魯學(xué)璽 梁東波 孟憲坤 劉秀華

超越?jīng)_擊鉆機的研制與應(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、防滲墻的施工機械。目前市場上的沖擊鉆機主要有卷揚式?jīng)_擊鉆機、拐臂式（CZ）沖擊鉆機、鏈?zhǔn)經(jīng)_擊鉆機。但在實際應(yīng)用中，這些鉆機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。如手動卷揚式?jīng)_擊鉆機存在沖擊頻率低、工人勞動強度大、耗費鋼絲繩、定位慢、在泥層鉆孔速度慢等缺點；半自動卷揚式?jīng)_擊鉆機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；鏈?zhǔn)經(jīng)_擊鉆機存在等待時間長、沖擊過程不連貫等缺點。為克服這些常用鉆機的缺點，河南省濮陽臺前河務(wù)局樁基隊的研發(fā)人員根據(jù)多年鉆井施工的經(jīng)驗，運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，在實際工作中開發(fā)研制了一種具有鉆機移動及定位方便靈活、鉆孔速度快、成孔質(zhì)量高、排渣速度快、清孔效果好、勞動強度低、工作效率高且能夠適應(yīng)各種地質(zhì)條件等特點的新型沖擊鉆機——超越?jīng)_擊鉆機。

研制的關(guān)鍵點

超越?jīng)_擊鉆機的研制從2006—2011年，歷經(jīng)6年時間，經(jīng)過十幾次的改進和5個工地施工檢驗而完成。其研發(fā)思路主要針對主機和離合器的改造、滑輪更新、移機定位、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)容分階段進行研究。

①主機及離合器研究以提供一個不管鉆機轉(zhuǎn)動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行平穩(wěn)、噪音低、壽命長的沖擊鉆機為目標(biāo)，對主機和離合器進行了改進設(shè)計，克服了主機運行不穩(wěn)、離合器發(fā)熱過高、磨損嚴(yán)重而易損壞的弊端。

②滑輪更換研究的動因是由于傳統(tǒng)沖擊鉆機所使用的滑輪都為鑄鋼輪，與鋼絲繩發(fā)生嚴(yán)重磨損，在鉆機工作期間4～5個小時就需要上一次黃油，每次上黃油需1個小時，嚴(yán)重影響鉆孔效率。研制小組用尼龍滑輪代替鑄鋼輪進行多次試驗，于2008年5月試驗成功。鉆機更換尼龍滑輪后，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)計比較，更換滑輪后的鋼絲繩消耗量是傳統(tǒng)鉆機的1/10～1/20。

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

④特制錘頭的研究。傳統(tǒng)沖擊鉆機的鉆進主要靠對地下土層的擠壓，錘牙厚且矮，鉆進速度慢。為提高鉆進速度，技術(shù)人員對錘頭及錘牙形狀進行了改造，使錘牙變得高而薄，使鉆機鉆進方式由擠壓變?yōu)榍邢?。?jīng)多次試驗，錘頭采用全鋼板焊接，重量為3～4t，經(jīng)施工檢驗，改造后的錘頭不僅具有在黏泥層不沾錘的優(yōu)點，而且在土層及軟巖層中其鉆進速度是傳統(tǒng)鉆機的數(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)約時間，技術(shù)人員研制了錨具及錨片并采用定位卷揚機加鋼絲繩控制支撐桿的方法，在施工實踐中不但達到了節(jié)省時間的目的(調(diào)換錘頭由原來的3個多小時縮短為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)_擊鉆機各項功能的提高，傳統(tǒng)的排渣方式與鉆機的性能已不再匹配。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、擴孔率小。反循環(huán)排渣快但擴孔率大、易塌孔，市場上已很少見到此類鉆機。采用正循環(huán)排渣，有時鉆機需停下來等待排渣，特別是清30m左右的孔時需4～5個小時才能清好；當(dāng)孔深50m左右時需兩天左右，有時會需要更長時間。技術(shù)人員經(jīng)過對正、反循環(huán)排渣特點的分析總結(jié)，研究了正反混合循環(huán)排渣方法，即一個管送漿一個管排漿。經(jīng)施工檢驗，這種方法排渣效果好、不易塌孔、擴孔率小、護壁好，同時提高了鉆進速度，終孔后一般半個小時即可完成清孔，且清孔效果極好。

