山區輸電線路微型樁模塊化鉆機的研制

董 杰,范榮全2,賀 前3,王 杰,李何鈺秋

(1. 四川大學機械工程學院, 四川 成都 610065；2. 國網四川省電力公司經濟技術研究院，四川 成都 610041；3. 國網四川省電力公司達州供電公司, 四川 達州 635000)

0 引 言

由于受地形限制，傳統山區輸電線路樁基成孔裝備體積大、質量重，難以快速上山轉運，無法實現機械化施工[1]。為滿足大型成孔設備通行條件，往往采用新建臨時道路與搭建索道系統等手段，造價非常高。對于大型旋挖鉆機無法進入現場的黏土及巖石地基塔位，一般推薦采用微型樁基礎。微型樁基礎是由多個微型單樁共同承力組成的群樁基礎。在輸電線路桿塔基礎施工中，樁基成孔機械化率較低，不到50%。山地地區微型樁通常采用人工開挖樁進行基礎施工，基坑施工過程中會發生基坑坍塌等事故威脅人員安全。即使有適用于微型樁的開挖設備，微型樁基礎形式目前也僅有巖石錨桿基礎，使用條件苛刻，使用率不高[2]。

為了解決山區微型樁成孔設備運輸的痛點與難點，提出將微型樁成孔鉆機進行模塊化設計拆分為快速組裝模塊，并配有遠程操作手柄以便快速拆卸與快速組裝，實現山區機械化作業，解決山區交通不便、運輸困難的問題。下面對所提出的微型樁成孔鉆機的液壓進給系統、遠程遙控系統、底部擴孔和清渣桶等關鍵技術進行了研究，并進行了現場成孔試驗驗證。所設計的鉆機實現了輸電線路基礎施工的機械化過程。

1 模塊化鉆機設計方案

模塊化鉆機包括螺旋鉆桿、動力頭、桅桿組件(含推進梁、提升馬達、提升鏈條、姿態油缸)、機架組件、動力系統組件、液壓油箱組件、擴孔鉆頭、孔底清渣桶及電氣控制系統等部分，如圖1所示。這樣將整套系統的質量進行了分解，減輕搬運的重量，保證成孔鉆機能夠快速在復雜山區快速搬運，在滿足施工要求的同時提高施工效率。

1.1 結構與原理

桅桿組件推進梁采用箱型截面結構設計，頂部采用法蘭連接方式與提升馬達底座連接；推進梁兩側配有方形滑道作為動力頭、鉆桿上下運動的導向并增加抗扭強度；動力頭安裝底座與推進梁滑道之間采用耐磨聚氨酯板接觸以減少滑道摩擦力及其磨損量。推進梁中部設有鉸支點與支架旋轉支撐座鉸鏈，通過擺動油缸調節推進梁與機架的垂直度。推進梁底部設有姿態油缸2，鉆機就位后，通過姿態油缸2支撐推進梁以達到固定推進梁的作用。電控系統包含無線遙控器、可編程控制器、觸屏及控制柜等，工作時布置在機架組件中部右側空位處，可拆卸，采用螺栓與機架固定。機架組件包括散熱器、控制閥及閥塊等；動力系統包括電機、油泵、聯軸器等；液壓油箱組件包括油箱、濾芯等。工作時，動力系統與液壓油箱組件布置在機架尾部，兼顧配重作用，可拆卸，采用螺栓與機架固定。作業時，可通過遙控器遠程控制，方便作業人員在任何方位觀察鉆機進給情況，同時可最大限度保證人身安全。

圖1 模塊化鉆機整體結構

1.2 主要性能參數

山地鉆機因交通不便的客觀條件，在滿足正常鉆孔的前提下，對質量條件尤其關注。結合實際工程應用需求，主要技術參數設計如表1所示。

表1 模塊化鉆機主要性能參數

1.3 經濟效益分析

對于微型樁基礎，還考慮了傳統旋挖鉆機成孔和輕型模塊化鉆機成孔兩種施工設備之間的價格差異。較輕型模塊化鉆機，傳統旋挖鉆機需要計列施工道路修筑費用和設備進場費用。費用計算中包括1基鐵塔對應的4個基礎的費用；采用大型旋挖機，需要計列施工道路(500 m)修筑費用；人工挖孔樁基礎材料量保護護壁混凝土量。具體計算情況如表2所示。

表2 經濟效益預算

相比人工挖孔樁，采用微型樁基礎能節約基礎混凝土量，基礎綜合造價能夠節約4%左右。而微型樁基礎施工采用輕型模塊化鉆機，相比傳統旋挖鉆機，節約了修筑施工道路費用和設備進場費用，基礎綜合造價能可節約5%～8%。

