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1、这是因为长螺旋钻孔机的切土钻进机构与输土机构是合为一体的，当功率一定时，转速高则扭矩小；扭矩大则转速低。一般情况下切削需要低转速大扭矩；而输土时需要高转速小扭矩。两种机构形成了矛盾体。相对旋挖钻机而言，当钻孔深度小于20米时，长螺旋钻孔机采用较高转速作业，可以连续输土钻进，因此效率远高于旋挖钻机。当钻孔深度超过50米甚至百米以上时，长螺旋钻孔机采用较低转速大扭矩亦可进行作业，而旋挖钻机因钻杆长度限制，无法施工，则无效率可言。2、旋挖钻机与地面力学的关系地面力学是岩土力学的一个分支，主要研究机械以地面作为支撑基础时的各种物理和力学形态。旋挖钻机以地面作为支撑基础进行工作。因地面下沉等地基的破坏，

2、将使得钻机倾倒，造成立柱、钻具、机体以及人身伤亡等事故灾害。在旋挖钻机事故中一般有：在转移位置时因地基的非均匀沉降，引起钻机整体倾斜以至于翻倒；在提钻过程中因地基中真空负压和黏滞阻力的影响，引起过载或过变形，在提钻时钻杆脱断、提升卷扬钢绳破断、钻具脱落于孔中，甚至于整机倾翻；由于钻削扭矩过大，地面摩擦阻力不足等引起车体转位，导致钻杆破坏等原因。由这些原因分析可知，旋挖钻机工作状态的倾翻危险度可由两部分组成：地基破坏危险度和钻机运动学的危险度。倾翻危险性受到支持地基的下沉速度的影响，对其评价考虑两个方面的因素：对地基的载荷条件和下沉条件。设地基破坏危险度为，施工时的旋挖钻机对地面施加的最大压力为

3、，支承地基的屈服支持力为，则地基破坏危险度由下式给出： （1）当地基破坏危险度超过1时则表示旋挖钻机处于危险状态。支承地基的屈服支持力由在作业前对地基支持力的调查求得；旋挖钻机对地面施加的最大压力由机重和载荷与接地面积的关系计算得出： （2） 按照一般的施工要求, 旋挖钻机作业时的地面应为坚实的、坡度2，并且是由操作人员根据现场情况来判断地面的情况。这就需要操作人员具有一定的地面力学知识。目前旋挖钻机广泛采用的是专用桩工底盘或按工作要求进改装的履带式起重机和挖掘机的底盘，来提供支撑和回转，行走，变幅，加压等方面的动力，同时在施工现场可实现快速移动，以提高工作效率，也有采用汽车底盘和步履底盘的.

4、国外产品的地盘则大都采用专用的液压履带可伸缩式底盘，提高了工作时整机的稳定。3、旋挖钻机与土工学的关系土工学是岩土力学的一个分支。岩土力学是工程科学，以探索真理为目的；土工学是技术，以解决现实问题为目的。对于技术来说，科学是其坚实的基础，但不是充分条件。土工学主要研究机械以岩土作为工作对象时的各种物理和力学形态。为了解决土工学中的现实问题，必须对岩土力学中的理论予以适当修正。a、应充分注意各地区土质情况不同。如欧洲土质相对单一；而亚洲土质比较复杂。内陆地区土质比较密实；而沿海地区相对松软。所研制开发的机械特别是机具应具有较强的针对性，不能将欧洲的机械完全照搬应用于中国的实际。b、应对地层的复杂

5、情况有清醒的认识。岩土与其他结构用材料不同，其种类和性质千差万别，在施工过程，根据不同的地层情况更换钻具是合理的。因此旋挖钻机配备多种钻具才能适应各种施工场地。 做为回转斗钻孔机工作装置的回转钻斗在掘削作业时，一边回转切削，一边装载，受力情况比较复杂。为了便于分析，将回转钻斗的掘削机构分为切削机构、装载机构、摩擦机构。 1）切削机构 由于回转钻斗的斗底为锥形体，因此其贯入阻力和切削阻力矩分别为： （3） （4） 2）.装载机构回转钻斗的装载机构为斗的内腔，回转钻斗一边靠切削刀切削，一边将切削下的土装入斗内。回转钻斗圆柱体部分所消耗阻力矩为： （5） 斗内土重为： （6） （7） 3）.摩擦机构

