工程机械手册(桩工机械)(精)

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第1篇成孔灌注桩施工机械 第1章旋挖钻机 1.1概述 多功能全液压旋挖钻机(简称旋挖钻机)是用回转斗、短螺旋钻头或其他作业装置，分别采用干法和静态泥浆护壁两种工艺钻进，逐次取土、反复循环作业成孔为基本功能的机械设备。该钻机也可配置长螺旋钻具、套管及其驱动装置、扩底钻头及其附属装置、地下连续墙抓斗、预制桩桩锤等作业装置。与其他成孔钻机相比，旋挖钻机具有以下诸多优点： 机、电、液集成度高，*作便利； 输出扭矩大且轴向加压力大，地层适应范围广； 机动灵活、施工效率高； 成孔质量好； 环境保护性能好，是理想的成孔作业施工设备，代表着桩工机械的发展方向。 1.1.1用途 旋挖钻机是一种取土成孔灌注桩施工设备，是依靠钻杆带动钻头旋转切削取土，然后通过主卷扬机（简称主卷扬）提升钻杆钻头，再回转倒土； 可钻进土层、砂层、卵石层和风化岩石层等地层，适用于大部分地区的土壤地层，广泛应用于各类建筑物的地基改良、地下工程施工、土木建筑、交通运输、水利建设和环境保护等各种基础设施建设中。 1.1.2现状及发展趋势 1. 旋挖钻机的现状 旋挖钻机是结合回转斗钻机和全套管钻机的优点发展起来的。回转斗钻机于第二次世界大战以前在美国的卡尔维尔德公司率先研制成功。20世纪50年代，法国BENOTO公司尝试采用全套管钻机进行桩基础施工。这两种工法被欧洲一些**引进后，在使用过程中进行了一些合并和改善，现代旋挖钻机初具雏形。但是，这种旋挖钻机的动力头的位置是固定的，地层适应范围较窄。1960年，可动式动力头同时在德国的维尔特公司和盖尔茨盖特公司研制成功，极大地提高了其施工便利性。在此之前，由于*钻桅长度限制，旋挖钻机的钻杆长度难以满足钻孔深度的需求。经过多方努力，德国的宝峨（BAUER）公司终于在1975年研制出了伸缩式钻杆，并将其安装在BG7旋挖钻机上。此外，该旋挖钻机的钻进扭矩在原有基础上增大了许多，配置的伸缩式钻杆通过凸台设置实现了加压钻进，从而使得地层适应范围进一步被拓宽。 国外旋挖钻机的研制和施工应用是20世纪初开始的，发展至今，其种类繁多，制造商也越来越多，目前国外生产旋挖钻机的主要厂家有德国的宝峨、Liebherr(利勃海尔)，意大利的SoilMec(土力)、MAIT(迈特)、CMV(神威)、CASAGRANDE(卡萨格兰地)、IMT(意马)、天锐，美国的卡特皮勒，新加坡的TWINWOOD，西班牙的LLAMADA，芬兰的JUNTTAN，*本的*本车辆、*立建机、住友等。 **的旋挖钻机起步较晚，20世纪80年代初从*本引进过工作装置，配装在KH125履带起重机上。1984年，天津探矿机械厂引进美国RDI公司的旋挖钻机并进行消化吸收。1988年北京城建机械厂根据土力公司的样机开发了1.5m直径的履带起重机附着式旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻孔机的生产技术，但都没有形成批量生产。1992年宝峨公司在中国北京设立了代表处，并于1995年在天津成立了独资子公司宝峨天津机械工程有限公司，组装适合中国市场的宝峨BG20旋挖钻机。1998年在上海又成立了中德合资上海宝峨金泰工程机械股份有限公司，生产组装BG15旋挖钻机。**重点工程青藏铁路于2001年正式启动，2002年3月大量旋挖钻机进入青藏铁路施工，到8月中旬有100多台，其中国产设备9台，青藏铁路旋挖钻机的大量使用引起了施工和生产企业的格外关注，无疑推动了旋挖钻机开发和应用。