架空输电线路施工中自动旋桩机的研究与设计

陈 林，赵宇飞，李松铭，张玉岭，陈险峰，孟 巍，邹 龙，韩 冬，韩 飞，吕 继

（1.国网阜阳供电公司，安徽 阜阳236017；2.安徽三环电力工程集团有限公司，安徽 阜阳236017）

目前，国家的经济和社会发展非常迅速，电网的整体建设和发展进入新时期。在架空输电线路施工过程中，必须要使用钻桩连接拉线，固定铁塔或跨越架，否则受自身结构和大风等影响，可能会发生倒塌事件，影响施工的安全性。通过常年的输电施工，已经形成了钻桩的标注化规格，一般根据钻桩的钻径和钻长，可以分为ϕ32×1.2 m、ϕ32×1.5 m、ϕ32×1.8 m 3种规格。钻桩的头部一般使用圆环焊接成为一体，主要作用是便于撬棍或钢管插入后进行旋转，能够提供足够的旋转扭矩，使得钻桩入地后能够不断地旋切下钻。钻桩根部则为针状，在尖部上方15 cm处设置单旋片，能够在上方提供的扭矩作用下，切割土壤下钻，进而增加钻桩的抓地力，为杆塔或跨越架的固定提供足够的力量。

在设置拉线前，需要选定地点设置钻桩，通常情况下是采用人工旋入（出）的方式，将钻桩根部垂直插入地面，使得旋片与土地接触，然后施工人员以对称的方式在头部圆环插入撬棍或者钢管，保持受力均衡，通过顺时针方向，提供旋转扭矩，使得钻桩能够旋切进入土地。通常情况下，一根钻桩需要4人操作，并且需要10 min左右的时间才能完成下钻。因此，当出现大面积的组塔架线工作时，需要使用大量的钻桩，尤其是基建工程需要使用双钻，极大地增加了工作量，影响施工进度和工期。

现在，国家已经进入“十四五”战略发展机遇期，国网公司推广机械化施工，尤其是重视创新研发，大力支持能够提高施工进度和质量的新型工器具，进一步推进“碳达峰”和“碳中和”，因此在输电线路施工中为降低人工成本、提高工作进度和效率、增强安全施工力度，研制新的旋桩机迫在眉睫。目前，常用打桩方式有人工打桩和机械打桩。人工打桩劳动强度大、安全性差、工作效率低。通过对施工现场工器具的市场调研，目前常用的类似施工器械如下所述：

（1）农耕旋桩机。此旋桩机常用于城市绿化、农业种植行业，采用汽油驱动，工作时通过机器前端的旋桩将土壤旋出，挖出坑洞，优点是结构简单，仅采用基本框架和汽油机组装而成，装设的导轮便于工器具的运输和携带，缺点是施工时阻力小，仅能用于小坑小洞的挖掘，难以满足输电线路组塔架线时钻桩的施工要求。

（2）液压式旋桩机。此旋桩机重量和体积较大，常常搭设在机动车辆上，动力源由机动车提供，一般适用于施工地区挖坑钻洞，优点是动力强，能够提供足够强大的动力扭矩，缺点是过于笨重，搭载车辆常常无法达到施工地点，不适合恶劣地区的地形，并且使用成本较高，不满足精益化管理的要求。

1 输电线路施工过程中影响钻桩的因素分析

1.1 自然环境

目前，输电线路的架设方式主要包括架空输电线路和电缆，电缆一般多见于城区等复杂地形的区域，通过埋设在地下，减少土地占用，提高运行稳定性，在输电线路中占小部分。而架空输电线路则占绝大多数，遍布平原、丘陵、山区、高原等多种地理区域，并且随着天气和环境的不断变化，输电线路所在区域经常出现大风、洪涝和山体滑坡等情况。

1.2 人为因素

架空输电线路不同于城区配网线路，往往需要十余人甚至数十人参与，占用的施工区域大、使用的工器具种类多、涉及的民事和停电工作较多，因此决定施工进度和质量的主要因素之一就是施工人员。在实际的架空输电线路施工中，由于钻桩需要4人合力同时工作，而每基杆塔的组立仅10人左右，因此会占用队伍三分之一左右的施工人员，极大地延缓施工的进度。

1.3 施工工器具因素

施工工器具是施工人员开展工作必不可少的条件，工器具是辅助人员开展工作的重要保障措施，安全、可靠、便携和省时省力的施工器具是确保施工有序开展的强有力支撑，也是施工质量和进度的保障措施。

2 自动旋桩机设计思路

研发小组汇聚了具有丰富架空输电线路组塔架线现场经验的技术人员，结合输电线路组塔架线的现场实际，针对旋桩机的可行性和操作性，从机械结构强度、安全操作、动力选择、外设配套等方面提出如下要求。

2.1 机械结构方面

自动旋桩机最主要的特点就是在旋桩传动外部加设动力源，采用“动力源+旋桩机本体”相结合的方式，一方面动力源提供旋桩机工作的动力，确保钻桩能够钻入土层，另一方面旋桩机本体能够固定钻桩，确保钻桩垂直旋钻入地下。动力源部分采用燃油机提供动力，旋桩机部分整体由钢结构组成框架，中间为传动装置，确保整体结构牢固、稳定，能够抵抗旋桩时产生的巨大反作用力而不变形。同时，采用齿轮传动的方式，将动力源的横向动力，转换为旋桩机部分的竖直动力。此外，考虑到钻桩最高可达1.8 m，因此旋桩机的全高需要超过1.8 m。

