负载敏感系统旋挖钻机动力头补油优化设计

王 姚 ，王 勇

（1.湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421001；2.湖南省送变电工程有限公司，湖南 长沙 410000）

影响旋挖钻机工作质量和效率的关键部件之一，就是动力头。因此，动力头液压马达能否具有较强可靠性、稳定性，直接关系到旋挖钻机能否正常使用。在实践过程中发现，旋挖钻机在不同地质区域进行作业时，施工现场切削避免物理特性密度以及硬度不均匀，从而不能连续钻进作业。导致在施工期间容易出现液压冲击，并且动力头系统负载波动较大，致使动力头马达在短时间内进行失速运动或者加速运动。而旋挖钻机在挖土时，需要驱动系统频繁转向，因换向以及惯性等造成动力头出现损坏。基于此，应合理设计动力补油系统，从而确保旋挖钻机能长时间拥有足够动力。

1 旋挖钻机概述

旋挖钻机又叫旋挖机、打桩机，是建筑工程在施工过程中所使用重要基础机械。旋挖钻机可以用于多个地层，并且拥有施工效率高、较大输出扭矩、污染较少、机动性较强等特点。我国地域相当辽阔，不同地区地质有着明显差异，因此在工程施工过程中，使用旋挖钻机能依据不同类型地质，选择与之相匹配钻头进行施工，具有较强适应性，已经成为工程机械行业各企业施工的重要依据之一。随着城市化进程的加快，近年来我国在基础设施建设、城市公共基础设施建设上投入了巨额资金，其中包括建设城际公路、高速铁路、城市地铁以及港口、码头、电力设施等。因此，旋挖钻机具有良好的经济前景，也有着较大的发展空间。旋挖钻机是高效成孔设备，工程机械企业在施工过程中，可使用动力驱动系统驱动钻杆和钻头的回转进行挖土作业，并且为液压油缸提供相应加压力，当钻头装满石土之后，由主卷扬进行提升并回转刨土，促使其进入保护孔壁。旋挖钻机使用短螺旋钻头进行干挖作业时，也可使用回转钻头进行湿挖作业。旋挖钻机需要辅助时间相对较少，并不需要定期进行泥浆循环排渣，在推进工程建设的同时，降低了成本，因其独具特性被广泛应用在城市化建设之中。旋挖钻机施工成孔所需的压力和扭矩的传递过程为：动力头加压油缸→动力头→钻杆→钻头→切削刃；扭矩：动力头马达→动力头驱动套→钻杆→钻头→切削岩土等。

2 旋挖钻机特点

2.1 成孔质量较高，对周边环境影响较小

与传统钻机相比，输出扭矩较大并且还具有自适应功能，可根据不同地区地质特点，自动调整输出扭矩，能在保证整体成孔效率的同时提升作业质量。项目工程在施工过程中，旋挖钻机钻头可直接提升成孔质量。旋挖钻机则由泥浆循环排渣、钻头切削[1]，通过这种作业方式可做到省工、省力、省时间。大部分情况下，在砂层、土层旋转速度可在10 m/h以上，而在黏土层进行作业时，则可达到5 km/h左右，是传统回旋钻机钻进速度3倍以上。同时，在使用旋挖钻机过程时，基于不同地区选择特有施工技术和施工方法，促使清理孔壁较为简单快捷，并且成孔质量也相对较高。旋挖钻机主要使用钻头直接进行旋挖取土作业，并不断伸缩钻杆将钻头提出孔外，进行高速旋转从而完成刨土作业。及时清理运走所挖石渣和泥土，确保施工现场整洁干净，以免对周边环境造成影响。旋挖钻机主要工作方法是通过钻头对地层进行切割，也可采取正反循环方式，输送走泥浆，利用泥浆将孔底石渣切割并与泥浆携带到地面，将其输送到泥浆池中，不断循环此方式[2]。在使用后旋挖钻机进行施工时，也会使用到部分泥浆，但在其中使用泥浆的主要作用以及目的是保护孔壁，有助于施工现场地面清洁，可以多次循环使用泥浆，减少成本消耗，提升工程经济效益。

