魯學(xué)璽 梁東波 孟憲坤 劉秀華

超越?jīng)_擊鉆機(jī)的研制與應(yīng)用

魯學(xué)璽 梁東波 孟憲坤 劉秀華

研發(fā)背景

沖擊鉆機(jī)是一種廣泛用于水利、交通、工民建、港口碼頭等行業(yè)樁基、防滲墻的施工機(jī)械。目前市場(chǎng)上的沖擊鉆機(jī)主要有卷揚(yáng)式?jīng)_擊鉆機(jī)、拐臂式（CZ）沖擊鉆機(jī)、鏈?zhǔn)經(jīng)_擊鉆機(jī)。但在實(shí)際應(yīng)用中，這些鉆機(jī)都存在或多或少的缺陷和弊端，部分設(shè)備已滿足不了現(xiàn)代工程施工的要求。如手動(dòng)卷揚(yáng)式?jīng)_擊鉆機(jī)存在沖擊頻率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗費(fèi)鋼絲繩、定位慢、在泥層鉆孔速度慢等缺點(diǎn)；半自動(dòng)卷揚(yáng)式?jīng)_擊鉆機(jī)存在泥層特別是黏泥層不能用，易出現(xiàn)錘頭無限上提和無限放繩，甚至?xí)斐芍卮蠊收系碾[患；拐臂式（CZ）沖擊鉆機(jī)存在沖擊力受限、沖擊行程不能根據(jù)底層的軟硬來調(diào)整、沖擊行程低、沖擊力小、遇卵石層和硬巖層效率低等缺點(diǎn)；鏈?zhǔn)經(jīng)_擊鉆機(jī)存在等待時(shí)間長(zhǎng)、沖擊過程不連貫等缺點(diǎn)。為克服這些常用鉆機(jī)的缺點(diǎn)，河南省濮陽臺(tái)前河務(wù)局樁基隊(duì)的研發(fā)人員根據(jù)多年鉆井施工的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，在實(shí)際工作中開發(fā)研制了一種具有鉆機(jī)移動(dòng)及定位方便靈活、鉆孔速度快、成孔質(zhì)量高、排渣速度快、清孔效果好、勞動(dòng)強(qiáng)度低、工作效率高且能夠適應(yīng)各種地質(zhì)條件等特點(diǎn)的新型沖擊鉆機(jī)——超越?jīng)_擊鉆機(jī)。

研制的關(guān)鍵點(diǎn)

超越?jīng)_擊鉆機(jī)的研制從2006—2011年，歷經(jīng)6年時(shí)間，經(jīng)過十幾次的改進(jìn)和5個(gè)工地施工檢驗(yàn)而完成。其研發(fā)思路主要針對(duì)主機(jī)和離合器的改造、滑輪更新、移機(jī)定位、錘頭調(diào)換、系繩工藝流程、正反混合循環(huán)排渣方式等內(nèi)容分階段進(jìn)行研究。

①主機(jī)及離合器研究以提供一個(gè)不管鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢錘頭都能自由下落，且待錘頭落到孔底后能夠立刻上升且運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、壽命長(zhǎng)的沖擊鉆機(jī)為目標(biāo)，對(duì)主機(jī)和離合器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，克服了主機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)、離合器發(fā)熱過高、磨損嚴(yán)重而易損壞的弊端。

②滑輪更換研究的動(dòng)因是由于傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)所使用的滑輪都為鑄鋼輪，與鋼絲繩發(fā)生嚴(yán)重磨損，在鉆機(jī)工作期間4～5個(gè)小時(shí)就需要上一次黃油，每次上黃油需1個(gè)小時(shí)，嚴(yán)重影響鉆孔效率。研制小組用尼龍滑輪代替鑄鋼輪進(jìn)行多次試驗(yàn)，于2008年5月試驗(yàn)成功。鉆機(jī)更換尼龍滑輪后，不僅節(jié)約了黃油，提高了生產(chǎn)效率，而且使鉆孔過程中鋼絲繩的消耗量大大降低。經(jīng)統(tǒng)計(jì)比較，更換滑輪后的鋼絲繩消耗量是傳統(tǒng)鉆機(jī)的1/10～1/20。

