三、在工程施工中，采......



三、 在工程施工中，采用機械鉆孔法就地灌注樁，在國內外已成為主要施工形式，本實例設計的工程鉆機就是為滿足施工鉆孔灌注樁而設計制造的全液壓轉盤式工程鉆機。
一、設計原理
目前市場上使用的鉆機從鉆進方式可分為回轉和沖擊兩種，從傳動方式有機械的液壓兩類，通過綜合分析后我們認為，對大口徑鉆進來說，回轉鉆進要優于沖擊鉆進；在傳動方式上，我們認為液壓傳動要比機械傳動更平穩，并可實現無級調速，更適合于鉆進工藝要求。因此我們設計制造的工程鉆機為全液壓轉盤式鉆機。
鉆機總體結構由轉盤、卷揚機、機架和液壓系統四大部分組成，根據目前市場上大口徑鉆機普遍存在實際能力低于公稱能力的狀態，我們經過計算，將驅動功率加大，使鉆機的公稱能力名實相符。根據用戶的意見，我們在鉆機上又增加了鉆進加壓裝置，這又進一步提高了鉆機的使用性能。
下面將設計中的一些關鍵問題進行簡要說明：
轉盤 這一部分是鉆機的回轉核心，通過它來驅動鉆桿使鉆頭回轉，其性能優劣直接影響到鉆機的鉆進能力。選用Φ1250回轉支承實現回轉并傳遞扭矩，該裝置由模數為12mm的內齒圈、Φ45mm鋼球和外圈構成，具有結構緊湊，承載能力大的特點，配置雙變量液壓馬達和一級減速的傳動方式，通過與液壓泵匹配，使轉速可在設計的范圍內任意調整，最大扭矩可達50KN· m。轉盤底座采用ZG35鑄造，轉盤蓋采用結構鋼板組焊，這就使轉盤具有足夠的傳遞扭矩能力。 卷揚 這一部分是在鉆進過程中完成鉆具上下、重物提升、減壓鉆進等功能的機構。選用配一臺液壓馬達的二級減速傳動方式，一主軸雙卷筒結構，各配離合、制動系統，結構緊湊、實用。由液壓馬達和液壓泵匹配，卷繩速度可實現無級調速，而且傳動平穩，單繩提升能力為30KN，平均提升速度為0.2-1.0m/s 。
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液壓系統
鉆機液壓系統由一臺45KW和一臺5.5KW電動機分別驅動一臺大排量A8V斜軸式變量柱塞泵和一臺SCY14-1B小排量手動變量泵構成液壓動力源，通過手動換向閥組分別控制兩臺變量馬達和一臺定量馬達及油缸，實現轉盤、卷揚回轉和鉆塔升降、滑臺移動及鉆進加壓。
液壓系統原理如下圖示：
轉盤采用兩個二級變量馬達，可實現轉速范圍換檔。 在卷揚控制回路設置平衡閥，以確保起吊重物的可靠懸停，并在油路通斷和換向動作時起緩沖作用。 在滑臺移動控制回路設置雙向液壓鎖，確保滑臺/井口/板底座三者間不因外界影響發生位置變化。 油箱吸油、回油口分別設置濾油器，防止油污染損傷液壓件。 選用的A8V液壓泵為恒功率變量泵，并設手動變量裝置，使轉盤在鉆進過程中具有根據負載大小自動變速的功能，避免憋車，保護電動機不過載，同時，通過手動變量裝置可任意設定泵最大排量，從而設定轉盤最大轉速，其在恒功率下的壓力/流量曲線圖及轉盤的輸出扭矩-轉數-系統壓力關系圖如下所示。
壓力/流量曲線圖
轉盤的輸出扭矩-轉數-系統壓力關系圖
SCY14 -1B泵為手動變量泵，可以調整鉆機起塔和加壓的速度。
通過這種變量泵 - 變量馬達的選配方式，可以使用戶在使用中把轉盤轉速、加壓、提升、移動速度按鉆進工藝要求調整到最理想狀態。
二、鉆機主要技術參數的選擇及選擇依據
國內工程施工鉆孔灌注樁樁徑設計一般為 1.0-2.0米,孔深50米以內,個別橋梁設計樁徑已采用2.2米。對于嵌巖樁，由于我國地域廣大，各地嵌巖樁遇到的巖石硬度較大，但一般巖石硬度單軸抗壓強度在98N/mm2以下。因此，確定鉆機以下參數：鉆孔徑1.0-2.0m米,孔深80米,滿足巖石單軸抗壓強度98N/mm2的嵌巖樁施工要求。
轉盤扭矩的計算
按下列石油鉆探中采用的公式：T=0.946×10-2×K×D2..5×Wd1..5 N· m 式中： T 扭矩 N·m K 地質補正系數 D 鉆孔直徑 cm Wd 鉆頭單位直徑上的壓力 N/m 由計算知, 滿足φ2.0m嵌巖樁鉆孔轉盤扭矩需48.67KN·m 鉆頭轉速的計算 2.1國外推薦按下列經驗公式確定鉆頭的經濟轉速：n=36575/D r / m i n 式中： D 鉆頭直徑 ：mm 取D=2000 mm時， n=18.3 r / m i n ； D=1000mm時， n=36.6 r / m i n 對牙輪 / 滾刀鉆頭, 有下列最高轉速公式 ： n max = (100 - 120) d / D r / m i n 式中： d 鉆頭外側牙輪 / 滾刀直徑； D 鉆頭直徑 取：D=1000， d=7″時 n max = 17.8 ~21.3 r / m i n 綜合2.1、2.2 所述，孔徑 1.0-2.0m的鉆進需鉆頭轉速范圍為10-36.6 r / m i n。 為確保鉆機設計參數滿足施工要求，我們還結合國內其他類似鉆機的技術參數進行類比法確認，如下表示： 類別 黃 海 機 械 廠GM - 2 0 型 上 探 機 械 廠GPS - 2 0 型 山東探礦機械廠TS - 2 0 型 孔徑：mm 2000 2000 2000 孔深：mm 80 80 80 最大扭矩：KN·m 36 30 32 轉速：r/min 12、22、36、56、88 8、14、18、26、32、56 8、14、22、26、39、70 提升力：KN 45 30 30 加壓力：KN 100 無 無 綜合上述論證，最終確定鉆機主要技術參數如下： 鉆孔直徑 m ： 1.0-2.0 孔深 m : 80 最大扭矩 : KN ·m : 50 轉速 r / m i n : 2.5 - 44r/min 主卷揚提升力 KN ： 30 × 6=180 最大加壓力 KN ： 89 三、 結論 通過優化設計思路，并經合理選擇技術參數，該工程鉆機主要技術參數可以滿足施工鉆孔灌注樁的要求，曾順利完成了直徑2.2m、孔深35m的一次成孔任務。
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結論通過優化設計思路，并經合理選擇技術參數，該工程鉆機主要技術參數可以滿足施工鉆孔灌注樁的要求，曾順利完成了直徑2.2m、孔深35m的一次成孔任務。