车载打式冲孔打桩机的设计研发.pdf

:./.车载打式冲孔打桩机的设计研发朱转军白皓伟麻晓军孙志恒任振阳郭 斌(.甘肃送变电工程有限公司甘肃 兰州 .甘肃诚信电力科技有限责任公司甘肃 兰州)摘 要:超特高压铁塔基础作业多于山区和野外进行施工区域点多面广使用大型设备进行塔基打桩作业时间受场地限制而存在施工困难设备转场成本高人工掏挖作业时效低的缺点 针对上述问题提出了一种移动式车载打桩机的研制方案通过对大型电力塔基打桩作业的深入分析从可移动、省人力、接地气、便操作等方面考虑研制完成了“型车载打桩机”并通过现场应用验证了该技术的适用性和可推广性关键词:移动式可变孔径液压多地质适应打桩机中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.“”.:引 言桩基础施工通常会面临各种复杂地形和环境如高山大岭等道路条件非常苛刻的野外环境大型的施工装备无法通过车船到达指定工位因此存在机械使用费昂贵、设备故障维修不方便等问题针对上述问题大型电力塔基打桩作业亟需一种适应该种工况条件的特种设备 该设备需要有适应山区地形的移动能力其质量和体积均不能太大并且能在高山大岭、丘陵等野外道路条件不良的情况下自由移动到达施工地点 移动机构需要尽可能可靠耐用以保证在野外不易发生故障能适应野外苛刻的使用条件 电压等级不同铁塔对桩基础的孔径和深度要求不同小型输电铁塔需要较小孔径和较浅深度的桩基础大型输电铁塔需要较大孔径和较深深度的桩基础若不按要求打桩则会造成额外的费用或者是强度不够的桩基础最终可能造成输电铁塔倒塌的严重事故 因此该种设备还需有不同孔径桩基打桩能力笔者提出了一种“车载打式冲孔打桩机”的设计方案并重点对设备性能和效率进行了分析和试验以达到大型电力塔基打桩作业施工的要求 此举解决了山区电力塔基桩基础作业无法机械化施工的问题对进一步推进山区施工的机械化进程具有重要意义 设计性能要求()爬坡度:设备使用场所多在山区存在道路窄、路面崎岖、坡度大、施工场地面积较小等困难因此该设备整体质量应较轻外形尺寸应较小具备约左右的爬坡能力()动力需求:设备需自带动力单元 一方面在转移时可驱动自身移动使其具备满足山地道路的爬坡能力另一方面在设备施工时可为打桩作业提供动力()桩孔直径要求:不同高度输电铁塔对桩基础的孔径和深度要求不同因此该设备需具备可变孔径打桩能力以满足各类型铁塔对不同桩基孔径和深度的尺寸要求()打桩运土能力:对应不同的地质情况设备均需具备较高的工作效率参考目前人工打桩效率情况该设备需具备表 所列理论施工效率机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发收稿日期:作者简介:朱转军()男甘肃平凉人高级工程师硕士研究生研究方向:架空输电线路建设表 设备施工效率理论参数孔 径效 率/(/)孔 径效 率/(/).注:打桩效率主要是根据操作人员的熟练程度、运土效率和土质的性质决定的 车载打式冲孔打桩机设计.设备结构及组件为满足前述要求该设备主要部件应包括行走机构、打桩支架、卷扬机、支腿系统和铲头 部分具体如图 所示图 打桩机结构及组件示意图 ()综合考虑后决定选用五征 三轮车作为设备的行走机构 该底盘行走机构结构相对简单、性能优良、结实耐用、维修方便、爬坡能力强适应各种野外地形 其轴距 自重 长轴距的车身重心向前保证了车身的稳定性较小的自重符合爬坡要求 制动系统为断气刹为打桩机提供了更高的安全性 五档十速(高低速切换)的变速箱能适应各种坡度路况()打桩支架是由一个双支腿和两根单支腿组成的三角架结构形成三点支撑支撑稳定、结构简洁、耗材少、质量小 三点支撑到地面上时通过打桩支架顶部的滑轮使钢丝绳吊拉铲头铲头上下运动实现打桩抓土的功能()卷扬机为国标 快溜式卷扬机主要由减速箱、行星轮和卷筒组成 