旋挖鉆機發(fā)動機多模式控制技術研究

王轉來 馬滔 盛積成 張立彬 楊錫順

摘要：隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，基礎建設的規(guī)模不斷擴大，需要使用大量的旋挖鉆機。旋挖鉆機是一種快速成孔的樁基礎施工設備，廣泛應用于公路、鐵路、橋梁、工民建設等領域。但隨著產(chǎn)品競爭的激烈，用戶對主機效率和油耗要求越來越高，提高主機效率、降低燃油成本成為新的研究目標。本文針對旋挖鉆機施工特點，結合發(fā)動機和液壓泵的工作特性進行理論匹配和試驗研究。提出了旋挖鉆機四種作業(yè)模式，即高效模式、標準模式、節(jié)能載模式、輕載模式，使主機在不同工況施工達到比較理想的施工效率和節(jié)油效果，具有一定的理論意義和工程應用價值。

Abstract： With the rapid development of China's economy and the continuous expansion of infrastructure construction， it is necessary to use a large number of rotary drilling rigs. Rotary drilling rig is a kind of pile foundation construction equipment that quickly forms holes， which is widely used in roads， railways， bridges， industrial and civilian construction and other fields. However， with the fierce product competition， users have higher and higher requirements for the efficiency and fuel consumption of the main engine， and improving the efficiency of the main engine and reducing the fuel cost have become new research goals. According to the construction characteristics of the rotary drilling rig， this paper combines the working characteristics of the engine and the hydraulic pump to carry out theoretical matching and experimental research. Four operating modes of rotary drilling rigs are proposed， namely， high-efficiency mode， standard mode， energy-saving load mode， and light-load mode， so that the main engine can achieve ideal construction efficiency and fuel-saving effects in different working conditions， which has certain theoretical significance and engineering.

關鍵詞：旋挖鉆機;效率;油耗;作業(yè)模式

Key words： rotary drilling rig;efficiency;fuel consumption;operation mode

中圖分類號：TH137.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0080-03

0? 引言

近些年來，隨著樁工行業(yè)的高速發(fā)展，我國旋挖鉆機取得了較快發(fā)展，產(chǎn)品型譜和施工工法比較齊全，但隨著施工需求提高、產(chǎn)品竟品的激烈，用戶對主機效率和工作油耗要求越來越高，提高主機效率、降低燃油成本成為主機廠追求的目標。本文結合旋挖鉆機施工工況，對發(fā)動機和液壓泵的匹配進行理論和試驗研究。

1? 旋挖鉆機工況分析

旋挖鉆機是一種用于建筑基礎工程中混凝土灌注樁施工的成孔作業(yè)機械。它廣泛應用于市政建設、鐵路、公路、橋梁和高層建筑等基礎施工工程，配合不同的鉆具可以實現(xiàn)在多種地層中的成孔施工作業(yè)。旋挖鉆機由機、電、液、柴等多個系統(tǒng)組成，執(zhí)行動作有十余種，旋挖鉆機幾乎是全天持續(xù)作業(yè)，工作時間長。旋挖鉆機主要作業(yè)流程為主卷揚下放放鉆，加壓缸進給加壓，動力頭旋轉鉆進取土，主卷揚起升提鉆，回轉卸土，回轉復位等。動力頭旋轉和主卷揚提放使用最頻繁，功率消耗最大，通常會達到發(fā)動機的最大功率輸出。

1.1 不同地層施工發(fā)動機工況分析? 不同地層與不同樁深、孔徑，施工工況差異較大：以土層為主的中小孔施工，非常注重施工效率，動力頭鉆進取土快，負荷大，鉆桿提放頻繁，速度高，負荷大。發(fā)動機工作速轉高，主機動作快，要求發(fā)動機有較好的抗載性能;以巖層為代表的中大型孔施工，動力頭鉆進時間長，負荷中等，主卷揚使用不頻繁，但負荷較大，發(fā)動機工作轉速不高，動作較平穩(wěn)。主機在固定載荷下工作時間長，要求發(fā)動機長時間工作平穩(wěn)可靠。

主機振動、負載、效率、油耗和噪音是影響發(fā)動機轉速和負荷率的主要因素。不同巖土工況差異較大，機手通過控制發(fā)動機轉速來改變主要動作的最大輸出速度來滿足鉆進工況。

①高轉速：鉆進細粒土黏土層、亞黏土時負載輕，鉆進平穩(wěn)，發(fā)動機即可高轉速輸出，以提升鉆進效率;粗粒土砂層負載升高，鉆進平穩(wěn)無振動，因此可繼續(xù)高轉速輸出提升施工效率。發(fā)動機工作轉速：1800-1900r/min，發(fā)動機平均負荷率85-95%。②中高轉速：粗粒土的礫石層，鉆進產(chǎn)生較輕振動。發(fā)動機工作轉速：1700-1800r/min，發(fā)動機平均負荷率75-85%。③中轉速：強風化負載增高且不均勻，鉆進不平穩(wěn)。發(fā)動機工作轉速：1600-1700r/min，發(fā)動機平均負荷率65-85%。④低轉速：巨粒土的卵石層及漂石層振動劇烈，可能會產(chǎn)生憋鉆、折齒、偏孔現(xiàn)象，保護部件及成孔質(zhì)量。發(fā)動機工作轉速：1400-1600r/min，發(fā)動機平均q（各種粒狀、片狀、塊狀結構），結合鉆進振動、負載情況，油門轉速在低轉速，中轉速，中高轉速區(qū)間不斷調(diào)整。另外，除了鉆進工況，提鉆、下鉆、回轉、倒土、關底門等都可根據(jù)工況適當調(diào)整發(fā)動機油門轉速。

