董志偉，徐彬彬

(無錫市鉆通工程機械有限公司，江蘇 無錫 214161)

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ZTSPZ-800水平定向螺旋鉆機的開發(fā)研制

董志偉，徐彬彬

(無錫市鉆通工程機械有限公司，江蘇 無錫 214161)

本文介紹了ZTSPZ-800型全液壓分體式水平定向螺旋鉆機的主要結(jié)構(gòu)和施工案例。該鉆機可實現(xiàn)擴孔與頂管同步進行，降低了施工成本，提高了施工效率，無須泥漿水循環(huán)，高效、節(jié)能、環(huán)保、施工精度高，施工區(qū)域不會引起地面沉降。

螺旋鉆機;擴孔；頂管；導(dǎo)向

1 設(shè)計背景

隨著國家對環(huán)境治理的大力提倡、環(huán)保要求的提出，環(huán)境、災(zāi)害治理工程的上馬以及高效率施工要求，采用非開挖定向鋪管鉆機，通過多次回擴導(dǎo)向孔至管線要求后，再回拉管線的傳統(tǒng)工藝已不能滿足如今快速發(fā)展的社會要求。面對這一新興的市場需求，在借鑒水平定向鉆機主體傳動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，參考國外新興施工工藝，作者設(shè)計研發(fā)了ZTSPZ系列水平螺旋定向頂管鉆機。

1.動力頭；2.機架；3.給進機構(gòu)；4.前導(dǎo)正；5.托管架。圖1 鉆機結(jié)構(gòu)示意圖

2 鉆機的主要結(jié)構(gòu)

ZTSPZ-800水平螺旋定向頂管鉆機可分為九部分，即動力頭、機架、給進機構(gòu)、前導(dǎo)正、托管架、鉆具、動力站、液壓系統(tǒng)、電路系統(tǒng)，見圖1。結(jié)構(gòu)形式是在非開挖定向鉆機的基礎(chǔ)上，參照國外水平定向螺旋鉆機的技術(shù)，進行改進、優(yōu)化設(shè)計，使其更適應(yīng)國內(nèi)市場的需求。

2.1 動力頭

動力頭采用整體封閉齒輪箱體式結(jié)構(gòu)，潤滑方式為飛濺潤滑，主軸為空心軸便于激光信號的傳輸實現(xiàn)導(dǎo)向工作的完成；驅(qū)動方式采用雙速柱塞馬達，通過行星減速機和齒輪傳動，轉(zhuǎn)速高、調(diào)節(jié)范圍寬；動力頭配備箱體浮動機構(gòu)，通過液壓缸連接前頂盤與箱體，油缸的伸縮實現(xiàn)箱體相對于頂架的浮動；主軸前端與動力頭短節(jié)后端通過凹凸面法蘭連接。

2.2 機架

機架包括固定支腿、調(diào)節(jié)支撐和架體。架體為焊接結(jié)構(gòu)，整體剛性較好，采用對稱結(jié)構(gòu)，便于加工制造。鉆機機架導(dǎo)軌分為上、下導(dǎo)軌與內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌，上導(dǎo)軌主要是支承給進機構(gòu)并為其滑動提供導(dǎo)向，下導(dǎo)軌主要用于固定給進機構(gòu)；內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌面上加工有長圓孔，為給進機構(gòu)提供定位作用。

2.3 給進機構(gòu)

給進機構(gòu)包括前頂架與后支撐兩部分，采用液壓缸傳動，傳動簡便、安全、可靠，給進行程可根據(jù)設(shè)計要求確定，更適合擴孔頂管同步進行的工況。本機采用兩組液壓缸傳動，液壓缸連接前頂架與后支撐，后支撐主要為給進機構(gòu)提供定位作用，使前頂架在導(dǎo)軌上實現(xiàn)給進/回拉動作。其內(nèi)設(shè)有兩組伸縮液壓缸，此組液壓缸連接鎖定銷軸，使銷軸可以運動于機架內(nèi)側(cè)導(dǎo)軌面的長圓孔內(nèi)，實現(xiàn)后支撐的定位，從而實現(xiàn)前頂架的給進/回拉動作。

2.4 前導(dǎo)正機構(gòu)

前導(dǎo)正機構(gòu)安裝于機架的機頭端，由導(dǎo)正內(nèi)套、導(dǎo)正外套、導(dǎo)正輪和調(diào)節(jié)螺套組成。導(dǎo)正外套安裝固定在機頭的前端，內(nèi)套上有滑軌置于外套內(nèi)，可通過調(diào)節(jié)螺套調(diào)節(jié)內(nèi)套的高度使其中心高度與動力頭主軸的中心高度一致；導(dǎo)正輪內(nèi)徑與導(dǎo)向鉆桿的外徑一致，防止因?qū)驐U自重而產(chǎn)生的中心下移，從而保證了導(dǎo)向孔的精度。

