山地輸電線路微型樁基礎施工機具的研究

樊榮

（寧夏送變電工程有限公司，寧夏 銀川750000）

1 研究背景

山地桿塔基礎作為山地輸電線路的一個重要組成部分，其造價、工期和勞動消耗量在整個輸電線路工程建設中的占比都很大。據有關資料報道，特殊地質條件下桿塔基礎的工程造價有時甚至會超過線路工程本體總費用的50%。

輸電線路工程山地基礎地形、地質條件復雜，交通條件差，常用的基礎型式主要有原狀土掏挖基礎（掏挖樁）、巖石嵌固基礎、巖石錨桿基礎等型式。巖石錨桿基礎，可采用小型機械施工，但單根承載力小，對巖石完整性要求較高，應用受限制，使用量較少。山地原狀土掏挖基礎、巖石嵌固基礎，設計深度一般比較大，直徑在800 毫米以上，基坑開挖需要大扭矩力機械裝備，其體積和重量大，難以上山。人工機具成孔目前是我國行業主要施工方式，由于市場炸藥的限制，人工掏挖基礎施工效率低，孔下作業安全風險大。因此，山地機械化施工一直以來是推進輸電線路全過程機械化施工的瓶頸。

微型樁是一種新型基礎，其樁徑小，所需作業面小，挖孔扭矩力小，承載能力高，同等條件下所需混凝土量低，而且開方量低。微型樁基礎具有很好的經濟效益和社會效益。因此，降低機械扭矩力，機械裝備小型化，實現機械上山，推進微型樁基礎的應用，是一種選擇。

旋挖鉆機因其效率高、污染少、功能多的特點，適應上述綜合發展的需求，在國內外的現澆混凝土灌注樁施工中得到了廣泛應用。因常用旋挖鉆機是針對大直徑樁基礎設計研發的，對于機械無法到達的地段仍采用人工開挖的方法，施工危險性很高。因此，根據全過程機械化施工的未來施工發展方向研發一種適用于微型樁的旋挖鉆機是很必要的。

2 液壓系統

山地微型樁多功能施工機具的液壓傳遞系統主要有：容積比例調速系統、安全保護系統。給進系統采用負載敏感系統，通過電流控制負載敏感閥的開口度，由于泵設置的節流口壓差一定，閥的開口改變就可以讓泵的流量自動改變以適應閥的流量要求。同時設置了泵的負載敏感+恒功率+壓力切斷控制。當達到設置功率時泵自動減小流量越權負載敏感，當壓力達到極限時直接最小排量越權恒功率，起到多重保護作用。

2.1 液壓系統的基本組成

山地微型樁多功能施工機具液壓系統：包括沖洗閥（2），該沖洗閥（2）分別與液壓馬達回轉機構（1）的兩個工作油口以及油箱連通；包括閉式泵（5），帶有變量缸（8）和補油泵（6），該閉式泵的兩個工作油口分別與液壓馬達回轉機構兩個工作油口連通；包括控制閥（3），該控制閥的兩個工作油口分別與上述變量缸的兩個工作油口連通，同時，分別與第一溢流閥（9）、補油泵和閉式泵連通。第一溢流閥的兩個工作油口分別與補油泵和閉式泵殼體泄油口連通，作為補油泵壓力控制閥；其中第二溢流閥（4）與第一高壓溢流閥（13）組成A 口多功能閥，該A 口多功能閥的兩個工作油口分別與閉式泵的工作油口和變量缸的工作油口連通，其中第二溢流閥為導閥，第一高壓溢流閥為主閥；同時，第三溢流閥（10）與第二高壓溢流閥（14）組成B 口多功能閥，該B 口多功能閥的兩個工作油口分別與閉式泵的工作油口和變量缸（的工作油口連通，其中第三溢流閥為導閥，第二高壓溢流閥為主閥；液壓系統包括第一單向閥（11）和第二單向閥（12），該第一單向閥和第二單向閥各自的兩個工作油口分別與補油泵和閉式泵的工作油口連通。

其中閉式泵的測壓口接壓力表，補油泵通過吸油濾芯（7）與油箱連通，另外液壓馬達回轉機構的泄油口與油箱連通。如圖1所示。

圖1 液壓傳遞系統圖

2.2 液壓系統的工作原理

山地微型樁多功能施工機具液壓系統，主要采用了容積調速系統和比例控制技術，鉆機的速度的改變靠泵輸出流量的改變，不是靠溢流分流來控制，做到流量與動作速度相適應，大大提高了傳動效率和減少了發熱的產生，減少了功率的浪費。山地微型樁多功能施工機具液壓系統使用方法和工作原理是（如圖1）：

