钻探工程机械
————实习报告
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一 实习的目的和意义
机械设计制造及自动化专业的前身是勘探机械专业，改为现在的专业后，教学计划进行了较大的调整。其专业模式为以机为主、以电为副、机电一体、通特结合，是一门实践性很强的工科专业。《工程机械设计》为我们提供了一门非常好的课程，使我们在大类专业学习的基础上，有了自己的优势和特色。身为地质大学的学生，必须延续和发扬这种学校特色和专业特色，进行工程机械类，特别是钻机方面的学习。当然，工程类机械只学习理论知识是不够的，高等学校不仅要重视对学生的理论知识的教育，更要重视学生各方面素质和实践能力的培养。因此，必须加强实践性教学环节。
工程机械施工技术教学实习是安排在《工程机械设计》课程之前的实践性教学环节。目的是让学生在学习《工程机械设计》课程之前，对岩土工程机械有一个较全面、深刻的感性认识；初步掌握工程机械的使用环境、应用条件、施工方法、施工工艺、施工队伍的组织和管理等方面的基本知识，弥补在该专业取消了有关岩土工程机械机械施工技术的课程后，学生缺少岩土工程机械施工技术知识的不足；培养学生的实际工作能力；使学生掌握课堂上不易讲授的教学内容；为后续课程的学习、毕业设计和以后的工作打下一定的基础。同时是对所学课程《工程机械设计》理论知识的学以致用，使我们队专业知识掌握更加扎实。
实习分为校内操作实习和校外参观。校外参观主要是选择3个不同类型的工程机械施工地，组织学生到现场参观，请施工单位的技术人员或带队教师讲解，让学生了解不同类型的工程机械及其施工方法和工艺。
二 实习注意事项
1、自觉遵守实习纪律，不能迟到、早退或无故缺席；有事缺席，必须向带队老师请假；一切行动听指挥。
2、要特别注意实习的安全，进入工地必须佩戴安全帽，自觉遵守工地和实习现场的安全规则和制度，防止一切事故发生；
3、听从带队教师的安排和支指挥，未经许可，不能随意操作机器和摆弄其它器具。
4、在实习的各个阶段，要注意实习内容的记录和整理，收集有关资料，为编写实习报告作准备。
5、讲文明、讲礼貌、谦逊好学、搞好与实习单位的关系，时时处处体现大学生的良好品德和精神风貌。
6、实习时要有秩序，谦虚礼让，不得追逐打闹，不得妨碍工地工人的工作。
三 校内操作实习
第一次实习
校内实习的目的是熟悉XY-4型立轴式钻机（图3-1）。机械传动、液压给进的立轴式钻机，是目前国内外广泛使用的一种主要机型。XY-4型钻机主要适用于进行固体矿床勘探、工程地质勘查，也可用作浅层石油、天然气、地下水钻探和堤坝灌浆、坑道通风、排水孔的钻进。
图3-1 XY-4型立轴式钻机
上午，初步了解了XY-4型钻机的结构原理。XY-4型钻机的总传动系统由机械传动系统和液压传动系统组成。包括：摩擦离合器、变速箱、万向轴、分动箱、回转器、升降机等部件。变速箱与分动箱之间采用万向轴连接。变速箱输出4个正转速度与一个反转速度。分动箱对回转箱来说还是一个两速变速箱，因而回转器具有自101～1191r/min的8个正转速度和83r/min~251r/min两个反转速度。升降机具通过老师讲解，我们了解到了它的特点有：
1、立轴转速高，最高转速达1588r/min。调速范围大，最高转速与最低转速之比为11.76。有正转8级，反转2级；
2、钻机重量轻，可拆性好，便于搬迁，卷扬机提升能力大，单绳一速时提升能力为33000N；操纵手柄集中，灵活可靠；动力机可配电动机或柴油机。
3、XY-4型钻机的钻进深度可达1000米，钻孔倾角为360度，钻机质量15t最大部件质量218kg。
其液压系统（图3-2）属于定量泵、多液动机并联、开式循环系统。
图3-2 XY-4型钻机液压系统工作原理图