6、 回转斗在掘削土过程中，由于钻杆的稳定性等因素的影响，与孔壁之间引起摩擦，产生阻力矩。这个阻力矩采用Rankine主动土压理论来求解。 这时作用在回转斗上的阻力矩为。 （8） 根据上述，回转斗在掘削过程中所消耗功率为： （9） 式中： 贯入所消耗的功率； 切削所消耗的功率； 装载所消耗的功率； 摩擦所消耗的功率。 （10） （11） （12） （13）4、旋挖钻机动力减速器选用大扭矩的意义旋挖钻机的动力减速器，由两台液控变量马达分别带动行星减速器，驱动大小齿轮啮合，从而向伸缩式钻杆传递扭矩，通常采用两个小齿轮同时驱动中空大齿轮，从而使整机的总体布置较为紧凑，受力更加合理。 目前所使用的动力家变

7、速器的驱动扭矩，欧洲生产的钻机可达可达120500KN.m，而日本生产的钻机仅为50100KN.m。这样大的扭矩对于钻具本身来说是没有必要的。这主要是为护筒旋压提供动力的。 大扭矩必然加大立柱的断面尺寸，既增加了倾翻力矩，影响钻机的稳定性等。5、旋挖钻机的多级伸缩钻杆的作用与影响旋挖钻机的钻杆为伸缩式，其断面有方形和圆形两种，最多达56节，最大深度可达70米。它将动力头输出的动力以扭矩的形式传递给回转斗，钻杆是钻孔过程中向掘削装置传递动力的主要部件，其受力状态也比较复杂，对施工质量影响很大。 钻杆在作业时,当外钻杆全部伸出时，受力状态最差。 伸缩钻杆在孔内，以一定的转速回转，由于内、中、外钻杆

8、之间有一定活动间隙和离心力的作用，产生偏心，使钻杆部分质量在回转运动中产生偏心力，加之在钻进过程中对钻杆施加的压力，使钻杆呈波形弯曲。 设以钻杆中心线和桩孔中心线相交两点的纵向长度L 为半波长。因自重产生的纵向压力随钻杆的长度而增加，半波长也变化，在钻进过程中，钻杆被卷扬提拉，钻杆某点纵向力为零，称为零断面。零断面以上钻杆受拉力，零断面以下钻杆受压力，而且钻杆在零断面以上，离零断面越远，半波长越大；在零断面以下，离零断面越远，半波长越小。钻杆弯曲严重。 设钻杆受外力功等于钻杆变形能，即： （14） 1）弯曲应变能计算分析 弯曲应力能为： （15） 积分得： （16） 假设挠度y为具有最大挠度等

9、于的正弦曲线之半波： （17） 则得： （18） 2）.纵向力所做功的分析 作用于半波长上端的纵向力可以是拉力也可以是压力，纵向力所做的功为： （19） 3）.离心力所做功的分析 （20） 综上有： （21） 解此方程有： （22） 则钻杆的半波长为： （23） 4）钻杆的合成应力 对钻杆受压段为; （24） 对钻杆受拉段为： （25） （26） （27） 因钻杆内应力处于脉动和交变状态，应使： （28）5）钻杆的临界转速 为了使钻杆不产生过度弯曲，钻杆的转速应有一定限制: （29） （30） 6）.钻杆截面形状的比较 设钻杆用同样材料制成，并且有相同的长度、厚度和截面面积，承受同样的扭矩。

10、圆钻杆横截面面积为：方钻杆横截面面积为： 而由中线所围面积为： 则圆形钻杆与方形钻杆的剪应力之比为： （31） 扭转角为之比为： （32）由此可见，在相同截面条件下，圆形钻杆比方形钻杆剪应力低，而且抗扭刚度高，但圆形钻杆加工比较困难。6、旋挖钻机在施工中提钻方式的影响 旋挖钻机施工时经常使用的钻具为回转斗或短螺旋。其提钻有两种方式：直接提钻和回转提钻。直接提钻和回转体钻有着本质的区别。l 、直接提钻直接提钻是指提钻时钻具停止回转，只靠提升卷扬机将钻具提升至孔外。当直接提升钻具时，被压密在钻具上的土阻止孔内空气流通，提钻时孔底处形成负压，引起孔壁面坍塌。直接提钻，虽然在土塞的挤压下形成光滑的孔壁

11、，但提升力却增大。另外提升时在孔壁处产生的摩擦力加之重力使土下滑，使孔内浮土增多，对桩的承载力产生很大的影响，由的受力分析有； （33）式中为提升拉力；为提升时产生的瞬时真空压力，其值为： （34） 为了分析土在提升过程中的情况，取一段螺旋钻具及其上的一小土块为隔离体来做平衡分析，可得： （35）式中：为螺旋升角为土与叶片间的摩擦系数。由式可以得到： （36）2 、回转提钻 回转提钻是指提钻时钻具一边回转，一边靠提升卷扬机将钻具提升至孔外。当钻孔深度较大时，由于钻杆在多种因素下的弯曲变形使实际的孔形也有较大的变化。当一边提钻一边回转钻具时，由于输土过程仍在继续，加上孔形不整等原因不易产生真空，

