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刘学元:旋挖钻机的损伤特征及其修复

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决定设备地层适应能力的主要因素在于旋挖钻机所使用的钻杆形式、钻头类型以及与之相适应的设备本身的结构,其中采用什么样的凯式伸缩钻杆是最重要的因素。这是因为钻杆要将动力头的全部扭矩一直传递到孔底的钻头上,并且还要将加压液压缸的压力、动力头自重和钻杆自重等钻压稳定地传递到几十米以下的钻头上,因此当钻进较坚硬的地层时,钻杆可能要同时承受大扭矩和大钻压,还要克服很大的弯矩,这样使得钻杆的受力条件变得非常复杂,如果钻杆本身的能力达不到要求,则很容易损坏。

凯式钻杆可以分为摩擦钻杆和锁紧钻杆2大类。

摩擦钻杆是指钻杆上的键只能传递扭矩而不能传递钻压的钻杆,而锁紧钻杆是指钻杆之间通过加压平台可以锁成一个刚性体对地层加压钻进的钻杆。摩擦钻杆在提钻时不需要解锁,操作简单,但由于加压能力有限无法钻进较硬地层。

锁紧钻杆的地层适应能力强,但需要解决提钻时可能对钻杆造成强烈冲击的问题。锁紧钻杆又可分为简单的加压式钻杆和六键式嵌岩钻杆。简单加压式钻杆可以实现加压,但加压平台较窄,压强较大,容易磨损造成加压失效,因此不能真正适应坚硬地层的施工。

六键式嵌岩钻杆的加压平台宽大,可以稳定地传递大钻压,又因为是六键结构,钻杆本身抗失稳的能力很强,可以有效地克服钻杆的细长杆效应。

国内外的六键式嵌岩钻杆和简单锁紧式钻杆都可以实现加压,但是这类钻杆也有不足,就是在提钻时必须先反转解锁,然后再卸土。正常的提钻顺序应该是钻杆由内向外依次上升,但是如果反转解锁不完全,就会造成某相邻两节钻杆尚未解锁就一起缩进外层钻杆,一般称为挂钻。而这两节钻杆继续往上运动时,受到轻微的扰动就会自动解锁,这样外面的钻杆就会悬空,对钻杆和动力头会形成强大的冲击。通常单节钻杆的质量约为2t,假如钻杆从3m甚至8m高度自由落体冲击下来,冲击能量将非常大,如果没有保护装置,很容易造成动力头和钻杆的严重破坏。

因此使用六键式或其他锁紧式加压钻杆必须配置动力头减振器。

减振器包括弹簧装置和液压减振装置,能有效缓冲并吸收钻杆对动力头的冲击以及钻杆之间的冲击,保证锁紧式钻杆的安全使用。目前国内外旋挖钻机的钻杆采用4节或5节伸缩内锁式钻杆,每节长度大约为13 m,装配后总长不小于48 m,采用高强度合金钢管,钻杆与动力头采用长牙嵌内锁式连接方式。顶端与上滑动板用010系列无齿回转支承相连,下端带有弹簧缓冲,第4节上端用可滑转万向节与主卷钢丝绳相连,下端采用方形截面杆通过销轴与钻头相连,每只钻头应与方形截面杆相配,具有互换性。

2.7 钻头的结构

钻头是决定旋挖钻机能否较好适应复杂地层、提高工效的重要部件,目前国内外旋挖钻机的钻头共分3种常用的结构:短螺旋钻头(0600-02 500 mm)、回转斗钻头(0800-02 500 mm)和岩心钻钻头(0800-02500 mm)。

目前国内外旋扮钻机钻头的3种常用的进土结构如下:

(1) 短螺旋钻头旋挖钻头主要纵短螺旋钻头为主,他主要靠螺旋叶片之间的间隙来容纳从孔底切削下来的土、砂砾等,这种钻头结构简单、造价低。地层较好时,使用他也可达到好的效果,如果地下砂砾石较多或含水较多时,在提钻时很容易掉块,钻进效率低,甚至于不能成孔。

(2) 单层底旋挖钻头在地下水位较高,或含砂砾较多的地层,目前多数旋挖钻机均采用钻头钻进,用静压泥浆护壁,这种钻孔工艺已明显优于短螺旋钻头钻孔。

最早的旋挖钻头是单层底,在底下方有对称的2扇仅可向头内方向打开的合页门。当钻头钻进时,孔底切削下来的土、砂经合页门压入头内;在提钻时,在头内土砂的重力作用下,两扇门向下关闭,以阻止砂土漏回孔内。

由于这种重力作用不是十分可靠,时常发生合页门关闭不严,造成砂土漏回孔内,降低了钻进效率,还会影响孔底清洁度。

(3) 双层底旋挖钻头自20世纪90年代以来,国外的一些钻机制造公司,在原单层底钻头的基础上,开发出双层底的旋挖钻头。其特点是2层底可以相对回转一个角度,以实现头底进土口的打开与关闭。即在顺时针旋转切削时,底部的进土口为开放状态,当钻完一个回次后,将钻头逆时针旋转一个角度,致使进土口强行关闭,从而使切削物完整地保存在头内。实践表明,在复杂地层中,双层底钻头的钻进效率及孔底清洁度明显优于单层底钻头。

2.8 卷扬的结构

国内外旋挖钻机的卷扬有主副卷扬2种,卷扬的结构采用卷扬减速机,具有卷扬、下放、制动功能,卷筒自行设计,主卷扬应具有自由下放功能,且实现快、慢双速控制。主、副卷扬应配有压绳器。

2.9 液压电器系统

意大利 、 德国制造的各类旋挖钻机的机、电、液一体化高度集中,结构紧凑,操纵灵活方便,自动化程度高。他采用伸缩式钻杆,节省了人力和加接钻杆的时间,施工中只需一人即可操纵整台钻机,工人劳动强度低。钻架上装有垂直度检测仪,可以检测和显示钻架的偏斜度,并可通过钻机的微动”系统调整钻架的垂直度。驾驶室控制面板上装有孔深和钻架垂直度显示仪以及反映发动机、液压系统工作状态的仪表、显示屏及报警装置,有的还装有全电脑操作系统,使操作手能实时掌握钻进深度、钻架垂直度,保证钻孔准确到达设计深度和良好的垂直度。

2.10 旋挖钻机的电液比例伺服控制系统

国内外旋挖钻机采用电液比例伺服控制系统PLC,CAN总线控制等,提高了定位钻孔精度,具有钻40 髯黔及 C d 20 04. 10孔深度的自动化检测,荧光屏显示功能等,当钻桅发生倾斜时,钻机会自动报警,并进行自动调整。采用能显示多种信息的多功能液晶显示器,能进行起钻桅控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测与报警等信息的显示。

2.11 安全保护

国内外钻机的设计充分考虑操作人员的安全,并采取了一些措施,例如:驾驶室前窗配有FOPS(防坠物保护);卷扬的高度限位;驾驶室内操作台安全控制;发动机、液压等参数显示、报警等。

四、旋挖钻机的常见故障

1 发动机:起动困难、功率不匹配、机油油面升高、水中有柴油

2 液压系统:动作慢、无力、油温高

3 电控系统:指示不正确

4 机械部分:磨损、裂纹、变形

5 减速机:漏油、损坏

启示:

1、要综合分析故障原因,尤其是发动机起动困难、工作时失速,除了与发动机本身的性能有关外,与液压、电控系统都可能有关。

2、在分析判断故障时,尽可能的利用车上的对称系统,进行对比试验,以缩小故障范围,尽快确定故障点。