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施工机械知识介绍

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一、简介

建筑施工用到的施工机械目前一般有路面机械、动力机械、压实机械、挖掘铲运机械、混凝土机械、桩工机械。

二、路面机械

路面机械 (pavement construction machinery)是用于修建公路、城市道路的路面和飞机场道面等的一种机械;分为土路面施工机械、碎石路面施工机械、沥青混凝土路面施工机械和水泥混凝土路面铺筑机械四类。

土路面施工机械主要是稳定土搅拌机械,碎石路面施工机械主要是碎石摊铺机;沥青混凝土路面施工机械有:沥青储存、熔化和加热设备、沥青喷洒机、沥青混凝土搅拌设备、沥青混凝土摊铺机和石屑撒布机等;水泥混凝土路面铺筑机械有:水泥混凝土路面铺筑机械、水泥混凝土路面整型机等。

①稳定土搅拌机械。翻松土壤,并掺入稳定剂搅拌均匀,制成稳定土,再经摊铺和压实,即成土路面(基)。②碎石摊铺机。在路基上摊铺碎石,以修筑泥结或水结碎石路面。③沥青喷洒机。均匀喷洒液态沥青,以修建沥青路面或路面基层。适用于碎石路面上喷洒沥青罩面层,以贯入法在细粒碎石层上喷洒沥青,修筑沥青路面;以贯入法在大粒碎石层上喷洒沥青,修筑路面基层。④沥青混凝土搅拌设备。将骨料(砂和碎石)、粘结料(沥青等)和填充料(石粉)搅拌均匀成沥青混合料。⑤沥青混凝土摊铺机。将沥青混合料均匀摊铺在路基或路面基层上,加以整形和初步振实,它必须和沥青混凝土搅拌设备配套使用。⑥水泥混凝土路面铺筑机械。将水泥混凝土摊铺在路基上,并进行振实、整形、切缝、拉毛和填缝等工序,还有水泥混凝土真空快干设备,能使混凝土快凝,并提高其强度。

三、动力机械

动力机械是将自然界中的能量转换为机械能而作功的机械装置。动力机械深刻地影响着人类生产力的发展,但是,动力机械的噪声、特别是热力发动机的排放物又给人类造成了日益严重的危害。

动力机械按将自然界中不同能量转变为机械能的方式,可以分为风力机械、水力机械和热力发动机三大类。

风力机械有风帆、风车(风力机)、风磨等。二十世纪出现了直接应用风力的发电装置,但受到自然风区分布的限制,因为一般认为风速大于4米/秒才有利用价值。据估计,地球上蕴有风能约达10吉瓦,已经利用的不及百分之一,故风能大有开发的前景。

水力机械有水车、水磨、水轮机等。20世纪以来,利用水轮机发电的水电站日益增多,因为水电站具有运行费用低、无污染、取用不竭等优点。但是兴建水库、水坝,初始投资较大、建设时间较长,而且对生态平衡、地质力态平衡也有影响。中国水能蕴藏量约为680兆瓦,居世界之首,很有开发和利用的余地。

热力发动机包括蒸汽机、汽轮机、内燃机(汽油机、柴油机、煤气机等)、热气机、燃气轮机、喷气发动机等。在工业、农业、交通、采矿、兵工等部门,内燃机的应用最为广泛。船舶、机车、汽车、物料搬运机械、土方机械、坦克、排灌机械、小型发电装置等无不以内燃机为动力。

汽油机是以汽油为燃料,采用电点火,转速一般在3000~6000转/分,甚至高达每分钟一万转。功率由几百瓦至几百千瓦。在农林方面广泛用作采茶机、割草机、机锄、喷药机、割灌机、机锯等的动力;在交通方面用作摩托车、汽车、小艇的动力。

此外,用于通信和电影放映机的小型发电机组,采矿用凿岩机、建筑用打夯机等无不以小型汽油机作动力。早期的飞机曾以大型汽油机为动力,后已基本上为涡轮机,特别是喷气式发动机所取代。汽油机的排放物对人类环境的污染毒害十分严重。

柴油机是以柴油为燃料,利用压缩热自燃,转速一般在百余转至五、六千转每分钟,功率由几千瓦至数万千瓦。广泛用作汽车、拖拉机、坦克、船舶、军舰、机车、发电机组、物料搬运机械、土方机械等的动力。

二十世纪60年代以来,由于世界性的石油危机,以及柴油机具有较高的热效率,因此应用范围也日益扩大。一些过去采用汽油机的领域,如小轿车、轻型卡车等采用柴油机作为动力的日渐增多。

煤气机是以煤气、天然气和其他可燃气体为燃料,有采用电点火的,也有采用喷入少量柴油压燃引火的。由于气体燃料来源的限制,加上煤气机本身体积大、携带困难等原因,它的应用远不及汽油机、柴油机广泛。煤气机大多应用于固定式动力装置,但也有将气体燃料装囊,或液化装瓶以用于运输车辆的,但因使用不便,未能推广。

蒸汽机是把蒸汽中的热能转化为机械能的热力装置。由于工作效率过低,除在少数国家仍用于机车外,已基本被淘汰。汽轮机是广泛用于大型发电机组和大型船舶的动力装置。

热气机也称斯特林发动机,是以空气、氢和氦等作为工质、按回热闭式热力循环,进行周期性的压缩和膨胀而作功的热力发动机。热气机是外燃机,可以采用多种燃料,同时还具有噪声低、振动小和排污较少等优点,主要缺点是散热器大、密封困难和成本较高。

