全液压转盘式工程钻机的设计

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在工程施工中，采用机械钻孔法就地灌注桩，在国内外已成为主要施工形式，本实例设计的工程钻机就是为满足施工钻孔灌注桩而设计制造的全液压转盘式工程钻机。
一、设计原理
7 w  _. q' m! c8 s# v; D5 H: j# Q, E目前市场上使用的钻机从钻进方式可分为回转和冲击两种，从传动方式有机械的液压两类，通过综合分析后我们认为，对大口径钻进来说，回转钻进要优于冲击钻进；在传动方式上，我们认为液压传动要比机械传动更平稳，并可实现无级调速，更适合于钻进工艺要求。因此我们设计制造的工程钻机为全液压转盘式钻机。
; ?# q! j4 U) {8 \: ?钻机总体结构由转盘、卷扬机、机架和液压系统四大部分组成，根据目前市场上大口径钻机普遍存在实际能力低于公称能力的状态，我们经过计算，将驱动功率加大，使钻机的公称能力名实相符。根据用户的意见，我们在钻机上又增加了钻进加压装置，这又进一步提高了钻机的使用性能。
6 T3 c; [, P6 b9 ]下面将设计中的一些关键问题进行简要说明：
  q, `+ `( U+ }, X转盘
这一部分是钻机的回转核心，通过它来驱动钻杆使钻头回转，其性能优劣直接影响到钻机的钻进能力。选用Φ1250回转支承实现回转并传递扭矩，该装置由模数为12mm的内齿圈、Φ45mm钢球和外圈构成，具有结构紧凑，承载能力大的特点，配置双变量液压马达和一级减速的传动方式，通过与液压泵匹配，使转速可在设计的范围内任意调整，最大扭矩可达50KN· m。转盘底座采用ZG35铸造，转盘盖采用结构钢板组焊，这就使转盘具有足够的传递扭矩能力。
卷扬
" U1 ]. \( k6 b* X' R1 x2 d0 _1 u这一部分是在钻进过程中完成钻具上下、重物提升、减压钻进等功能的机构。选用配一台液压马达的二级减速传动方式，一主轴双卷筒结构，各配离合、制动系统，结构紧凑、实用。由液压马达和液压泵匹配，卷绳速度可实现无级调速，而且传动平稳，单绳提升能力为30KN，平均提升速度为0.2-1.0m/s 。
液压系统
' o& f# y( V* [5 I2 [' R( w6 i钻机液压系统由一台45KW和一台5.5KW电动机分别驱动一台大排量A8V斜轴式变量柱塞泵和一台SCY14-1B小排量手动变量泵构成液压动力源，通过手动换向阀组分别控制两台变量马达和一台定量马达及油缸，实现转盘、卷扬回转和钻塔升降、滑台移动及钻进加压。
液压系统原理如下图示：
- U- x/ Y3 w. F* K5 G0 f
/ a' l5 a# \. j3 P1 b% m$ b4 E! x' O- l转盘采用两个二级变量马达，可实现转速范围换档。
' l% p. M# s  |) r: W在卷扬控制回路设置平衡阀，以确保起吊重物的可靠悬停，并在油路通断和换向动作时起缓冲作用。
在滑台移动控制回路设置双向液压锁，确保滑台/井口/板底座三者间不因外界影响发生位置变化。
8 X+ \  n  e. n/ F- R# W油箱吸油、回油口分别设置滤油器，防止油污染损伤液压件。
0 e8 a8 I! V) l. w, O选用的A8V液压泵为恒功率变量泵，并设手动变量装置，使转盘在钻进过程中具有根据负载大小自动变速的功能，避免憋车，保护电动机不过载，同时，通过手动变量装置可任意设定泵最大排量，从而设定转盘最大转速，其在恒功率下的压力/流量曲线图及转盘的输出扭矩-转数-系统压力关系图如下所示。
3 e5 q( {# Q3 B% f. y6 p
6 j( ^' s9 u$ S- y4 S4 c压力/流量曲线图
  m# W8 j5 }5 b! N5 v
4 S6 O0 Z$ ^/ H) B转盘的输出扭矩-转数-系统压力关系图
$ `# U1 \2 L) e4 g! iSCY14 -1B泵为手动变量泵，可以调整钻机起塔和加压的速度。
* ?% F1 i6 |/ b  b通过这种变量泵 - 变量马达的选配方式，可以使用户在使用中把转盘转速、加压、提升、移动速度按钻进工艺要求调整到最理想状态。
" K4 e; N" _( k$ `& l7 s二、钻机主要技术参数的选择及选择依据