2.2.1 閉式基本回路：變量泵的出油口與A 口連接至回轉機構液壓油管的進油口，回轉機構出油口分別與B 口和變量泵的進油口相連接，形成一套閉環回路。

2.2.2 補油系統：在閉式回路中為了抵消容積效率，在回路中并聯補油泵6，補油泵與吸油精密過濾器相連接。在閉式回路中的兩邊各增加一個單向閥（第一單向閥11 和第二單向閥12），第一單向閥進油口與閉式泵的出油口連接，第一單向閥出油口與第一（9）溢流閥進油口連接，第一溢流閥的出油口再與油箱連接。兩個單向閥實現低壓腔的補油。由于閉式泵有雙油口變量輸出，流動方向和流量都需要發生變化來實現在運行中的變速和變向，因此安裝控制閥3。

2.2.3 控制閥安裝：閉式泵變量缸的活塞桿的一端連接至閉式泵，另一端連接至控制閥，其中閉式泵在外力驅動下運轉且控制閥動作狀態下輸出液壓油，形成一套雙油口變量輸出，實現在運行過程中的變速與變向。

2.2.4 高壓溢流閥：由于系統有正反方向運轉，所以在閉式系統中并聯兩個高壓溢流閥（第一高壓溢流閥13 和第二高壓溢流閥14），高壓溢流閥1 和高壓溢流閥2 的安裝方向相反。

2.2.5 第二溢流閥（4）和第三溢流閥（10）與節流閥相連接，連接在控制閥的進出油口，保證補油壓力的正常維持，保持泄荷系統恢復正常狀態。

2.2.6 沖洗閥：沖洗閥進油口與馬達B 口連接，出油口與馬達A 口連接。對馬達所輸出的液壓油直接回油箱，把一部分熱油及雜質通過沖洗閥排到液壓油箱，實現降溫和排雜的作用。

2.3 液壓負載敏感系統的基本組成

山地微型樁多功能施工機具負載敏感系統，包括負載敏感變量液壓泵，該負載敏感變量液壓泵（8）的進油口與油箱連通，而該負載敏感變量液壓泵的壓力口與電磁液壓比例換向閥（1）的P 口連通，該電磁液壓比例換向閥的T 口通過回油濾油器（2）與油箱連通，并且電磁液壓比例換向閥的出油口和進油口分別依次與工作油缸的進油口和出油口連通；其中負載敏感變量液壓泵與流量控制油缸（7）連通，在該流量控制油缸中設有復位彈簧從而能與負載敏感變量液壓泵的壓力油平衡；其中還包括壓差控制閥（5），該壓差控制閥分別與負載敏感變量液壓泵和流量控制油缸連通；其中還包括恒功率控制閥（6），該恒功率控制閥分別與負載敏感變量液壓泵和流量控制油缸連通；其中還包括節流閥（3），該節流閥分別與前述的電磁液壓比例換向閥和壓差控制閥連通；其中還包括恒壓控制閥（4），該恒壓控制閥分別與前述的節流閥和負載敏感變量液壓泵連通。

其中工作油缸包括角度油缸、行走油缸、滑塔油缸、起塔油缸和給進液壓油缸。另外負載敏感變量液壓泵采用開式泵。（如圖2 所示)

圖2 液壓負載敏感系統

2.4 液壓負載敏感系統工作原理

負載敏感系統有帶有負載敏感功能的泵、負載敏感閥、執行機構組成。給進、履帶行走等動作采用負載敏感系統，負載敏感泵上安有流量控制閥，閥的壓差為2Mpa，這樣泵出口壓力和負載壓力差值2Mpa 恒定，因此負載敏感閥的進出口壓差恒定。在閥口壓差一定的情況下，負載敏感閥開口閥的大小與泵流量的關系近似正比，從而實現執行機構的速度調整。負載敏感閥的開口度的控制采用電液比例控制技術，閥上裝有比例電磁鐵，電氣控制為PVEA,通過控制電磁鐵電壓來控制閥芯不同的位置從而控制閥開口度的大小。

泵的保護控制技術鉆機的給進動作，有時需要高速，有時需要高壓，兩者同時出現則為不正常的鉆進方式。高速就需要泵流量大，同時又要保留高壓，這樣泵的功率就會大大超過實際工況功率。如果不加以控制就會出現柴油機熄火現象和造成施工事故。因此設置了泵的恒功率+負載敏感+壓力切（NC+LS+TP）控制功能。負載敏感作為調速功能，恒功率和壓力切斷作為保護功能。當達到設置功率時泵自動減小流量越權負載敏感，當壓力達到極限時直接最小排量越權恒功率和負載敏感，起到多重保護作用。

