新型30米履带式长螺旋钻机的开发与应用

郭海艳 张桂芳

摘要：针对目前城市工业与民用建筑、市政设施建设的桩基础施工中，老式的长螺旋钻机在使用过程中一些不足之处。研制开发了新型30米履带式长螺旋钻机，本文主要介绍钻机的主要结构特点和技术参数及其在工业和民用建筑施工中的应用。

关键词：履带 十字轴 斜撑机构 动力头 制桩垂直度

前言：我国建筑市场现有的长螺旋钻机多为液压步履式行走方式，移位速度慢，影响钻机的效率。通过对市场的调查分析，我中心研制开发了30米履带式长螺旋钻机，该钻机的创新点：采用履带底盘，行走移位方便、快捷；主塔底节采用十字轴结构与主平台连接，方便了主塔垂直度的调节；斜支杆采用油缸调节，改变了传统的丝杠调节方式，使其动作灵活，故障率低。该钻机除了能完成普通正常的长螺旋钻进外，还可完成大孔径深孔长螺旋钻进。同时该钻机以成桩速度快、成桩质量可靠、效率高、工期短、噪声低、不受地下水位影响、无循环液、无污染、造价低廉等一些突出优点而在全国大部分城市广泛应用。

1.普通的长螺旋钻机存在的问题：

1.1.底盘采用液压步履式行走方式，移位速度慢，影响钻机的施工进度。

1.2.主塔垂直度前后倾角调节靠斜支杆调节，左右倾角靠支腿伸缩调节，如遇地表软，支腿塌陷，就不便调节。

1.3.斜撑机构用丝杠调节，采用电机驱动摆线针轮减速器通过齿轮传动机构带动丝杠旋转来调节斜支杆长度。缺点：齿轮传动机构故障率高，同时丝杠上的铜螺母非常容易损坏，影响施工。

1.4.动力头采用多级齿轮减速、体积大、噪声大、内部润滑不好，故障率高，制造成本高。

1.5.钻孔直径不够大，一般直径φ400～φ600；钻孔深度较浅，一般孔深在18米以下。

2.新型的履带长螺旋钻机主要结构特点：

2.1.底盘部分：

2.1.1.履带行走装置结构及工作原理：（结构如图1）

主要结构由1.电机 2.减速机 3.驱动轮 4.托链轮 5.履带支架 6.引导轮7.支重轮8.履带 9.涨紧装置等组成。

工作原理：电机通过一级行星齿轮箱与减速器减速后，带动驱动轮输出转矩，驱动轮带动链条和履带沿着支重轮、托链轮转动。通过操纵手柄，行走系统两条履带可同时向前、同时向后，或一前一后移动，从而实现钻机的前后移动或左、右转弯。通过调整履带的张紧装置，来调整履带的松紧程度。

2.1.2.履带行走装置特点：

2.1.2.1.采用加大履带跨度及履带支架长度的方式来增加整机稳定性，大宽度履带的使用大大减小了整机的接地比压，提高了桩机对各种工地地质状况的适应性。实际工作中钻机行走平稳，作业安全。当施工作业赶在雨季，工作地面较软，液压支腿支不起来钻机，若是步履式钻机是没有办法行走的，但该履带钻机的履带宽800mm，长6500mm，与地面接触面积大，就能正常行走工作。

2.1.2.2.履带行走采用电机驱动，相对的比其它驱动不仅降低了制造成本和使用成本，维修成本低很多，故障率也低，操作方便，动作灵活。而且克服了冬季用马达驱动履带时液压油凝固，造成油管堵塞，引起刹车失灵的问题。

2.1.2.3.以往履带的涨紧采用丝杠调节，由于履带钻机工作条件一般较恶劣（如沼泽地、泥泞地等），若不加防护，其履带涨紧丝杠很容易锈死而无法调节，而且维修不方便，影响进度。该钻机履带涨紧机构采用涨紧油缸调节，涨紧装置借助黄油枪将黄油压入缸体内，使缸体一端的活塞顶压移动引导轮，套装在缸体外的压缩弹簧，使履带获得一定的预张紧力，当履带在运行中遇到冲击时，冲击力的变化使弹簧不断地伸或缩，从而起到缓冲的作用。具有结构简单、工作可靠，行驶中可改善平稳性的特点。

2.2.主塔底节和主平台连接采用十字轴结构（如图2）：

图中十字轴座通过十字长轴两端与主平台连接，通过十字短轴与主塔底节连接。十字轴座采用焊接形式，结构进行了优化，既降低了成本，又减轻了重量。其两侧面做成斜面，主塔底节筒体下平面开有方口与十字轴座间留有一定的间隙。