③移機(jī)定位裝置研究是決定鉆機(jī)工作效率的關(guān)鍵。此前投入使用的鉆機(jī)，在移機(jī)定位時(shí)，均需要其他工程設(shè)備進(jìn)行牽引，極大影響了鉆機(jī)的整體施工速度，特別當(dāng)?shù)缆纺酀?，其他設(shè)備不能進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，只能停止施工作業(yè)。為解決鉆機(jī)自動(dòng)移機(jī)定位問題，經(jīng)技術(shù)人員多次研究，在鉆機(jī)底部安裝輪具，達(dá)到自動(dòng)或在一些簡(jiǎn)單設(shè)備牽引下實(shí)現(xiàn)移機(jī)定位。

④特制錘頭的研究。傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)的鉆進(jìn)主要靠對(duì)地下土層的擠壓，錘牙厚且矮，鉆進(jìn)速度慢。為提高鉆進(jìn)速度，技術(shù)人員對(duì)錘頭及錘牙形狀進(jìn)行了改造，使錘牙變得高而薄，使鉆機(jī)鉆進(jìn)方式由擠壓變?yōu)榍邢鳌＝?jīng)多次試驗(yàn)，錘頭采用全鋼板焊接，重量為3～4t，經(jīng)施工檢驗(yàn)，改造后的錘頭不僅具有在黏泥層不沾錘的優(yōu)點(diǎn)，而且在土層及軟巖層中其鉆進(jìn)速度是傳統(tǒng)鉆機(jī)的數(shù)倍。

⑤調(diào)換錘頭及快速系鋼絲繩工藝的研究。采用特制錘頭后，需要吊車配合調(diào)換錘頭，但由于調(diào)換錘頭需上卸卡扣、截鋼絲繩、吊車就位等各種工藝程序，在一定程度上影響了作業(yè)效率。為節(jié)約時(shí)間，技術(shù)人員研制了錨具及錨片并采用定位卷揚(yáng)機(jī)加鋼絲繩控制支撐桿的方法，在施工實(shí)踐中不但達(dá)到了節(jié)省時(shí)間的目的(調(diào)換錘頭由原來的3個(gè)多小時(shí)縮短為30分鐘左右)，而且也節(jié)省了鋼絲繩、卡扣等。采用新的工藝不僅方便了錘頭定位，而且也節(jié)省了資金。

⑥正反混合循環(huán)排渣方式的研究。隨著超越?jīng)_擊鉆機(jī)各項(xiàng)功能的提高，傳統(tǒng)的排渣方式與鉆機(jī)的性能已不再匹配。傳統(tǒng)排渣方式有正循環(huán)和反循環(huán)兩種。正循環(huán)排渣較慢、不易塌孔、擴(kuò)孔率小。反循環(huán)排渣快但擴(kuò)孔率大、易塌孔，市場(chǎng)上已很少見到此類鉆機(jī)。采用正循環(huán)排渣，有時(shí)鉆機(jī)需停下來等待排渣，特別是清30m左右的孔時(shí)需4～5個(gè)小時(shí)才能清好；當(dāng)孔深50m左右時(shí)需兩天左右，有時(shí)會(huì)需要更長(zhǎng)時(shí)間。技術(shù)人員經(jīng)過對(duì)正、反循環(huán)排渣特點(diǎn)的分析總結(jié)，研究了正反混合循環(huán)排渣方法，即一個(gè)管送漿一個(gè)管排漿。經(jīng)施工檢驗(yàn)，這種方法排渣效果好、不易塌孔、擴(kuò)孔率小、護(hù)壁好，同時(shí)提高了鉆進(jìn)速度，終孔后一般半個(gè)小時(shí)即可完成清孔，且清孔效果極好。

