旋挖钻机的基本构造及工作原理

结合目前国内市场需求情况，由北京市三一重机有限公司独立研发生产的旋挖钻机于2003年3月1日成功下线，目前已经形成SR

280、SR

330、SR

250、SR220C、SR200C、SR150及SR130C等系列化产品投入市场，稳居市场占有率第一位第一节概述SR系列旋挖钻机是北京市三一重机有限公司独立研发的新一代地基基础施工机械产品，在设计和创造上吸取了国内外著名品牌产品的优点，主要性能达到国际同类产品水平关键零部件均采用国际知名品牌的产品，确保了整机的高可靠性SR系列旋挖钻机可广泛应用于城市高层建造、铁路、公路、桥梁等桩基础工程的钻孔灌注桩成孔的施工，具有成桩速度快、施工效率高、环保节能等特点，在地基基础行业树立了新的民族品牌SR系列旋挖钻机的结构从功能上分，主要包括底盘和工作装置两大部份从使用底盘的不同又可分为履带式和汽车底盘式两种规格，SR

130、SR

150、SR200C、SR220C、SR220R、SR

250、SR280R、SR280C、SR350旋挖钻机等皆采用了液压伸缩履带式底盘，而SRC108采用了汽车底盘，使产品具有机动性强、远距离移位便捷的优势SR系列旋挖钻机的工作装置主要包括变幅机构、桅杆、主、辅卷扬、动力头、随动架、加压装置、钻杆、钻具等（详见“机械结构章”）o采用了平行四边形变幅机构、自行起落折叠式桅杆；自动控制监测主机功率、回转定位及安全保护；自动检测、调整钻杆的垂直度；钻孔深度预置和监测等新技术彩色显示屏直观显示工作状态参数，整机控制上采用先导控制、负荷传感，最大限度地提高了操作的方便性、灵敏性和安全舒适性，充分实现了人、机、液、电一体化SR系列旋挖钻机所配套的短螺旋钻头、普通钻斗、捞沙钻斗等钻具，可钻进黏土层、沙砾层、卵石层和中风化泥岩等不同地质第二节工作原理旋挖钻机钻进成孔工艺旋挖成孔首先是通过钻机自有的行走功能和桅杆变幅机构使得钻具能正确的就位到桩位，利用桅杆导向下放钻杆将底部带有活门的桶式钻头置放到孔位，钻机动力头装置为钻杆提供扭矩、加压装置通过加压动力头的方式将加压力传递给钻杆钻头，钻头回转破碎岩土,并直接将其装入钻头内，然后再由钻机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土、卸土，直至钻至设计深度对粘结性好的岩土层，可采用干式或者清水钻进工艺而在松散易坍塌地层，则必须采用静态泥浆护壁钻进工艺旋挖钻机钻进工艺与正反循环钻进工艺的根本区别是，前者是利用钻头将破碎的岩土直接从孔内取出，而后者是依靠泥浆循环向孔外排除钻渣第三节机械系统的基本构造

一、机械结构SR系列旋挖钻机的结构从功能上分，分为底盘和工作装置两大部份钻机的主要部件有底盘（行走机构、底架、上车回转）、工作装置（变幅机构、桅杆总成、主卷扬、辅卷杨、动力头、随动架、钻杆、钻具等加压）图1SR系列旋挖钻机结构图