2.2.1.在定位销固定的情况下，通过调整斜支杆油缸，使主塔可绕十字长轴前后摆动，摆角范围为前倾9°至后倾10°。

2.2.2.在拔掉定位销的情况下，通过调整斜支杆油缸，使主塔底节可绕十字短轴左右摆动，摆角范围为±5°。

基于以上两点主塔可进行两方位调整，使制桩垂直度大大提高，而且操作方便。

2.3.斜撑机构采用内藏式油缸调节操作方便，动作灵活，稳定性好，故障率低，维修方便，而且便于起塔和运输。

2.4.三环齿减速器动力头：动力头采用三环齿减速器。2台Y180M—6电机驱动，三环齿减速器是三片内齿轮环板间按120布置。两根三偏心曲柄轴（主动输入轴）置于被动轴（输出中心轴）两侧，支承并驱动与输出外齿啮合的三片内齿轮环板作平面运动，被动轴简支，箱体水平剖分，便于维修，轴向尺寸小，传动路线短，效率高，承载能力大，过载能力强，减速比大，运动平稳，噪音小。原有的动力头是三级齿轮减速，体积大，结构复杂，维修不方便，造价高，事故率高。

2.5.回转部分：旋转动力采用摆线针轮减速器，具有通用性强，旋转转盘采用外齿，增大旋转扭矩，360度转角，使用起来更方便、灵活。

2.6.卷扬机设备：本机备双卷筒主卷扬机一台，工具卷扬一台。其中主卷扬的一个卷筒转动拉动钢丝绳，提升动力头及钻具。另一个卷筒转动拉动钢丝绳，通过加压装置进行钻进加压。主卷扬单绳拉力为75KN，另外本机采用主卷扬后置结构形式，使整机重心相对后移，工作中整机稳定性大大提高。

2.7.主塔采用筒式结构，采用φ530×9的螺纹锰钢管，前后设有导轨，前后导轨中心距和导管尺寸分别为600×φ102和330×φ70。主塔标准高度30米，整个塔架由5节组成，拆卸方便。同时主塔采用三点支撑，两方位调整，制桩垂直度高，工作稳定性好。

2.8.顶部滑轮组采用等弯矩结构，上有4个大滑轮，提升动力头时顶部滑轮组两端受力基本相等，使主塔受力状态为纯压杆受力，改善了主塔受力情况，减轻了主塔的重量，从而减轻了整机重量，降低了整机重心，增加整机稳定性。顶部滑轮组上还装有小滑轮，用于工具卷扬提升。

2.9.起塔方式与以往不同，起塔装置由起架支座、起架拉杆、起架拉绳等3部分组成。利用主卷扬及滑轮组将主塔从水平位置拉至78°，再通过斜撑油缸将主塔调整至90°。

2.10.液压系统由电机、油泵、多路阀、油箱、管路、工作油缸组成。采用中压系统齿轮泵作为动力源，齿轮泵具有对液压油适应能力强，成本低，通用性好等优点。特别是北方冬夏温差大，更显现出它的优点。

2.11.电器液压采用集中控制，操作方便，减少了工人的劳动强度。

2.12.可进行大孔径深孔钻进，最大孔径可达φ1000mm，最大孔深25m。

2.13.满足CFG桩复合地基施工的要求：采用长螺旋成孔，成孔后提钻同时通过钻杆中心管将混凝土压住入孔底，即钻孔成桩一次完成，成桩效率高；成桩后桩身无缩径，单桩承载力高，成桩质量好。

2.14.长螺旋钻孔灌注桩施工由于不需要泥浆护壁，不需要设置泥浆池和沉淀池，减少了临时用地，没有泥浆污染，低噪音，无振动，符合环境保护和绿色施工技术标准要求。

2.15.钻机适用范围较广，可用于粘性土、粉土、淤泥质土、人工填土及松散沙土、沙层卵砾层等不同土质。

3.主要技术参数：

塔高30m，最大钻孔深度25m，最大钻孔直径 φ1000 mm，动力头输出扭矩88kN.m， 履带最大工作宽度 6500mm，最大提拔力600KN，整机质量 60t，爬坡能力2°。

结束语：

现场使用证明：新型30米履带式长螺旋钻机在原有老型钻机的基础上经过重大的改进，克服了老型螺旋钻机使用过程中的不足之处，主要性能及主要零部件使用寿命均有明显提高，钻进效率可提高25%～30%以上具有较大的使用推广价值，同时也得到了用户的赞誉。据初步统计，两年多来仅我中心生产的新型长螺旋钻机销售额达800余万元，经济效益十分可观。

参考文献：

[1]机械设计手册（第五版）第4卷 化学工业出版社 主编 成大先

[2]《机械零件设计手册》冶金工业出版社 1994.04东北大学编写组

[3] CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京：中国水利水电出版社，2001.阎明礼，张东刚.

[4]《液压系统设计简明手册》机械工业出版社2005.01扬培元 朱福元 主编

作者简介：

郭海艳 （1965.09--）满族 女 毕业于黑龙江科技学院机械设计专业 一直从事工程机械及相关科研项目研究工作 机械设计高级工程师.