負載敏感系統旋挖鉆機動力頭補油優化設計

王 姚 ，王 勇

（1.湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省送變電工程有限公司，湖南 長沙 410000）

影響旋挖鉆機工作質量和效率的關鍵部件之一，就是動力頭。因此，動力頭液壓馬達能否具有較強可靠性、穩定性，直接關系到旋挖鉆機能否正常使用。在實踐過程中發現，旋挖鉆機在不同地質區域進行作業時，施工現場切削避免物理特性密度以及硬度不均勻，從而不能連續鉆進作業。導致在施工期間容易出現液壓沖擊，并且動力頭系統負載波動較大，致使動力頭馬達在短時間內進行失速運動或者加速運動。而旋挖鉆機在挖土時，需要驅動系統頻繁轉向，因換向以及慣性等造成動力頭出現損壞。基于此，應合理設計動力補油系統，從而確保旋挖鉆機能長時間擁有足夠動力。

1 旋挖鉆機概述

旋挖鉆機又叫旋挖機、打樁機，是建筑工程在施工過程中所使用重要基礎機械。旋挖鉆機可以用于多個地層，并且擁有施工效率高、較大輸出扭矩、污染較少、機動性較強等特點。我國地域相當遼闊，不同地區地質有著明顯差異，因此在工程施工過程中，使用旋挖鉆機能依據不同類型地質，選擇與之相匹配鉆頭進行施工，具有較強適應性，已經成為工程機械行業各企業施工的重要依據之一。隨著城市化進程的加快，近年來我國在基礎設施建設、城市公共基礎設施建設上投入了巨額資金，其中包括建設城際公路、高速鐵路、城市地鐵以及港口、碼頭、電力設施等。因此，旋挖鉆機具有良好的經濟前景，也有著較大的發展空間。旋挖鉆機是高效成孔設備，工程機械企業在施工過程中，可使用動力驅動系統驅動鉆桿和鉆頭的回轉進行挖土作業，并且為液壓油缸提供相應加壓力，當鉆頭裝滿石土之后，由主卷揚進行提升并回轉刨土，促使其進入保護孔壁。旋挖鉆機使用短螺旋鉆頭進行干挖作業時，也可使用回轉鉆頭進行濕挖作業。旋挖鉆機需要輔助時間相對較少，并不需要定期進行泥漿循環排渣，在推進工程建設的同時，降低了成本，因其獨具特性被廣泛應用在城市化建設之中。旋挖鉆機施工成孔所需的壓力和扭矩的傳遞過程為：動力頭加壓油缸→動力頭→鉆桿→鉆頭→切削刃；扭矩：動力頭馬達→動力頭驅動套→鉆桿→鉆頭→切削巖土等。

2 旋挖鉆機特點

2.1 成孔質量較高，對周邊環境影響較小

與傳統鉆機相比，輸出扭矩較大并且還具有自適應功能，可根據不同地區地質特點，自動調整輸出扭矩，能在保證整體成孔效率的同時提升作業質量。項目工程在施工過程中，旋挖鉆機鉆頭可直接提升成孔質量。旋挖鉆機則由泥漿循環排渣、鉆頭切削[1]，通過這種作業方式可做到省工、省力、省時間。大部分情況下，在砂層、土層旋轉速度可在10 m/h以上，而在黏土層進行作業時，則可達到5 km/h左右，是傳統回旋鉆機鉆進速度3倍以上。同時，在使用旋挖鉆機過程時，基于不同地區選擇特有施工技術和施工方法，促使清理孔壁較為簡單快捷，并且成孔質量也相對較高。旋挖鉆機主要使用鉆頭直接進行旋挖取土作業，并不斷伸縮鉆桿將鉆頭提出孔外，進行高速旋轉從而完成刨土作業。及時清理運走所挖石渣和泥土，確保施工現場整潔干凈，以免對周邊環境造成影響。旋挖鉆機主要工作方法是通過鉆頭對地層進行切割，也可采取正反循環方式，輸送走泥漿，利用泥漿將孔底石渣切割并與泥漿攜帶到地面，將其輸送到泥漿池中，不斷循環此方式[2]。在使用后旋挖鉆機進行施工時，也會使用到部分泥漿，但在其中使用泥漿的主要作用以及目的是保護孔壁，有助于施工現場地面清潔，可以多次循環使用泥漿，減少成本消耗，提升工程經濟效益。