1、底盘

2、变幅机构

3、桅杆总成

4、随动架

5、动力头

6、钻杆

7、钻具

8、主卷扬

9、辅卷扬

二、底盘底盘是钻机工作装置部份的安装基础，由行走机构、底架、上车回转组成，见图2行走机构的功能是实现钻机的行走和移位主要由液压马达、减速机、驱动轮及张紧装置、履带、承重轮、托链轮、导向轮等部件组成行走装置通过液压系统控制，可实现前行、后行、左转弯、右转弯、原地水平旋转等动作行走机构的履带具有张紧度调节功能当履带过于松弛时，影响正常工作，需适时调整其张紧度调整履带张紧度时，用手压黄油泵向张紧装置的张紧油缸注油口注入适量油脂张紧油缸的注油口位置如图处底架用于安装和支承履带行走机构，内部装有液压油缸、液压系统的“中心回转接头“上车的液压系统的工作压力油液通过“中心回转接头”传输到履带行走机构和履带伸缩机构通过液压油缸的伸缩运动实现了履带行走机构的展宽和缩回这一功能使钻机在工作时展宽两履带的外边距，提高了整机工作的稳定性；在车载运输时缩回履带，减小整机宽度，适应了公路交通法规的要求回转台是工作装置部份的安装基础，发动机、液压系统、驾驶室、变幅机构、回转机构、配重等部件直接安装在其上图2SR系列旋挖钻机底盘

1、SR130/150型旋挖钻机底盘型号为SY230R,采用的是三一集团SY230成熟的挖掘机底盘改制而成动力系统（发动机）采用的是目前国际上先进的动力装置之一的康明斯型涡轮增压柴油发动机，它能够自感应负载变化，并相应调整功率的大小

2、SR200型旋挖钻机底盘型号为SY31OR,采用三一集团SY310成熟的挖掘机底盘改制而成动力系统（发动机）采用的是康明斯的超强力、大扭矩、电控、直喷、涡轮增压、中冷型型柴油机，可在高海拔地区工作

3、SR220C型和SR250型旋挖钻机底盘型号为CAT330C采用CAT C—9电喷涡轮增压中冷柴油发动机，也是目前国际上最先进的动力装置之一能够感应负载变化，并相应调整输出功率的大小该发动机噪音低，振动小，环保高效，性能稳定可靠SR42O

三、工作装置工作装置包括变幅机构、桅杆总成、随动架、动力头、主卷扬、辅卷扬、加压装置、钻杆、钻具等

1、变幅机构变幅机构是桅杆的安装部件由动臂、三角架、支撑杆、变幅油缸、桅杆油缸等组成，见图3o通过变幅油缸、桅杆油缸的作用，可以使桅杆远离或者挨近机体和改变桅杆先后倾角，调节桅杆的工作幅度或者运输状态的整机高度图3SR系列旋挖钻机变幅机构回转台一动臂一支撑杆一三角架通过销轴较接，组成一个平行四边形机构当变幅油缸伸缩而改变工作幅度时，桅杆和三角架只作上下平行挪移满足了桅杆平移，升降的工况要求

2、桅杆总成桅杆总成由桅杆和滑轮架组成，见图4o桅杆是钻机的重要机构，是钻杆、动力头的安装支承部件及其工作进尺的导向部件其上装有加压油缸，动力头通过加压油缸支承在桅杆上，桅杆摆布两侧有矩形导轨，对这两个工作机构（动力头、随动架）的工作进尺起导向作用图4SR系列旋挖钻机桅杆桅杆为三段可折叠式，分为上段、中段、下段，运输状态时，将上段、下段折叠安装，以减小运输状态时整机长度滑轮架结构如图5,安装于桅杆的顶端，工作时用螺栓与桅杆联接滑轮架上的主卷扬滑轮和辅卷扬滑轮用以改变卷扬钢丝绳运动方向，是提升、下降钻杆和物件起吊的重要支撑部件滑轮架为折叠式，运输时与桅杆钱接联接，以降低运输状态时整机的高度图5SR系列旋挖钻机滑轮架

3、随动架随动架是钻杆工作的辅助装置，结构如图6,一端装有轴承并与钻杆螺栓联接，对钻杆起回旋支承作用；另一端设有导槽与桅杆两侧导轨滑动联接，运行于桅杆全长，是钻杆工作的导向部件，扶持钻杆正常工作图6SR系列旋挖钻机随动架

