旋挖鉆機(jī)工況和多模式控制探析,建筑環(huán)境與設(shè)備工程論文

旋挖鉆機(jī)工況和多模式控制探析,建筑環(huán)境與設(shè)備工程論文摘要：隨著我們國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，需要使用大量的旋挖鉆機(jī)。旋挖鉆機(jī)是一種快速成孔的樁基礎(chǔ)施工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、橋梁、工民建設(shè)等領(lǐng)域。但隨著產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的劇烈，用戶對(duì)主機(jī)效率和油耗要求越來(lái)越高，提高主機(jī)效率、降低燃油成本成為新的研究目的。本文針對(duì)旋挖鉆機(jī)施工特點(diǎn)，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的工作特性進(jìn)行理論匹配和試驗(yàn)研究。提出了旋挖鉆機(jī)四種作業(yè)形式，即高效形式、標(biāo)準(zhǔn)形式、節(jié)能載形式、輕載形式，使主機(jī)在不同工況施工到達(dá)比擬理想的施工效率和節(jié)油效果，具有一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文關(guān)鍵詞語(yǔ):旋挖鉆機(jī);效率;油耗;作業(yè)形式;Abstract：WiththerapiddevelopmentofChinaseconomyandthecontinuousexpansionofinfrastructureconstruction,itisnecessarytousealargenumberofrotarydrillingrigs.Rotarydrillingrigisakindofpilefoundationconstructionequipmentthatquicklyformsholes,whichiswidelyusedinroads,railways,bridges,industrialandcivilianconstructionandotherfields.However,withthefierceproductcompetition,usershavehigherandhigherrequirementsfortheefficiencyandfuelconsumptionofthemainengine,andimprovingtheefficiencyofthemainengineandreducingthefuelcosthavebecomenewresearchgoals.Accordingtotheconstructioncharacteristicsoftherotarydrillingrig,thispapercombinestheworkingcharacteristicsoftheengineandthehydraulicpumptocarryouttheoreticalmatchingandexperimentalresearch.Fouroperatingmodesofrotarydrillingrigsareproposed,namely,high-efficiencymode,standardmode,energy-savingloadmode,andlight-loadmode,sothatthemainenginecanachieveidealconstructionefficiencyandfuel-savingeffectsindifferentworkingconditions,whichhascertaintheoreticalsignificanceandengineering.Keyword：rotarydrillingrig;efficiency;fuelconsumption;operationmode;0、引言近些年來(lái)，隨著樁工行業(yè)的高速發(fā)展，我們國(guó)家旋挖鉆機(jī)獲得了較快發(fā)展，產(chǎn)品型譜和施工工法比擬齊全，但隨著施工需求提高、產(chǎn)品竟品的劇烈，用戶對(duì)主機(jī)效率和工作油耗要求越來(lái)越高，提高主機(jī)效率、降低燃油成本成為主機(jī)廠追求的目的。本文結(jié)合旋挖鉆機(jī)施工工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵的匹配進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究。1、旋挖鉆機(jī)工況分析旋挖鉆機(jī)是一種用于建筑基礎(chǔ)工程中混凝土灌注樁施工的成孔作業(yè)機(jī)械。它廣泛應(yīng)用于市政建設(shè)、鐵路、公路、橋梁和高層建筑等基礎(chǔ)施工工程，配合不同的鉆具能夠?qū)嵢缃穸喾N地層中的成孔施工作業(yè)。旋挖鉆機(jī)由機(jī)、電、液、柴等多個(gè)系統(tǒng)組成，執(zhí)行動(dòng)作有十余種，旋挖鉆機(jī)幾乎是全天持續(xù)作業(yè)，工作時(shí)間長(zhǎng)。旋挖鉆機(jī)主要作業(yè)流程為主卷?yè)P(yáng)下放放鉆，加壓缸進(jìn)給加壓，動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取土，主卷?yè)P(yáng)起升提鉆，回轉(zhuǎn)卸土，回轉(zhuǎn)復(fù)位等。動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)和主卷?yè)P(yáng)提放使用最頻繁，功率消耗最大，通常會(huì)到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率輸出。1.1、不同地層施工發(fā)動(dòng)機(jī)工況分析不同地層與不同樁深、孔徑，施工工況差異較大：以土層為主的中小孔施工，非常注重施工效率，動(dòng)力頭鉆進(jìn)取土快，負(fù)荷大，鉆桿提放頻繁，速度高，負(fù)荷大。