2.2 移動方便快捷，先進可靠

旋挖鉆機區別傳統鉆機，底部裝有可移動履帶，能驅動旋挖鉆機，不需要借助其他輔助裝置即可自由行走，而傳統鉆機底部則沒有履帶，需要借助吊車等工程機械才能移動位置[3]。同時，旋挖鉆機在進行對空作業時，全液壓驅動、電控制，能夠精確定位，方便快捷。傳統鉆機沒有相應定位控制設備，在進行對孔定位時，主要依靠作業人員經驗和目測確定，使得定位精確性、合理性以及可行性不高。此外，為能提升旋挖鉆機自動化程度，生產旋挖鉆機采用液、電控制，具有較強可靠性、先進性，為延長使用壽命，條件允許情況下，選擇進口關鍵電器元件、液壓元件，例如，日本電控系統以及德國液壓系統等。

2.3 具有多種功能，適應多種地層

旋挖鉆機與傳統鉆機相比，拆卸起來較為簡單，也具有較長使用壽命，通過拆卸可實現多種樁工機械施工，如簡單長螺旋鉆油以及動力頭，有助于旋挖鉆機長時間施工。通過更換工作裝置以及臂架，也可實現連續墻抓斗作業[4]。懸掛振動錘，則可實現震動樁作業。旋挖鉆機更換起來較為方便快捷，工作效率較高，適用于多種類型地質，企業在購買旋挖鉆機之后，可實現一臺多用目的，不僅可以在一定程度上減少企業生產成本，還能極大提升施工質量、經濟效益。我國地層相對復雜，南方地區以及北方地區地質有著較大差異，南方石頭較多，而北方多土并且地質有著較大變化。在使用旋挖鉆機進行施工時，可更換不同鉆頭進行施工，具有較強便捷性、適應性。

3 負載敏感系統的主要作用

負載敏感系統其本質上是依據當前系統流量、壓力需求，提供相應壓力和需求的一種液壓回路。負載敏感系統可以通過感應回路，檢測出壓力、功率以及流量的變化信號，并與液壓系統進行反饋，從而實現控制流量、節能以及原動機動力。而負載敏感系統最主要控制方式為電子控制以及液壓控制。負載敏感系統是由敏感閥和敏感泵組成的。負載敏感閥主要作用是將復雜流量、壓力以及功率變化情況及時對閥門進行反饋，實現控制效果。負載敏感系統主要優勢和特點在于，合理應用負載敏感控制系統，工作效率和質量明顯大于常規液壓系統。同時，功率損失較小以及功率較高意味著燃料消耗以及發熱量較低。單一液壓泵可滿足多個回路流量以及壓力需求[5]。負載敏感系統與常規液壓系統有著較大差別，能提供較好操作控制方式，并且整體流程具有較高簡單性和較強可靠性。可以單泵方式共有，即可同時滿足不同壓力、流量、多個執行元件、多個回路的工作需求。此外，在設計控制系統時，單泵系統應具有多個執行元件和回路，并對每一支路都有著不同流量和壓力需求，采用容積調速方式，系統對流量和壓力進行調節。并且，系統需要提供恒定流程，從而不受壓力和轉速變化影響，以免系統產生過多熱損耗和能量損耗，有助于元件能恒定運轉并且不受負載影響。

4 動力頭系統補油優化設計

4.1 動力頭補油系統工作原理

在構建負載敏感動力系統過程中，其系統負載多路閥，集成回油單向閥，而補油系統這部分回油單向閥作為背壓閥，采取邊回油邊補油方式。補油系統主要包括：多路閥回油單向閥、驅動力頭馬達主泵以及補油單向閥。因此，其補油系統主要工作原理為：主泵輸出壓力油驅動力馬達在旋轉后，在回油油路上經過回油單向閥作用從而形成背壓[6]。當旋挖鉆機動力頭馬達吸空時，在背壓作用下，打開動力頭馬達補油單向閥，向馬達吸空負壓強進行補油操作，從而更好保護動力頭馬達。采用補油回油系統時，其設計成本較低，容易進行管路集成。