4、动力头动力头是钻机最重要的工作部件，结构如图7,它由液压马达、减速机、动力箱、缓冲装置、滑移架、联接板、压盘组成动力箱内有一组与回转支承固定在一起的齿圈，齿圈与轮毂固定，轮毂内壁有三组驱动键图7SR系列旋挖钻机动力头液压马达的高速旋转通过减速机减速以后，减速机的动力输入给动力箱中的齿轮轴，齿轮轴小齿轮与齿圈啮合，形成最后一级减速与轮毂固定在一起的齿圈，在回转支承的支撑下被驱动旋转，轮毂上的键驱动钻杆旋转，实现钻机钻孔工作的旋转运动缓冲装置的作用当钻孔深度超过第一层钻杆的长度时，下钻杆时会冲击动力头，特殊是卡钻时的意外情况，冲击力更大，此时缓解对动力头的冲击，保护动力头不受到损坏滑移架是动力头的导向部件，通过联接板和销轴与动力箱固定，在对钻孔加压和对动力头起拔工况时，沿桅杆导轨导向压盘的作用是钻斗上提时与钻斗上的碰块相撞，打开钻斗卸渣SR220C旋挖钻机动力头匹配两种，一自输出转速一种是低一速大扭矩，用于正常M机）成孔作业；另一种是.高速小扭矩，用于空一白载卸土两种转速通I过液压系统进行切Il J」上换，切换时有3秒滞后延时其它钻机没有高速甩土功能

5、主卷扬卷扬由液压减速机构、卷筒、卷扬支座、钢丝绳、绳套等组成，结构如图8主卷扬的功能是O提升或者下放钻杆，是钻机完成钻孔工作的重要组成部份，其提升和下放钻杆的工作由液压系统驱动和控制在钻机进行成孔工作时，须打开主卷扬制动器；使系统中主卷扬马达进、回油通道互相导通，卷扬机系统处于浮动状态，这样才干操作加压油缸对钻杆进行加压，以便钻杆顺利进行钻进图8SR系列旋挖钻机主卷扬

6、辅卷扬辅卷扬由液压减速机构、卷筒、卷扬支座、钢丝绳、绳套等组成辅卷扬置于三角架内，其功能是吊装钻具以及其他不大于额定起分量的重物，是钻机进行正常工作的辅助起重设备

7、加压装置加压装置由加压油缸和动力头总成组成加压油缸固定于桅杆上，加压油缸活塞杆连接于动力头滑移架上

8、钻杆部份

一、钻杆的类型根据钻孔时采用的钻进加压方式不同，钻杆分为三种类型磨擦加压式钻杆（简称磨擦杆）、机锁加压式钻杆（简称机锁杆，又称凯式钻杆）和组合加压式钻杆（简称组合杆）磨擦式钻杆（见图1）普通用于较软地层的钻孔施工，可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层磨擦式钻杆普通制成5节，14节杆每节钢管长13米钻孔深度可达60米摆布〜

1、扁头

2、一杆挡环

3、第一节钻杆

4、第二节钻杆

5、第三节钻杆

6、第四节钻杆

7、第五节钻杆

8、减振器总成

9、一杆外键

10、一杆内键

11、弹簧座（托盘）

12、钻杆弹簧

13、方头

14、销轴图1磨擦式钻杆机锁式钻杆（见图2和图3）非但可用于软地层，也可用于较硬地层施工机锁式钻杆可钻进淤泥层、泥土、（泥）砂层、卵（漂）石层和强风化岩层机锁式钻杆普通制成4节，13节杆每〜节钢管长13米钻孔深度可达50米摆布

1、扁头

2、一杆挡环

3、第一节钻杆

4、第二节钻杆

5、第三节钻杆

6、第四节钻杆

7、减振器总成

8、一杆外键

9、一杆内键

10、弹簧座（托盘）

11、钻杆弹簧

12、方头

13、销轴图2固定点分段加压式机锁式钻杆

二、钻杆结构

1、结构名词解释“钻杆节杆号旋挖钻机钻杆是由数节直径大小不等的钢管和内外键制成的杆套装而成，其各节杆的名称从外向里分别定义为第1节杆；第2节杆；第3节杆…钻杆结构如图5（磨擦杆）旋挖钻机钻杆通常为直径大小不等的多节无缝圆钢管套装构成，每节杆钢管的外圆按120°均布焊有通长外键；除最里边一节杆外，每节杆下管（长度5001000mm）钢管内圆弧面上都焊接（或者安装）了内键（内键长度500~900mm）,形成120°均布的三个内键槽，与其相邻内杆的外键配装，留有足够的间隙，使外键能在内键槽内全长自由伸缩滑动；除1杆外每节杆的上端部都焊接（或者安装）有挡环；（a）钻杆收缩状态（b）钻杆断面结构（c）钻杆伸出状态图5磨擦杆结构图外键的作用传递旋挖扭矩和加压力；内键的作用

