前言
旋挖鉆機(jī)成孔灌注樁工法近幾年在我國取得了廣泛的應(yīng)用。旋挖鉆機(jī)作為鉆進(jìn)成孔設(shè)備,其施工作業(yè)共有定位、下鉆、鉆進(jìn)、提鉆、回轉(zhuǎn)、抖土和回位等7個(gè)基本動(dòng)作。在提鉆作業(yè)中,鉆桿將按照從內(nèi)到外的順序逐節(jié)提升。但是由于各種原因,可能會(huì)出現(xiàn)非正常順序提升收縮的現(xiàn)象。只要任意外節(jié)桿先于其內(nèi)節(jié)桿收縮,就證明其與內(nèi)節(jié)桿之間發(fā)生了卡滯或接合,這就是所謂的“帶桿”。如圖1.1所示意。從外部看,就是提升過一節(jié)鉆桿的長度后,鉆機(jī)沒有出現(xiàn)“點(diǎn)頭”現(xiàn)象,就可以判斷為發(fā)生了“帶桿”。這時(shí),提引器還沒有露出鉆桿,鉆桿最外一節(jié)即被提起,離開動(dòng)力頭緩沖裝置開始上升,是“帶桿”最直接的表現(xiàn),可作為“帶桿”發(fā)生的判斷標(biāo)準(zhǔn)。
“帶桿”雖然發(fā)生在鉆桿上,但其改善改進(jìn)卻不止于鉆桿本身,其對鉆機(jī)各個(gè)系統(tǒng)部件的破壞作用十分廣泛而突出。研究“帶桿”產(chǎn)生機(jī)理,針對性地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,減少其破壞作用,并努力尋求徹底避免其發(fā)生的技術(shù)方案,十分必要而緊迫。本文對“帶桿”的內(nèi)部發(fā)生機(jī)理、破壞力和改善等方面進(jìn)行探討,分析,找到并提出改進(jìn)方案,以期減少和杜絕“帶桿”及其破壞作用。
一、“帶桿”產(chǎn)生機(jī)理
機(jī)鎖式鉆桿和摩阻式鉆桿都可能產(chǎn)生“帶桿”,前者概率更高。兩者產(chǎn)生機(jī)理并不相同。
1.1、機(jī)鎖式鉆桿 可實(shí)現(xiàn)較大的加壓力,故通常用于鉆進(jìn)比較堅(jiān)硬的地層。由于工作原理不同,相對摩阻式鉆桿在提升操作時(shí)必須注意解鎖,就是提升鉆桿前反轉(zhuǎn)鉆斗,使加壓臺(tái)接合副脫開。機(jī)鎖桿解鎖可分為完全解鎖、部分解鎖和未解鎖三種狀態(tài),見圖1.2所示。正常操作提升時(shí)加壓臺(tái)接合副完全脫開,鉆桿由內(nèi)到外逐節(jié)收縮并伴隨逐節(jié)“點(diǎn)頭感”,稱為完全解鎖(圖1.2 A),這種狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生“帶桿”。如果根本沒有脫開就提升,鉆桿并不收縮而是逐節(jié)帶動(dòng)直接升起,沒有任何“點(diǎn)頭感”,則稱為未解鎖。未解鎖狀態(tài)(圖1.2 C)作用位置與鉆進(jìn)加壓完全相同,唯一區(qū)別在于,前者由內(nèi)桿驅(qū)動(dòng)外桿提升,屬于非正常狀態(tài);后者則是外桿向下加壓驅(qū)動(dòng)內(nèi)桿,屬于正常工作需要。最外節(jié)鉆桿直接被提升,這個(gè)現(xiàn)象很容易被發(fā)現(xiàn),只要停止提升,緩慢下放后再來完成解鎖操作即可。除非意外,未解鎖產(chǎn)生的“帶桿”通常并不造成損壞。而部分解鎖狀態(tài)(圖1.2 B)危害性最大。由于加壓臺(tái)沒有完全脫開而部分接合,并且可能出現(xiàn)在第一、二、三、四、五節(jié)的任意兩節(jié)之間,也可能多節(jié)之間都出現(xiàn)部分解鎖,造成“點(diǎn)頭感”或有或無,這樣的“帶桿”不容易察覺,隨著提升過程中各種干擾因素的不斷作用,加壓臺(tái)部分接合面極有可能松脫,外節(jié)桿突然自由下落,砸向動(dòng)力頭,造成不同程度的破壞,嚴(yán)重時(shí)可發(fā)生重大施工事故?! ‘?dāng)然,完全解鎖操作并非一次完成即可一勞永逸高枕無憂。機(jī)鎖桿每節(jié)桿的外鍵上通常都設(shè)置有3處加壓臺(tái),四節(jié)鉆桿就有12個(gè)加壓點(diǎn)。