環保型高性能四驅靜力觸探車開發

王建偉

摘 要：現有的靜力觸探車存在整車使用成本高、環境污染大、探桿貫入性能差等問題。針對現狀，本產品采用國VI四驅底盤，優化布局設計整車結構、傳動方式、外形結構和尺寸，提高探桿貫入性能滿足深度觸探工作需求，優化液壓系統控制液壓油消耗，改善液壓油箱的散熱系統，最終可以達到降低用戶使用成本、加快整機液壓系統靜壓速度、減小液壓油損耗、節能減排、提升靜力探觸車工作性能的目的，整車性能指標具有很大競爭優勢。

關鍵詞：環保型;高性能;四驅

中圖分類號：U461.99? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-45-03

Abstract： The existing static cone penetration testing vehicle has the problems such as high cost of the whole vehicle， large environmental pollution， poor penetration performance of the Rod， etc. . In view of the present situation， this product uses the national VI four-wheel drive chassis， the optimization layout design whole vehicle structure， the transmission way， the contour structure and the size， enhances the probe Rod penetration performance to meet the depth penetration detection work demand， the optimization hydraulic system control hydraulic oil consumption， by improving the heat dissipation system of the hydraulic oil tank， the purpose of reducing the user's use cost， speeding up the static pressure speed of the hydraulic system of the whole machine， reducing the hydraulic oil loss， saving energy and reducing discharge， and improving the working performance of the static probe car can finally be achieved， the whole vehicle performance index has a great competitive advantage.

Keywords： Environmentally friendly; High performance; Four wheel drive

CLC NO.： U461.99? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-45-03

前言

靜力觸探自 1917 年瑞典正式使用以來（螺旋錐頭式靜力觸探），迄今已有百余年的歷史。我國在 20 世紀 30 年代出現機械式的靜力觸探儀，并于70 年代研制出“雙橋”探頭。靜力觸探的基本原理就是用準靜力（相對動力觸探而言，沒有或很少沖擊荷載）將一個裝置有傳感器的觸探頭以勻速壓入土壤中。由于地層中土質的硬度不同，探頭在貫入過程中所受的阻力也不同，貫入阻力可以從一個側面反應土質的強度。傳感器將大小不同的貫入阻力通過電信號傳輸到記錄儀中，通過貫入阻力與土壤的工程地質特征之間的定性關系和統計關系，來實現分析土層剖面、確定淺基承載力、選擇樁端持力層和計算單樁承載力等工程地質勘察目的。

靜力觸探主要由兩部分組成：一是貫入系統：由加壓裝置及反力裝置組成;二是量測系統：由安裝在探頭中的阻力傳感器和量測儀表組成。隨著科學技術的發展，勘察測試技術在精細準方面的要求已經愈來愈高，提高原位測試的機械自動化以及計算機對數據信息的采集處理已是勘察工程發展的重要方向之一。

1 靜力觸探發展現狀

傳統靜力觸探儀的局限性體現在：

（1）施工速度慢，測試數據誤差較大;

（2）靜探測試資料不便于保存記錄，成果應用困難;

（3）現場機械化程度不高，勞動強度大;

（4）施工機械易損傷，維修費用昂貴。

現有的靜力觸探車改善了靜力觸探儀存在的一部分劣勢，具有施工速度快、數據收集方便、降低勞動強度等方面的優勢，但仍然存在整車使用成本高、環境污染大、探桿貫入性能差等問題。

2 所需解決的問題及技術突破

2.1 減少尾氣排放

經過復雜的布局設計和動力需求檢測，將動力源由傳統的后輪兩驅變更為四驅，尾氣排放標準從 GB17691-2005 國 V 升級到 GB17691-2005 國 VI。整車結構、傳動方式、外形結構和尺寸均優化布局設計以配合四驅動力源的應用。

2.2 提高探桿貫入性能

由于地層土質不均勻，探桿的受力情況比較復雜。一般在靜力觸探過程中，觸探液壓系統給探桿向下的壓力 P，地層給探頭向上的阻力 N，土層給探桿向上的摩擦力 F，三個力達到如下關系時可進行觸探：

P > N +F

N= Pc · A

A----探頭截面積;

Pc ---貫入阻力系數N/cm?;

F=∑α·π·di·li·fsi;

α---與探桿外徑、探頭或擴孔器外徑有關的經驗系數，一般取 0.3～1.0;

di ---土中探桿的外徑cm;

li ---在第 i 層土中同一外徑探桿的長度cm;

fsi ---在第 i 層土中，探桿與土之間的摩擦阻力系數，N/cm?

當 P > N +F 時， 觸探可以進行;當 P ≤ N +F 時，觸探無法繼續。

所以要實現靜力觸探過程必須滿足公式 P > N +F。

改進后靜力觸探受力的方法研究：

可以看出，當無法滿足上述公式時解決的方法一是增大壓力 P，二是減小摩擦力 F 和探頭阻力 N。

進行靜力觸探時一般是在表層填土或雜填土開挖后，下錨在比較軟的土層中，錨固反力 M 決定了壓力 P 的大小，即 P=M。實際觸探過程中，在不使用外部荷載的情況下，錨固反力 M 很難提高。

當不使用外部荷載時 P=M，最大錨固力不變;探頭阻力N=Pc·A不變，則只有通過減少 F 來實現P>N+F。

F=∑α·π·di·li·fsi ，系數 fsi 為探桿與土之間的摩擦阻力系數，可以考慮通過減小 fsi 來實現減小F。在探頭的尾部連接一個比探頭和探桿的外徑略大擴孔器，觸探工作時向探桿內加入潤滑劑，潤滑劑通過擴孔器的預留孔潤滑探桿表面，減小探桿與土體的摩擦系數fsi ，使觸探阻力 F 減少，以提高探桿貫入性能，滿足深度觸探工作需求。

2.3 優化液壓系統

靜力探觸車液壓系統管路為銅質材料，銅質材料有其韌性不足、抗疲勞性能弱、密封貼合性能差的先天缺陷，容易導致液壓油管路布局不合理、油管易損壞、液壓油泄露、液壓油流通不順暢、維修困難等問題。因此，需要設計調整液壓油管路整體布局、研發更換管路材料、尋找密封性能更好的管路接頭密封材料。

經過多種材料的篩選和實際的耐疲勞測試、韌度測試、密封性能測試，選定復合管材作為液壓油管的材料;選用復合墊片作為管路接頭密封材料;在管路設計方面，優先考慮減少彎管，使液壓油流通順暢。

2.4 改善液壓油箱的散熱系統

常規靜力探觸車液壓油箱沒有設計散熱系統，存在因液壓油箱溫度過高導致整機喪失靜力探觸功能等問題。需設計增加液壓油箱散熱系統，以實現液壓油在高溫環境工作中充分散熱，滿足靜力探觸車可持續高強度工作的作業需要。

在原郵箱上增加 10 片散熱片，在散熱片兩端布置散熱風扇及散熱孔。改進后可以保證在高溫環境工作中液壓油充分散熱，整機持續作業。

3 結束語

環保型高性能四驅靜力觸探車的設計開發通過對整車驅動、探桿貫入、液壓系統布局、油箱散熱等各方面優化，最終可以達到降低用戶使用成本、加快整機液壓系統靜壓速度、減小液壓油損耗、節能減排、提升靜力探觸車工作性能的目的，整車性能指標具有很大競爭優勢。產品的主要技術指標見表1。