發(fā)動(dòng)機(jī)工作速轉(zhuǎn)高，主機(jī)動(dòng)作快，要求發(fā)動(dòng)機(jī)有較好的抗載性能；以巖層為代表的中大型孔施工，動(dòng)力頭鉆進(jìn)時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)荷中等，主卷?yè)P(yáng)使用不頻繁，但負(fù)荷較大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速不高，動(dòng)作較平穩(wěn)。主機(jī)在固定載荷下工作時(shí)間長(zhǎng)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作平穩(wěn)可靠。主機(jī)振動(dòng)、負(fù)載、效率、油耗和噪音是影響發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率的主要因素。不同巖土工況差異較大，機(jī)手通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變主要?jiǎng)幼鞯淖畲筝敵鏊俣葋?lái)知足鉆進(jìn)工況。(1)高轉(zhuǎn)速：鉆進(jìn)細(xì)粒土黏土層、亞黏土?xí)r負(fù)載輕，鉆進(jìn)平穩(wěn)，發(fā)動(dòng)機(jī)即可高轉(zhuǎn)速輸出，以提升鉆進(jìn)效率；粗粒土砂層負(fù)載升高，鉆進(jìn)平穩(wěn)無(wú)振動(dòng)，因而可繼續(xù)高轉(zhuǎn)速輸出提升施工效率。發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速：1800-1900r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷率85-95%。(2)中高轉(zhuǎn)速：粗粒土的礫石層，鉆進(jìn)產(chǎn)生較輕振動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速：1700-1800r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷率75-85%。(3)中轉(zhuǎn)速：強(qiáng)風(fēng)化負(fù)載增高且不均勻，鉆進(jìn)不平穩(wěn)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速：1600-1700r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷率65-85%。(4)低轉(zhuǎn)速：巨粒土的卵石層及漂石層振動(dòng)劇烈，可能會(huì)產(chǎn)生憋鉆、折齒、偏孔現(xiàn)象，保衛(wèi)部件及成孔質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速：1400-1600r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)平均q〔各種粒狀、片狀、塊狀構(gòu)造〕，結(jié)合鉆進(jìn)振動(dòng)、負(fù)載情況，油門轉(zhuǎn)速在低轉(zhuǎn)速，中轉(zhuǎn)速，中高轉(zhuǎn)速區(qū)間不斷調(diào)整。另外，除了鉆進(jìn)工況，提鉆、下鉆、回轉(zhuǎn)、倒土、關(guān)底門等都可根據(jù)工況適當(dāng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)油門轉(zhuǎn)速。1.2、不同機(jī)型旋挖鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率評(píng)估旋挖鉆機(jī)施工操控流程：主卷?yè)P(yáng)下放鉆桿，動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取土，主卷?yè)P(yáng)起升提鉆桿，回轉(zhuǎn)倒土與關(guān)斗門，復(fù)位。華而不實(shí)主卷?yè)P(yáng)提放鉆桿，動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為最主要的兩個(gè)執(zhí)行動(dòng)作，工作時(shí)間長(zhǎng)，功率消耗大?；剞D(zhuǎn)倒土和加壓占用時(shí)間短，負(fù)荷也較小，機(jī)型不同，地層不同，旋挖鉆機(jī)一個(gè)工作循環(huán)的各動(dòng)作負(fù)荷和時(shí)長(zhǎng)占比會(huì)有一定的差異，針對(duì)某品牌旋挖鉆機(jī)在實(shí)際施工中各個(gè)動(dòng)作的負(fù)荷率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)的平均負(fù)荷率，如表1。表1不同機(jī)型旋挖鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)表圖1某品牌中型旋挖鉆機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷情況記錄圖小型噸位旋挖鉆機(jī)以小孔，土層，房建樁施工為主，愈加注重工作效率，動(dòng)作速度高，工作負(fù)荷大；中大噸位旋挖鉆機(jī)注重效率的同時(shí)兼顧能力，動(dòng)作相對(duì)平穩(wěn)，負(fù)荷中等。某品牌280〔中型〕旋挖鉆機(jī)在強(qiáng)風(fēng)化地層工作兩小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷情況記錄，如此圖1。圖中能夠看出，發(fā)動(dòng)機(jī)大集中在1700r/min轉(zhuǎn)速下工作，扭矩集中在1100N·m，此轉(zhuǎn)速點(diǎn)的最大扭矩為1650N·m，得出發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率約為67%，負(fù)荷中等。2、旋挖鉆機(jī)主機(jī)多形式控制研究分析泵與發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配的基本目的為：在各個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)下，泵的吸收扭矩都接近，不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，主泵扭矩低于或高于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩外特性曲線扭矩會(huì)影響主機(jī)工作。