2000年徐工集团研制成功RD18旋挖钻机，2001年北京经纬巨力工程机械有限公司研制成功ZY120、ZY160、ZY200旋挖钻机，加入了青藏铁路建设的施工热潮。2003年山河智能率先成功研制了自制专业履带伸缩式底盘的SWDM20旋挖钻机，并先后在青藏铁路、首都机场、北京鸟巢等工地接*了施工考验。 我国对旋挖钻机的开发速度加快，**先后有多家单位对旋挖钻机进行了研发，主要生产厂家有山河智能、三一重机、徐工基础、中联重科、南车时代、上海金泰、郑宇重工、福田重工等。由于**企业对旋挖钻机的研究和开发的力度加大，旋挖钻机整体水平大幅度上升，特别是在***方面明显优于进口产品，因此从2005年下半年开始，**旋挖钻机市场已经从进口机为主变为以国产机为主，并逐步销往国外。 2. 旋挖钻机的发展趋势 1） 发展机遇 “十一五”“十二五”期间我国投巨资进行铁路、公路、电力、城市公共设施等建设，尤其高铁建设为我国旋挖钻机的发展带来***的机遇。 （1） 主要生产厂家实现旋挖钻机多样化产品种类。 （2） **旋挖钻机在功能实用性和性能提升中自主创新的产品逐渐增多。 （3） **厂家的售后服务水平逐步加强，市场服务体系增强。 （4） 钻杆、钻具等国产配套件已满足*大部分施工需要。在特殊工程的应用方面，从材料和制造上质量还有待进一步提高。 （5） 已有厂家开展旋挖钻机施工配套工艺工法的研究。我国地域辽阔且地质情况复杂，针对不同的地质类型，要明确不同的施工方案以及选用适合的施工设备。例如，东南沿海地层较软，西南西北大部分地区地层复杂，像兰新线基本都是卵石层岩层，在这些地区如何成孔、如何提高施工效率，需要企业下很大的功夫去研究，工艺和配合主机共同解决现场施工实际问题。 2） 发展趋势 经过近几年的发展，国产旋挖钻机整机的主要性能已接近或达到****水平。目前我国已能生产从40 kN·m到580 kN·m小、中、大型多种规格的旋挖钻机。 旋挖钻机的发展趋势： 朝大小两头和多功能化发展*趋明显。 （1） 加大旋挖钻机的成孔深度和成孔口径，制造超大扭矩和功率的钻机，配备多种工法装备，实现一机多用，如山河智能、南车时代、徐工基础、三一重机、中联重科等公司开发的大型旋挖钻机应用在长江、黄河大型桥梁桩基础施工，大大提高了施工效率，缩短了工期。 （2） 旋挖钻机的型号多种多样，向小动力、低使用成本的工民建常备机型发展，进一步符合工程市场的需求，逐步取代仍在大量使用的正反循环钻机。如山河智能生产的SWDM04、SWDM06、SWDM10等小型旋挖钻机在工民建桩基础施工领域取得了**好的业绩，运输转场方便快捷、维护方便、使用成本低、回报快，**适合小型施工单位或个人群体。 （3） 旋挖钻机多功能化*趋明显，体现在一机多能上。如山河智能的旋挖钻机上可以配备多种附属装置实现CFA、DX桩、全护筒跟管、液压扩底钻头、大直径潜孔锤、深孔超大直径反循环、高压旋喷、地下连续墙、液压冲击锤、液压振动锤、底部给料振动碎石桩等多种工法施工。 1.2分类 旋挖钻机的形式按以下不同方式进行分类。各形式可以是下述分类中的一种，也可以是下述分类中的不同组合。 1.2.1按规格大小分类 旋挖钻机的主要参数包括动力头扭矩、钻孔直径以及整机质量三项。根据行业共识和市场习惯，可以按表11进行分类。 表11按动力头扭矩、钻孔直径和整机质量分类 分类 动力头 扭矩/（kN·m） 钻孔直径/m 整机质量/t 小型机 ＜100 ＜1 ＜40 中型机 100~240 1~2 40~70 大型机 ＞240 ＞2 ＞70 1.2.2按动力驱动方式分类 旋挖钻机按动力驱动方式可以分为电驱动旋挖钻机和内燃驱动旋挖钻机。