SP30全液壓循環(huán)鉆機的研發(fā)與應用

李士戰(zhàn)，王宇清，李道華

（上海金泰工程機械有限公司，上海 201805）

1 概述

目前，鉆孔灌注樁的主要施工設備有旋挖鉆機、回轉(zhuǎn)鉆機、沖擊鉆機、螺旋鉆機、潛水鉆機、車載鉆機等種類，其中回轉(zhuǎn)鉆機雖然存在設備安全性差、施工效率低、人工用工量多、設備操作勞動強度大、勞動環(huán)境惡劣等諸多缺點，但因其設備操作簡單、運行成本低、適應地層能力強、應用面廣等突出優(yōu)勢，經(jīng)過幾十年的使用和改進已經(jīng)成為樁基成孔的主流機械，目前市場上還在應用的有近萬臺之多。

自1983年上海探礦機械廠（上海金泰工程機械有限公司前身）首創(chuàng)研發(fā)GPS系列回轉(zhuǎn)鉆機以來，各廠家爭相仿制同類產(chǎn)品，近三十年來設備的主體結(jié)構(gòu)形式基本無更新。隨著新時代的發(fā)展要求和新技術的升級換代，上海金泰工程機械有限公司再次承擔回轉(zhuǎn)鉆機的創(chuàng)新使命，2012年成功研發(fā)了SP30全液壓循環(huán)鉆機，工地應用實踐證明該設備穩(wěn)定可靠、操作安全舒適、施工效率高、成孔質(zhì)量好、勞動強度低，為國內(nèi)外的鉆孔灌注樁施工領域提供一款高效率的專業(yè)化施工設備。

2 鉆機主要技術參數(shù)

根據(jù)目前市場上傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機的應用情況，經(jīng)過多輪的市場調(diào)研和討論分析，并結(jié)合試制鉆機投放市場后的優(yōu)化改進和反饋情況，最終確定了SP30全液壓循環(huán)鉆機的主要技術參數(shù)如下所示，能夠滿足國內(nèi)外大多數(shù)鉆孔灌注樁的施工需求：

（1）主機高度13m

（2）主電動機功率2×45kW

（3）主泵流量2×130L／min

（4）主液壓系統(tǒng)壓力320bar

（5）回轉(zhuǎn)扭矩30kNm（轉(zhuǎn)速為28r／min時）

（6）回轉(zhuǎn)速度0～120r／min

（7）水龍頭通徑正循環(huán)100mm、反循環(huán)150mm

（8）主、副鋼絲繩提升能力200kN

（9）行走速度1km／h

（10）履帶板寬度600mm

（11）底盤寬度2800mm

（12）主機質(zhì)量18t（不含鉆具）

（13）主機運輸尺寸12m×2.8m×3.4m

3 鉆機主要部件組成和性能特點

SP30全液壓循環(huán)鉆機主要由可旋轉(zhuǎn)天車、桅桿、水龍頭、動力頭、駕駛室、鉆桿箱、履帶底盤、鉆具系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部件組成，以上各部件通過先進的機電液一體化技術進行組裝成套，再輔之以泥漿泵、抽水泵、砂石泵等泥漿循環(huán)裝置，可實現(xiàn)正、反循環(huán)鉆進工藝的施工作業(yè)。圖1為SP30全液壓循環(huán)鉆機施工狀態(tài)簡圖，圖2為SP30全液壓循環(huán)鉆機運輸狀態(tài)簡圖，圖3為SP30全液壓循環(huán)鉆機在杭州德勝東路快速路工地的施工現(xiàn)場圖。

圖1 SP30全液壓循環(huán)鉆機施工狀態(tài)簡圖

圖2 SP30全液壓循環(huán)鉆機運輸狀態(tài)簡圖

針對傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機在鉆孔施工過程中存在的技術缺陷，考慮當代社會日益重視對節(jié)能環(huán)保和文明施工的現(xiàn)實要求，在結(jié)合目前樁工機械行業(yè)機電液一體化先進技術的基礎上，充分利用我公司多年研發(fā)地下基礎施工設備的技術經(jīng)驗，我公司在SP30全液壓循環(huán)鉆機的產(chǎn)品研發(fā)過程中給出了相應解決方案，并在試制產(chǎn)品的施工作業(yè)過程中得到逐步改進優(yōu)化和完善到位，具體情況如下：

（1）傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機的轉(zhuǎn)盤機構(gòu)為純機械傳動方式，自制變速箱、萬向軸等機構(gòu)很容易出現(xiàn)機械故障，出現(xiàn)孔內(nèi)卡鉆等嚴重情況時變速箱齒輪將崩斷。