2.2 移动方便快捷，先进可靠

旋挖钻机区别传统钻机，底部装有可移动履带，能驱动旋挖钻机，不需要借助其他辅助装置即可自由行走，而传统钻机底部则没有履带，需要借助吊车等工程机械才能移动位置[3]。同时，旋挖钻机在进行对空作业时，全液压驱动、电控制，能够精确定位，方便快捷。传统钻机没有相应定位控制设备，在进行对孔定位时，主要依靠作业人员经验和目测确定，使得定位精确性、合理性以及可行性不高。此外，为能提升旋挖钻机自动化程度，生产旋挖钻机采用液、电控制，具有较强可靠性、先进性，为延长使用寿命，条件允许情况下，选择进口关键电器元件、液压元件，例如，日本电控系统以及德国液压系统等。

2.3 具有多种功能，适应多种地层

旋挖钻机与传统钻机相比，拆卸起来较为简单，也具有较长使用寿命，通过拆卸可实现多种桩工机械施工，如简单长螺旋钻油以及动力头，有助于旋挖钻机长时间施工。通过更换工作装置以及臂架，也可实现连续墙抓斗作业[4]。悬挂振动锤，则可实现震动桩作业。旋挖钻机更换起来较为方便快捷，工作效率较高，适用于多种类型地质，企业在购买旋挖钻机之后，可实现一台多用目的，不仅可以在一定程度上减少企业生产成本，还能极大提升施工质量、经济效益。我国地层相对复杂，南方地区以及北方地区地质有着较大差异，南方石头较多，而北方多土并且地质有着较大变化。在使用旋挖钻机进行施工时，可更换不同钻头进行施工，具有较强便捷性、适应性。

3 负载敏感系统的主要作用

负载敏感系统其本质上是依据当前系统流量、压力需求，提供相应压力和需求的一种液压回路。负载敏感系统可以通过感应回路，检测出压力、功率以及流量的变化信号，并与液压系统进行反馈，从而实现控制流量、节能以及原动机动力。而负载敏感系统最主要控制方式为电子控制以及液压控制。负载敏感系统是由敏感阀和敏感泵组成的。负载敏感阀主要作用是将复杂流量、压力以及功率变化情况及时对阀门进行反馈，实现控制效果。负载敏感系统主要优势和特点在于，合理应用负载敏感控制系统，工作效率和质量明显大于常规液压系统。同时，功率损失较小以及功率较高意味着燃料消耗以及发热量较低。单一液压泵可满足多个回路流量以及压力需求[5]。负载敏感系统与常规液压系统有着较大差别，能提供较好操作控制方式，并且整体流程具有较高简单性和较强可靠性。可以单泵方式共有，即可同时满足不同压力、流量、多个执行元件、多个回路的工作需求。此外，在设计控制系统时，单泵系统应具有多个执行元件和回路，并对每一支路都有着不同流量和压力需求，采用容积调速方式，系统对流量和压力进行调节。并且，系统需要提供恒定流程，从而不受压力和转速变化影响，以免系统产生过多热损耗和能量损耗，有助于元件能恒定运转并且不受负载影响。

4 动力头系统补油优化设计

4.1 动力头补油系统工作原理

在构建负载敏感动力系统过程中，其系统负载多路阀，集成回油单向阀，而补油系统这部分回油单向阀作为背压阀，采取边回油边补油方式。补油系统主要包括：多路阀回油单向阀、驱动力头马达主泵以及补油单向阀。因此，其补油系统主要工作原理为：主泵输出压力油驱动力马达在旋转后，在回油油路上经过回油单向阀作用从而形成背压[6]。当旋挖钻机动力头马达吸空时，在背压作用下，打开动力头马达补油单向阀，向马达吸空负压强进行补油操作，从而更好保护动力头马达。采用补油回油系统时，其设计成本较低，容易进行管路集成。