2.2 动力供给方面

通过对比相同排量的汽油机和柴油机，发现汽油机的功率虽然比柴油机大，但是由于自身结构的影响，柴油机的压缩比、燃油转化率和活塞冲程比汽油机更大，因此能够产生较大的扭矩，但是由于转速较低，因此功率较汽油机低。分析旋桩机的技术特点，发现钻桩并不需要高速的旋转，而是需要低转速、大扭矩和功率稳定的动力源，因此选用柴油机作为动力来源。

2.3 安全操作方面

旋桩机动力由燃油机带动，有机械传动和齿轮，因此在该部分加装保护外壳，防止人身或异物进入该部分造成人身伤害和结构性损坏。在旋桩机部分装设固定板，确保钻桩能够保持垂直向下的方向。

综合上述的因素考虑，设计出自动旋桩机如图1所示。

图1 自动旋桩机设计图

3 自动旋桩机设计特征

旋桩机设计原理是以一种通用的手扶牵引车作为载体，能实现立桩、旋桩、脱桩全自动化。示意图和局部放大示意图如图2所示。

图2 自动旋桩机示意图和放大示意图

设计的自动旋桩机工作步骤为：自动旋桩机就位→埋设护筒→钻杆6的动力头10轻着地后，启动减速机，减速机的输出轴驱动第一主动齿轮14旋转，第一主动齿轮14通过第一过桥齿轮13啮合传递动力给第一被动齿轮11，第一被动齿轮11带动第一伞齿轮和第二伞齿轮12旋转，第二伞齿轮12带动导杆3转动→导杆3上的第二主动齿轮16同步转动，第二主动齿轮16通过第二过桥齿轮17啮合传递给第二被动齿轮20，第二被动齿轮20带动丝杆1转动，丝杆1将回转运动转化为直线运动，丝杆1带动钻杆6完成下降动作→动力头10开钻，动力头10逐步深入→钻孔完成，清孔并测定深度→放入钢筋笼和导管→进行混凝土灌注→拔出护筒并清理桩头沉淤回填，成桩。

自动旋桩机特征在于：包括相互平行的丝杆1和导杆3；丝杆1和导杆3均固定在机架7上；丝杆1的一端连接钻杆6；丝杆1和导杆3均穿过第二同步板15；第二同步板15一面固定第二齿轮组；第二齿轮组包括多个啮合传动的第二机械传动件；丝杆1和导杆3分别穿过第二机械传动件；导杆3的端部和动力机构相连；动力机构包括减速机和牵引板21；牵引板21的一面固定第一齿轮组；第一齿轮组包括多个啮合传动的第一机械传动件；牵引板21的另一面固定相互咬合的第一伞齿轮和第二伞齿轮12；第一伞齿轮和第一机械传动件通过传动轴连接；减速机的输出轴连接传动轴。钻杆6和导杆3还同时穿过第一同步板8；第一同步板8和第二同步板15相互平行。钻杆6和第一同步板8连接处设置固定套9；钻杆6和固定套9过盈配合。第一齿轮组包括相互啮合的第一主动齿轮14、第一过桥齿轮13和第一被动齿轮11；第一主动齿轮14、第一过桥齿轮13和第一被动齿轮11均固定在牵引板21的一面；传动轴依次穿过第一被动齿轮11、牵引板21和第一伞齿轮。第二齿轮组包括相互啮合的第二主动齿轮16、第二过桥齿轮17和第二被动齿轮20；导杆3穿过第二主动齿轮16；丝杆1穿过第二被动齿轮20。钻杆6的端部固定在固定架19上；固定架19贴合第二机械传动件。导杆3的顶部通过第一固定板4和第一紧固元件5固定在机架7之上。钻杆6包括动力头10；动力头10的外壁设置多圈螺纹。机架7包括横梁和一组立柱；一组立柱支撑横梁，且横梁和立柱相互垂直。

自动旋桩机的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：自动旋桩机就位，埋设护筒。

步骤S2：钻杆6的端部轻着地后，启动减速机，减速机的输出轴驱动第一齿轮组旋转，第一齿轮组带动第一伞齿轮和第二伞齿轮12旋转，第二伞齿轮12带动导杆3转动。

步骤S3：导杆3带动第二齿轮组转动，第二齿轮组带动丝杆1转动，丝杆1将回转运动转化为直线运动，丝杆1带动钻杆6完成下降动作。

步骤S4：钻杆6钻，钻杆6逐步深入，钻孔完成，清孔并测定深度，放入钢筋笼和导管，进行混凝土灌注，拔出护筒并清理桩头沉淤回填，成桩。

4 结束语

自动旋桩机的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：一是自动化程度高、机动性好、结构新颖、方便实用，可方便、快捷地实现自动脱桩，更好地满足建筑施工、抢险救灾的需要。二是能够在无人工接触的情况下实现自动旋桩、脱桩，整个旋桩过程快速、稳定、安全。它有效地克服了传统打桩机在使用过程中存在的操作不便、安全性差、生产效率低和噪声过大等问题。三是使用手扶牵引机作为驱动载体，不需外接电源，机动灵活，安全可靠。

本文设计的自动旋桩机会将人员数量降低至1人，并且减少人员体力消耗，保证安全性、便携性，能够运用到现场工作中，后续创新小组将继续开展旋桩机的研制和现场测试工作。