2.5 托管架

托管架置于機架前方與管道入口中間，托管架由固定座、調(diào)節(jié)螺套、支臂和托輪組成，通過調(diào)節(jié)螺套來改變支臂的角度從而改變托管尺寸，避免了頂管過程中因工作管自重而產(chǎn)生的下沉現(xiàn)象，保證了頂管精度。

2.6 鉆具

鉆具分為導(dǎo)向鉆頭、螺旋鉆桿以及擠擴鉆頭。單根導(dǎo)向鉆桿長度為1m，采用八方連接，彈性圓柱銷固定，更換方便快捷；螺旋鉆桿分為螺旋桿與螺旋葉片，螺旋桿由公母連接頭、無縫鋼管焊接而成，公母接頭采用八方連接、螺絲堵固定，螺旋葉片由沖壓機壓制后焊接而成；擠擴鉆頭為三瓣式，切削頭采用專用高強度、耐磨截齒焊接而成，可適用于多種地層工況。

2.7 動力站

動力站由柴油發(fā)動機﹑液壓油泵﹑液壓油箱﹑柴油箱及液壓附件組成；發(fā)動機采用美國進口康明斯品牌，動力強勁；液壓油泵采用國外進口產(chǎn)品，質(zhì)量高、功能安全可靠。動力站與主機分體，動力站置于地面，主機放置于工作坑內(nèi)。配備獨立有線控制盒，操作簡便、安全可靠。

2.8 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要包括：控制動力頭回轉(zhuǎn)的閉式回路、給進/回拉以及輔助動作的負載敏感控制回路。回轉(zhuǎn)采用閉式系統(tǒng)，單獨使用不會與其他系統(tǒng)有任何干涉，功率滿足性能要求。給進/回拉以及輔助動作采用開式負載敏感系統(tǒng)，此負載敏感回路包括軸向柱塞變量泵，負載感應(yīng)驅(qū)動機構(gòu)和配置有負載感應(yīng)梭閥油路的比例多路換向閥構(gòu)成。

3 導(dǎo)向接收裝置

導(dǎo)向接收裝置——光學導(dǎo)向儀具有數(shù)據(jù)采集存儲智能控制功能，為鉆通公司單獨研發(fā)制造的專利產(chǎn)品，精度高，反饋速度快。該導(dǎo)向儀主要包括：LED發(fā)光器、接收裝置、輸出裝置和顯示裝置，見圖2。

1.LED發(fā)光器；2.接收裝置；3.輸出裝置；4.顯示器；5.傳輸信號線。圖2 導(dǎo)向接收裝置

導(dǎo)向接收裝置工作原理：LED發(fā)光器由LED二極管連接線束板發(fā)射光源信號傳射到接收裝置上，接收裝置為可32倍高清變焦的水準儀，物鏡接受光源通過變焦處理傳入輸出裝置，輸出裝置為電子目鏡攝像機，電子目鏡所拾取的信號,通過攝像機的處理，由傳輸線傳輸?shù)斤@示裝置上形成圖像，顯示裝置為帶十字刻線高清顯示器，根據(jù)顯示器圖像可觀察到工作鉆進情況，從而實現(xiàn)所需目的。

4 鉆機的工作原理和主要技術(shù)參數(shù)

鉆機的工作原理如圖3所示。

1.導(dǎo)向鉆頭；2.導(dǎo)向鉆桿；3.固定支腿；4.前導(dǎo)正；5.機架；6.前頂架；7.調(diào)節(jié)支撐；8.后支撐；9.動力頭；10.擠擴頭；11.螺旋鉆桿；12.工作管；13.托管架；14.頂管盤。圖3 施工示意圖

根據(jù)施工設(shè)計軌跡，首先挖好工作坑與接收坑，確定入口點，然后將鉆機校正擺放好，調(diào)節(jié)支撐把鉆機中心點調(diào)至設(shè)計入口點中心處，調(diào)節(jié)固定支腿固定鉆機。