2 鉆機關鍵技術研究

2.1 液壓系統

2.1.1 液壓系統原理

液壓系統工作穩定，具有低轉速、大扭矩、穩定支撐的特點[3]。在設計鉆機進給系統中，姿態油缸須在承受工作載荷中保持液壓斷電不泄壓；動力頭、提升馬達須在退鉆、空載送桿與鉆桿加接時實現快速進退。其中慢速增壓進給是整體液壓設計系統的難點，需要實現進給速度平穩及無級調速。進給系統原理如圖2所示。

圖2 進給系統液壓原理

模塊化鉆機采用單泵系統，利用電液比例流量分配來實現速度的無級調節。液壓油從油泵輸出，經過管路過濾器進入到電液比例分配閥，分為4路，分別控制動力頭、提升馬達、姿態油缸1和姿態油缸2等4個執行機構。動力頭提供鉆機鉆桿破巖的扭矩。提升馬達提供鉆桿向下進給與向上提鉆的動力。姿態油缸1作為支撐鉆機桅桿豎直狀態并將桅桿橫向載荷傳遞到機架。姿態油缸2輔助支撐鉆機及桅桿的穩定性，用來適用于山地不平整樁基地面環境。同時，為了保護鉆機液壓系統4個執行機構的安全性，須對每個機構都設計回油節流回路與斷電鎖壓功能。

2.1.2 液壓馬達的選型

根據微型樁樁基巖層[4]與工程機械常用系統壓力，選擇液壓系統的額定壓力為17 MPa，破巖最佳旋轉速度為15 r/min，查閱液壓馬達性能表可以得到執行馬達載荷扭矩T。根據鉆孔需要確定執行馬達的轉速，即可確定馬達的工作流量，即：

(1)

(2)

式中:V為液壓馬達排量，mL/r；T為液壓馬達的載荷扭矩，N·m；P為額定工作壓力，MPa；q為液壓馬達工作流量，L/min；n為液壓馬達工作轉速，r/min。

將鉆機工作選定的參數代入式(1)計算，得到動力頭馬達的排量大致為4 L/r；再代入式(2)得到動力頭馬達工作流量約為60 L/min。根據GB/T 2347—1980《液壓泵及馬達公稱排量系列》，并綜合上述指標參數，選擇動力頭馬達型號為YDS10000，主要技術參數如表3所示。

表3 YDS10000液壓馬達主要性能參數

根據上述方法，依據提升馬達實際工作狀況，選取提升馬達型號為IY3-2450CZD120201，主要性能參數如表4所示。

表4 IY3-2450CZD120201液壓馬達主要性能參數

2.1.3 液壓泵的選型

在確定液壓泵的工作壓力時，根據安全性即工作效率考慮，一般選擇液壓泵壓力高于液壓馬達壓力的20%[5]。液壓泵關系式為

qvmax≥K·q

(3)

式中:qvmax為液壓泵的流量,L/min；K為系統泄漏系數。

在此鉆機液壓系統中，取K為1.1，取q為動力頭馬達工作流量75 L/min，代入式(3)，得到qvmax≥82.5 L/min。結合液壓元件樣本，綜合液壓馬達與油泵參數及價格，選擇型號為31R-PSC12N00的液壓泵，主要參數如表5所示。

表5 31R-PSC12N00液壓泵主要性能參數

2.2 電控系統

模塊化鉆機電氣控制系統原理如圖3所示。電控系統是鉆機的重要部分，由控制器、傳感器、顯示器和遙控裝置等零部件組成[6]，這些電子元器件的組合能夠極大地提升鉆機設備的自動控制、自動檢測與自我保護能力，進而提高鉆孔效率與人員安全。

圖3 鉆機電氣控制原理

控制器主要處理數據信息，處理鉆機過程中傳感器產生的信號結果并發送相應的控制指令，實現對鉆機鉆進或提鉆的控制。該鉆機采用芬蘭MKS-ECU公司的I01706型號控制器，采用鋁鑄外殼，可有效防水防震，能夠適用于山地運輸中顛簸、潮濕等較為惡劣的環境。該控制器I/O接口具有高度擴展性，作為鉆機中獨立的控制單元，是鉆機控制系統的基礎構成模塊。處理器提供標準的CANOpen和CAN總線接口，可以將具有獨立CAN接口的傳感器、執行器、遙控手柄與其他設備連接到處理器的開放式I/O端口。