分为左右手操作杆操作左手杆下按为收绳抬起为放绳(放绳为自由状态没有任何机械限制当钢丝绳连接重物时放绳的速度会很快所以被称为快溜式卷扬机)右手杆下按为刹车()由于施工场地在野外野外地面多为土质结构地面偏软不平整 为使设备施工时保持稳定应将底盘车轮离地 设备需配液压支腿在施工时展开撑地以提供可靠的支撑减少车身晃动对打孔的影响 支腿系统由液压系统驱动液压系统主要由一个高压齿轮泵、四联换向阀、五支油缸及四个锁阀组成系统额定工作压力为 一个举升油缸作用是收放打桩支架的双支腿四个升降支腿油缸后面两个支腿油缸(靠近铲头方向)为单独控制前面两个支腿油缸为并联形式由一个换向阀控制施工前放下四个油缸支腿使车身稳定()铲头由拉杆、配重筒体、铲、连接板、弹簧和刮铲组成 配重筒体内须完全灌满沙土可保证铲头重心不偏移后期工作不必倒掉 铲头的配重筒体上可安装三层刮铲小直径的刮铲在下层每层刮铲直径的跨度在 例如下层安装直径.的刮铲中层最大安装直径.的刮铲不可安装直径.的刮铲上层同理 上层与中层跨度越小越好 该设备铲头可打不同直径跨度的桩孔满足了不同高度输电铁塔、不同桩基础孔径的打桩要求.设备工作原理及分析()卷扬机的钢丝绳连接铲头的拉杆拉杆穿过铲头筒体后经连接板与铲相连拉杆下端与铲头筒体之间安装一压缩弹簧 施工前的布局准备状态如图 所示图 施工布局状态示意图 ()工作时首先卷扬机收绳拉动拉杆连接板收紧弹簧被压缩铲闭合 铲悬挂于打桩支架顶部滑轮 落差高度保持在.之间()抓土时卷扬机松绳铲头做自由落体运动速度不宜过快铲头溜放高度落差始终保持在 左右 自由状态时弹簧弹力使拉杆快速向下移动连接板松弛后将两铲撑开随后铲头扎入土壤 卷扬机收绳当拉杆向上拉动时使铲闭合挤压已经抓入铲头内部的土壤夹紧()卸土时将铲头提升至适当高度其下放置盛土器具例如带轮小车等快速多次切换卷扬机松绳和收绳动作使铲一张一合地将土卸到盛土器具内移除盛土器具完成卸土()转移场地时只需要利用卷扬机回收铲头将铲头安全捆绑再利用液压缸回收打桩支架回收所有油缸后即可快速进行转移设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用.设备工作效率计算分析设备利用铲头筒体自重以自由落体的方式完成一次贯入 根据能量守恒定律初始状态静止的物体做自由落体运动过程中的势能和动能转化公式为:()式中:为铲头筒体质量 为重力加速度 为自由落体高度为铲头筒体末速度 变换后得:()一般认为土壤无弹性因此铲头筒体贯入土壤后做减速运动直至静止根据动量定律有:()式中:为土壤对铲头筒体反作用力 为筒体接触土壤到停止运动所用时间 变换后得:()将式()带入式()得:()根据能量守恒定律:()式中:为铲头筒体接触土壤到停止运动所移动距离即贯入深度 将式()带入式()可得:()式()化简后可得贯入深度:()取重力加速度 /得:()当土质一定时认为 为常数 以 为自变量为因变量的函数图如图 所示图 函数图像 土壤软硬不同 值不同粗略计算时不同土壤中 值范围在.之间取 在 之间得到如表 所列的贯入深度表由表 可以看出在不同土质中单次贯入深度大约在.(较硬土质).之间(较软土质)考虑到铲头抓土时的泄露预估实际单次贯入挖土为深度大约在.(较硬土质).之间(较软土质)因此每挖深 需进行(较软土质)次(较硬土质)贯入动作 考虑到铲头筒体将土带出桩孔后还需运土作业预估单次完整贯入动作所需时间约为 则每挖深 所需时间约为 (较软土质)(较硬土质)表 贯入深度 的值时 间/自由落体高度/.实际应用效果产品样机试制后于 年 月 日在青海郭隆甘肃武胜 线路工程甘肃段永登县施工现场进行了现场试应用 选择了武胜驿镇南侧山区和山下河床地带两处施工地点进行了试点应用 打桩机采用 提土铲配置 扩孔边铲成孔直径 经过实地试用发现各项功能运行正常打桩效率约是人力的 倍()含沙石较大的河床土质较硬且含各类小石子等硬质杂质因此铲头每次下落吃土尺寸较小 实际打桩成孔效率约为 /现场应用情况如图 所示 应用数据如表 所列()黄土层耕地土质较软铲头每次下落吃土尺寸较大打桩成孔效率非常高达到 /现场应用情况如图 所示 应用数据如表 所列图 含沙石较大的河床土质 图 黄土层耕地土质应用应用情况示意图情况示意图表 含沙石较大的河床土质应用数据表土 质孔 径/效 率/(/)湿度要求成孔质量沙石混合土较高孔壁粗略机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发表 黄土层耕地土质应用数据示意图土 质孔 径/效 率/(/)湿度要求成孔质量黄土层 /微湿孔壁光滑由此可知在含沙石较大的河床沙石混合土土质上由于土质较硬效率为 /在黄土层耕地上由于土质较软效率为 /成孔质量良好孔径圆滑接近正圆孔壁光滑齐整 结 语各行各业对电力的需求在不断增加因此需要电力行业的基础建设持续发展 大型输电铁塔桩基础打桩工作是输电铁塔基础建设的重要组成部分 而高效、可靠、高精度的机械化成桩作业对输电铁塔的架设有很大帮助并能产生良好的经济效益和社会效益该设备针对输电铁塔桩基础打桩作业过程中遇到的问题进行设备设计 采用了机械和液压的控制方式成熟可靠故障发生率低 多处使用液压油缸精简了施工人数降低了人工劳动强度节省了人工成本 三轮式底盘适应山区野外各种地形其爬坡能力强道路通过性好马力充足成本经济结构简单不易发生故障维修方便 铲头可安装不同直径的刮铲能打不同直径的桩径保证了成桩精度和质量施工人员只需要在地面操作设备不需要下井施工没有下井风险避免由此可能引发的人身伤害事故具有良好的社会效益该设备满足了大型输电铁塔桩基础打桩作业的各种需求提高了施工效率保证了成桩质量精简了施工人数避免了下井风险从各方面节省了施工成本具有良好的经济效益和社会效益参考文献:于建明.电力建设工程中钻孔灌注桩施工技术分析.现代商贸工业():.林旭健.软土地基中打桩的动力学依据.福州大学学报(自然科学版)():.宋永刚黄山井.落锤式打桩机液压系统的效率研究.工程机械():.苑非人王恒.影响 打桩机效率的主要因素分析.一重技术():.路 攀.挖机打桩机工作装置的设计与应用.建筑机械():.(上接第 页)表 张掖 变电站新建工程数据统计表检查项目检查基数不合格点数不合格率/螺栓轴线偏差螺栓标高偏差螺栓垂直度偏差对比表、统计结果发现应用了该“提高地脚螺栓安装精度的自动辅助装置”的“兰临 变电站新建工程”中地脚螺栓的轴线偏差、螺栓标高偏差、螺栓垂直度偏差不合格率均低于使用传统方法进行地脚螺栓安装的“张掖 变电站新建工程”中的相对应数值 通过该装置的应用有效解决了地脚螺栓安装精度低的问题提高了安装过程中的一次合格率 结 语文章提出了一种提高地脚螺栓安装精度的自动辅助装置设计方案 利用控制器编程选用伺服电机、联轴器、丝杠螺母等使得伺服电机驱动部件与进给系统的机械传动部件相配合从而使滑台能够实现各种行程控制与进给速度调节功能 该装置通过自动控制使钢定位模板的轴线精度和垂直精度达到规范要求利用钢定位模板辅助安装地脚螺栓从而达到对地脚螺栓安装精度的控制 相较以往的施工工艺和方法该装置设计简化了人为手动操作的繁琐过程提高了地脚螺栓安装作业的安全性和稳定性 基于自动辅助装置和高精度定位模板的工作模式极大地提高定位速度和精确度缩短了工作周期提高了工作效率参考文献:卢彬彬.变电站施工中如何快速精确地安装地脚螺栓.山西建筑():.刘艳生华俊红柳绍军等.变电站设备基础地脚螺栓预埋的可行性研究.河南电力():.李汉孟.输电线路钢管杆基础地脚螺栓群安装质量控制.科技创新与应用():.杨振华.工业厂房钢柱地脚螺栓安装控制措施.河南科技():.王 坤.火电厂汽轮发电机组地脚螺栓安装及质量控制.电力设备管理():.设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用