動力頭主軸輸出的接頭連接導(dǎo)向鉆桿，導(dǎo)向鉆桿前端連接導(dǎo)向鉆頭，導(dǎo)向鉆頭前端有斜掌可調(diào)節(jié)導(dǎo)向角度，導(dǎo)向鉆頭上安裝有LED發(fā)光器，通過導(dǎo)向接收裝置來控制導(dǎo)向軌跡與精度；機架前端有導(dǎo)正機構(gòu)，防止導(dǎo)向過程中因?qū)蜚@頭和導(dǎo)向鉆桿自重而產(chǎn)生的下沉現(xiàn)象；前頂架與后支撐由兩個給進油缸連接，后支撐內(nèi)置伸縮缸帶動定位銷軸于導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)長圓孔內(nèi)伸縮運動。后支撐鎖死時，給進油缸伸出時前頂架隨著一起前進實現(xiàn)了給進的動作，當給進油缸全部伸出時，收回后支撐內(nèi)的定位銷軸，此時給進油缸收回帶動后支撐前移，使后支撐內(nèi)銷軸中心正好對準機架前一組長圓孔。重復(fù)上述動作就實現(xiàn)了鉆機的給進動作，相反的回拉動作原理跟給進動作一樣，由給進油缸的伸縮協(xié)同后支撐和機架的鎖死與松開來實現(xiàn)。

導(dǎo)向孔打完后，主軸短節(jié)更換可與螺旋鉆桿連接的接頭，前頂架裝上頂管盤，擠擴頭與導(dǎo)向鉆桿尾端相連接，螺旋鉆桿套在工作管內(nèi)，螺旋鉆桿一端與主軸短節(jié)連接，另一端連接擴孔鉆頭。動力頭旋轉(zhuǎn)帶動擴孔鉆頭切削鉆頭四周泥土，形成稍大于擴孔鉆頭外徑的管道，然后鉆機推進工作管進入所成管道內(nèi)。切削下來的土由螺旋鉆桿的葉片與工作管內(nèi)壁形成的傳輸通道，傳送至管道尾部排出。不停的旋轉(zhuǎn)與給進就完成了鋪設(shè)工作管的任務(wù)。同時當工作管頂進的過程中，導(dǎo)向鉆桿不斷的被頂出至接收坑內(nèi)，然后一根根的把導(dǎo)向鉆桿拆卸下來。

該鉆機可實現(xiàn)擴孔與頂管同步進行，無須泥漿循環(huán)，高效、節(jié)能、環(huán)保、施工精度高，施工區(qū)域不會引起地面沉降，適用于中、大直徑鋼管、水泥管等材質(zhì)的管道鋪設(shè)。

鉆機的主要技術(shù)參數(shù)如下：

發(fā)動機功率 160 kW

回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 0～30，0～90 r/min

回轉(zhuǎn)扭矩 40 kN·m

給進/回拉力 1520 kN

給進行走速度 0～3 m/min

箱體浮動距離 250 mm

中心高 1000 mm

導(dǎo)向鉆桿 ?114 mm×1000 mm

外形尺寸 8000 mm×2500 mm×1350 mm

5 施工案例

(1)西安高新區(qū)錦業(yè)路-丈八六路十字熱力管道：直徑400 mm鋼管，加保溫、防腐層后外徑776 mm，長40 m，孔心離地面深7 m，過丈八六路馬路。土質(zhì)為純黃土，硬度適中成孔較好，含水量較大，施工過程需排水，由于管道內(nèi)徑小，切削外徑大，故傳輸土量大，頂管速度慢，傳輸出來的土成塊狀；施工過程扭矩在10～15 kN·m，推管力最大在500～600 kN，施工時間總計60 h。導(dǎo)向孔入土點與出土點上下偏差20 mm，左右偏差15 mm，施工精度較高。

(2)西安雷家寨灃惠渠段：?820 mm×10 mm鋼管，加保溫、防腐層后外徑960 mm，長68 m，孔心離地面8 m，管道穿過水渠，水渠深5 m、寬8 m，水渠兩側(cè)水泥護壁，入土點離水渠18 m，土質(zhì)泥沙混合含少量黏土，濕度偏高，由于含沙量較高，頂管過程中添加了泥漿，頂管速度較慢，扭矩與推力較高，分別在20 kN·m、1000 kN左右。穿過水渠過程中出現(xiàn)輕微塌方現(xiàn)象，采取快速推進多注泥漿成功穿越。導(dǎo)向孔入土點與出土點上下偏差40 mm，左右偏差25 mm。

6 結(jié)束語

目前，鉆機樣機已經(jīng)制造完成，并已在工地測試使用，施工精度和效率高，大大降低了施工成本與施工風險，得到了客戶的好評與認可。此機型的推出填補了國內(nèi)該類型鉆機的空白。

[1] 成大先. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2002.

[2] 路甬祥. 液壓氣動技術(shù)手冊[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2002.

[3] 花容. 非開挖導(dǎo)向鉆機中幾種主要結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2009(8).

2016-04-20

董志偉(1989-)，男，江蘇徐州人，機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，主要從事非開挖工程機械設(shè)備開發(fā)研究設(shè)計，無錫市胡埭工業(yè)園北區(qū)天竹路12號，Tel：18652459291，E-mail：dongzhiwei0520@163.com。

P634.31

A

1009-282X(2017)03-0011-03