在起拔過程中,有兩個(gè)因素可能驅(qū)動(dòng)內(nèi)節(jié)桿反轉(zhuǎn):一個(gè)是鋼絲繩因拉力變化產(chǎn)生的“回旋”釋放趨勢,另一個(gè)是鉆具特別是螺旋鉆頭受泥漿擾動(dòng)產(chǎn)生的“反轉(zhuǎn)”。因此完全解鎖的鉆桿提升過程中有可能在后面的任何一個(gè)加壓臺(tái)重新接合,出現(xiàn)部分解鎖或未解鎖狀態(tài),從而發(fā)生“二次帶桿”。因此,鉆桿提升過程中必須連續(xù)不斷地緩慢反轉(zhuǎn)鉆頭。這不但可以減少“二次帶桿”的發(fā)生,還可以減小因提升而產(chǎn)生的“吸空”阻力,還可減小泥漿擾動(dòng),利于提高成孔質(zhì)量。
1.2、摩阻式鉆桿 通過內(nèi)、外鍵條加壓面承受動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)扭矩產(chǎn)生的正壓力所形成的摩擦阻力來傳遞加壓力,該種鉆桿由此而得名。其發(fā)生“帶桿”的機(jī)理是卡滯,不同于上述的機(jī)鎖式鉆桿。這種鉆桿為便于通過,其內(nèi)、外鍵條之間預(yù)留有一定的間隙,見圖1.3所示,Δ1、Δ2通常在10-20mm之間。鉆桿在加壓鉆進(jìn)過程中還會(huì)有不同程度的磨損和變形,因此鍵條間隙并非完全均勻整齊,而是存在所謂的“鍥形縫”。這給鉆桿內(nèi)部的各種“粒子”提供了進(jìn)入和卡滯的機(jī)會(huì)。這些“粒子”包括沙粒、碎石塊、毛刺和各種墜落物例如小螺釘螺母、鐵片等,廣泛浮游于泥漿中,游離在鉆桿的內(nèi)腔和鍵條間隙。當(dāng)然,并非所有粒子都會(huì)造成卡滯而發(fā)生“帶桿”。尺寸太大的粒子被“拒之門外”不能進(jìn)入,尺寸太小的則“暢行無阻”順利通過,兩者都不會(huì)造成危害。只有那些接近間隙尺寸的粒子才有可能造成卡滯而引發(fā)“帶桿”,這些粒子可稱為“機(jī)會(huì)粒子”。另外,這些“機(jī)會(huì)粒子”還包括鉆桿因長期使用,在鍵條和加壓臺(tái)等位置出現(xiàn)的飛邊、毛刺和塌陷等缺陷,如未定期進(jìn)行清除和打磨,缺陷出現(xiàn)積累效應(yīng),同樣會(huì)引起“帶桿”。這種卡滯式“帶桿”也有可能發(fā)生在機(jī)鎖式鉆桿上,因?yàn)閮蓚€(gè)加壓臺(tái)之間的鍵條間隙與摩阻式鉆桿相似。所以,保持泥漿清潔,定期檢查和保養(yǎng)鉆桿不但可延長其使用壽命,也可減少“帶桿”故障的發(fā)生。
二、“帶桿”破壞原理及危害
2.1、“帶桿”分級 在施工現(xiàn)場,“帶桿”隨時(shí)都有發(fā)生,但其影響有大有小,并非所有“帶桿”都會(huì)產(chǎn)生明顯或直接的破壞,相反,絕大多數(shù)“帶桿”影響甚微,似乎不具備任何破壞作用,可以忽略不計(jì)。最內(nèi)部兩節(jié)在最下方加壓臺(tái)的“帶桿”破壞力最大,這時(shí)外節(jié)鉆桿被依次逐節(jié)提升,如果可能,直至最高位置,見圖2.1所示。由于各種振動(dòng)或擾而意外解鎖,則除了最內(nèi)節(jié)鉆桿外的所有鉆桿整體靠自重自由下落,巨大能量沖向動(dòng)力頭,勢必造成故障。據(jù)此,可將“帶桿”分為三個(gè)等級:1級重度帶桿、2級中度帶桿和3級輕微帶桿。
2.2、重度帶桿 可作如下分析。以22噸米鉆機(jī)常配置的鉆桿φ440-5×14摩阻桿為例,其各節(jié)桿的重量參見表2.1。
最嚴(yán)重狀況,1-4節(jié)桿的落體高度為12.9米,則其到達(dá)動(dòng)力頭緩沖裝置時(shí)的勢能轉(zhuǎn)化的沖擊能為Wd=87365.2 kg·m,其速度為Vd=954.1 m/min,約等于57.2 km/hr。正常工作主卷揚(yáng)理論下鉆速度為35 m/min,由此計(jì)算下鉆沖擊能量為Wx=151.3 kg·m。
