市場 競爭優(yōu)勢。其研究開發(fā)的價格合理，適于現(xiàn)今基本國情的液壓驅(qū)動動力頭 對于提升我國長螺旋鉆機的性能和市場競爭力具有非常重要的意義。 中南大學本科生論文 7 本 文設計要求和主要內(nèi)容 本文 的課題是 CFG25 長螺旋鉆機液壓動力 頭設計，要求對于 480 型液壓動力頭整體結(jié)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)進行設計。設計要求是 設計液壓動力頭整體結(jié)構(gòu)，采用低速大扭矩馬達經(jīng)一級減速裝置驅(qū)動鉆桿 進行 回轉(zhuǎn) ，以及對液壓動力頭的液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)進行設計，對液壓參數(shù)的計算和元件的選型。 本文的 主要工作內(nèi)容是 對于動力頭驅(qū)動方案進行了系統(tǒng)型的分析對比 ，確定了液壓驅(qū)動動力頭的優(yōu)勢 。因此，本文著重對于液壓驅(qū)動動力頭方案進行了分析計算 。其中重點對于液壓動力頭減速器進行了設計計算和分析校核 ， 包括齒輪傳動和 輸出 軸的設計計算和校核； 以及對于液壓驅(qū)動動力頭的液壓系統(tǒng) 設計分析和液壓系統(tǒng)參 數(shù)的計算 ，對于液壓元件進行了計算選型。 中南大學本科生論文 8 第 2章 液壓動力頭 的 液壓系統(tǒng) 設計 液壓動力頭 液壓系統(tǒng) 方案的設計 液壓動力源方案的設計 由于工程機械的裝機容量非常大，為了節(jié)約能源和提高效率 ，在其主傳動液壓控制系統(tǒng)中應該盡量避免功率損失嚴重的節(jié)流調(diào)速，節(jié)流調(diào)速 效率較低，只適合負載變化不大的回路。而 長螺旋鉆機鉆進系統(tǒng)負載受土層變化和地質(zhì)條件的不同而不同，變化較大，不適宜節(jié)流調(diào)速。而 目前能在大功率機械上運用的液壓系統(tǒng)主要有恒流量和準恒功率液壓系統(tǒng)兩種。 其中，恒流量液壓系統(tǒng)采用定量液壓泵來提供系統(tǒng)所需壓力油，流量是固定不變的。 在恒流量液壓系統(tǒng)中，由于定量泵的流量固定，不能在負荷 壓力 p 的變化使 做出相應的變化 (見圖 22)，負荷小時不能提高作業(yè)速度，功率得不到充分利用，從而浪費了資源也不利于效率的提高。 a）流量特性 b）功率特性 圖 22 定量泵特性曲線 在恒功率液壓系統(tǒng)中，恒功率變量泵的柱塞壓力和流量近似的按照恒功率關系變化，負載的變化引起的泵工況改變時不會影響原動機的工況，使原動機仍可高效率的運轉(zhuǎn)，能夠充分的發(fā)揮原動機的功率，并且提高了低負載時液壓執(zhí)行機構(gòu)的 速度。 因此，恒功率泵配備較小的原動機也可同樣的得到最大流量和最高壓力，只是壓力和流量的最大值不是同時出項的。所以其大量應用在工程建設機中南大學本科生論文 9 械上。 a) 流量特性 b）功率特性 圖 23 壓力補償泵特性曲線 根據(jù)上圖對比信息可知， 壓力補償變量泵 [6]的 壓力和流量變化如 ABCD 線段所示，其中 CD 直線由系統(tǒng)調(diào)定壓力決定。 AB 段有液壓泵最大擺角限定， BC段為恒功率特性曲線，對應圖 23 b 的 EF 段，在此范圍內(nèi)壓力 P 和流 量 Q 的乘積理論上是常數(shù)。由此可知，恒功率系統(tǒng)具有以下特點： (1) 鉆進速度與鉆進壓力之間可以自動調(diào)節(jié)。外負荷小時，可以 增大泵出口流量， 減小鉆進壓力，增大鉆進速度，減少能量浪費，提高鉆進效率；外負荷大時，可以 減小流量， 降低速度，增大鉆進壓力，提高穿越土層能力，克服較大的負荷。 (2) 恒功率變量液壓泵經(jīng)常在滿負荷狀態(tài)下工作，原動機功率利用更加充分。 (3) 與恒流量系統(tǒng)相比，對于同等級機器來說，恒功率系統(tǒng)的裝機功率可以選得較小。 經(jīng)過以上兩種液壓系統(tǒng)動力元件的 流量和功率特性的 分析對比，可知在鉆機的動力頭液 壓系統(tǒng)中，采用恒功率 的壓力補償 變量泵為動力元件具有更大的優(yōu)勢。 液壓驅(qū)動方案設計 通過 對于不同型號不同品牌的長螺旋鉆機的對比觀察，其動力頭驅(qū)動多以電中南大學本科生論文 10 機驅(qū)動動力頭為主，都是使用兩臺交流電機安裝在三環(huán)減速機上，通過聯(lián)軸器驅(qū)動減速機構(gòu)運動，在帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)。由于電機的輸出扭矩小，所以必須要用大減速比的三環(huán)減速機才能保證工作扭矩。近年來，隨著液壓技術不斷的發(fā)展以及工程技術上的應用，液壓傳動技術以其在大型工程技術項目上應用的優(yōu)越性，受到了非常大的重視。 通過電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動性能對比，可以知道采用液壓驅(qū)動動力頭的鉆進 性能比電機驅(qū)動更好更高，也更加容易向大功率系統(tǒng)的大機型發(fā)展。所以液壓驅(qū)動動力頭的市場推廣和前景都是非常廣闊的，采用液壓來驅(qū)動動力頭的驅(qū)動方案是完全合理可行的。 為了簡化結(jié)構(gòu)和節(jié)省成本以及保證液壓驅(qū)動需求， 液壓驅(qū)動動力頭減速機構(gòu)準備采用一級直齒輪減速器來實現(xiàn)。 而且減速比不能取得 太大，否則會 導致 減速機體積龐大， 且其 重量太重 ，從而不利于鉆進過程的穩(wěn)定。其減速比初步定 在6 以下。要實現(xiàn)鉆孔所需的最大扭矩輸出，則原動機的 輸出扭矩應當比較大 。 設計參數(shù)要求最大輸出扭矩不低于 45 KN m。 液壓執(zhí)行元件中能輸出大扭矩的元件主 要有低速大扭矩液壓馬達和液壓傳動裝置。 由于 國產(chǎn)的低速大扭矩液壓馬達在材質(zhì)及制造工藝上 技術比較欠缺 ， 未能達到要求，且 可靠性及使用壽命方面不是十分令人滿意。進口的低速大扭矩液壓馬達雖然故障率低、壽命長，但是其價格很高，在我國現(xiàn)有市場條件下不利于推廣。 在同時考慮到經(jīng)濟性和可靠性的要求，決定采用同意那個能輸出大扭矩的液壓傳