圖1 超越?jīng)_擊鉆機主視圖

結(jié)構(gòu)組成

超越?jīng)_擊鉆機主要有支撐系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、卷揚系統(tǒng)、沖擊系統(tǒng)、行走系統(tǒng)連接而成。其中:支撐系統(tǒng)包括機架、定位卷揚機、鋼絲繩、支撐桿等，傳動系統(tǒng)包括電動機、離合器、變速箱、小三角帶輪、大三角帶輪等，卷揚系統(tǒng)包括主卷揚機、副卷揚機、差動器等，沖擊系統(tǒng)包括特制的超越離合器、傳動齒輪、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)包括兩個前行走輪及獨立動力變速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、兩個后行走輪及變速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。詳見圖1和圖2。

圖2 超越?jīng)_擊鉆機主機俯視圖

工作原理

超越?jīng)_擊鉆機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機的作用下使錘頭提升，使用連鏈器使提升錘頭的扭矩變小，動力輸出均勻，減少了波動、振動和配置動力。同時延長了各設(shè)備的使用壽命，使鉆機在各種地層、各種泥漿比重和各種沖程下，動能都能保持最大值。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短可任意調(diào)整沖擊行程。其主要原理如下：

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

②沖擊鉆進。鉆進時工作鋼絲繩一端纏繞于主卷揚機上，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。操作主卷揚機收放鋼絲繩，沖孔鉆進時首先操作主卷揚機上自重剎車，使鋼絲繩不致松動，再操作沖擊系統(tǒng)使沖擊鏈條正轉(zhuǎn)帶動沖擊尼龍輪在軌道內(nèi)往復(fù)運動，從而帶動錘頭上下運動。當(dāng)錘頭下落速度大于沖擊鏈條運行速度時，動力失去對錘頭的控制，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。重錘時采用低頻率，輕錘時采用高頻率，確保滿負荷運行，達到效率最大化。

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)，即一個管送漿，另一個管抽漿，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排出孔外，又不致擴孔過大，極大地提高了鉆進速度。終孔后一般在半小時清孔完成，且清孔效果極好。

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

推廣應(yīng)用

2010年寧道（湖南省寧遠縣至道縣）高速公路上茶高架橋樁基施工時，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，石英非常堅硬，石灰?guī)r相對較軟且多為斜面巖，極易產(chǎn)生斜孔、卡錘等事故，因此，拐臂式（CZ）型沖擊鉆機無法使用。進駐工地現(xiàn)場的鉆機除超越?jīng)_擊鉆機外都為卷揚式?jīng)_擊鉆機。在施工過程中正趕上霧雨季節(jié)，吊車、裝載機都很難進場，移機定位非常困難，超越?jīng)_擊鉆機能夠自動移機定位，技術(shù)優(yōu)勢明顯。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)_擊鉆機采用沖擊行程1.3m、沖擊頻率36～40次/min進行鉆孔作業(yè)。由于超越?jīng)_擊鉆機沖擊行程是固定的，各次沖擊力是均勻的不易斜孔。整個施工過程中，超越?jīng)_擊鉆機沒出現(xiàn)斜孔、卡錘的事故。在同一工地施工的卷揚式?jīng)_擊鉆機因需打緊鋼絲繩，自動沖擊裝置已不能使用，只能手動操作，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，勞動強度很大，稍不注意就打高錘及空錘。工地上所有卷揚鉆機都出現(xiàn)了斜孔或卡錘的事故。在此工地上，超越?jīng)_擊鉆機較好地適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境、氣象與地質(zhì)因素，發(fā)揮了獨特的優(yōu)越性能，效果顯著，成孔速度約是卷揚式的3.5倍，受到了承包方及業(yè)主的好評。

結(jié) 語

該鉆機研制成功后，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，與其他目前市場上的鉆機相比，該鉆機能夠適應(yīng)各種施工地質(zhì)條件，移動及定位方便靈活，鉆孔速度快（是其他機械的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強度，有效地提高了工作效率，取得了較好的經(jīng)濟效益，具有良好的推廣價值和應(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）