動(dòng)力頭緩沖裝置的力學(xué)模型見圖2.1所示。由10個(gè)圓柱形壓縮彈簧K1和5個(gè)橡膠緩沖器K2組成。作用機(jī)理是先由彈簧組吸收,接著作用在緩沖器上。這兩個(gè)彈性組件的緩沖能量總和為Wh=1517.2 kg·m。這個(gè)數(shù)值是下鉆沖擊能量Wx的10倍,這是足夠的;但是僅占1級重度“帶桿”沖擊能量Wd的1.7%,不能滿足換沖沖擊的能量需求。
可見,鉆桿從最高位置掉落到最低位置產(chǎn)生的勢能直接作用在鉆機(jī)動(dòng)力頭上,間接作用到桅桿、動(dòng)臂上。據(jù)傳統(tǒng)計(jì)算,桅桿承受的負(fù)載按KNFt240?,即主卷揚(yáng)的提升力。另據(jù)沖量定理,假設(shè)緩沖制動(dòng)時(shí)間為0.1~0.5s,則1級“帶桿”所產(chǎn)生的沖力tcFF>>,tcFF/=h可稱作沖擊倍數(shù),沖擊倍數(shù)η隨沖擊制動(dòng)時(shí)間t變化的曲線如圖2.2所示。由圖2.2分析可得,沖擊倍數(shù)η在14.6~364之間。估計(jì)沖擊制動(dòng)時(shí)間在0.1s左右(需以實(shí)際檢測結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證),則最大沖擊倍數(shù)364max=h。
由此可見,“帶桿”對旋挖鉆機(jī)工作裝置安全性構(gòu)成了極大的威脅,是結(jié)構(gòu)破壞(特別是動(dòng)力頭部分破壞)的主要原因之一,應(yīng)引起足夠的重視。
2.3、加壓油缸 旋挖鉆機(jī)“帶桿”最早最直接的破壞發(fā)生在動(dòng)力頭緩沖裝置上,將重型橡膠減震套砸扁,外護(hù)圈被沖擊擠壓變形。而后動(dòng)力頭自身的重量加上“帶桿”沖擊能量全部作用在加壓油缸活塞桿上。由于加壓油缸有桿腔被液壓鎖鎖住,其內(nèi)部液壓油液柱具有相當(dāng)?shù)摹皠偠取?,一般認(rèn)為不可壓縮。在多次2級、3級帶桿沖擊作用下,除了可能的缸頭密封被破壞而造成泄漏外,活塞因沖擊震動(dòng)而被拉脫的事故并不罕見,甚至出現(xiàn)油缸的鉸接耳軸斷裂,油缸整體脫落事故。
2.4、動(dòng)力頭 最嚴(yán)重的是1級重度帶桿將動(dòng)力頭減速機(jī)連接套震裂震斷,巨大的沖擊能量進(jìn)一步將加壓油缸活塞拉脫后,急劇下落,桅桿下端的機(jī)械限位塊不能阻擋而被砸脫,動(dòng)力頭帶著活塞桿直接落入大直徑的樁孔,造成嚴(yán)重的施工事故。
2.5、大構(gòu)件 對包括桅桿、桅桿油缸、三角形和動(dòng)臂等大構(gòu)件都會(huì)產(chǎn)生一定的破壞作用。其中較嚴(yán)重的是動(dòng)臂兩端連接副的撕裂破壞,如圖2.5所示。常規(guī)分析是焊接質(zhì)量所致,并不懷疑設(shè)計(jì),這是因?yàn)槌R?guī)靜態(tài)計(jì)算該構(gòu)件強(qiáng)度沒有問題。實(shí)際上焊接質(zhì)量并不是全部或根本原因,由帶桿產(chǎn)生的巨大沖擊能量才是“罪魁禍?zhǔn)住?。桅桿油缸活塞桿端耳被拉開的故障也可以認(rèn)為是“帶桿”所致。由以上計(jì)算可見,它是常規(guī)受力-主卷揚(yáng)提升力的十幾甚至幾百倍,并且連續(xù)不斷發(fā)生,必然引起斷裂。
2.6、疲勞破壞 2級中度帶桿和3級輕微帶桿對整機(jī)各個(gè)零部件產(chǎn)生沖擊疲勞破壞,包括鋼絲繩、螺栓副和銷軸類等零部件。較高位置發(fā)生重度“帶桿”可能直接砸落到鋼絲繩上,嚴(yán)重時(shí)將鋼絲繩直接砸斷。較輕度的“帶桿”引起的振動(dòng),可導(dǎo)致螺栓副等松動(dòng)。
三、“帶桿”改善
3.1、當(dāng)“帶桿”不可避免,應(yīng)提供專門的設(shè)計(jì)或足夠強(qiáng)度的結(jié)構(gòu),力爭吸收或減小其破壞作用,這方面可叫做被動(dòng)預(yù)防。