解決方案：配置自帶負載敏感控制功能的液壓動力系統(tǒng)，恒功率變量泵配套液控變量馬達，PVG32主閥自帶摩擦定位功能可實現(xiàn)無級調(diào)速，兩個變量泵可分別啟動也可實現(xiàn)聯(lián)動，在孔徑小地層軟的情況時可單泵輪流工作，在遇到卵石層、巖層等較硬較復雜地層時可雙泵聯(lián)動工作，另外可實現(xiàn)自動卸荷功能避免液壓系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)受到損壞，在節(jié)約用電的同時可延長主泵使用壽命。

（2）傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機移孔位時的走管方式太過原始，操作不方便，工人的勞動強度大，又浪費時間，如果兩個樁孔距離稍大時必須借用吊車輔助移位。

圖3 SP30全液壓循環(huán)鉆機在杭州德勝東路快速路工地施工現(xiàn)場圖

解決方案：配置自行走功能的履帶底盤，液壓馬達驅(qū)動，通過左右兩個操作手柄的聯(lián)合動作實現(xiàn)主機的前進、后退和轉(zhuǎn)向功能，鉆機移位更加方便，節(jié)省了人力和時間，總體來看大大提升了鉆機的鉆進效率，也充分體現(xiàn)了現(xiàn)代社會的自動化水平。

（3）傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機配置純機械傳動結(jié)構(gòu)方式的卷揚機，由于都是齒輪傳動、四連桿操縱控制、抱閘結(jié)構(gòu)等純機械傳動形式，聯(lián)動復合動作繁多造成操作過程復雜，操作人員的勞動強度高，另外很容易出現(xiàn)機械故障造成誤工損失。

解決方案：配置提升能力200kN的兩個高壓油缸替代原來的主副卷揚機，通過一個具有導向作用的油缸懸掛裝置與桅桿連接在一起，可隨桅桿的起塔放塔上下自由滑動，分別實現(xiàn)施工狀態(tài)和運輸狀態(tài)，一個主提升油缸實現(xiàn)主動鉆桿與水龍頭的上下提拉，一個副提升油缸實現(xiàn)圓鉆桿加接、下放鋼筋籠和灌注混凝土功能，操作使用起來簡單方便快捷，達到經(jīng)濟實用的目的，結(jié)構(gòu)簡單不容易出現(xiàn)機械故障。

（4）傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機的鉆桿閑置時在施工現(xiàn)場胡亂擺放，鉆桿加接和轉(zhuǎn)場時經(jīng)常發(fā)生因磕碰損傷鉆桿的情況，不符合目前社會文明施工的新要求。

解決方案：在鉆機平臺上配置鉆桿箱，使得鉆桿可隨主機一起移動，并且利用副提升油缸、輔助吊卷揚機、吊抓和滑車實現(xiàn)加接圓鉆桿功能，增加鉆機移位的機動靈活性。需要特別指出的是，該鉆桿箱是可折疊結(jié)構(gòu)，運輸狀態(tài)時將上架體合起來以防止整機超寬，在施工現(xiàn)場將上架體翻開以方便圓鉆桿的加接和擺放。

（5）由于傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機門式框架結(jié)構(gòu)的活動區(qū)域限制，在加接鉆桿時需要輔助人員爬到門式框架頂部操作以便主動鉆桿讓開孔口，費時費力且存在安全隱患。

解決方案：配置可旋轉(zhuǎn)天車和擺臂式輔助吊卷揚機，天車架可液控對中轉(zhuǎn)動確保兩個出繩方向分別對準孔口，正常鉆進時主鋼絲繩對準孔口實現(xiàn)上下提拉功能，加接鉆桿時主鋼絲繩讓開孔口的同時副鋼絲繩對準孔口，擺臂式輔助吊卷揚機配合副提升油缸實現(xiàn)圓鉆桿從鉆桿箱提出，大大減輕勞動強度的同時確保鉆機施工的安全。

（6）傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機的鉆具系統(tǒng)主要存在水龍頭漏漿、圓鉆桿連接密封容易損壞、自重加壓方式太笨拙等問題；

解決方案：一方面，合理借用我公司多軸鉆機的回轉(zhuǎn)密封技術，可隨時對水龍頭加注黃油，徹底解決水龍頭漏漿問題；一方面，將原有的兩處定位銷調(diào)整為四處定位鍵，增加定位鍵的傳扭能力從而解決鉆桿連接密封問題；另外，在副提升油缸鋼絲繩繩頭上設計彈簧結(jié)構(gòu)的加壓裝置，利用彈簧的彈性變形實現(xiàn)自動加壓功能。

