金刚石薄壁钻技术的发展与展望

　收稿日期:2003-04-30　作者简介:张所邦(1966-),山东人,北京发研工程技术有限公司总工程师、工程师,探矿工程专业,从事结构改造与加固、钢筋混凝土钻切工程工作,北京市朝阳区北苑路五号院五区,(010)84926861,qianlima2182@ ;周玉龙(1980-),河北人,北京发研工程技术有限公司技术部副经理、技术员,工民建专业,从事结构改造与加固、钢筋混凝土钻切工程工作。

金刚石薄壁钻技术的发展与展望

张所邦,周玉龙

(北京发研工程技术有限公司,北京100083)

摘　要:对金刚石薄壁钻机的现状、应用和发展,结合国内外知名品牌进行概括,综合论述了金刚石薄壁钻的发展方向和发展潜力。

关键词:金刚石薄壁钻机;金刚石薄壁钻头;钢筋混凝土钻切;钻进自动化中图分类号:P634 文献标识码:B 文章编号:1000-3746(2003)S1-0187-03

1　金刚石薄壁钻技术发展概况

近年来,金刚石薄壁钻作为混凝土结构物静力切割、拆除的重要手段,在工业民用建筑结构改造行业中得到广泛的应用,同时也拓宽了探矿工程技术发展的新思路。

金刚石薄壁钻机的最初应用是在公路路面混凝土取心检查、建筑科研和质检单位进行的混凝土结构体取样中。20世纪80年代,由北京探矿工程研究所研制出金刚石薄壁钻机,并由建筑物钻孔打眼发展到混凝土墙体切割开洞口的结构改造中。90年代中后期,由于建筑结构内部布局调整,如旧楼翻新、格局变化、增加空调、通风、电力设施等,对结构改造加固的需求越来越多,钻切技术也有了更快的发展。钻机、钻头生产厂家如雨后春笋般涌现。

据不完全统计,到2002年,全国薄壁钻机生产厂家超过20家,预计年销售额超过2500万元;金刚石钻头生产厂家近30家,预计年销售额超过1亿元。与此同时,台湾地区和国外产品也相继进入中国市场。1996年台湾M ARCH 与冶金行业合作,引进改装的马其(M ARCH )、米瓦其(MI LW AUKEE )钻机;其后瑞士的喜利得(HI LTI )、日本C ONSEC 公司的H AKKE N 、美国的米瓦其(MI LW AUKEE )钻机也从不同渠道进入中国。

2　金刚石薄壁钻机技术的发展2.1　钻机性能

金刚石薄壁钻机分为手持式、台式和顶杆式。

国内最初的台式钻机采用380V 电压,功率达到212kW ,手动齿轮给进,机体较为笨重,单一转数,钻孔

直径150～200mm ;国外钻机的引进,推动了220V 电动马达的技术进步,加快了国产钻机的发展步伐。

金刚石薄壁钻机的性能已经向电动机功率多样化、功能多样化、小体积的方向发展。在220V 大功率电动机的发展上,台湾MK-520i 型钻机功率已经达到了316kW ,最大钻孔直径355mm ;在钻机转数调节方面,日本C ONSEC 公司SPO -24R 型钻机回转转数为三级变挡170、370、550r Πmin ;在小体积质量轻便方面,国产手持式钻机质量在8kg 左右,日本C ONSEC 公司H DD -120i 型只有3kg ,钻孔直径120mm 。几款常用钻机性能见表1。

表1　常用金刚石薄壁钻机性能

钻机型号

产地Π牌号电压ΠV 功率ΠkW 转数Π(r ・m in -1

)最大直径Π

mm 质量

Πkg BS -618北京Π探工

220212750Π110020025DC M2-250

①

北京Π探工220218450Π90025025

ZIZH -200

西安Π苍松220212460200　2015

ZZHI -200A 安徽Π万通22021570020025ZZHI -200B 河北Π航华380210630Π120020056MK-520i 台湾220316300Π60035531SPO -24R 日本Hakken 110314170Π370Π550

60044SPO -14AX 日本Hakken 220314300Π70035531SPN -8A2X ②日本Hakken 22021471020520

DD -400E

瑞士HI LTI

380

411

80Π230

500

马达24

　注:①米瓦其主机;②配自动给进。

2.2　钻进自动化

20世纪90年代末,日本C ONSEC 公司首先推出EH AC -70A 系列钻进自动给进控制器,用于Hakken

品牌钻机上,它有5挡荷载给进设置,有自动给进和自动停止功能,并可以控制主机的启动和停止。EH AC -70A 钻进自动给进控制器的主要性能为:电

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源220Π50VΠH z,工作温度-5～40℃,控制器功率55 W,钻机输出功率1780～3400W,外部尺寸190mm ×172mm×292mm,质量615kg,适用机型Hakken。