电驱动旋挖钻机是由电机驱动履带行走、动力头钻孔、卷扬机提放的，动力源由电机提供。内燃驱动旋挖钻机由内燃机与高压液压系统组成，动力源由内燃机提供。 1.2.3按底盘结构分类 旋挖钻机按底盘结构可分为轮式旋挖钻机、步履式旋挖钻机和履带式旋挖钻机三种类型，市场上占主流的是履带式旋挖钻机。履带式底盘包括专用履带式底盘、通用履带式挖掘机底盘和通用履带式起重机底盘。专用履带式底盘在设计上充分考虑了旋挖钻机的施工特点，主副卷扬布置在回转平台上，转台后悬距一般较长，整机稳定性较好，尤其是大型旋挖钻机，这种布置形式是**有必要的，此底盘以山河智能旋挖钻机*为常见。 1.2.4按动力头悬挂装置的结构 分类 旋挖钻机按动力头悬挂装置的结构可以分为钻桅式旋挖钻机和臂架式旋挖钻机两种。钻桅式旋挖钻机是自动化程度很高的机电液一体化设备，采用专用底盘或通用挖掘机底盘，变幅机构形式为平行四边形加小三角形结构，工作装置可以360°回转，对孔灵活，施工效率高，欧美和我国主要采用此种形式。臂架式旋挖钻机以起重机为基础，在其上加装一个支架，动力头安装在该支架上。动力头的行程较短，一般为1 m左右，钻杆和钻具的起吊安装采用自身的主卷扬进行，这种旋挖钻机目前主要在*本使用。 1.3典型产品的结构、原理及应用范围 1.3.1典型产品的结构 1. 机械结构 旋挖钻机的主要部件有： 底盘(包含行走机构、车架、回转平台、主卷扬、副卷扬)，工作装置(包含变幅机构、桅杆、动力头、随动架、提引器、钻杆、钻具等)，如图11和图12所示。 图11旋挖钻机平行四边形变幅结构图 1—底盘； 2—变幅机构； 3—桅杆； 4—动力头； 5—加 压装置； 6—提引器； 7—随动架； 8—钻杆； 9—钻具 图12旋挖钻机大三角变幅结构图 1—底盘； 2—变幅机构； 3—桅杆； 4—动力头； 5—加压装置； 6—提引器； 7—随动架； 8—钻杆； 9—钻具 1) 底盘 底盘由行走机构、车架、回转平台、主卷扬、副卷扬等组成，如图13所示。 行走机构主要用于实现钻机的行走和移位，主要由液压马达、行走减速机、履带总成、导向轮及张紧装置、支重轮、托链轮、驱动轮等部件组成。行走装置通过液压系统控制，可实现前行、后行、左转弯、右转弯、原地转向等动作。 履带调节系统是使用高压润滑脂来使履带保持张紧，可通过向张紧装置加注润滑脂来实现履带张紧。张紧油缸的注油口位置如图14所示。 车架用于安装行走机构，并与回转平台相连。内部装有液压油缸和中心回转接头。液压油缸的伸缩运动可实现行走机构的伸展和缩回。中心回转接头可将上车液压系统的工作压力油传输到下车。 回转平台上安装的主要部件有： 变幅机构、驾驶室、发动机、液压及电气系统、回转机构、配重、主卷扬、副卷扬、覆盖件等。 2) 变幅机构 变幅机构是旋挖钻机**关键的一个部件，支承旋挖钻机工作装置的重量。变幅机构结构形式主要有两种： 一种是平行四边形结构； 另一种是大三角结构。 平行四边形结构由动臂、三角架、支承杆、平举油缸、桅杆变幅油缸等组成，如图15所示。通过平举油缸和桅杆变幅油缸的作用，可以调节桅杆的工作幅度以方便对准桩位，也可以调节运输状态的整机高度，并可以改变桅杆前后左**角。 图13底盘 1—行走机构； 2—车架； 3—回转平台； 4—主卷扬； 5—副卷扬 图14张紧器总成 1—导向轮； 2—张紧弹簧； 3—张紧油缸； 4—注油嘴 图15平行四边形变幅机构 1—动臂； 2—平举油缸； 3—三角架； 4—桅杆变幅油缸； 5—支承杆； 6—桅杆 大三角结构由动臂、三角架、动臂油缸、桅杆变幅油缸、桅杆等组成，如图16所示。