圖1 超越?jīng)_擊鉆機(jī)主視圖

結(jié)構(gòu)組成

超越?jīng)_擊鉆機(jī)主要有支撐系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、卷揚(yáng)系統(tǒng)、沖擊系統(tǒng)、行走系統(tǒng)連接而成。其中:支撐系統(tǒng)包括機(jī)架、定位卷揚(yáng)機(jī)、鋼絲繩、支撐桿等，傳動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、小三角帶輪、大三角帶輪等，卷揚(yáng)系統(tǒng)包括主卷揚(yáng)機(jī)、副卷揚(yáng)機(jī)、差動(dòng)器等，沖擊系統(tǒng)包括特制的超越離合器、傳動(dòng)齒輪、沖擊鏈輪、沖擊鏈條、連鏈器、連桿、調(diào)整架、調(diào)整尼龍輪、軌道、沖擊尼龍輪、上下固定尼龍輪、上下防脫輪、天輪等，行走系統(tǒng)包括兩個(gè)前行走輪及獨(dú)立動(dòng)力變速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、兩個(gè)后行走輪及變速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。詳見圖1和圖2。

圖2 超越?jīng)_擊鉆機(jī)主機(jī)俯視圖

工作原理

超越?jīng)_擊鉆機(jī)巧妙地利用超越離合器超越的特性，配合連鏈器使錘頭自由下落，利用超越離合的逆止性在傳動(dòng)機(jī)的作用下使錘頭提升，使用連鏈器使提升錘頭的扭矩變小，動(dòng)力輸出均勻，減少了波動(dòng)、振動(dòng)和配置動(dòng)力。同時(shí)延長(zhǎng)了各設(shè)備的使用壽命，使鉆機(jī)在各種地層、各種泥漿比重和各種沖程下，動(dòng)能都能保持最大值。沖擊頻率隨沖擊行程的變大而變小，沖擊行程變小，沖擊頻率變大，通過調(diào)整沖擊架總成中的連桿長(zhǎng)短可任意調(diào)整沖擊行程。其主要原理如下：

①定位。定位時(shí)操作前后動(dòng)力按鈕使其前后移動(dòng)，操作轉(zhuǎn)向裝置使其左右移動(dòng)。其行走速度為1km/h，可以帶著錘頭行走。

②沖擊鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)工作鋼絲繩一端纏繞于主卷揚(yáng)機(jī)上，另一端通過下固定尼龍輪、沖擊尼龍輪、上固定尼龍輪、天輪，用特制的錨具固定于錘頭上。操作主卷揚(yáng)機(jī)收放鋼絲繩，沖孔鉆進(jìn)時(shí)首先操作主卷揚(yáng)機(jī)上自重剎車，使鋼絲繩不致松動(dòng)，再操作沖擊系統(tǒng)使沖擊鏈條正轉(zhuǎn)帶動(dòng)沖擊尼龍輪在軌道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)錘頭上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)錘頭下落速度大于沖擊鏈條運(yùn)行速度時(shí)，動(dòng)力失去對(duì)錘頭的控制，錘頭自由下落，下落至孔底后即刻上升，沖擊力大、運(yùn)行順暢。

③調(diào)整沖擊頻率。操作變速箱操作桿，變換檔位使其變速。根據(jù)施工工序、錘頭的輕重，調(diào)整沖擊頻率。重錘時(shí)采用低頻率，輕錘時(shí)采用高頻率，確保滿負(fù)荷運(yùn)行，達(dá)到效率最大化。

④調(diào)整沖擊行程。調(diào)整連桿銷在連桿上的位置即可，時(shí)間一般需要15分鐘左右。調(diào)整沖擊行程應(yīng)考慮的因素包括施工工序、地層軟硬、錘頭的輕重等，地層過軟用低行程；軟巖層、卵石層、硬泥層用高行程。

