旋挖鉆機自動加壓技術研究

， (徐州徐工基礎工程機械有限公司, 江蘇 徐州 221004)

引言

技術的進步使得人們對工程機械在施工過程中操作的簡易型和舒適性提出了更高的要求。在進行道路交通和高層建筑的基礎施工時，旋挖鉆機是必不可少的設備。

旋挖鉆機工作過程中，加壓力的大小直接影響動力頭輸出的扭矩值，從而影響鉆頭對地層的切削力，適宜的切削力能夠實現對地層的高效切削和鉆進，因此加壓力的選擇是否合適對旋挖鉆機的施工效率有很大的影響。現存的大部分設計方案中，加壓力的大小完全由機手不斷往復推拉手柄控制換向閥的閥口開度來實現，因此現有加壓控制存在如下不足:

(1) 不易控制。機手只能操作手柄控制比例換向閥的流量，無法實現對加壓力的比例輸出。因此在工作過程中，操作者很難把加壓缸進給與動力頭旋轉有機地配合起來；

(2) 操作復雜。針對不同的地層機手要采取不同的加壓方式來配合動力頭的工作，如持續加壓、點加壓、間斷式持續加壓、持續加壓后點加壓等等。這對機手的技能和經驗提出了更高的要求，而且操作的復雜性容易使機手疲勞，存在安全隱患。

目前，關于施工過程加壓力控制的研究主要從施工安全性考慮。通過壓力傳感器與角度傳感器實施檢測動力頭壓力和旋挖鉆機動臂角度值，根據預設的數值關系通過控制器進行處理。從而實現在不同的動臂角度下，控制該狀態下的最大加壓力，避免因加壓壓力過大導致鉆桿變形的問題，從而可提高旋挖鉆機的工作穩定性。

1 功能介紹

針對以上問題，為了簡化操作，進一步提高鉆機的可操作性，我們研發了加壓缸自動加壓功能。通過實時檢測動力頭馬達的工作壓力,將壓力信號送入PLC控制器，按照控制器中預存的不同模式下的加壓控制算法對加壓缸壓力進行自動調節,以實現動力頭恒定扭矩的輸出?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

圖1 控制流程圖

2 系統原理

如圖2所示，此自動加壓系統包含兩個子系統。子系統一為加壓系統，動力源為泵1，通過多路閥1控制加壓缸的加壓與提升動作。在負載反饋油路接有電比例溢流閥，用以調整加壓系統溢流壓力。子系統二為動力頭旋轉系統，動力源為泵2，通過多路閥2控制動力頭馬達的旋轉動作。在壓力管路上接有壓力傳感器，實時檢測動力頭馬達工作壓力。

1.壓力傳感器 2.動力頭馬達 3.加壓油缸 4.平衡閥 5.多路閥1 6.電比例溢流閥 7.泵1 8.泵2 9.油箱 10.多路閥2

3 控制原理

該技術的控制核心在于如何合理匹配動力頭扭矩和加壓壓力的關系。以硬巖施工為例，加壓壓力過小，鉆頭切削力不足，動力頭空轉無法鉆進；加壓力過大，動力頭轉速較慢甚至停轉，影響施工效率；加壓力不穩定，動力頭轉速波動較大，容易產生壓力沖擊，降低馬達壽命。

該研究通過檢測動力頭工作壓力判斷動力頭輸出扭矩的狀態，當輸出扭矩小于設定值時，判定加壓力偏小，PLC控制器調整電比例溢流閥的電流，增大加壓力。當輸出扭矩大于設定值時，判定加壓力偏大，PLC控制器調整電比例溢流閥的電流，減小加壓力。由于不同地層的扭矩設定值不同，所以在實際試驗中將動力頭工作模式設定為三檔，針對不同地層選擇不同檔位，在每段檔位里分別實現加壓的自動控制。

4 實施過程及方法

4.1 連接管路

將電比例溢流閥P口聯接多路閥5下端面加壓聯下方， LS反饋油口，位于加壓聯二次溢流閥側。

4.2 測試記錄電比例溢流閥電流/壓力曲線(見圖3)

圖3 電比例溢流閥性能曲線

執行加壓動作，加壓缸憋壓。經實況測試，電流的有效范圍為90～300 mA，對應的壓力區間為2.2～10.5 MPa。 壓力流量曲線如下：

4.3 確定控制加壓壓力區間

測試并記錄加壓缸空載壓力，測試狀態：換向閥閥口開度最大，油缸全速。

測試數據：提升20 MPa，下放6.5 MPa。

將加壓壓力控制下限定為6.5 MPa。

4.4 連接電氣元件

動力頭閥塊測壓口接壓力傳感器，預先編寫的控制程序載入PLC控制器，在顯示器中選擇自動加壓模式，動力頭工作模式：

高速模式(動力頭壓力設定15 MPa,自動加壓)；

普通模式(動力頭壓力設定22 MPa,自動加壓)；

入巖模式(動力頭壓力設定280 MPa,自動加壓)。

不同模式中提到的動力頭壓力設定值由設定扭矩計算所得，針對不同噸位的旋挖鉆機，設定扭矩不同。

4.5 控制方法

檢測動力頭壓力，加壓缸自動壓力自動調節。通過壓力傳感器檢測動力頭壓力，將壓力信號反饋給控制器，與每種模式下動力頭壓力的設定值進行比較，當動力頭實測壓力小于程序設定值時，增大加壓力，反之減小加壓力(加壓缸壓力由PLC控制器發出信號，通過電流控制電比例溢流閥的溢流壓力來調節)，以實現動力頭恒定的扭矩輸出，達到平穩鉆進，保護鉆具的目的。此功能操作簡單，施工效率高，特別適用于巖石地層。

5 打孔試驗

試驗機型：XR360旋挖鉆機。

鉆具配置、1.2 m截齒鉆頭、機鎖桿。

試驗地層：強風化巖。

(1) 非自動加壓模式,記錄機手操作動力頭壓力與加壓壓力的比例關系。施工效率為5 m/h。

(2) 采用自動加壓模式，機手操作加壓手柄始終在最大角度，不做任何人為控制。記錄動力頭壓力與加壓壓力的比例關系，圖4為測試曲線。

圖4 自動加壓測試曲線

圖中上部為加壓壓力曲線，下部為動力頭工作壓力曲線。分析該數據曲線可看出，加壓壓力可隨動力頭工作壓力自動進行適應性調整，例如在10 s和30 s的時間拐點，動力頭壓力增大，加壓力自適應的進行減小匹配；在60 s的時間拐點，動力頭壓力減小，加壓力自適應的進行增大匹配。

施工效率為6 m/h，較非自動加壓模式效率提升20%。

由于鉆頭及試驗場地地質情況所限，動力頭施工的壓力變化的空間略小。

6 結論

(1) 加壓壓力可隨動力頭壓力的變化而實現壓力自動調節，二者的合理匹配可實現施工效率的提升，同時對機手的操作要求簡單。

(2) 不同地層、同一地層的不同深度，需要的切削力均不同。鉆頭的大小，斗齒的長短、角度，也會造成對加壓力造成一定的影響。每種模式下動力頭的設定壓力需要由更多的試驗來確定，以增強對工況的適應性。

(3) 后續研究方向可增加動力頭轉速參數，作為判斷、調節的參考依據，使加壓力控制響應時間更短，匹配更加優化。

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