4.2 合理布置动力头检测点

相关调查研究发现，我国部分旋挖钻机因为高速甩土技术尚未成熟，大部分都采取动力正反冲击技术，在离心力、惯性以及重力等的作用下，将钻头内黏土甩掉。要想实现这一环节，就需要动力头液压系统能在正反冲击下具有快速转向、冲击较大、流量较大等特点[7]。钻头在进行甩土作业时，在动力头马达惯性较大、转速快以及频繁转向时，负载敏感会因为敏感阀的频繁关闭和开启，反复在小排量和大排量之间切换，使得泵输出流量会出现较大幅度波动，此时采取补油回油方式进行动力头补油，流量会随着泵输出流量而发生明显变化。流量出现变动时，会出现较为明显压力冲击，而启动钻杆时，钻头会因为频繁切换反转以及正转，使得动力头马达会受到正、反双向冲击，从而形成瞬间吸空现象。此外，因为补油、回油系统为低压系统，旋挖钻机动力头一般管路都较长，若管道在运行期间出现磨损特别是出现沿层损失时，补油压力会发生较大变化。因此，为能确保动力头马达补油参数具有较强合理性、严谨性以及真实性，在测试期间，将测试位置越靠近动力头马达越准确。基于此，在动力头上安装检测点。根据相关调查研究发现，在构建负载敏感系统时，可直接采用负载敏感多路集成背压阀作为其补油油源，但若是不能对其进行针对性处理，在动力头甩土时，正反周期都会出现较为严重液压吸空以及冲击，可能会对动力头马达造成较大影响，并且元件都会因冲击受到不同程度破坏，从而在一定程度上影响动力头驱动系统发挥其应有价值以及作用。所以，为避免出现这一情况，在设计时，有关人员应针对性进行处理，确保能有效保护动力头马达。

4.3 优化完善旋挖钻机头补油系统

要想从根本上保护动力头马达、元器件，可采用蓄能器优化和改进动力头补油系统。蓄能器主要作用是将压力液体的液压能转化为势能，便于储存[8]。当动力头需要时，可再将势能转化为液压能。因此，合理应用蓄能器，可将其作为应急或者辅助重要能源，起到稳定系统压力的重要作用，并且还能在一定程度上吸收回路和泵脉动的液压冲击。又如在工程机械设备上，合理安装蓄能器，不仅能帮助工作油路减少冲击，还能减少泵出口压力脉动。蓄能器也是流体技术和液压技术必不可少的元件。在旋挖钻机上，除先导上安装蓄能器，其他部位应用较少。同时，蓄能器也能起到稳定系统工作压力并且吸收回路上液压冲击的作用，也可用于旋挖钻机动力头中，有助于更好解决压力吸空和冲击问题。最后，蓄能器主要是依据公称容积、预充气压力以及工作压力实际情况选择相应类型。在选择蓄能器时，有关人员应选择最大压力在所测峰值压力之上的蓄能器，并应能耐负压。

