【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(jìn)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(jìn)施工方法在城市建筑中獲得了廣泛的運用。這種機(jī)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(jìn)施工技術(shù)，進(jìn)行了有效 的推廣。我國的長螺旋鉆孔機(jī)在 20 世紀(jì) 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(yīng)用，這與國家的大環(huán)境有關(guān)。近年來，由于現(xiàn)今人們環(huán)保意識的提高，過去基礎(chǔ)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(chǔ)工樁方法的推廣，更加促進(jìn)了長螺旋鉆機(jī)在我國迅速發(fā)展。 長螺旋鉆機(jī) 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(qiáng)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(fù)合地基。加固處理后地基承載力可達(dá)到設(shè)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(yīng)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(yán) 格的 場 地 [1]。 使用長螺旋鉆機(jī)進(jìn)行這種樁基礎(chǔ)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(chǔ)施工比較相似。 可滿足公路、中南大學(xué)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(chǔ)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(shù)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(jìn)度穩(wěn)定，控制措施完善，工期保證性強(qiáng)。 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(jī)械設(shè)備容易解決。 施工中不需泥漿護(hù)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(dá)到理想的加固效果，成本低、效益高。 6）施工簡便、可操作性強(qiáng)，施工質(zhì)量能夠很好的控制，滿足設(shè)計及驗收標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(shù) 現(xiàn)狀 與展望 動力頭是 能實現(xiàn)主運動和進(jìn)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(jī)的生產(chǎn)廠家所用鉆機(jī)動力頭幾乎都一樣：采用三環(huán)減速機(jī)加兩臺交流電機(jī)。電機(jī)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(jī)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(fù)載變化能更好的適應(yīng)和挺高效率，松軟土質(zhì)下負(fù)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(jī)械施工 能 使 效率達(dá)到最大化，還能避免電機(jī)燒壞。 目前我國和日本的長螺旋鉆孔機(jī)幾乎 全部使用電機(jī)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(jī)動力頭多用液壓馬達(dá)驅(qū)動，液壓動力源由樁架底盤的發(fā)動機(jī)提供。比如意大利土力公司、德國寶峨公司等國外的鉆機(jī)專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)很早就把液壓技術(shù)運 用于長螺旋鉆機(jī)動力頭上面，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動鉆桿工作，其優(yōu)良的性能獲得了業(yè)界廣泛的認(rèn)可。雖然其具有優(yōu)越的性能，但由于中南大學(xué)本科生論文 5 其價格昂貴，至今國內(nèi)還未見引進(jìn)國外該類動力頭進(jìn)行長螺旋鉆進(jìn)施工 。 所以對于長螺旋鉆機(jī)液壓動力頭的設(shè)計是我國工程機(jī)械設(shè)計必須進(jìn)行研發(fā)的。 電機(jī)動力頭 電機(jī)動力頭是由立式電機(jī)通過齒式聯(lián)軸器與行星變速機(jī)構(gòu)連接，再通過一級減速機(jī)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(jìn)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(shè)備，適宜于 CFG 樁的施工 。 長螺旋鉆機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動 動力頭的最主要缺點 [3]是： 1） 電機(jī)驅(qū)動鉆具轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不便。電機(jī)驅(qū)動一般只有一個鉆進(jìn)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(jìn)，很容易卡鉆，對機(jī)器損害大。 2） 電機(jī)驅(qū)動 啟動扭矩小 。 在施工中，長螺旋鉆進(jìn)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(jī)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(jī)驅(qū)動 對電網(wǎng)沖擊大 。 電 機(jī)驅(qū)動動力頭通常采用兩臺較大功率的交流電機(jī)，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(fù)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(jī)驅(qū)動對地層條件的適應(yīng)能力差。由于電機(jī)驅(qū)動調(diào)速不便，使其對于施工工地的地質(zhì)條件適應(yīng)性差。如果土層過硬則鉆進(jìn)時易對機(jī)器產(chǎn)生破壞。 5） 質(zhì)量大， 成本高 (由于 三環(huán)減速機(jī)為專利技術(shù)產(chǎn)品，價格很高 )。 液壓動力頭 該機(jī) 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(yīng)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(jìn) 行鉆孔作業(yè)。該機(jī)動力頭上可配超流態(tài)回轉(zhuǎn)接頭與注漿器，以適應(yīng)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(xué)本科生論文 6 速；易于實現(xiàn)制動化；易于實現(xiàn)過載保護(hù)。由于液壓傳動的突出優(yōu)點，在各種機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。液壓馬達(dá)調(diào)速方便，自重也輕。所以我國的長螺旋鉆機(jī)在動力頭上還有很大的發(fā)展空間，比如鉆機(jī)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(qiáng)鉆機(jī)適應(yīng)性。 長螺旋鉆機(jī)的動力頭 如果 采用液壓驅(qū)動， 其 與電機(jī)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(jìn)，進(jìn)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(jìn)。