12、而钻具与孔壁之间的摩擦力因回转提升的缘故与提升方向成一角，在纵向仅为一个分力，这样使提升力比直接提钻减小保证了整机的稳定性。当旋转角速度与提升速度匹配适当时还可使孔底的浮上减少。则有： （37） 由平衡分析，有： （38）为回转提升钻具时由螺旋上的上与孔壁间产生的摩擦力，由式可以得到： （39）由以上分析，并代入具体参数，可推得： （40） 由此可见直接提钻时孔壁处摩擦力比回转提钻时大。 综上可知钻具在掘削岩上后提钻的过程中，直接提钻会使钻具上的土被孔壁压密形成柱塞，产生真空负压。这样在提升钻具时由于土的粘性阻力加上真空负压等将产生很大的阻力，使孔坍塌或使钻孔机过载失稳，因而以回转提钻方式为宜

13、。7、旋挖钻机钻具的作业适用性与配置旋挖钻机采用了液压扩履式履带底盘、可折叠立柱和平行四边形等立柱调整机构、多节伸缩式钻秆、装有重直度自动检测、调整、孔深数码显示控制系统、整机操纵采用液压先导控制等，是全新液压钻孔机。在此基础之上，合理配备钻具将发挥更大的作用。应当充分注意到，钻具是旋挖钻机的易损部件，在施工时，因磨损、冲击、碰撞等原因，需要经常更换或重新配置。经济效益影响短期内不明显，但长期来看则非常可观。一台钻机售价近500万元人民币，使用寿命10年；一个钻斗3万元人民币，但在很短的时间内必须更换，一年内用20个，60万人民币，10年则可达600万元人民币。因此对钻具的配置非常重要。对旋挖

14、钻机的特性要有正确的认识，它是多能的而不是万能的。1）多种回转斗的配置，加大侧刃的外伸尺寸，减小切削阻力，防止产生真空，提高作业适应性和施工能力。2）整体式双卷扬的配置，可节省总体布置空间。3）短螺旋舍弃双转速，简化控制；增加刮土器，提高作业效率。4）正反循环钻具配置，加循环水箱和振动筛。5）各种长螺旋钻具的配置。6）各种地下连续墙抓斗的配置。7）扩孔、扩底机具的配置8）液压锤的配置。8、旋挖钻机的平行四边形支架的作用a、平动调整，快速对准孔位；b、使整机布置合理；c、承上启下的均载作用。9、旋挖钻机的立柱的功能a、为钻具、调整机构、加压机构等提供结构支撑；b、为钻具导向；c、为卷扬提供吊臂；

15、d、为液压管道、照明设备等提供附着支架。10、旋挖钻机的发展方向1）旋挖钻机的全寿命可靠性设计 随着人类环境意识的进一步增强及可持续发展的需要，对企业的产品研究与开发提出了严峻的挑战。人们在不断探索中，提出了产品全寿命周期的概念，在此基础上，形成了一种新的产品研究与开发方式产品全寿命周期工程设计（Life Cycle Engineering Design，简称 LCED），不但丰富了以前的寿命周期成本的范畴，增强企业新产品开发能力，而且使产品的研究与开发制造更符合可持续发展的要求。 旋挖钻机的产品全寿命周期是指从加工钢材制造成产品，施工使用，产品报废后经拆卸、回收和再循环，部分重新利用的整个过

16、程。产品全寿命周期工程设计应当考虑产品全生命周期整个范围内的产品及其换代产品等因素，使产品在全寿命周期范围内，满足时间（T）、质量（ Q）、成本（ C）、服务（ S）和环境（ E）的要求，从而使产品的回用率最高，对环境的负影响最小，资源综合利用率最高，给企业及社会带来丰厚的经济效益和生态效益。 旋挖钻机LCED的基本步骤为： a、确定设计目标和范围。对于旋挖钻机，要求在一定的耐用寿命期内必须可靠和有效地工作。这预示着在设计阶段就应考虑产品的使用寿命，对于生产者和设计者来说必须使自已的设计水平从寿命定性设计上升到寿命定量设计。b、概念设计。概念设计是根据设计目标获得相应原理方案的过程，是一个创造