1-油箱；2-液压泵；5-压力表；7-孔底压力指示表；8-限压切断阀；9-梭阀；10-液压卡盘；11-立轴给进液压缸；12-给进控制阀；16-移动钻机液压缸；17-滤油器；18～31-油管；II-调压溢流阀；III-钻机移位换向阀；IV-卡盘控制阀；V-给进液压缸换向阀；-腔连接拧管机操纵阀
最后，老师结合钻机实际，现场演示了XY-4型的操作方法，并让我们轮流操作了钻机。提升钻具时，将下降手把上抬,下降抱闸放松卷筒;而提升手把下压，抱闸制动提升制圈。由于提升制圈被制动，行星轮不能公转，轮系变成定轴轮系。中心轮的顺时针转动带动行星轮逆时针自转。行星轮的转动驱动内齿圈和卷筒逆时针转动，缠绕钢丝绳，提升钻具。制动钻具时, 将提升手把上抬, 提升抱闸松开提升制圈; 而将下降手把向下搬, 下降抱闸制动卷筒。卷筒停止转动。钻具被停留在孔内某一位置。 下降钻具时，提升手把上抬，放松提升制圈；下降手把处于控制状态,在钻具重力的作用下，卷筒顺时针转动而放绳，钻具下落。此时由于内齿圈及中心轮都为顺时针转动，故行星轮也顺时针公转。行星轮的自转可能有三种情况，即顺时针转动、没有自转、逆时针转动。行星轮的自转状态不仅与中心齿轮和内齿圈的转速有关，同时与各齿轮的齿数有关。
图3-3 XY-4型钻机的操作手柄
第二次实习
在老师的现场指导下，与班上选出的5人相互配合进行一整套钻机操作。由于泥浆泵出故障，只能模拟钻进。
绳索取心钻进的基本工艺过程：地表组配钻具-检查卡簧、卡簧座和钻头内径的配合-下钻（内管总成可以不随钻具下入）-送水冲孔-投入内管总成-钻进-卡断岩心-下入打捞器打捞内管总成-提出内管总成、取岩心-检查内管总成-从钻杆内孔中投入（或下入）内管总成-继续钻进-……
钻进工艺过程中应注意以下几点：
1、当岩心充满岩心管或岩心堵塞时，应立即打捞岩心。使用装有堵塞报警机构的钻具钻进时，当岩心堵塞或岩心充满后，泵压骤然上升。
2、将钻具提离孔底一小段距离，卡断岩心，拧开机上钻杆，钻机退离孔口。
3、从孔口钻杆中放入打捞器。打捞器在冲洗液中下降速度约为1．5～2m/s。由此，可根据孔深估算打捞器到达孔底的时间。一般在1000m孔深范围内，可听到打捞器到底的轻微撞击声。
4、当打捞器到达孔底，可缓慢地提动钢丝绳。若因提动钢丝绳而造成冲洗液由钻杆中溢出时，说明打捞可能成功，否则需再次下放打捞器。
5、若打捞成功，则用绳索将内管提出，否则应提钻处理。
6、内管提出后，应缓慢放下摆平，以免将调节螺杆墩弯。
7、当从所取岩心中判明外管和钻杆内无岩心时，将另一套备用岩心管从孔口下人钻杆内。此时可开动钻机缓慢转动并开泵冲送，加快内管下降速度及防止在钻杆中卡塞。
8、在干孔中，不能直接把内管投入钻杆中，应采用打捞器送入，或在钻杆柱内注入冲洗液，然后迅速将内管投入。
9、通过钻具到底报信机构的显示或根据下降时间判断确认内管已经到位时，慢慢开始扫孔钻进。
10、在易斜岩层中钻进时要注意防斜。尽管绳索取心钻杆与孔径配合比较合理，有利于防斜，但绳索取心钻杆的壁较薄(一般4．5mm)，而钻压又较大，所以操作不当极易造成钻孔弯曲。因此，在易产生孔斜的地层中钻进时，应适当控制钻压和转速。
四 校外工地参观实习
1地连墙挖槽机
图4-1 地连墙挖槽机（地下连续墙抓斗成槽机）
地下连续墙抓斗成槽机是用于基坑围护、堤坝防渗、船坊围堰等形成地下连续墙的专用设备。同时也可用于施工方桩。具有更强的施工机械化程度，便捷的整机移位方式，安全舒适的操作环境，更高的作业稳定性，优越的性价比。抓斗上的推板纠偏方式比重力纠偏方式具有更大的结构优越性，抓斗体的复位更方便、更快捷。其优点如下：施工效率高，抓斗闭合力大，提升速度快；成槽的垂直性好，可配纠偏装置，在工作中能随时对槽壁进行修整；先进的电子测量系统，对其深度及位置方向可精确到0.01度；安全可靠的保护系统，抓斗的提升和下放均有安全保护装置；独特的液压卷管系统，保证各执行结构同步工作；可作多用途基础施工使用；可靠的主机底盘和舒适的操作系统。