然而當(dāng)泵和發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配點(diǎn)偏離最小燃油消耗率點(diǎn)，會(huì)增加燃油消耗。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性曲線和液壓泵最大可利用的功率確定主泵功率，按發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩和最大功率兩種工況匹配。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)匹配主泵的功率能夠最大限度地發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)功率，此匹配點(diǎn)下匹配的主泵動(dòng)力性最強(qiáng)。主泵的功率利用率一般不低于發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率的85%，特定轉(zhuǎn)速或特殊工況主泵功率超出部分由極限功率控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋挖鉆機(jī)動(dòng)作大多為主泵單動(dòng)作，建議在泵與發(fā)動(dòng)機(jī)功率匹配時(shí)，以主泵和發(fā)動(dòng)機(jī)匹配為主，在特殊工況中再考慮副泵的功率消耗。本文針對(duì)旋挖鉆機(jī)的工作特性，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性曲線及主泵功率曲線匹配四種最佳作業(yè)形式：高效形式、標(biāo)準(zhǔn)形式、節(jié)能載形式、輕載形式。(1)高效形式，即重負(fù)荷鉆進(jìn)形式，轉(zhuǎn)速最高，功率最大，合適土層或強(qiáng)風(fēng)化地層施工；(2)標(biāo)準(zhǔn)形式，標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)形式，兼顧效率及油耗，合適大部分地層施工；(3)節(jié)能載形式，普通作業(yè)形式，效率適中，最節(jié)能，合適地層不太堅(jiān)硬的中小孔施工；(4)輕載形式，輕載作業(yè)形式，合適行走，輔助作業(yè)工況。發(fā)動(dòng)機(jī)的油門〔轉(zhuǎn)速〕、泵的扭矩由程序自動(dòng)控制，針對(duì)不同的工作形式設(shè)計(jì)不同的扭矩特性曲線形狀，選定某幾個(gè)常用的工作點(diǎn)做為設(shè)定的擋位，即成為固定的功率形式。H擋為100%功率點(diǎn)，高速度強(qiáng)力作業(yè)時(shí)用此擋；S擋為85%功率點(diǎn)，可在常規(guī)作業(yè)時(shí)用；F擋，泵的扭矩與S點(diǎn)一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低些，功率也低一些；L擋可吸收60%功率，在輔助作業(yè)時(shí)用。該功率優(yōu)化系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，工作中它能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓泵所吸收的功率，使液壓泵的功率始終與發(fā)動(dòng)機(jī)的功率相匹配，控制器即對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采取分段功率控制，不再追求完全用足發(fā)動(dòng)機(jī)功率，而是根據(jù)詳細(xì)的工作狀況設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的工作能力，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的工作強(qiáng)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定地運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)上，如此圖2。圖2發(fā)動(dòng)機(jī)分工況形式控制同時(shí)，四種工作形式能夠集成自動(dòng)怠速功能，在液壓系統(tǒng)中增加壓力傳感器，時(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)壓力信號(hào)，當(dāng)辨別一段時(shí)間沒(méi)有動(dòng)作，傳感器發(fā)送信號(hào)至控制器，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將在3-5秒〔系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)〕后自動(dòng)降低到最低設(shè)定轉(zhuǎn)速〔通常為怠機(jī)轉(zhuǎn)速〕，當(dāng)操作手柄有動(dòng)作，柴油機(jī)油門立即從怠速位置返回到發(fā)動(dòng)機(jī)特定油門位置。旋挖鉆機(jī)工作的場(chǎng)合千變?nèi)f化，液壓功率隨作業(yè)需求的變化而改變。以最小的功率需求匹配泵和發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠到達(dá)最小的燃油消耗，但要犧牲速度。假如對(duì)每一種功率需求，都通過(guò)油門和泵的限制功率來(lái)設(shè)定泵、發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，使工作點(diǎn)始終位于最佳經(jīng)濟(jì)油耗曲線上，兼顧節(jié)能和工作速度，往往會(huì)得到比擬理想的效果。以下為參考文獻(xiàn)[1]張啟君國(guó)內(nèi)外旋挖鉆機(jī)發(fā)展現(xiàn)在狀況與構(gòu)造特點(diǎn)分析[J]建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2006,