1.2 不同機型旋挖鉆機發(fā)動機負荷率評估? 旋挖鉆機施工操控流程：主卷揚下放鉆桿，動力頭旋轉鉆進取土，主卷揚起升提鉆桿，回轉倒土與關斗門，復位。其中主卷揚提放鉆桿，動力頭旋轉鉆進為最主要的兩個執(zhí)行動作，工作時間長，功率消耗大。回轉倒土和加壓占用時間短，負荷也較小，機型不同，地層不同，旋挖鉆機一個工作循環(huán)的各動作負荷和時長占比會有一定的差異，針對某品牌旋挖鉆機在實際施工中各個動作的負荷率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出發(fā)動機的平均負荷率，如表1。

小型噸位旋挖鉆機以小孔，土層，房建樁施工為主，更加注重工作效率，動作速度高，工作負荷大;中大噸位旋挖鉆機注重效率的同時兼顧能力，動作相對平穩(wěn)，負荷中等。某品牌280（中型）旋挖鉆機在強風化地層工作兩小時，發(fā)動機負荷情況記錄，如圖1。

圖中可以看出，發(fā)動機大集中在1700r/min轉速下工作，扭矩集中在1100N·m，此轉速點的最大扭矩為1650N·m，得出發(fā)動機負荷率約為67%，負荷中等。

2? 旋挖鉆機主機多模式控制研究分析

泵與發(fā)動機功率匹配的基本目標為：在各個轉速點下，泵的吸收扭矩都接近，不超過發(fā)動機扭矩，主泵扭矩低于或高于發(fā)動機扭矩外特性曲線扭矩會影響主機工作。然而當泵和發(fā)動機的匹配點偏離最小燃油消耗率點，會增加燃油消耗。結合發(fā)動機扭矩特性曲線和液壓泵最大可利用的功率確定主泵功率，按發(fā)動機最大扭矩和最大功率兩種工況匹配。在發(fā)動機最大扭矩點匹配主泵的功率能夠最大限度地發(fā)揮發(fā)動機功率，此匹配點下匹配的主泵動力性最強。主泵的功率利用率一般不低于發(fā)動機最大輸出功率的85%，特定轉速或特殊工況主泵功率超出部分由極限功率控制來實現(xiàn)。旋挖鉆機動作大多為主泵單動作，建議在泵與發(fā)動機功率匹配時，以主泵和發(fā)動機匹配為主，在特殊工況中再考慮副泵的功率消耗。

本文針對旋挖鉆機的工作特性，發(fā)動機的工作特性根據(jù)發(fā)動機萬有特性曲線及主泵功率曲線匹配四種最佳作業(yè)模式：高效模式、標準模式、節(jié)能載模式、輕載模式。①高效模式，即重負荷鉆進模式，轉速最高，功率最大，適合土層或強風化地層施工;②標準模式，標準作業(yè)模式，兼顧效率及油耗，適合大部分地層施工;③節(jié)能載模式，普通作業(yè)模式，效率適中，最節(jié)能，適合地層不太堅硬的中小孔施工;④輕載模式，輕載作業(yè)模式，適合行走，輔助作業(yè)工況。

發(fā)動機的油門（轉速）、泵的扭矩由程序自動控制，針對不同的工作模式設計不同的扭矩特性曲線形狀，選定某幾個常用的工作點做為設定的擋位，即成為固定的功率模式。H擋為100%功率點，高速度強力作業(yè)時用此擋;S擋為85%功率點，可在常規(guī)作業(yè)時用;F擋，泵的扭矩與S點相同，發(fā)動機轉速低些，功率也低一些;L擋可吸收60%功率，在輔助作業(yè)時用。該功率優(yōu)化系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，工作中它能根據(jù)發(fā)動機負荷的變化，自動調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使液壓泵的功率始終與發(fā)動機的功率相匹配，控制器即對發(fā)動機采取分段功率控制，不再追求完全用足發(fā)動機功率，而是根據(jù)具體的工作狀況設定發(fā)動機的工作能力，減輕發(fā)動機的工作強度，使發(fā)動機穩(wěn)定地運行在經(jīng)濟工況點上，如圖2。

同時，四種工作模式可以集成自動怠速功能，在液壓系統(tǒng)中增加壓力傳感器，時時檢測系統(tǒng)壓力信號，當識別一段時間沒有動作，傳感器發(fā)送信號至控制器，發(fā)動機轉速將在3-5秒（系統(tǒng)設定參數(shù)）后自動降低到最低設定轉速（通常為怠機轉速），當操作手柄有動作，柴油機油門立即從怠速位置返回到發(fā)動機特定油門位置。

旋挖鉆機工作的場合千變?nèi)f化，液壓功率隨作業(yè)需求的變化而改變。以最小的功率需求匹配泵和發(fā)動機，可以達到最小的燃油消耗，但要犧牲速度。如果對每一種功率需求，都通過油門和泵的限制功率來設定泵、發(fā)動機工作點，使工作點始終位于最佳經(jīng)濟油耗曲線上，兼顧節(jié)能和工作速度，往往會得到比較理想的效果。

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