地下连续墙抓斗成槽机（又称中心提拉式成槽机）作为一种能满足高效、高质量施工的深基础施工设备，广泛用于城市高层建筑的基础施工、地铁、地下室、污水处理厂、防护壁、石油和煤气地下储备槽、水坝挡土墙、防渗墙、桥涵基础、基础方桩等多方面深基础工程施工。工程机械行业“十五”规划已将地下连续墙挖槽设备作为桩工机械重点发展的产品。
2旋挖钻机
图4-2 旋挖钻机
其机械系统的基本构造如图4-3所示。
图4-3旋挖钻机结构图
1-地盘，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
全液压旋挖钻机用于桩基础工程现场灌注桩钻孔施工的桩工机械，其功能多，适用于以下范围。
(1)配置不同的钻具如短螺旋钻头、螺旋回转斗、岩心螺旋钻头等，采用相应的钻进工艺，可适用于各种粘性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土、碎石土、中等硬度风化岩层的干式(短螺旋)或湿式(回转斗)、岩层(岩心钻)的成孔作业。
(2)配置液压打桩锤，可用于建筑基础预制混凝土桩或钢桩施工。
(3)配置长螺旋钻头、液压抓斗，可分别进行长螺旋钻孔和地下连续墙施工。这种设备由于具有上述特点，加之其施工安全、文明、质量好、公害低、效率高而广泛应用于道路、桥梁、码头、高层建筑等大型重点工程的基础施工，目前已成为发达国家钻孔灌注桩施工的主要成孔设备。
旋挖钻机主要结构原理：
(1)底盘
该机底盘采用专用的履带可伸缩式底盘结构，由山河智能公司自主设计制造，四轮一带采用进口件，具有结构可靠，刚性好，承载力大，稳定性好的特点。
(2)转台
转台主要包括回转减速机、回转支承、转台主体、钻桅支承等组成。其作用是承载上部重量，并使之作回转运动。该机转台与专用底盘结构相适应，可内置安装主、副卷扬，并确保主、副卷扬足够的安装空间。既确保了整机结构及重心布置合理，工作稳定性好，又使主、副卷扬滚筒采用大直径结构，以减少钢丝绳在滚筒上的缠绕层数，从结构设计上减少钢丝绳的相互挤压摩擦，提高钢丝绳的使用寿命成为可能。
(3)钻桅及变幅机构
钻桅采用箱形截面，共有三节，上部鹅头和下部一节钻桅与主钻桅之间采用折叠式结构。变幅机构如图4所示，由动臂4、三角架1、连杆5及变幅油缸2、6组成。该钻桅及变幅机构具有如下结构特点：
a.钻桅变幅油缸下铰座与动臂的上铰轴同轴，结构简单，拆装方便，便于维修；
b.钻机运输或转场组装时，利用自身的动力和结构，不需要吊车辅助即可在主钻桅小于90°倾角(钻桅处于后倾状态)时实现下钻桅与主钻桅的自装自卸功能，降低了客户的使用成本，并提高了设备装卸时的稳定性。
c.通过钻桅、动臂、三角架、各变幅油缸及连杆各铰接点的优化设计，增大了钻桅的驱动力，确保了动力头处于任意钻桅位置都能实现钻桅的平举和变幅。确保该机工作半径大，适应能力强。
(4)主、副卷扬
主卷扬采用大直径卷筒结构，60米钻孔深度的钢丝绳在卷筒上为单层缠绕，有效地解决了多层缠绕结构钢丝绳之间的相互挤压磨损，确保了钢丝绳的使用寿命。卷扬减速机为力士乐公司的GFT系列。主卷扬可实现双速控制，且有自由下放功能，以适应钻进的需要。控制方式为液压先导控制，主副卷扬配有压绳器。
(5)动力头
动力头主要包括托架和驱动器。如图5所示，由液压泵供油带动液压马达，经减速机和驱动齿轮后，以低速大扭矩的形式通过套管式驱动轴传递给钻杆。对机锁和摩阻两种钻杆均适用。
(6)钻杆
一般选用国内质量可靠的配套。可根据用户需要选用机锁和摩阻两种结构形式的钻杆。也可根据用户要求配套选用进口钻杆。
(7)钻头
钻头的结构形式很复杂，种类很多。根据施工地质不同，适用的钻头结构也千差万别，因此，旋挖钻头一般应根据工程的地质情况进行选用。该机可配用短螺旋钻头、回转斗钻头，岩心钻头，岩心回转斗等各种规格的钻头。