液壓負載敏感系統的使用方法和工作原理是：當液壓系統未工作時，在較低的壓力下保持處于待機狀態，多路閥切斷執行器與變量柱塞泵之間的壓力信號。當多路閥工作時，先從執行器得到壓力需求，并將壓力信號通過負載感應油路傳遞給壓差調節閥（即負載敏感閥）,它和最高壓力調節閥共同控制柱塞泵的變量機構，使泵的輸出壓力對系統壓力做出響應。

負載敏感之所以能夠節能，是因為其在各種工況下作了巧妙地設計，使需求與供給達到近似平衡，使系統運行達到最優化。

3 快拆技術

3.1 快拆技術

為了能利用錨索上山控制單件重量，將鉆機設計成可拆分式結構，將油缸銷軸和滑塔螺栓拆下，拔下快速接頭就可利用鉆機自行能力將鉆機分成兩部分-動力部分和鉆進部分，重量分別為2.8 噸和2.1 噸。

3.2 快拆原理

固定支撐連接板和機械旋轉連接板通過機械鎖扣連接在一起。在機械旋轉連接板下部和車架處裝有一個帶有鉸接接頭的單級雙作用液壓油缸，打開旋轉連板和固定支撐固定連接支撐板之間的鎖銷。對井架和鉆頭連接的管路快速分離（液壓管路和線路設有快速接頭），以旋轉連接器為第一支撐點，旋轉液壓油缸為第二支撐點作為（回拉力）輔助力，井架和鉆頭沿旋轉連接器軸心逆時針轉至90 度位置，井架落在支撐平臺處，打開機械旋轉連接板與井架處鎖銷，車身后移井架拆卸完畢。

井架的自裝，將履帶運輸車開到支撐平臺處，將機械旋轉連接板與井架對接，用連接銷將井架與旋轉連接板鎖死。以旋轉連接器為第一支撐點，單擊雙作用液壓油缸為第二支撐點作用伸出推力，井架和鉆頭沿旋轉連接器軸心順時針轉至90 度位置，鎖住固定支撐連接板和旋轉連板之間的鎖銷。連接快速接頭，將處在水平面的井架旋轉至垂直狀態，以達到旋挖鉆機工作要求，旋挖鉆機方可工作。

4 動力機構的設計

4.1 動力機構設計

動力機構設計，采用康明斯柴油機為動力；四個液壓支腿可獨立操作，方便調整平臺水平；鉆機動力頭回轉可配備兩種動力頭：回轉動力頭（采用低速大扭矩雙速馬達加一級減速傳遞方案，單位質量傳遞扭矩大，轉速范圍寬），液壓沖擊回轉動力頭（YDHV80/60），給進回拉系統采用給進采用油缸直接驅動，性能穩定，安裝保養方便；動力采用康明斯柴油機，帶渦輪增壓，山區氣候適應性強。

4.2 動力頭設計

山地微型樁多功能機具動力頭在鉆孔作業時候，既需要大扭矩鉆進，又要快速拋土，需要頻繁的改動動力頭的旋轉速度，選用變量泵加變量馬達可滿足動力頭的這一要求，變量泵的壓力和排量以雙曲線特性輸出，在恒功率控制變量的范圍內，壓力和流量的乘積理論上為常數，功率保持恒定，動力頭的輸出功率由液壓系統以及變量馬達自動調節，可根據不同的土壤地質條件自動改變其扭矩和鉆進速度工作時候，在恒定轉速下，若變量泵以高壓小排量向變量馬達供油，變量馬達以低速大扭矩輸出，完成動力頭大扭矩鉆進的動作，當變量泵以低壓大排量向變量馬達供油，變量馬達以高速小扭 矩輸出，可滿足動力頭快速拋土的要求，動力頭根據實際情況可實現單泵供油和雙泵合流供油。為了滿足現場的靈活使用，設計動力頭如圖3 所示。

圖3 動力頭設計圖

4.3 動力鉆進計算

根據設計要求為了滿足最大鉆孔直徑400mm，鉆孔最大深度10m 要求，通過計算扭力及轉速如下：

4.3.1 扭矩計算

M-動力頭扭矩；

I-齒輪速比2.28；

P-系統壓力21Mpa；

Q-馬達排量 490ml/r 2 個；

M=2.28x21x490x2/2/3.14=7470N.m；

設計要求7000 N.m；

快擋時一個馬達工作；

M1=M/2=3735。

4.3.2 轉速計算

n-動力頭轉速；

n1-柴油機轉速2100rpm；

q1-泵排量 55ml/r；

I-齒輪速比2.28；

q2-馬達排量490 x2；

n=2100x55/2.28/490/2=51rpm；

快轉時1 個馬達工作；

N2=2n=102rpm。

4.4 動力提升

為了滿足設計要求，采用油缸鏈條倍速機構，繪制CAD 圖紙如圖4。

圖4 倍速機構圖