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长螺旋钻机全液压自动钻进系统的研究.pdf

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长螺旋钻机全液压自动钻进系统的研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要摘要近年来,CFG工法长螺旋桩孔钻机凭借其效率高,适应性广,施工环保等优势在桩基础领域获得了广泛的应用,成为很有发展潜力的一类桩工机械。但目前国内这种桩机的钻进系统存在着设计理论不够完善,电机动力头启动性能差、向大功率发展困难以及人工送钻效率低、质量不可靠等大量问题,严重阻碍其进一步发展。为了解决这些工程实际问题。本文首先在分析了前人研究传统长螺旋钻进的土力学模型的基础之上,建立了更符合实际长螺旋钻进的研究模型。经过机理分析,得出了确定CFG工法用钻进动力头设计参数的理论依据。确定了设计参数之后,论文接着设计开发了全液压自动钻进系统的钻孔驱动部分一液压驱动动力头及其液压系统。然后研究了自动钻进的另一组成部分一自动送钻系统。采用高速开关阀先导控制液压绞车系统作为送钻执行机构,设计了其液压系统并建立了高速阀控绞车系统的数学模型,经过分析与仿真确定了关键的系统参数。最后在前述研究设计的基础上制定了自动送钻的控制原则并在MATLAB中建立了模糊控制仿真模型,通过大量的参数分析和仿真对比,确定了合理的内部参数,得到了具有良好控制品质的控制器。本文首次给出了CFG工法长螺旋钻进参数确定的理论依据,并对长螺旋钻机的全液压自动钻进系统进行了大量的研究工作,取得了一定的成果,为后来者更深入的研究开发奠定了基础。关键词长螺旋,土力学,全液压,自动送钻,模糊控制中南大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTRECENTYEAR,THECONTINUOUSFLIGHTAUGERFORCFGPILESARENOWWIDELYUSEDINTHECONSTRUCTIONFIELDANDBD,OMESONEOFTHEMOSTPOTENTIALPILEMACHINEINCHINA.BECAUSEOFI协HIGHLYEMCIENCY,STRONGADAPTABILITYANDENVIRONMENTALPROTECTION.BUTTHEDESIGNTHEORYFORTHEDRILLINGSYSTEMOFTHECONTINUOUSFLIGHTAUGERISNOTVERYPERFECT.MLEDRIVINGUNITDRIVENBYELECTROMOTORHASBADPERFORMANCEOFSTART,ANDDI伍CULTTOINCREASEPOWER.N圮DRILLINGINBYHANDHASLOWEREFFICIENTANDBADCONSTRUCTIONQUALITV.AUTHESEGOTINTHEWAYOFTHEDEVELOPMENTOFTHEAUGER.TORESOLYETHEPROBLEMSMENTIONEDABOVE.THISPAPERBUILTTHEMOREPERFECTSOILMECHANICSMODELFORTHEDRILLINGWITHCONTINUOUSFLIGHTAUGERSTANDINGONTHESHOULDEROFTHEFORERUNNER.THROUGHANALYZEDTHEMODELINTHEDRILLING.INPROCESSTHEFORMULASFORTHEREASONABLEROTATESPEEDANDTHEPOWERISOUT.AFTERITTHISPAPERDESIGNEDTHEDRIVENUNITDRIVENBYTHEHYDRAULICMOTOTANDIT’SHYDRAULICSVSTEMWHICHISTHEPARTOFTHEFULL.HV出AULICDRILLINGSYSTEM.NEXTTHISPAPERRESEARCHEDANDDESIGNEDTHEAUTOMATICCONTROLSYSTEMFORDRILLINGINWHICHISTHEOTHERPARTOFTHEDRILLINGSYSTEM.NECONTROLACTUATORAREAHYDRAULICWINCHSYSTEMCONTROLLEDBYADESCRIBINGVALVEINWHICHTHEHIGHSPEEDON/OFFVALVESACTASGUIDINGVALVES.THEHYDRAULICS37STEMAREDESIGNEDANDTHEMATHEMATICALMODELOFTHESYSTEMAGEBUIIT.FURTHERMORETHEKEYPARAMETERAREDECIDEDAFTERANALYSISANDSIMULATION.ATLASTTHISPAPERDECIDEDTHEPRINCIPLEFORT11ECONTROLSYSTEMANDBUILTTHEFUZZYCONTROLLERSIMULATIONMODELINTHEMATLAB.SOMEANALYSISANDSIMULATIONSWEREDONETOFINDTHEEXCELLENTPARAMETERSFORTHEFUZZYCONTROLLER.THENTHEREASONABLECHARACTEROFTHECONTROLLERWASFIXEDON.ITISTHEFHSTTIMETOGIVE0UTTHETHEORYSUPPORTERFORCFGPILINGMACHINE.111ENTHISPAPERDIDSOMERESEARCHINGINTHEFIELDOFFILLL.HVDRAULICAUTOMATICDRILLLUGS3RSTEMACHIEVESOMERESULTSINTHERESEARCHING.ITLAIDTHEGROUNDWORKFORFUTURERESEARCHANDDEVELOPMENTTAKEBYTHELATECOMER.KEYWORDSCONTINUOUSFLIGHTAUGER,SOILMECHANICS,FULLHYDRAULIC,AUTOMATICDRILLINGIN,FILZZYCONTROLⅡ中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1长螺旋钻机与CFG工法1.1.1长螺旋钻进及其施工机械长螺旋钻进成孔方法是桩基础施工中广泛应用的一种工艺。长螺旋钻进的原理与麻花钻相似,由钻头实物图见图卜1和拥有连续螺旋叶片的钻杆组成钻具实物图见图12。钻头上有切削刃,依靠钻具自重或加压插入土壤中,依靠驱动装置产生的回转作用切削土壤。被切削下来的土沿螺旋钻杆叶片在离心力、摩擦力和各种阻力作用下上升,排到地面上,从而使钻具不断向下移动,完成钻进过程。一般钻杆轴线是垂直于地面的【”。长螺旋钻孔是以连续切削和输送方式进行取土成孔作业的,因而施工效率比其它灌注桩施工机械高。一般情况下,一个台班可钻成直径600MM、孔深10M的孔20个左右。同时这种钻机施工噪音低、无振动,因此即使施工场地处于闹市区内,对居民正常生活亦无干扰。由于施工速度快,作业人员少,所以其施工成本较其他成孔方法低。成孔后可以从孔口直接倾倒混凝土进行灌注,质量隐患通常比水下灌注少。凭借这些优点,长螺旋钻进施工方法在城市建筑中获得了广泛的运用【2】。图11钻头实物图图12长螺旋钻杆实物图长螺旋钻进施工的机械主要是长螺旋钻机。长螺旋钻机由桩架与钻进系统两部分组成。桩架主要由立柱、斜撑、起架装置、底盘、行走机构、回转机构、液压系统及电气系统组成。钻进系统主要由动力头、钻具钻杆、钻头、滑动支架、固定支架、卷扬机构和操纵控制系统组成见图卜331。中南大学硕士学位论文第一章绪论桩架主要起固定钻孔执行装置、钻进导向及行走移动、机身调平的功能。钻进系统主要起切土、输土、成孔的功能。钻进时由动力头原动机经过减速驱动输出轴旋转,带动钻具旋转切土.主卷扬经过动滑轮组用钢丝绳拉柱动力头与钻具组合,通过释放卷扬使动力头钻具组合在自重的作用下向下深入土层中。在两者的共同配合下,最终完成钻孔作业过程。长螺旋钻孔机是钻孔灌注桩施工机械的主要机种,由于其具有连续输土,施工效率高的优点,以及施工无振动、无噪声污染的环保优势,所以在各种成孔灌注桩施工机械中,它最被人们所看中。这种机器最早是美国在1940年前后开发成功的,前苏联,德国其后也开始使用。日本在1950年以后从美国引进施工技术,进行了有效的推广。我国的长螺旋钻孔机在20世纪70年代开始起步,但一直发展缓慢,直到最近几年才得到大规模的应用。这与国家的大环境有关。由于人们环保意识的提高,过去基础施工经常使用的柴油锤,振动锤受到限制,特别是在大中城市使用越来越少;另一个原因是CFG桩基础工旌工方法的推广,也是促进长螺旋钻机近年来在我国迅速发展的直接原因嗍。纛蓑钻算雩之盏雷茎耋羹7螺旋钻头8配重9副卷扬10操纵室LL主卷扬12起架装置13斜撑14动滑轮图13桩机结构简圉1.1.2CFG工法简介及存在的问题CFG桩工方法是水泥、粉煤灰、碎石桩施工方法的英文缩写。【5】使用长螺旋钻机进行这种桩基础施工的方法一般被称为“长螺旋钻孔压灌超流态砼桩工艺”。这和国外称为CFA工法的桩基础施工比较相似61。这种施工方法的要点和过程通常为用一种大扭矩动力头带动的长螺旋中孔钻杆快速干钻,钻出的土除一部分被挤压输送出地面外其余部分被输送到螺旋钻杆叶片上.土在上升时被挤压致密,与钻杆形成一个土柱。土柱与钻孔间隙仅几毫米,土柱使钻孔时孔壁的土不坍塌。即使在有地下水的地层,因士桩与钻孔间隙小,钻孔速度快,钻孔内渗入积存的水很少,因此孑L内不会坍塌【_”。在钻至设计标深的时候,就一边泵送超流态砼,一边提钻。砼输送泵通过高压管路与长螺旋钻杆相连,中空的螺旋钻杆用于传输砼到孔内。钻杆底部的钻头上设有单向阀门,钻至设计深后停止钻杆回转,2

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