（7）傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機的操作機手長期遭受日曬雨淋，勞動環(huán)境惡劣，在一定程度上影響了操作工人的勞動效率和工作積極性。

解決方案：配置專用駕駛室內(nèi)設有雨刷、風扇、空調(diào)、照明燈等設施，操作手柄和電氣按鈕都安裝在操作臺面上，操作機手可以在駕駛室內(nèi)集中控制鉆機并隨時觀察鉆進情況，避免操作機手長期遭受日曬雨淋，實現(xiàn)人性化設計，大大優(yōu)化了操作機手的勞動環(huán)境。

4 鉆機使用情況

SP30全液壓循環(huán)鉆機自2012年7月份投放市場以來，先后有近10臺設備在南京新華城、昆山繞城快速路、上海南京西路大中里工地、上海世博園合景廣場、杭州德勝東路快速路、臺州江南明珠、寧波新江橋、通州南山湖一號等項目進行了施工作業(yè)，施工口徑最小為800mm，最大為1500mm，最淺為28m，最深為94m，黏土、粉砂、砂巖、泥巖、礫石等各種地層均有施工。

在南京新華城工地，孔徑1m孔深78m的工程樁，0～50m為泥巖層，50～70m為礫石層，70～78m為灰?guī)r層，鉆進成孔用時51h，進尺效率為1.53m／h。同一工地，GPS20型鉆機凈鉆進成孔用時118h，SD28旋挖鉆機鉆進成孔用時36h。

在寧波新江橋工地，孔徑1.5m孔深94m的橋梁樁，0～10m為江底沉沙，10～30m為淤泥質(zhì)黏土，25～45m為粉質(zhì)黏土，45～75m為中砂夾雜粉質(zhì)黏土，75～85m為圓礫，75～94m為含黏性土角礫和中風化粉砂巖，鉆進成孔用時16h，進尺效率為5.88m／h。同一工地，GPS22型鉆機凈鉆進成孔用時44h。

在昆山繞城快速路工地，孔徑1.5m孔深61m的橋梁樁，20m以上為黏性淤泥，20～40m為粉砂，40m以下為砂巖，鉆進成孔用時12h，進尺效率為5.08m／h。同一工地，GPS20型鉆機凈鉆進成孔用時26h，SR280旋挖鉆機鉆進成孔用時8h。

在杭州德勝快速路工地，孔徑1.2m孔深70m的橋梁樁，15m以上為細砂，15～30m為粉砂，30～58m為卵石，58～70m為強風化泥巖，鉆進成孔用時48h，進尺效率為1.46m／h。同一工地，GPS20型鉆機凈鉆進成孔用時6天以上，由于該工段的地層情況太過復雜，老鉆機施工相當困難。

在通州南山湖一號工地，孔徑800mm孔深70m的工程樁，地層基本為沉積砂層，夾帶少許粘土層，鉆進成孔用時4h，進尺效率為17.5m／h。同一工地上用潛孔鉆機成孔用時5.5h，效率提升明顯。

綜合以上實際應用情況，SP30全液壓循環(huán)鉆機在橋梁樁的施工過程中施工效率都有兩倍以上的提升，在工程樁和圍護樁的施工過程中施工效率也提升了50%以上，從實踐中進一步說明立項之初確定的“高速小扭矩”設計思路是正確的，真正實現(xiàn)了“快速切削”的鉆進目的，完全達到“效率翻番”的研發(fā)目標。

5 結(jié)束語

實際施工應用證明，SP30全液壓循環(huán)鉆機在各種地層的施工效率都達到了預期目標，主要技術參數(shù)和整機布局設計合理，主要使用性能穩(wěn)定可靠，最大孔徑2m，鉆深可達100m，完全滿足大多數(shù)國內(nèi)鉆孔灌注樁的施工作業(yè)需求。另外，與目前國內(nèi)外市場上的傳統(tǒng)機械式回轉(zhuǎn)鉆機相比，SP30全液壓循環(huán)鉆機的整機穩(wěn)定性更好，施工效率更高，成孔質(zhì)量更好，勞動強度更低，維護保養(yǎng)更簡單，性價比更高，面對國內(nèi)如火如荼的基礎建設，是一款具有巨大市場前景的專業(yè)化施工設備。

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