自动给进控制器的问世实现了金刚石薄壁钻进的自动化,也缩短了工作人员在艰苦、危险作业环境下的停留时间,同时也相应扩展了金刚石薄壁钻的应用范围。经过熟练工人的现场实际操作对比,自动给进控制器能够获得最优的钻进速度,而且操作平稳更有利于延长设备的使用寿命。在日本、新加坡等发达国家劳务工资很高,利用自动给进系统实现了单人多机操作,大大节约了劳动力成本。

2.3　大直径液压钻机

为满足钢筋混凝土更大直径的钻孔要求,提高钻机功率、增大输出扭矩,成为国外钻机生产厂家追求标志产品的目标。因此,液压动力头钻机的生产,解决了钻机功率和切削能力不足的问题。日本C ONSEC公司推出的E-1100R型动力泵站可以提升钻机动力达到11kW,工作压力2016MPa,钻孔直径600mm。2002年新研制的E-1812A型动力泵站提升钻机动力达到18kW,钻孔直径800mm。大功率的金刚石薄壁钻机已经应用于核电站、地铁、水坝电站等高强度钢筋混凝土结构的钻孔切割中。几种大直径液压钻机性能见表2。

表2　大直径金刚石薄壁液压钻机性能

型号产地功率ΠkW转数Π(r・min-1)最大直径Πmm尺寸Πmm马达质量Πkg液压配套SPU-24R日本11321Π385600359×570×47835E-110R SPU-32R日本11Π18161Π193800359×674×4873715G-2800ΠE-1812A TG TY-300北京30040039探工牌

214　钻机功能多样化

环保、安全、高效和功能多样化,是金刚石薄壁钻进适合于市场需求多样化的条件。

北京探工牌系列变角度全方位钻孔机,钻孔直径从76～180mm,可以实现任意钻孔角度的要求。由于支座增加了顶杆支撑,操作者可以在室内任意高度进行钻孔,而不会因为固定机座破坏墙体。

Hakken钻切两用机,在钻机上增加了钻切转换器,开创了金刚石薄壁钻机功能多样化发展的新思路。该种机型钻孔与锯片切割可以轻松转换,锯片直径400mm,切割深度300mm,切割面平滑整齐。

国外公司钻孔机已经实现了采用降音装置降低了施工中产生的噪声;采用风冷却和集尘袋收集灰尘,减少了因冷却水造成的污染;缩小钻机体积,增加了狭小空间操作的灵活性。真空吸盘在钻孔机上的应用,解决了大理石、瓷砖等光滑墙面上固定钻机的难度。

3　金刚石薄壁钻头直径系列化

金刚石薄壁钻头直径从8～500mm,规格之多,完全能够满足不同的钻孔要求。按照结构主要分为一体式和三体式,按照冷却方式分为水冷却和风冷却钻头,钻头胎体又有电镀和压模。硬质合金钻头用于砖墙施工,一般采用风冷式。

国内金刚石钻头直径基本形成系列化,各生产厂家钻头直径相差极小。而钻头体、胎体结构尺寸尚未形成统一的标准,但钻头与钻机均具有通用性。

国外钻头直径的划分基本上是各厂家自成体系。瑞士喜利得DD-B-BC系列钻头直径从8～500mm分为40种规格。日本C ONSEC公司Hakken 系列共有96种不同结构规格的钻头。

4　钻切技术的典范

国内金刚石薄壁钻大规模的应用还是近几年的事情,主要应用于民用建筑的结构改造施工中,工程施工难度小,技术含量相对较低。日本C ONSEC公司Hakken钻机进行的大坝排洪隧道钻切技术,是金刚石薄壁钻技术的典范之作。

日本历史悠久的第二大坝,建筑历史已经有100年。坝体是混凝土重力坝,坝体内部结构变化情况不清楚。排洪隧道位于大坝体的中下部,为高4m、宽4m的拱形顶隧道,隧道长15m。

隧道施工必须在枯水期完成,施工作业不允许振动以免造成坝体的损伤,传统的施工方法无法满足作业要求。C ONSEC公司技术人员采用金刚石薄壁钻,将隧道周边钻孔切割与坝体分离,最后进行破碎清除的方法。无振动,不会损伤坝体,施工速度快。

面临的技术问题:要将隧道与坝体分离,钻孔与钻孔之间必须水平相切,钻孔水平长度15m;隧道形状要满足设计过水断面要求,即钻孔切削要一次成功。

采取的主要技术方法:钻头直径选用160mm,适合平分隧道周边长度。钻机选用Hakken牌SPO

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