5 旋挖钻机动力头设计

在设计旋挖钻机头时，应合理匹配功能设计，从而在实际运行时，实现旋挖钻机头快速刨土。同时，需搭配A8VO变量泵以及A6V马达。对A8VO变量泵来说，在使用期间，输出电压和电流都将依据双曲线来分析。此外，为可控制变量阀，当恒动力保持在某个位置时，电流与电压的乘积满足恒定常数的要求，可以使动力保持恒定，液压机构和驱动电机承担输出功率的调节任务。安装动力头后，可随着不同精准自动调节钻进速率，可根据情况不同灌注桩土质自动改变[9]。可手动调整精准变化的钻进速率和转矩，并根据灌注桩所处地点的不同土质自行改变。工作状况下，可以维持比较平稳的速度，但可变电机与变量泵在互相辅佐的工作过程中，只要少量给油，就会使可变电机转速减慢，扭矩增大，并输送大量液压油，从而产生较大扭矩钻进状况；而一旦扭矩降低、转速增加，会产生高速抛土状况，可以按照实际施工过程的需要，动力头转换工作状态，通过运用单双泵的给油方法，将速度控制范围维持在6 r/min~22 r/min，最大扭矩输出峰值为200 kN·m，最大抛土速率为130 r/min。驱动头液压电机主要由油缸、补油阀、主阀和液压电机等组成。推动头的操作过程如下：通过选择钻孔的具体位置，使旋挖钻机先与钻孔对接，然后通过换向阀的换向作用，将加压气缸杆推至驱动头上。以上过程完成后，当调节阀M8保持换向时，将主泵的液压油顺畅输送至液压电机，而流经液压控制电机A6V的液压油则经过回转车和减速机，使用发电机形成动能，其动力帮助钻头准确地钻进，并结合了钻杆的重力效应。遵循以上运行过程，能够防止钻进时由于地质改变形成的问题，如遇硬质地层转化为软弱地层时会发生吸空情况，避免马达持续保持超速运行。

在设计液压系统回路时，可基于实际情况，合理设置成节流调速回路，并摆动液压系统，实现改变旋挖钻机钻进方向的目的。针对钻进系统，可设置液压锁。借助上述设备构成的液压源和执行元件液压源通常被设计成斜轴式变量双泵，型号是A8VO，加上辅助泵，配备M8和M4阀形成控制元件，通过液压泵把油箱里的油提供给上述控制元件，从而确保冷却系统正常运行，提高伺服阀的实用性。

6 设计主卷扬

主卷扬设计也可以兼顾液压马达的作用，内部设有平衡阀、梭阀、自由下放的阀门、控制油缸等，双速操作时可以实现预期目标，放置和提升刃具质量的过程也比较合理。该系统是以使用液压的先导系统为主要推进手段，同时也能够根据钻进要求进行自由浮动[10]。在实际运行时，由主要工作人员控制先导手柄，主卷扬与M8阀的连接也由先导手柄遥控，而主卷扬的提升速度则说明了该马达在B腔中顺利进油。在此动作条件下，由于要保证主卷扬保持在放松位置，各操作员都需要调整位置，并控制好主卷扬，同时打开了电机制动器作业门，接通了电机A、B腔，并利用刃具和浮船坞的自重作用，完成了下放动作。副卷扬的作用原理与主卷扬一样，但还有提高了下钢筋捆扎笼直径和吊挂护筒直径的作用。

7 保障措施

随着城市经济社会的快速发展，将城区设计作为城市市政工程的重点工程，不但要重视城市设计质量，同时需要大批的高科技设计专业人才，以判断其技术和设计上的先进水平，为城市优秀工程师的迅速成长提供最大程度的保障。增设研究院探讨机制，与设计院共同研究由其专业人员所提供的钻机技术是否符合实际项目的需要。作为一门经常用到高速公路、大桥、港口工地当中的主要机械，旋挖钻机的具体功能显而易见。所以要按照实际的工作需要，认真做好工作实践和检验任务，与有关专家合作，认真研究优化在工程设计中出现的不足之处，以提升在实际工作流程中的正常工作品质。

8 结语

综上所述，城市化进程的持续推进，各种基础工程建设数量逐渐增加，对钻机性能提出更高的要求。旋挖钻机区别传统钻机，不仅能在各种地质条件下进行施工，而且能在一定程度上减少施工成本，提升经济效益。因此，基于当前实际情况，合理进行旋挖钻机动力头补油优化设计，并合理添加蓄能器，可以有效避免动力头马达不吸空，延长旋挖钻机使用寿命，从而有效提升各种基础工程建设质量以及水平。