（1）传递旋挖扭矩和加压力，

（2）与相邻内杆钢管的径向定位；挡环的作用

（1）与相邻外杆钢管的径向定位，

（2）该杆彻底从其外杆向下伸出时，挡环被其外杆内键上端面挡住，阻挠该杆从其外杆下管滑落脱出磨擦杆各节杆上的外键是焊在钢管上圆周120°均布的3条（或者6条）通长钢条，无台阶（无加压点）机锁杆各节杆上的外键是焊在各节杆钢管上圆周120均布的3条（或者6条）带有加压端面（有台阶）或者齿面的钢条最里边一节杆上端部焊装有扁头，其与提引器相连接，通过旋挖钻机的主卷扬、钢丝绳将钻杆吊起其下端部焊装有方头，由它将动力头传来的旋挖扭矩和加压力传递给钻具在该杆的下部还装有减振弹簧和弹簧座（托盘），该两零件托着其它各节钻杆，在提、放钻杆操作时减小其它各节钻杆的惯性冲击，对提引器、钢丝绳和主卷扬等零部件起缓冲保护作用第1节杆上端部焊（装）有可与随动架的滚动支撑连接的法兰盘，通过螺栓与随动架连接；在其上部安装有橡胶减振环，以减小钻杆对动力头的冲击

2、钻杆的提升和伸放钻杆在彻底缩进状态被安装到旋挖钻机上，整根钻杆的分量通过最内一节杆的扁头和提引器相连接作用在主卷扬钢丝绳上最内一节杆通过焊接（或者安装）在其上的圆盘和安装的弹簧、弹簧座（托盘）将其它各节杆托起（弹簧座的外径与一杆钢管外径相同）钻杆下放（伸出）钢丝绳下放，钻杆由于自重整体下降，1杆在动力头内键套内滑动下降当1杆上的减振环碰到动力头上平面时，1杆被动力头托住，住手下降；钢丝绳继续下放，其余各节杆在重力作用下一起继续下降当第2节杆的挡环碰到1杆下管内键上端面时，2杆被1杆挡住，住手下降；钢丝绳继续下放，其余各节杆在重力作用下一起继续下降当第3节杆的挡环碰到2杆下管内键上端面时，3杆被2杆挡住，住手下降如此继续，直到各节杆全部伸出，将安装在最里边一节杆方头上的钻具下放到孔底由此可见，各节钻杆的伸出（下放）是由外向里进行的钻杆提升（缩进）（以5节杆为例）每次钻进结束后，钢丝绳提升，5杆带着钻具一起向上提升，同时5杆向4杆内缩进当5杆彻底进入4杆内时，安装在5杆上的弹簧座（托盘）将4杆托起，带着4杆一起上升，同时4杆、5杆一起向3杆内缩进如此继续，直到

5、

4、

3、2各节杆全部缩进1杆内，并且1杆也被弹簧座托起在动力头内键套内滑动上升，直至钻杆和钻具全部提出地面由此可见，各节钻杆的提升（缩进）是由内向外进行的

三、钻杆扭矩传递和加压原理钻机在钻孔作业时，钻杆要将动力头的两个作用力传递给钻具，一个是圆周方向的旋挖扭矩M（圆周力F）；另一个是轴向的加压力No把这两个作用力从第1节钻杆传递给第2节钻杆；第2节钻杆传递给第3节钻杆…最末一节钻杆传递给钻具这两个作用力的传递是靠外面一节杆下部的内键和其里面一节杆的外键相互作用完成的由于磨擦杆和机锁杆加压力传递的作用原理不同，故分开论述下面均以第