處理器作為電控設計核心，其32芯插座接線定義分別為鉆機的以下部件：1為動力頭正傳1A+；2為正轉1A-/0V；3為動力頭反轉；4為反轉1B-/0V；5為動力頭上升2A+；6為上升2A-/0V；7為動力頭下降2B+；8為下降2B-/0V；9為回油報警XM1.9；10為動力頭壓力XM1.10；11為動力頭轉速XM1.11；12為鏈輪轉速XM1.12；13為姿態油缸1下降；14為姿態油缸1上升；15為姿態油缸2上升；16為姿態油缸2下降；17為液壓油溫XM1.17；18為液位報警XM1.18； 20為系統壓力XM1.20；21為進給壓力XM1.21；22為進油報警XM1.22； 30為風扇U；31為風扇V；32為風扇W。

智能化的監測可視化平臺能夠有效地降低鉆機操作過程的復雜性，并提高電控系統的整體智能化水平[7]。系統采用芬蘭MSK-ECU公司的SPD-7顯示屏，可在線監測鉆機關鍵參數的變化。鉆機處理器對動力頭轉速、壓力、下降速度、液壓油溫、液位高度、進給壓力與下降深度等鉆機各個運行參數進行讀取，同時利用測量技術對各個參數進行在線監測，利用CAN通訊協議將結果顯示給顯示屏，如圖4所示。現場操作人員可通過顯示出的實時參數獲取鉆機運行狀態，進而調節包括動力速度、下鉆速度等在內的工作參數，也可以精準定位鉆機工作過程中的故障發生位置，依據參數數據實現設備的壽命管理與零件替換。

圖4 電控系統顯示屏

為增大鉆機工作過程中的安全性，鉆機可使用手動或遙控裝置。使用手動操作過程時，共有4個操作手柄，每個操作手柄均有2個方向，可以通過扳動的幅度調整相應部件的工作快慢，如圖5所示。

圖5 鉆機姿態調整

遙控器操作和手柄操作原理一樣，操作方式可參照手動操作[8]。鉆機遙控裝置采用瑞典SCANRECO公司的CN3741，可有效實現對鉆機遠距離操作。遙控器操作包括主泵啟動/停止、姿態油缸1伸/縮、姿態油缸2伸/縮、提升馬達正/反轉、動力頭正/反轉、姿態調整是/否鎖定、急停按鈕、遙控器電源開關按鈕，如圖6所示。遙控器“姿態調整鎖定”按鈕的設置，是為了在鉆機工作狀態時保證姿態調整油缸處于鎖死狀態，操作人員如果誤觸碰到“姿態調整油缸操作閥”，姿態調整油缸也不會移動，確保鉆機在鉆孔作業時的穩定和安全。

圖6 鉆機遙控界面

3 現場鉆進試驗

在成昆鐵路甘洛南段測試微型樁模塊化鉆機的性能，并進行了現場鉆進試驗，如圖7所示。現場微型樁試驗場地地層上部為第四系，由含碎石粉質黏土和含粉質黏土碎塊石組成；下部為基巖，為三疊系的粉砂巖、砂質板巖等。鉆機各模塊之間大多采用銷軸與螺栓連接，組裝便利快捷。在黏土地基的鉆進下降速度約為巖石地基的4～6倍，鉆機在鉆進過程中的提升力與扭矩超過巖土地基所需的提升力和扭矩。在整個試驗期間，鉆機在鉆進過程中受到的隨機沖擊載荷與扭矩載荷不會導致鉆機振動大，強度失效等問題。試驗結果表明，該模塊化鉆機可有效提升輸電線路基礎機械化施工率，樁基成孔形成孔徑為300 mm、孔深為8 m的樁基孔，且孔底通過擴孔裝備形成孔徑為500～600 mm的擴孔樁基基底，能夠保證微型樁樁基鉆孔施工的質量和效率。同時，在保證施工人員安全與施工質量的前提下，節約了索道搭建與臨時道路鋪設等鉆機運輸費用，帶來了客觀的經濟效益，具有顯著的推廣價值[9]。

圖7 微型樁鉆機實地鉆進試驗

4 結 論

上面針對山區地形復雜、整體運輸不便的客觀因素，研制了一款山區輸電線路微型樁模塊化鉆機。該鉆機采用模塊化設計，包含液壓系統、電控系統與遙控系統，綜合實現了模塊化鉆機的姿態調整、下鉆與退鉆等功能，可利用遙控裝置遠距離操作，保證了現場施工安全。相對于傳統大型鉆機，該鉆機具有更高效和安全的就位與拆解特點，同時也降低了運輸成本，具有可靠與廣闊的市場前景。

該鉆機對施工場地水平條件有一定要求，針對鉆機后續發展，將進一步探究直徑為600 mm的樁基與傾斜的微型樁基成孔方式和設備，并結合有限元分析軟件在保證機械強度條件下進一步減重。