3.2、5級減振技術(shù):第1級-鉆桿橡膠墊減震;第2級-重型彈簧減震;第3級-高彈橡膠減震;第4級-特種減震器(豹式坦克減震技術(shù));第5級-大型撓性減震系統(tǒng)。這些緩沖減震技術(shù)應(yīng)用的原始目的是為了吸收下鉆作業(yè)沖擊能量,減輕其破壞作用。動(dòng)力頭緩沖裝置見圖3.1所示。從以上計(jì)算可知,該裝置不足以“消化吸收”“帶桿”沖擊能量。從理論上說,這部分結(jié)構(gòu)能力應(yīng)該加強(qiáng),但在實(shí)踐中卻有很多困難。
3.3、動(dòng)力頭減速機(jī) 安裝應(yīng)采取更大強(qiáng)度的結(jié)構(gòu),包括“天方地圓”和減速機(jī)座,設(shè)計(jì)時(shí)都必須特別注意。
3.4、加壓油缸 活塞連接結(jié)構(gòu)需要考慮動(dòng)態(tài)強(qiáng)度;油缸的鉸接耳軸也必須加強(qiáng);油缸的單向平衡閥溢流壓力可采用雙級或多級方式,以達(dá)到階梯式吸收沖擊能量,實(shí)現(xiàn)有效緩沖。
3.5、下限位塊設(shè)計(jì)的目的并非用于承受和限制“帶桿”沖擊,只是為了動(dòng)力頭的臨時(shí)存放定位,該位置不大可能提供足夠的強(qiáng)度來承受和限制“帶桿”所造成的沖擊。
3.6、大構(gòu)件如桅桿、三角形和動(dòng)臂等都受到“帶桿”沖擊能量的破壞。例如桅桿導(dǎo)軌焊縫質(zhì)量必須很好保證,特別是中下部。動(dòng)臂兩端連接副強(qiáng)度靜態(tài)沒有問題,關(guān)鍵要預(yù)防動(dòng)態(tài)沖擊的破壞作用。對動(dòng)臂兩端結(jié)構(gòu)形式的加強(qiáng)是當(dāng)務(wù)之急。圖3.2為某廠家對動(dòng)臂兩端結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)方式。
3.7、良好的操作習(xí)慣是目前預(yù)防和減少“帶桿”的最重要方面。操作手應(yīng)養(yǎng)成“提升+反轉(zhuǎn)”的習(xí)慣:鉆進(jìn)動(dòng)作完成,提升鉆桿的同時(shí)緩慢地反轉(zhuǎn)動(dòng)力頭,可有效減少機(jī)鎖桿“帶桿”幾率。同時(shí),操作技能和責(zé)任心同樣需要提升和加強(qiáng)。操作習(xí)慣、技能和責(zé)任心構(gòu)成了操作手的綜合職業(yè)素質(zhì)。
3.8、鉆桿是“帶桿”發(fā)生的主體。第一入手點(diǎn)應(yīng)該是鉆桿自身的改善,在設(shè)計(jì)上避免“帶桿”的發(fā)生,這方面叫做主動(dòng)預(yù)防。這方面有大量的工作要做,德國寶峨鉆桿產(chǎn)品仍然是我們繼續(xù)學(xué)習(xí)的標(biāo)桿。另外,將提引器涂裝成特別醒目的顏色,安裝可視化視頻監(jiān)視裝置,以便于操作手判斷,也可算作主動(dòng)預(yù)防措施。
隨著先進(jìn)控制技術(shù)在旋挖鉆機(jī)上的應(yīng)用,北京市三一重機(jī)有限公司已經(jīng)總結(jié)出能夠比較徹底的根除“帶桿”的技術(shù)方案。由于涉及到技術(shù)核心機(jī)密,本文不對此方案進(jìn)行論述。
四、小結(jié)
本文對“帶桿”機(jī)理、破壞原理及危害和如何改善帶桿三方面進(jìn)行詳細(xì)論述,引用了大量翔實(shí)的現(xiàn)場圖片和數(shù)據(jù),對“帶桿”進(jìn)行深入剖析,利于推動(dòng)旋挖鉆機(jī)整機(jī)使用性能和各構(gòu)件使用壽命,對旋挖鉆機(jī)施工也具有非常重要的指導(dǎo)意義。
另外,賴于制造企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,預(yù)防“帶桿”不但要在被動(dòng)預(yù)防上下功夫,更要在設(shè)計(jì)研發(fā)方面采取積極的改善措施,以期達(dá)到高智能化,實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互,操作輕松和諧之最佳境界。相信經(jīng)過行業(yè)不斷努力,最終一定能夠杜絕鉆機(jī)“帶桿”,基本消滅其危害。