(8)发动机系统
发动机系统为整个机器提供动力。该钻机发动机选用国际知名品牌，原装进口美国CUMMINS C330型，246kW/2100rpm。
(9)液压系统
该旋挖钻机所有功能均由液压驱动。液压系统包括三个部分：
a.下车部分：主要包括中心回转体及其以下部分，可实现行走及履带伸缩；
b.上车部分。可实现桅杆变幅、桅杆角度调整、钻进加压、主、副卷扬、上车回转以及动力头的旋转等功能；
c.先导控制系统：对上述两个系统的主阀进行先导操纵，使操纵轻便、灵活、平稳。液压泵、液压马达和液压阀等主要液压元件采用国际知名品牌厂家生产的进口产品，确保产品性能可靠。
国内的旋挖钻机起步较晚，发展也比较慢，从20个世纪80年代开始引进，直到20世纪末，我国的旋挖钻机还主要依赖进口。目前国内现有十几家单位对旋挖钻机进行了开发，主要的生产厂家有湖南山河智能、三一重机、徐州徐工、徐州东明、北京经纬巨力、内蒙古北方重汽、石家庄煤机、哈尔滨四海、郑州宇通、中联重科等。但真正进入市场销售并经受住施工考验的产品也只有包括湖南山河智能在内的少数几家。
综合国内外旋挖钻机的结构形式，其区别主要是由底盘结构的不同而引起的，目前旋挖钻机的底盘结构大致可分为以下两大类：
1、专用底盘结构。这种底盘结构所形成的产品特点是：主、副卷扬安装在回转平台上，整机结构布置更加合理；整机工作稳定性好。
2、选用已有相近的挖掘机或履带吊底盘结构。这种底盘为了适应旋挖钻机的施工要求，其结构必须进行相应的改造，且主、副卷扬机构只能安装在钻桅下部或动臂三角架上，使整机工作重心前移，稳定性较差。
从旋挖钻机的发展历程来看，今后旋挖钻机将在结构和控制系统方面体现如下发展趋势。
1、底盘结构采用专用化设计，以加强整机的结构刚性和工作稳定性；
2、功能实现和操作系统及界面设计更趋人性化；
3、控制系统向管理信息化、操作自动化、监控智能化方向发展。
3 三轴水泥搅拌桩机
图4-4 三轴水泥搅拌桩机
三轴搅拌桩机在地基加固处理中有其重要的意义，采用专用三轴搅拌桩机械在地基身处就地将水泥粉和软粘土强制搅拌，经过一定时间，利用土和水泥水化物间的物理化学作用，形成有一定强度的水泥土固结体，从而提高软土层的承载力，改善土体的压缩特性、剪切特性、透水特性。
三轴搅拌桩加固优点：
1、采用专用三轴搅拌桩机施工，两轴同向旋转喷浆与土拌合，中轴逆向高压喷气在孔内与水泥土充分翻搅拌合，而且由于中轴高压喷出的气体在土中逆向翻转，使原来已拌合的土体更加均匀，成桩直径更加有效，加固效果更优。
2、三轴搅拌机械施工效率高，相对单轴或双轴搅拌机械施工工期大大缩短，对于施工工期要求紧的工程，此法施工特别有效。
3、适用范围广。水泥深层搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土、泥炭土、有机质土等地基。同时，水泥深层搅拌桩所形成的水泥土固体可作为竖向承载的复合地基，基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕等。
具体步骤如下:
(1) 场地平整
三轴机施工前，必须先进行场地平整，原始地面标高为103.02m，清除施工区域内的表层硬物及浮土。在对施工区域进行障碍物清理之后，用碎石土回填夯实，地面标高控制为103.22m，并在桩机车辆的行走区域上面铺设钢板和路基箱，确保桩机的行走安全。
(2) 测量放样
根据该工程的坐标基准点，按照设计图进行放样定位工作，并做好标志，以便挖掘机开挖。然后提请监理进行复核验收。
(3) 开挖沟槽
根据测量放样采用挖机开挖沟槽，并清除地下障碍物，施工沟槽的中心线为三轴搅拌水泥土墙的施工中心线，沟槽的宽度不大于1m。
(4) 搅拌桩机的拼装