⑤排渣及清孔。排渣采用正反混合循環(huán)，即一個(gè)管送漿，另一個(gè)管抽漿，使孔內(nèi)泥漿保持一定稠度和一定高度，使小于一定粒徑的泥漿既要及時(shí)排出孔外，又不致擴(kuò)孔過大，極大地提高了鉆進(jìn)速度。終孔后一般在半小時(shí)清孔完成，且清孔效果極好。

⑥調(diào)換錘頭。本鉆機(jī)鉆孔在土層施工時(shí)采用特制錘頭。傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)主要以擠壓方式鉆進(jìn)，而本鉆機(jī)是以切削方式，采用特制錘頭使其在土層及軟巖層施工時(shí)鉆孔速度可以達(dá)到傳統(tǒng)沖擊鉆的數(shù)倍。調(diào)換錘頭時(shí)，只需操作定位卷揚(yáng)機(jī)及鋼絲繩，使支撐桿前扒，當(dāng)錘頭離開孔口時(shí)即可調(diào)換錘頭。

推廣應(yīng)用

2010年寧道（湖南省寧遠(yuǎn)縣至道縣）高速公路上茶高架橋樁基施工時(shí)，由于其地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，土層為膨脹土、沙土、黏土，下部為含有大量結(jié)晶完整的白色石英巖脈的石灰?guī)r，石英非常堅(jiān)硬，石灰?guī)r相對(duì)較軟且多為斜面巖，極易產(chǎn)生斜孔、卡錘等事故，因此，拐臂式（CZ）型沖擊鉆機(jī)無法使用。進(jìn)駐工地現(xiàn)場(chǎng)的鉆機(jī)除超越?jīng)_擊鉆機(jī)外都為卷揚(yáng)式?jīng)_擊鉆機(jī)。在施工過程中正趕上霧雨季節(jié)，吊車、裝載機(jī)都很難進(jìn)場(chǎng)，移機(jī)定位非常困難，超越?jīng)_擊鉆機(jī)能夠自動(dòng)移機(jī)定位，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。在有石英、石灰石軟硬不均勻的巖層中鉆孔，為防止產(chǎn)生斜孔，必須采用低沖程、緊鋼絲繩沖擊鉆孔作業(yè)。超越?jīng)_擊鉆機(jī)采用沖擊行程1.3m、沖擊頻率36～40次/min進(jìn)行鉆孔作業(yè)。由于超越?jīng)_擊鉆機(jī)沖擊行程是固定的，各次沖擊力是均勻的不易斜孔。整個(gè)施工過程中，超越?jīng)_擊鉆機(jī)沒出現(xiàn)斜孔、卡錘的事故。在同一工地施工的卷揚(yáng)式?jīng)_擊鉆機(jī)因需打緊鋼絲繩，自動(dòng)沖擊裝置已不能使用，只能手動(dòng)操作，沖擊行程控制在1～2m之間，沖擊頻率為12～15次/min，工人需十分注意，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，稍不注意就打高錘及空錘。工地上所有卷揚(yáng)鉆機(jī)都出現(xiàn)了斜孔或卡錘的事故。在此工地上，超越?jīng)_擊鉆機(jī)較好地適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、氣象與地質(zhì)因素，發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)越性能，效果顯著，成孔速度約是卷揚(yáng)式的3.5倍，受到了承包方及業(yè)主的好評(píng)。

結(jié) 語

該鉆機(jī)研制成功后，曾在寧道高速公路上茶高架橋樁基、集新水泥廠樁基、山西中南部鐵路十六標(biāo)臺(tái)前縣將軍渡黃河特大橋施工過程中得到應(yīng)用，與其他目前市場(chǎng)上的鉆機(jī)相比，該鉆機(jī)能夠適應(yīng)各種施工地質(zhì)條件，移動(dòng)及定位方便靈活，鉆孔速度快（是其他機(jī)械的2～3倍），成孔質(zhì)量高，排渣速度快，清孔效果好，并降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效地提高了工作效率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用空間。

魯學(xué)璽，梁東波，孟憲坤，劉秀華，河南省濮陽黃河河務(wù)局）