国内工程施工钻孔灌注桩桩径设计一般为 1.0-2.0米,孔深50米以内,个别桥梁设计桩径已采用2.2米。对于嵌岩桩，由于我国地域广大，各地嵌岩桩遇到的岩石硬度较大，但一般岩石硬度单轴抗压强度在98N/mm2以下。因此，确定钻机以下参数：钻孔径1.0-2.0m米,孔深80米,满足岩石单轴抗压强度98N/mm2的嵌岩桩施工要求。
转盘扭矩的计算
按下列石油钻探中采用的公式：T=0.946×10-2×K×D2..5×Wd1..5 N· m     式中：
T 扭矩 N·m  K 地质补正系数  D 钻孔直径 cm   Wd 钻头单位直径上的压力 N/m
! b; t0 k* Q( C4 s; z' i& k0 n. r由计算知, 满足φ2.0m嵌岩桩钻孔转盘扭矩需48.67KN·m
钻头转速的计算
( D9 |8 k; p- l- @2.1国外推荐按下列经验公式确定钻头的经济转速：n=36575/D r / m i n  式中：
) N; f, c; T& M: E- ~  X# WD 钻头直径 ：mm
0 x6 q( S! g$ R9 R# g% y取D=2000 mm时， n=18.3 r / m i n ；
D=1000mm时， n=36.6 r / m i n
% S8 |( ?4 X; o' X* e  {  y* v对牙轮 / 滚刀钻头, 有下列最高转速公式 ：
n max = (100 - 120) d / D r / m i n
式中：    d 钻头外侧牙轮 / 滚刀直径；    D 钻头直径
2 j, _5 i& D9 V0 B6 k  U取：D=1000， d=7″时     n max = 17.8 ~21.3 r / m i n
综合2.1、2.2 所述，孔径 1.0-2.0m的钻进需钻头转速范围为10-36.6 r / m i n。
为确保钻机设计参数满足施工要求，我们还结合国内其他类似钻机的技术参数进行类比法确认，如下表示：
　
类别
1 r, s& F* Z7 q3 V9 _黄 海 机 械 厂GM - 2 0 型
1 f: G9 E; h& W% A7 J. X, }; H上 探 机 械 厂GPS - 2 0 型
山东探矿机械厂TS - 2 0 型
- s5 d: P5 y- G1 `! C- n4 W孔径：mm
2000
& @  Q' B% x% Y- Q* P" m2000
2 d/ S. k0 j; P" f5 `2000
$ h; Y8 f2 n$ t7 X孔深：mm
! s' I1 V: T6 T5 N  K& B& Z80
80
2 K3 I5 h5 A; K1 N- t. A80
最大扭矩：KN·m
36
$ X  }: ?8 H" ]1 C( }30
32
2 P4 _* e+ V6 [转速：r/min
12、22、36、56、88
! W; ^& x& O  B( {, }8、14、18、26、32、56
8、14、22、26、39、70
% J) [& I* |5 J, e  u& E提升力：KN
45
30
3 T5 g" g! O9 N+ [30
/ S- X4 F7 [- B0 R& N加压力：KN
3 I9 \/ P  K- @5 m& I. ~100
5 p- r* V; O  Y5 c9 Y$ w" L9 [无
" i1 d% m8 n+ i无
5 e/ p0 L6 |. O1 k! x4 M) Q综合上述论证，最终确定钻机主要技术参数如下：
& v. P! h, h4 j$ u* N: P2 a钻孔直径 m ： 1.0-2.0
孔深 m : 80
最大扭矩 : KN ·m : 50
( g5 ^' V, o( N3 u# D) F! C转速 r / m i n : 2.5 - 44r/min
% `; ~- `9 K* y5 }  Z主卷扬提升力 KN ： 30 × 6=180
最大加压力 KN ： 89
: m5 v6 r8 r% C# l7 i" K% H$ M三、 结论
通过优化设计思路，并经合理选择技术参数，该工程钻机主要技术参数可以满足施工钻孔灌注桩的要求，曾顺利完成了直径2.2m、孔深35m的一次成孔任务。
2 O4 y6 J. D9 W文章关键词：