该项工法要求对施工设备进行选型，选型的主要依据是桩深、桩截面形状和尺寸等，通常要确定的内容包括：桩机型号、桩架高度、加接次数、钻杆组合等。一般能够进行超深三轴搅拌桩施工的桩机为120m以上液压履带式桩机，桩架的高度一般为18m、24m、27m和33m。根据技术要求对桩架、电机和钻杆进行组装，组装要求至少需要有40m×20m的场地，并需要吊车配合施工。
(5) 桩机就位
由起重指挥工统一指挥，桩机就位。移动前看清上、下、左、右各方面的情况，桩机就位桩机应平稳、平正，并用桩机自带的仪表进行垂直度检测。检测前需要先用经纬仪对垂直度仪表进行规零校正，桩架两个方向的垂直度偏差不大于1/500。
(6) 三轴搅拌桩孔定位
搅拌桩机上的2根吊锥线距钻杆中心线为600~1200mm，导沟开挖好后，在沟漕中心线向外600~1200mm处用固定物做出标记，并在固定物上标记好每幅桩的中心点。这样，桩机吊锥线对准定标记，即完成孔位定位。
(7) 搅拌下沉
启动电动机，根据土质情况控制好速率，放松卷扬机使搅拌头自上而下切土、搅拌、下沉，直到钻头下沉钻进至设定标高。
(8) 拆卸钻杆接头
第一组钻杆下沉到接头位于地面附近时，用短梁将钻杆组的顶端抱箍(即连轴器)挑起，搁置在导梁或路基箱上。拆下接头，使机架与第一组钻杆脱离，桩机移位。
(9) 加接预埋钻杆
先将待加接的钻杆放置在地下预先钻好的桩位孔中，通过移动桩机来“获取”待加接的钻杆组，使钻杆加接的操作可以由人工在地面上进行，利用桩机本身的提升动力，拉动预置在地下的钻杆。将桩机移动到预埋钻杆的位置，并将预埋钻杆连接到桩架上，提升动力装置和其下部连接的第二组钻杆(预埋钻杆)，再移动桩机回到原来的桩位。仔细调整桩架的垂直度和平面位置，使加接钻杆和第一组钻杆的接头准确对接。
(10) 反转提升
搅拌钻杆反转，按照设计提升速度低档转速，喷浆、喷气，在提升过程中，根据钻杆加接次数的不同，相应也有一个逐段拆接钻杆的过程，所以超深搅拌桩的提升过程并不是连续的，必须不断把拆卸下来的钻杆，放回到预埋孔中，连接钻杆以后，方能继续搅拌提升。当搅拌钻头提升到离地面50cm处或桩顶设计标高后，关闭灰浆泵。此时单幅搅拌桩的搅拌施工结束，按照施工顺序可以移动桩机到下一幅桩位进行施工。
五 感想
众所周知，地大由于地质专业的缘故在钻探机械方面有深刻的研究，在全国各高校中，在这方面也是处于领先的地位。因此学习钻探工程机械是地大机械学子在未来竞争工作中的一大优势，也是独一无二的。
这次实习中，我们不仅操作认识了XY-4型钻机，还到了汉口的一个工地参观。在施工现场，我看到了很多现实中比较少见的钻探施工设备，有旋转式钻机、抓斗机等。在参观实习中，我很认真的去观察、发现，联系所学知识，对野外的作业特点和对机械的性能的要求有了以下认识：
第一，工程质量是百年大计，对机械作业质量的要求越来越高，机电液一体化技术得到了广泛的应用。
第二，工程机械工况复杂，作业对象多变，常常在变载荷情况下工作，对机器的可靠性和适应能力有较高的要求。
第三，机器工作装置与作业对象的相互作用过程和机理的研究，是设计机器和改善其性能的关键。
第四，机器的性能应与施工工艺相适应。采取先进的施工工艺，改进传统的施工方法，不仅能保证施工质量，而且会带来巨大的经济和社会效益。
从20世纪80年代到本世纪初，国内外工程机械产品技术已从一个成熟期走到了现代化时期。伴随着一场新的技术革命，工程机械产品的综合技术水平跃上了一个新的台阶。电子技术、微电脑、传感器、电液伺服与控制系统集成化改造了传统的工程机械产品，计算机辅助设计、辅助制造及辅助管理装备了工程机械制造业，IT网络技术也装备了工程机械的销售与信息传递系统，从而让人们看到了一个全新的工程机械行业。新的工程机械产品在工作效率、作业质量、环境保护、操作性能及自动化程度诸方面都是以往所不可比拟的，并且在向着进一步的智能化和机器人化方向迈进。未来工程机械行业将走向何方，让我们拭目以待！！！