4.2 合理布置動力頭檢測點

相關調查研究發現，我國部分旋挖鉆機因為高速甩土技術尚未成熟，大部分都采取動力正反沖擊技術，在離心力、慣性以及重力等的作用下，將鉆頭內黏土甩掉。要想實現這一環節，就需要動力頭液壓系統能在正反沖擊下具有快速轉向、沖擊較大、流量較大等特點[7]。鉆頭在進行甩土作業時，在動力頭馬達慣性較大、轉速快以及頻繁轉向時，負載敏感會因為敏感閥的頻繁關閉和開啟，反復在小排量和大排量之間切換，使得泵輸出流量會出現較大幅度波動，此時采取補油回油方式進行動力頭補油，流量會隨著泵輸出流量而發生明顯變化。流量出現變動時，會出現較為明顯壓力沖擊，而啟動鉆桿時，鉆頭會因為頻繁切換反轉以及正轉，使得動力頭馬達會受到正、反雙向沖擊，從而形成瞬間吸空現象。此外，因為補油、回油系統為低壓系統，旋挖鉆機動力頭一般管路都較長，若管道在運行期間出現磨損特別是出現沿層損失時，補油壓力會發生較大變化。因此，為能確保動力頭馬達補油參數具有較強合理性、嚴謹性以及真實性，在測試期間，將測試位置越靠近動力頭馬達越準確。基于此，在動力頭上安裝檢測點。根據相關調查研究發現，在構建負載敏感系統時，可直接采用負載敏感多路集成背壓閥作為其補油油源，但若是不能對其進行針對性處理，在動力頭甩土時，正反周期都會出現較為嚴重液壓吸空以及沖擊，可能會對動力頭馬達造成較大影響，并且元件都會因沖擊受到不同程度破壞，從而在一定程度上影響動力頭驅動系統發揮其應有價值以及作用。所以，為避免出現這一情況，在設計時，有關人員應針對性進行處理，確保能有效保護動力頭馬達。

4.3 優化完善旋挖鉆機頭補油系統

要想從根本上保護動力頭馬達、元器件，可采用蓄能器優化和改進動力頭補油系統。蓄能器主要作用是將壓力液體的液壓能轉化為勢能，便于儲存[8]。當動力頭需要時，可再將勢能轉化為液壓能。因此，合理應用蓄能器，可將其作為應急或者輔助重要能源，起到穩定系統壓力的重要作用，并且還能在一定程度上吸收回路和泵脈動的液壓沖擊。又如在工程機械設備上，合理安裝蓄能器，不僅能幫助工作油路減少沖擊，還能減少泵出口壓力脈動。蓄能器也是流體技術和液壓技術必不可少的元件。在旋挖鉆機上，除先導上安裝蓄能器，其他部位應用較少。同時，蓄能器也能起到穩定系統工作壓力并且吸收回路上液壓沖擊的作用，也可用于旋挖鉆機動力頭中，有助于更好解決壓力吸空和沖擊問題。最后，蓄能器主要是依據公稱容積、預充氣壓力以及工作壓力實際情況選擇相應類型。在選擇蓄能器時，有關人員應選擇最大壓力在所測峰值壓力之上的蓄能器，并應能耐負壓。