17、的过程。通常，可采用功能分析法和创造性思维法。c、方案评审。对概念设计得到的是多个可行的原理方案进行评价选优。d、详细设计。确定实现原理方案所需零部件的材料、形状、尺寸、加工方法及其配置等。涉及到材料、工艺、设计计算方法、实验与检测技术，以及环境保护等多科学领域。e、产品寿命周期分析。它主要包括清单分析和影响分析。可通过清单分析所获得的数据，评价产品寿命周期各个阶段。f、制定标准，改进分析。根据产品寿命周期分析的结果，可以总结出产品有待改进之处，更好地对LCED提供依据和改进措施。在改进阶段仍不断地同产品数据库及知识库交换信息。2）旋挖钻机的并联、低空动、机电一体化伺服控制a、采用全液压驱动和

18、电液比例伺服控制系统， 使钻机各机构匹配，并联工作；采用油缸或卷扬加压提升，增大了提升能力和加压能力；液压元件大多采用国际先进成熟的产品，提高了产品的可靠性。b、底盘采用可伸缩式，提高了整机的稳定性；采用多节自锁式或摩擦式钻秆及多种钻头，可根据不同作业要求更换钻秆、钻头；动力头为双作用驱动箱，即可进行钻孔，又能安放套管，一机多用。c、具有钻孔深度、立柱垂直度自动化检测、荧屏显示，提高了定位钻孔精度；发动机、油压、主副卷扬拉力等参数的自动化检测，荧光屏显示，提高了智能化作业能力。3）旋挖钻机结构材料的选用旋挖钻机结构材料通常采用高强度低合金钢，它是一种含有少量合金元素（合金元素总量一般不大干 3

19、）的普通合金钢。高强度低合金钢具有了如下突出特征：（l）较高的屈服强度；（ 2）良好的焊接性；（ 3）高的断裂韧性以及低的韧脆转变温度；（ 4）良好的冷成型性，特别是弯曲以及在板厚方向上的塑韧性能（5）良好的热加工性能、焊接工艺性能和其他特殊性能等。这种钢冶炼、轧制的生产工艺简单，用一般的冶炼方法都能生产，冶炼和轧制基本上与碳素钢相同。提高设备和构件的使用寿命，节约钢材。因为强度高，钢材的截面尺寸系数可大为降低，耐腐蚀性能耐低温性能的优越，无疑延长了设备和构件的使用寿命和使用范围。过去常用的 16Mn系列高强度钢已逐渐退出历史舞台，取而代之的是Q295、Q345等钢材。旋挖钻机采用全套液压系统

20、，有些还配备先进的电脑操作系统，机、电、液一体化高度集中，结构紧凑，操纵灵活方便，施工现场内可自行移动，自立桅杆，移动、对孔位方便、快捷。采用伸缩式钻杆，无需人力和加接钻杆。根据地层情况可更换钻具多且方便。旋挖钻机是现代工业技术整合的结果，通过与施工实际结合的不断开发和深化认识，必将发挥其先进装备的技术优势，推动我国基础工程施工设备向机械化、自动化方面发展，同时使基础工程施工技术更加完善。国 内 桩 工 机 械 发 展 趋 势郭传新北京建筑机械化研究院 现代工程地基基础的主要形式是各种桩基础、桩围幕等，打桩用的机械设备称为桩工机械。 桩的种类比较多，根据用途，可分为基础支承桩、防护围幕桩以及锚

21、固桩等；根据材质，可分为钢桩、钢筋混凝土桩、木桩、砂桩和灰土桩等；根据桩的制造工艺不同，可分为热轧钢桩、混凝土预制桩、灌注桩以及砂桩等；根据桩的断面形状不同，有方桩、圆桩、管桩、钢板桩、工字形钢桩等。通过桩工机械产生的冲击、振动、静压、钻孔、高压喷射等不同作用方式，可把各种桩沉入或构筑在地下一定设计深度的承力地层，或就地施工混凝土灌注桩、砂桩、灰土桩等。为了加固软弱地基，可采用强夯、钻孔旋喷、振冲、插塑料板、深层搅拌、砂井排水等工艺。从工程造价和施工工期来讲，基础工程要占全部工程的相当大比例。桥梁和码头的水下基础工程要占全工程的1/31/2左右，一般工业与民用建筑的地基基础工程，有的也达到1/