這樣可以提高施工效率和對地層的適應(yīng)性。 2）、液壓驅(qū)動的啟動扭矩大。在施工中，長螺旋鉆進(jìn)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(dá) 到 額定扭矩的 85％～ 90％，比起電機(jī)驅(qū)動動力頭顯然更加強(qiáng)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(jī)，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(yīng)跟強(qiáng)，硬土層可以低轉(zhuǎn)速高扭矩鉆進(jìn)，軟土層則高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，這樣可以達(dá)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(jī)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(jī)的重心降低和機(jī)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(jī)驅(qū)動動力頭所用的擁有專利技術(shù)的三環(huán)減速機(jī)，系統(tǒng)成本相對低廉。 7）、向大功率發(fā)展更加方便。電機(jī)驅(qū)動動力頭的電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的性能和市場競爭力具有非常重要的意義。 中南大學(xué)本科生論文 7 本 文設(shè)計要求和主要內(nèi)容 本文 的課題是 CFG25 長螺旋鉆機(jī)液壓動力 頭設(shè)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(jìn)行設(shè)計。設(shè)計要求是 設(shè)計液壓動力頭整體結(jié)構(gòu)，采用低速大扭矩馬達(dá)經(jīng)一級減速裝置驅(qū)動鉆桿 進(jìn)行 回轉(zhuǎn) ，以及對液壓動力頭的液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)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(jìn)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(jìn)行了分析計算 。其中重點對于液壓動力頭減速器進(jìn)行了設(shè)計計算和分析校核 ， 包括齒輪傳動和 輸出 軸的設(shè)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(shè)計分析和液壓系統(tǒng)參 數(shù)的計算 ，對于液壓元件進(jìn)行了計算選型。 中南大學(xué)本科生論文 8 第 2章 液壓動力頭 的 液壓系統(tǒng) 設(shè)計 液壓動力頭 液壓系統(tǒng) 方案的設(shè)計 液壓動力源方案的設(shè)計 由于工程機(jī)械的裝機(jī)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(yīng)該盡量避免功率損失嚴(yán)重的節(jié)流調(diào)速，節(jié)流調(diào)速 效率較低，只適合負(fù)載變化不大的回路。而 長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)系統(tǒng)負(fù)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(jī)械上運用的液壓系統(tǒng)主要有恒流量和準(zhǔn)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(fù)荷 壓力 p 的變化使 做出相應(yīng)的變化 (見圖 22)，負(fù)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(guān)系變化，負(fù)載的變化引起的泵工況改變時不會影響原動機(jī)的工況，使原動機(jī)仍可高效率的運轉(zhuǎn)，能夠充分的發(fā)揮原動機(jī)的功率，并且提高了低負(fù)載時液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 速度。 因此，恒功率泵配備較小的原動機(jī)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(yīng)用在工程建設(shè)機(jī)中南大學(xué)本科生論文 9 械上。 a) 流量特性 b）功率特性 圖 23 壓力補(bǔ)償泵特性曲線 根據(jù)上圖對比信息可知， 壓力補(bǔ)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(yīng)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(jìn)速度與鉆進(jìn)壓力之間可以自動調(diào)節(jié)。外負(fù)荷小時，可以 增大泵出口流量， 減小鉆進(jìn)壓力，增大鉆進(jìn)速度，減少能量浪費，提高鉆進(jìn)效率；外負(fù)荷大時，可以 減小流量， 降低速度，增大鉆進(jìn)壓力，提高穿越土層能力，克服較大的負(fù)荷。 (2) 恒功率變量液壓泵經(jīng)常在滿負(fù)荷狀態(tài)下工作，原動機(jī)功率利用更加充分。 (3) 與恒流量系統(tǒng)相比，對于同等級機(jī)器來說，恒功率系統(tǒng)的裝機(jī)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(jī)的動力頭液 壓系統(tǒng)中，采用恒功率 的壓力補(bǔ)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(shè)計 通過 對于不同型號不同品牌的長螺旋鉆機(jī)的對比觀察，其動力頭驅(qū)動多以電中南大學(xué)本科生論文 10 機(jī)驅(qū)動動力頭為主，都是使用兩臺交流電機(jī)安裝在三環(huán)減速機(jī)上，通過聯(lián)軸器驅(qū)動減速機(jī)構(gòu)運動，在帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)。由于電機(jī)的輸出扭矩小，所以必須要用大減速比的三環(huán)減速機(jī)才能保證工作扭矩。近年來，隨著液壓技術(shù)不斷的發(fā)展以及工程技術(shù)上的應(yīng)用，液壓傳動技術(shù)以其在大型工程技術(shù)項目上應(yīng)用的優(yōu)越性，受到了非常大的重視。 通過電機(jī)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(jìn) 性能比電機(jī)驅(qū)動更好更高，也更加容易向大功率系統(tǒng)的大機(jī)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(jī)構(gòu)準(zhǔn)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(dǎo)致 減速機(jī)體積龐大， 且其 重量太重 ，從而不利于鉆進(jìn)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(jī)的 輸出扭矩應(yīng)當(dāng)比較大 。 設(shè)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(dá)和液壓傳動裝置。 由于 國產(chǎn)的低速大扭矩液壓馬達(dá)在材質(zhì)及制造工藝上 技術(shù)比較欠缺 ， 未能達(dá)到要求，且 可靠性及使用壽命方面不是十分令人滿意。進(jìn)口的低速大扭矩液壓馬達(dá)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(jì)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