2.5　液压抓斗[20]

2.5.1　概述

液压抓斗是一种快速挖掘地层的机具，具有施工速度快、结构简单、易于操作维修、运转费用较低的特点，与钢丝绳抓斗一样，是防渗墙施工的重要设备。长期以来，液压抓斗被广泛应用于城市建筑地下基础覆盖层和浅基础挖掘施工，一般挖掘深度在30～60m，当地层的标准贯入度N值大于20时，挖掘效率降低，特别是对于含有大块漂卵石的地层和基岩地层，基本不能施工。对于100m以上超深与复杂地质条件防渗墙工程而言，液压抓斗的施工能力显然受到了局限，鉴于液压抓斗大量的市场拥有量，为在超深防渗墙施工中更好地发挥其作用，在旁多水利枢纽防渗墙工程中，率先开展了SG40A液压抓斗的改造研究，改进后的挖掘深度由原来的60m扩展为100m以上，大幅提升了其施工范围和能力。

2.5.2　液压抓斗能力提升研究改造

液压抓斗的能力拓展，具体需解决的问题包括液压油管卷盘容管量增大引出的卷盘结构改进，油管卷盘的动力匹配，钢丝绳卷扬的动力性能以及管路加长引起的管内压力降低对挖掘力的影响等问题。

（1）液压油管卷盘容管量增大引出的卷盘结构改进。对于液压抓斗，增加挖掘深度就要增加油管的长度，也就是要增加油管卷盘的容管量，即增加卷盘的结构直径。经过实物勘验，卷盘直径的扩展空间受到大臂油缸位置的限制，挖掘深度被限制为110m。这样就确定在原卷盘半径基础上增加240mm，辐条（88根）结构件在原来基础上径向外延伸出来，管材采用与原来同种规格尺寸的Q235A材质方形管，经过THJ422焊条焊接打磨而成。焊接后外圆的不同心度控制在4mm范围内，卷管的通道间距误差控制在2mm范围内，并确定无凸点、无毛刺。同时，加强了卷盘的抗侧向变形能力。SG40A液压抓斗油管卷盘后期的产品皆为加强型，结构强度很高，足以满足直径扩展后的强度需要。加工完成后的形状如图2.25所示。

（2）油管卷盘的动力性匹配。液压油管通过辅助液压系统提供的动力，经过液压马达和两级齿轮传动带动卷盘转动，从而提升油管。油管加长后提升阻力增大，液压泵要提供更大的功率给传动系统，液压泵的输出压力有所增加。通过验证计算，泵的输出压力为13.8MPa，小于泵额定压力，在安全范围内，验算结果如下。

液压泵输出功率为

式中：p为液压泵的输出压力，MPa；Q为液压泵的输出流量，L/min。

提升油管所消耗的功率为

式中：F为油管有效总重力，kgf；v为油管最大提升速度。

根据能量守恒定律P=P阻力/η，即pQ=Fv/η（η为机械传动总效率），可得

其中，油管出卷盘总长为130m，卷盘中心至天轮中心距离为10m，油管单重为5.5kgf/m。

油管浮力=浆液比重×侵入浆内油管的体积×油管的数量=453kgf。

由此，油管有效总重力F=790kgf。

v为油管最大提升速度（即卷扬最大提升速度），v=40m/min=0.67m/s。

油泵型号为意大利MARZOCCHI GHPP3-S-30-D，Q=30mL/r，额定压力p额定=30MPa，输入转速n=1400r/min，亦即Q=42L/min。

η1为卷盘系统的机械效率，二级直齿轮传动效率=0.98×0.98=0.96。

η2为液压马达机械效率，η2=0.95。

所以为驱动卷盘负荷液压泵应提供压力p=Fv/Qη1η2=13.8MPa。

说明卷管系统最大负荷时系统的压力为13.8MPa，远小于液压泵的额定压力30MPa，只是在改进前卷管系统压力11MPa的基础上增加2.8MPa。

（3）钢丝绳卷扬的动力性能。增加挖掘深度势必增加钢丝绳的长度，使钢丝绳在卷扬上的缠绕圈数增加，甚至缠绕层数增加。经测算，挖掘110m深度时，钢丝绳在卷扬上的缠绕层数为3层，在卷扬输出扭矩恒定的情况下，第3层钢丝绳的拉力可达15tf，双卷扬同步提升可输出拉力30tf，而斗体实际质量为13t，仍有2.3倍的安全余量，所以卷扬提升力及容绳量不存在影响施工的问题。

（4）管路加长引起的管内压力降对挖掘力的影响。随着管路加长一定有压力损失，要看它的大小是否会影响到工作效率。根据公式Δp=0.000698USLQ/d4可计算出油管内总的压力降。其中，U为液压油的黏度（cst），Mobil DTE25黏度为44.2；S为液压油的比重，Mobil DTE25比重为0.876；L为油管的总长（m），L=135m；Q为油管内流量（L/min），Q=42L/min；d为油管的内径（cm），d=3.18cm。

由此得Δp=0.15MPa。

计算结果说明，油管内总的压力降仅为0.15MPa，不足以影响到工作效率。

经过上述验算，可以得出在SG40A液压抓斗上扩展它的挖掘深度所需要改动的几个部分没有影响到主机的基本性能，改动后的各项参数都在允许的范围之内，不会影响到主机的正常作业。

2.5.3　生产应用

改进后的SG40A液压抓斗，挖掘深度得到提升，极大地拓展了液压抓斗的施工能力，已成功应用于旁多水利枢纽防渗墙工程。第一台SG40A液压抓斗改进后的挖掘深度由原来的60m扩展为110m，第二台SG40A液压抓斗改进后的挖掘深度由原来的60m扩展为100m，其所能施工的工程量由原计划的40％增加到73％，提高了设备的整体利用率，从而大大提高了施工进度，创造了良好的经济效益、社会效益。