5 旋挖鉆機動力頭設計

在設計旋挖鉆機頭時，應合理匹配功能設計，從而在實際運行時，實現旋挖鉆機頭快速刨土。同時，需搭配A8VO變量泵以及A6V馬達。對A8VO變量泵來說，在使用期間，輸出電壓和電流都將依據雙曲線來分析。此外，為可控制變量閥，當恒動力保持在某個位置時，電流與電壓的乘積滿足恒定常數的要求，可以使動力保持恒定，液壓機構和驅動電機承擔輸出功率的調節任務。安裝動力頭后，可隨著不同精準自動調節鉆進速率，可根據情況不同灌注樁土質自動改變[9]。可手動調整精準變化的鉆進速率和轉矩，并根據灌注樁所處地點的不同土質自行改變。工作狀況下，可以維持比較平穩的速度，但可變電機與變量泵在互相輔佐的工作過程中，只要少量給油，就會使可變電機轉速減慢，扭矩增大，并輸送大量液壓油，從而產生較大扭矩鉆進狀況；而一旦扭矩降低、轉速增加，會產生高速拋土狀況，可以按照實際施工過程的需要，動力頭轉換工作狀態，通過運用單雙泵的給油方法，將速度控制范圍維持在6 r/min~22 r/min，最大扭矩輸出峰值為200 kN·m，最大拋土速率為130 r/min。驅動頭液壓電機主要由油缸、補油閥、主閥和液壓電機等組成。推動頭的操作過程如下：通過選擇鉆孔的具體位置，使旋挖鉆機先與鉆孔對接，然后通過換向閥的換向作用，將加壓氣缸桿推至驅動頭上。以上過程完成后，當調節閥M8保持換向時，將主泵的液壓油順暢輸送至液壓電機，而流經液壓控制電機A6V的液壓油則經過回轉車和減速機，使用發電機形成動能，其動力幫助鉆頭準確地鉆進，并結合了鉆桿的重力效應。遵循以上運行過程，能夠防止鉆進時由于地質改變形成的問題，如遇硬質地層轉化為軟弱地層時會發生吸空情況，避免馬達持續保持超速運行。

在設計液壓系統回路時，可基于實際情況，合理設置成節流調速回路，并擺動液壓系統，實現改變旋挖鉆機鉆進方向的目的。針對鉆進系統，可設置液壓鎖。借助上述設備構成的液壓源和執行元件液壓源通常被設計成斜軸式變量雙泵，型號是A8VO，加上輔助泵，配備M8和M4閥形成控制元件，通過液壓泵把油箱里的油提供給上述控制元件，從而確保冷卻系統正常運行，提高伺服閥的實用性。

6 設計主卷揚

主卷揚設計也可以兼顧液壓馬達的作用，內部設有平衡閥、梭閥、自由下放的閥門、控制油缸等，雙速操作時可以實現預期目標，放置和提升刃具質量的過程也比較合理。該系統是以使用液壓的先導系統為主要推進手段，同時也能夠根據鉆進要求進行自由浮動[10]。在實際運行時，由主要工作人員控制先導手柄，主卷揚與M8閥的連接也由先導手柄遙控，而主卷揚的提升速度則說明了該馬達在B腔中順利進油。在此動作條件下，由于要保證主卷揚保持在放松位置，各操作員都需要調整位置，并控制好主卷揚，同時打開了電機制動器作業門，接通了電機A、B腔，并利用刃具和浮船塢的自重作用，完成了下放動作。副卷揚的作用原理與主卷揚一樣，但還有提高了下鋼筋捆扎籠直徑和吊掛護筒直徑的作用。

7 保障措施

隨著城市經濟社會的快速發展，將城區設計作為城市市政工程的重點工程，不但要重視城市設計質量，同時需要大批的高科技設計專業人才，以判斷其技術和設計上的先進水平，為城市優秀工程師的迅速成長提供最大程度的保障。增設研究院探討機制，與設計院共同研究由其專業人員所提供的鉆機技術是否符合實際項目的需要。作為一門經常用到高速公路、大橋、港口工地當中的主要機械，旋挖鉆機的具體功能顯而易見。所以要按照實際的工作需要，認真做好工作實踐和檢驗任務，與有關專家合作，認真研究優化在工程設計中出現的不足之處，以提升在實際工作流程中的正常工作品質。

8 結語

綜上所述，城市化進程的持續推進，各種基礎工程建設數量逐漸增加，對鉆機性能提出更高的要求。旋挖鉆機區別傳統鉆機，不僅能在各種地質條件下進行施工，而且能在一定程度上減少施工成本，提升經濟效益。因此，基于當前實際情況，合理進行旋挖鉆機動力頭補油優化設計，并合理添加蓄能器，可以有效避免動力頭馬達不吸空，延長旋挖鉆機使用壽命，從而有效提升各種基礎工程建設質量以及水平。