22、3左右。因此桩工机械的发展与不断进步，对我国的建筑机械化事业有着重要的促进作用。 桩工机械的分类，按国家标准规定的建筑机械与设备分类见表1。 桩工机械一般具有桩和土壤两个施工对象，桩工机械的技术性能要同时适应和满足它们的要求，必须使桩工机械的技术性能参数与桩和地质条件取得合理的匹配。 桩工机械的构造、性能、使用方法同基础施工工艺有密切的关系。目前，世界上各种基础施工工法有二百余种，一个新的桩工机械品种的研制成功，往往是适应并伴随着一种新的基础施工工法同时出现的，是机械设计工程师同土木工程师共同研究的成果。下面就我国目前经常使用的一些桩工机械谈上点看法。1 钻孔机 钻孔机是钻孔灌注桩、钻孔打入预

23、制桩和地下连续墙（或挡土围幕）的成孔设备。混凝土钻孔灌注桩具有造价低、施工无噪声、无振动等优点，在基础工程中得到广泛应用，因此各种钻孔机也得到蓬勃发展。 钻孔机根据结构特点和施工工艺可以分为以下几种形式： （1） 旋挖钻机（回转斗钻机、短螺旋钻机）。 （2） 长螺旋钻孔机。 （3） 工程钻机（正反循环转盘钻机）。 （4） 全套管钻孔机（摆动式360回转式）。（5） 潜水钻孔机。 （6） 冲抓斗钻机。1.1 旋挖钻机 旋挖钻机因其效率高、污染少、功能多，目前在国内外的灌注桩施工中得到广泛应用。尤其是在欧洲和日本等发达国家已经成为大直径钻孔灌注桩施工的主力机型。 近年，旋挖钻机及施工工法在国内逐渐

24、被认识，以北京地区为代表，在大直径钻孔灌注桩施工中得到很快的普及应用。如目前正在建设中的青藏铁路集中了一百多台国内外各种品牌的旋挖钻机。 几年前，我国的旋挖钻机基本上都是进口机，以意大利土力公司、意马公司、迈特公司及德国宝峨公司为代表。据不完全统计，仅2002年就进口各种旋挖钻机近百台。 可以说国产旋挖钻机起步并不晚，1988年北京城建机械厂就针对国外样机开发了履带起重机附着式旋挖钻机，20世纪90年代中期郑州勘察机械有限公司又从英国BSP公司引进附着式旋挖钻机的生产技术，但由于此种旋挖钻机技术比较落后，配套起重机协调困难，都没有形成批量生产。令人可喜的是最近两三年国产旋挖钻机取得了突飞猛进的

25、发展，钻机的技术性能得到大幅度提高。目前国内主要旋挖钻机生产企业如下： （1） 北京经纬巨力工程机械有限公司（120kNm，160kNm，200kNm）。（2） 徐州工程机械科技股份有限公司（180kN（3） 三一重机（220kN （4） 徐州东明机械制造公司（140kNm、200kN （5） 湖南山河智能机械股份有限公司（200kN （6） 石家庄煤矿机械厂（200kNm 引进芬兰永腾技术）。（7） 哈尔滨四海工程机械公司（180kN（8） 郑州勘察机械有限公司（100kN（9） 内蒙古北方重汽股份有限公司（200kN（10） 中国地质装备集团连云港黄海机械厂（120kNm，大宇挖掘机底盘）

26、。 国产旋挖钻机与进口机器相比有的性能已经接近，但还存在以下不足： （1） 液压系统配置由于受进口液压元件限制达不到国外的水平，特别是与像宝峨钻机这种世界先进水平还有一定差距。 （2） 关键件如钻杆，特别是机锁式加压钻杆，国产的还不能满足主机的要求。一是国产钢管无论从强度还是精度都不能满足要求，二是钻杆的加工工艺还处在摸索之中，焊接质量不能保证。进口原装钻杆最便宜也要50多万人民币，对整机的成本有很大影响。建议生产批量比较大的企业应该在钻杆的制作上下一番功夫，现在的钻杆生产厂家设计能力非常差，只能是模仿别人的产品，焊接也都是手工操作。 （3） 整机的外观及操作室内仪表盘的布置应该更进一步，这方面应向国内的其他工程机械如挖掘机等学习。 （4） 国产的各种安全装置可靠性太低。 此外国产旋挖钻机的品种偏少，大部分厂家一上来就搞200kNm级的，投资非常大。然而据统计，80%的桩基础桩径在1.2m以下，深度不超过40m。日本的旋挖钻机大多为100kNm以下就是一个例证，国内进口很多扭矩在100kNm以下的二手日本产旋挖钻机，用户反映，使用效果很好。青藏铁路需要大功率的旋挖钻只是个例，因为它