环保型高性能四驱静力触探车开发

王建伟

摘 要：现有的静力触探车存在整车使用成本高、环境污染大、探杆贯入性能差等问题。针对现状，本产品采用国VI四驱底盘，优化布局设计整车结构、传动方式、外形结构和尺寸，提高探杆贯入性能满足深度触探工作需求，优化液压系统控制液压油消耗，改善液压油箱的散热系统，最终可以达到降低用户使用成本、加快整机液压系统静压速度、减小液压油损耗、节能减排、提升静力探触车工作性能的目的，整车性能指标具有很大竞争优势。

关键词：环保型;高性能;四驱

中图分类号：U461.99  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-45-03

Abstract： The existing static cone penetration testing vehicle has the problems such as high cost of the whole vehicle， large environmental pollution， poor penetration performance of the Rod， etc. . In view of the present situation， this product uses the national VI four-wheel drive chassis， the optimization layout design whole vehicle structure， the transmission way， the contour structure and the size， enhances the probe Rod penetration performance to meet the depth penetration detection work demand， the optimization hydraulic system control hydraulic oil consumption， by improving the heat dissipation system of the hydraulic oil tank， the purpose of reducing the user's use cost， speeding up the static pressure speed of the hydraulic system of the whole machine， reducing the hydraulic oil loss， saving energy and reducing discharge， and improving the working performance of the static probe car can finally be achieved， the whole vehicle performance index has a great competitive advantage.

Keywords： Environmentally friendly; High performance; Four wheel drive

CLC NO.： U461.99  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-45-03

前言

靜力触探自 1917 年瑞典正式使用以来（螺旋锥头式静力触探），迄今已有百余年的历史。我国在 20 世纪 30 年代出现机械式的静力触探仪，并于70 年代研制出“双桥”探头。静力触探的基本原理就是用准静力（相对动力触探而言，没有或很少冲击荷载）将一个装置有传感器的触探头以匀速压入土壤中。由于地层中土质的硬度不同，探头在贯入过程中所受的阻力也不同，贯入阻力可以从一个侧面反应土质的强度。传感器将大小不同的贯入阻力通过电信号传输到记录仪中，通过贯入阻力与土壤的工程地质特征之间的定性关系和统计关系，来实现分析土层剖面、确定浅基承载力、选择桩端持力层和计算单桩承载力等工程地质勘察目的。

静力触探主要由两部分组成：一是贯入系统：由加压装置及反力装置组成;二是量测系统：由安装在探头中的阻力传感器和量测仪表组成。随着科学技术的发展，勘察测试技术在精细准方面的要求已经愈来愈高，提高原位测试的机械自动化以及计算机对数据信息的采集处理已是勘察工程发展的重要方向之一。

1 静力触探发展现状

传统静力触探仪的局限性体现在：

（1）施工速度慢，测试数据误差较大;

（2）静探测试资料不便于保存记录，成果应用困难;

（3）现场机械化程度不高，劳动强度大;

（4）施工机械易损伤，维修费用昂贵。

现有的静力触探车改善了静力触探仪存在的一部分劣势，具有施工速度快、数据收集方便、降低劳动强度等方面的优势，但仍然存在整车使用成本高、环境污染大、探杆贯入性能差等问题。

2 所需解决的问题及技术突破

2.1 减少尾气排放

经过复杂的布局设计和动力需求检测，将动力源由传统的后轮两驱变更为四驱，尾气排放标准从 GB17691-2005 国 V 升级到 GB17691-2005 国 VI。整车结构、传动方式、外形结构和尺寸均优化布局设计以配合四驱动力源的应用。

2.2 提高探杆贯入性能

由于地层土质不均匀，探杆的受力情况比较复杂。一般在静力触探过程中，触探液压系统给探杆向下的压力 P，地层给探头向上的阻力 N，土层给探杆向上的摩擦力 F，三个力达到如下关系时可进行触探：

P > N +F

N= Pc · A

A----探头截面积;

Pc ---贯入阻力系数N/cm?;

F=∑α·π·di·li·fsi;

α---与探杆外径、探头或扩孔器外径有关的经验系数，一般取 0.3～1.0;

di ---土中探桿的外径cm;

li ---在第 i 层土中同一外径探杆的长度cm;

fsi ---在第 i 层土中，探杆与土之间的摩擦阻力系数，N/cm?

当 P > N +F 时， 触探可以进行;当 P ≤ N +F 时，触探无法继续。

所以要实现静力触探过程必须满足公式 P > N +F。

改进后静力触探受力的方法研究：

可以看出，当无法满足上述公式时解决的方法一是增大压力 P，二是减小摩擦力 F 和探头阻力 N。

进行静力触探时一般是在表层填土或杂填土开挖后，下锚在比较软的土层中，锚固反力 M 决定了压力 P 的大小，即 P=M。实际触探过程中，在不使用外部荷载的情况下，锚固反力 M 很难提高。

当不使用外部荷载时 P=M，最大锚固力不变;探头阻力N=Pc·A不变，则只有通过减少 F 来实现P>N+F。

F=∑α·π·di·li·fsi ，系数 fsi 为探杆与土之间的摩擦阻力系数，可以考虑通过减小 fsi 来实现减小F。在探头的尾部连接一个比探头和探杆的外径略大扩孔器，触探工作时向探杆内加入润滑剂，润滑剂通过扩孔器的预留孔润滑探杆表面，减小探杆与土体的摩擦系数fsi ，使触探阻力 F 减少，以提高探杆贯入性能，满足深度触探工作需求。

2.3 优化液压系统

静力探触车液压系统管路为铜质材料，铜质材料有其韧性不足、抗疲劳性能弱、密封贴合性能差的先天缺陷，容易导致液压油管路布局不合理、油管易损坏、液压油泄露、液压油流通不顺畅、维修困难等问题。因此，需要设计调整液压油管路整体布局、研发更换管路材料、寻找密封性能更好的管路接头密封材料。

经过多种材料的筛选和实际的耐疲劳测试、韧度测试、密封性能测试，选定复合管材作为液压油管的材料;选用复合垫片作为管路接头密封材料;在管路设计方面，优先考虑减少弯管，使液压油流通顺畅。

2.4 改善液压油箱的散热系统

常规静力探触车液压油箱没有设计散热系统，存在因液压油箱温度过高导致整机丧失静力探触功能等问题。需设计增加液压油箱散热系统，以实现液压油在高温环境工作中充分散热，满足静力探触车可持续高强度工作的作业需要。

在原邮箱上增加 10 片散热片，在散热片两端布置散热风扇及散热孔。改进后可以保证在高温环境工作中液压油充分散热，整机持续作业。

3 结束语

环保型高性能四驱静力触探车的设计开发通过对整车驱动、探杆贯入、液压系统布局、油箱散热等各方面优化，最终可以达到降低用户使用成本、加快整机液压系统静压速度、减小液压油损耗、节能减排、提升静力探触车工作性能的目的，整车性能指标具有很大竞争优势。产品的主要技术指标见表1。