1、2节钻杆为例论述各节钻杆传递旋挖扭矩和加压力的原理磨擦式钻杆（见图6）图6（a）是钻杆在非工作状态的示意图120°均布的三条通长外键和120°图6磨擦杆扭矩传递和加压原理示意图均布的三组内键分别焊接在2杆钢管外圆和1杆钢管内圆上，62是内外键单边间隙图6（b）是钻杆在旋挖、加压状态的示意图动力头通过其内键套的键齿将旋挖扭矩M传递给1杆，1杆转动，当右侧内键顶上2杆外键后（见图6（b））继续转动，把扭矩传递给了2杆2杆转动，把扭矩传递给3杆，…加压力是靠内外键侧的磨擦传递的传递的加压力（N）的大小计算如下假设

（1）钻杆、钻具承受孔底土石料的负载反扭矩为Mf=22tm；

（2）

1、2杆扭矩传递作用半径为R=195mm=

0.195m；

（3）钢-钢磨擦系数为k=（在有泥浆润滑条件时）；则F圆周力二M/R=22/二代），F正压力二F圆周力二（t）；千磨擦力二kXF正压力=X二（t）；N=f磨擦力二（t）以上是以SR220C旋挖钻机为例，并且假定负载反扭矩与其最大输出扭矩相等，即Mf=M=22tm计算的加压力实际上负载反扭矩比机器的最大输出扭矩要小得多，因为较松软的泥砂地层不会对钻具形成多大的负载反扭矩；较硬实的风化岩层钻具截齿在上边打滑，不易进尺，也不能形成多大的负载反扭矩负载反扭矩小-F圆周力小TF正压力小Tf磨擦力小TN加压力小，所以磨擦式钻杆传递的加压力很小磨擦式钻杆的进尺加压力主要来自于最末一节钻杆和钻具的自身分量（@440-5X13m磨擦杆的第5节杆分量为摆布，一个中

1.5m的捞砂钻斗的分量为2t摆布，加起来共摆布）加压油缸提供给动力头的加压力虽然很大（20t）,但经过动力头内键套键齿侧与1杆外键侧的磨擦传递和各杆内外键侧的磨擦传递提供给钻具的进尺加压力却很小，所以使用磨擦杆不能在较硬地层施工作业摩阻式钻杆加压方式，由于钻杆作旋转运动，钻杆键侧与动力头轮毂的键产生正压力，正压力产生磨擦力，由于加压油缸对动力头的加压动作，此磨擦力实现钻杆钻孔工作的进给运动机锁式钻杆加压方式，加压油缸的加压力通过动力头的轮毂端面与钻杆加压点接触，实现钻杆钻孔工作的进给运动由于此方式需解锁，有时解锁不彻底，容易造成卡钻，惟独当钻孔进给阻力大时才采用通过加压油缸活塞杆的伸出，实现钻孔时的进给加压加压油缸活塞杆缩回，起拔动力头，在埋钻的情况下，也可以用来起拔加压油路上装有平衡阀，在不向加压油缸供油的情况下，可以将动力头可靠地锁定在加压行程的任意位置上钻杆是钻机向钻具传递扭矩和压力的重要部件其结构和功用见“第五章钻杆及其应用”SR250旋挖钻机出厂标准配用的钻杆是磨阻式五节钻杆（14米X5节），钻孔有效深度可达68米SR220C旋挖钻机出厂标准配用的钻杆是磨阻式五节钻杆（13米X5节），钻孔有效深度可达58米可以配用的钻杆是磨阻式五节钻杆（14米X5节），钻孔有效深度可达68米SR200旋挖钻机出厂标准配用的钻杆是磨阻式四节钻杆（13米X4节），钻孔有效深度可达48米可以配用的钻杆是磨阻式五节钻杆（13米X5节），钻孔有效深度可达58米SR130旋挖钻机出厂标准配用的钻杆是磨阻式四节钻杆（11米X4节），钻孔有效深度可达42米

9、钻具钻具是决定成孔效率的关键部件钻具有捞砂斗、土钻斗、螺旋斗、筒钻、清底钻斗、扩孔钻头等可根据不同地质情况配置不同的钻具，使钻机在大多数地质条件下都能高效作业。