通过动臂油缸和桅杆变幅油缸的作用，可以调节桅杆的工作幅度以方便对准桩位，并可调节桅杆前后左**角。 两种变幅机构的优缺点比较见表12。 表12两种变幅机构的优缺点对比 项目 平行四边形结构 大三角结构 优点 工作半径变幅范围大，桅杆可平动，易调节； 运输时桅杆后倾，无须拆卸 在钻进深孔或硬地层时，桅杆的稳定性好 缺点 在钻进深孔或硬地层时，桅杆晃动厉害，特别是采用挖机底盘的钻机尤为明显 运输时，上钻桅、鹅头架、动力头须拆下单独运输，费时费力； 工作半径变幅范围小； 钻桅后倾角度小，移机安全性低于平行四边形结构 3) 桅杆 桅杆由上桅杆、中桅杆、下桅杆、鹅头架、内藏式辅助支腿等组成，如图17所示。桅杆是钻杆、动力头的安装支承部件及工作进尺的导向部件。其上装有加压油缸或加压卷扬，动力头通过加压油缸或加压卷扬支承在桅杆上，桅杆左右两侧有矩形导轨，动力头、随动架可沿着导轨滑动。桅杆可折叠，运输时为减小整机长度，将下桅杆、上桅杆和鹅头架折叠。 下桅杆可安装内藏式辅助支腿，一方面可以安放孔口护筒； 另一方面又可安全方便地进行履带的维护和保养，如图18所示。 4) 动力头 动力头由滑架和回转器等组成，如图19所示。滑架用以支承回转器使之在桅杆滑轨上运行，并传递加压力。回转器由液压马达、减速机、动力箱、缓冲装置、左右连接板、驱动套、压盘等组成。工作原理是液压泵供油带动液压马达，经减速机和驱动齿轮的两级减速后，以低速大扭矩的形式通过驱动链条传递给钻杆，实现钻机钻孔工作的旋转运动。该部件控制系统为变量泵变量马达系统，根据土壤地质条件的不同自动改变扭矩和钻进速度。 具有高速抛土功能的动力头主要由滑架和回转器等组成，如图110所示。滑架用以支承回转器使之在桅杆滑轨上运行，并传递加压力。 图16大三角变幅机构 1—动臂； 2—动臂油缸； 3—三角架； 4—桅杆变幅油缸； 5—桅杆 图17桅杆 1—内藏式辅助支腿； 2—下桅杆； 3—中桅杆； 4—上桅杆； 5—鹅头架 图18内藏式辅助支腿 (a) 安放孔口护筒； (b) 履带维护和保养 回转器由钻进的液压马达和减速机、高速抛土 的液压马达和减速机、动力箱、离合器、缓冲装置、左右连接板、驱动套、压盘组成。钻进时，由液压泵供油带动钻进液压马达，经钻进减速机和驱动齿轮的两级减速后，以低速大扭矩的形式通过驱动链条传递给钻杆，实现钻机钻孔工作的旋转运动。抛土时，钻进的液压马达和减速机通过离合器与驱动齿轮脱开，高速抛土的液压马达和减速机驱动驱动齿轮以高速小扭矩的形式通过驱动链条传递给钻杆，实现高速抛土。 图19动力头 1—滑架； 2—减速机； 3—左右连接板； 4—液压马达； 5—防护架； 6—缓冲装置； 7—动力箱； 8—驱动套； 9—压盘 图110具有高速抛土功能的动力头 1—滑架； 2—左右连接板； 3—离合器； 4—钻进减速机； 5—钻进液压马达； 6—防护架； 7—缓冲装置； 8—动力箱； 9—驱动套； 10—压盘； 11—高速抛土减速机； 12—高速抛土马达 另外，取下动力头上的压盘，安装护筒驱动器，可以利用动力头驱动下套管。 5) 加压装置 加压装置分两种类型： 一种是油缸加压； 另一种是卷扬加压，如图111所示。 图111卷扬加压示意图 加压油缸固定在桅杆上，活塞杆与动力头滑架相连。通过加压油缸活塞杆的伸出，实现钻孔时的进给加压。加压油缸活塞杆缩回，起拔动力头。加压油路上装有平衡阀，在不向加压油缸供油的情况下，可以将动力头可靠地锁 《工程机械手册：桩工机械》本书为“十二五”**重点图书出版规划项目、**出版基金项目。