燃气轮机是以燃料燃烧产生的燃气直接推动涡轮作功的装置。转速可高达数万转每分钟,效率也较高。燃气轮机分为开式循环和闭式循环两种,多用作发电机组船舶、机车和飞机的动力。

喷气发动机是利用燃料燃烧气体排出过程中所产生的反作用力作功的热力发动机,主要用于航空和航天方面。喷气式发动机可以分为两大类,即空气喷气式发动机和火箭喷气式发动机。

从外界吸入空气作为工质,以空气中所含的氧作为氧化剂的喷气发动机称为空气喷气发动机。它又可分为无压气机空气喷气发动机和有压气机空气喷气发动机两种。现代航空上采用最广的燃气轮喷气式发动机就属于后一种。

燃料和氧化剂都由发动机或飞行器本身携带的喷气发动机,称为火箭喷气发动机,或简称火箭发动机。按其所用燃料分固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机两种,它们主要用作兵器和航天飞机的动力。

四、压实机械

压实机械是利用机械力使土壤、碎石等填层密实的土方机械。压实机械按工作原理分为:静力碾压式,冲击式,振动式和复合作用式等。

静力碾压式压实机械利用碾轮的重力作用,使被压层产生永久变形而密实。其碾轮分为:光碾、槽碾、羊足碾和轮胎碾等。光碾压路机压实的表面平整光滑,使用最广,适用于各种路面、垫层、飞机场道面和广场等工程的压实。槽碾、羊足碾单位压力较大,压实层厚,适用于路基、堤坝的压实。轮胎式压路机轮胎气压可调节,可增减压重,单位压力可变,压实过程有揉搓作用,使压实层均匀密实,且不伤路面,适用于道路、广场等垫层的压实。

冲击式压实机械依靠机械的冲击力压实土壤。有利用二冲程内燃机原理工作的火力夯,利用离心力原理工作的蛙夯和利用连杆机构及弹簧工作的快速冲击夯等。其特点是夯实厚度较大,适用于狭小面积及基坑的夯实。

振动式压实机械以机械激振力使材料颗粒在共振中重新排列而密实,如板式振动压实机。其特点是振动频率高,对粘结性低的松散土石,如砂土、碎石等压实效果较好。

复合作用压实机械有碾压和振动作用的振动压路机,碾压和冲击作用的冲击式压路碾等。

振动作用的振动式压路机,系在压路机上加装激振器而成,为目前发展迅速的机型,有取代静力碾压式压实机的趋势。

五、挖掘铲运机械

挖掘机械是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料,并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙及经过预松后的岩石和矿石。挖掘机械分为单斗挖掘机和多斗挖掘机两类。

挖掘机械一般由动力装置、传动装置、行走装置和工作装置等组成。单斗挖掘机和斗轮挖掘机还有转台,多斗挖掘机还有物料输送装置。

动力装置有柴油机、电动机、柴油发电机组或外电源变流机组。柴油机和电动机大多用于中、小型挖掘机械,用一台原动机集中驱动,两者可互换。柴油发电机组和外电源变流机组用于大、中型挖掘机械,用多台电机分散驱动。

行走装置主要用来支承机器、使机器变换工作位置和转移作业场地;另外,链斗式挖掘机和环轮式挖掘机的铲斗,随着行走装置的连续行走而切削土壤。行走装置有履带式、轮胎式、步行式、轨行式、浮游式和拖挂式等几种。

作业场地固定、要求接地比压较低时用履带式;作业场地多变时用轮胎式;因施工条件特殊而必须架设专用轨道时,用轨行式;挖掘水下泥土用浮游式;小型单斗挖掘机的行走装置无动力源时,用拖挂式;作业场地固定、机器重量大时,用步行式。步行式行走装置大多用于单斗挖掘机中的大、中型拉铲挖掘机和斗轮挖掘机。

铲运机是一种能综合完成挖土、运土、卸土、填筑、整平的机械。按行走机构的不同可分为拖式铲运机和自行式铲运机。按铲运机的操作系统的不同,又可分为液压式和索式铲运机。铲运机操作灵活,不受地形限制,不需特设道路,生产效率高,适用于修河筑坝和水灾后清除淤泥等。

铲运机,包括车轮、牵引梁、车架、液压装置、带铲土机构的铲斗、支架机构和车架升降调整机构,其特征在于所述的带铲土机构的铲斗,由斗体、滑动挡板、转动挡板、铲刃和破土刀组成;在斗体的两侧壁上各有1个支杆轴和斗体转动支承轴孔,在斗体的两侧壁的前端内侧有滑道,铲刃焊固在斗体底的前端,破土刀焊固在铲刃上;滑动挡板和转动挡板设置在斗体的开口处,滑动挡板和转动挡板通过2个合页联结,2个合页的两端出轴,分别插入斗体的两侧壁的前端内侧的滑道内;所述的支架机构,由挡板支杆、2个侧支杆和前支杆组成,前支杆的前端由固定在车架前端的前支杆支承轴予以支承,前支杆的后端轴孔,套入挡板支杆,且位于挡板支杆的中部,挡板支杆固定在滑动挡板的上端,两端留有出轴,2个侧支杆的前端有轴孔,其后端有滑槽,2个侧支杆的前端轴孔分别套装在挡板支杆的两端出轴上,2个侧支杆的后端滑槽,分别套装在斗体上的2个支杆轴上;2个斗体支轴分别穿过斗体两侧壁上的2个斗体转动支承轴孔和车架两侧壁上的轴孔,液压装置的升降杆与固定在斗体后端的横轴联结;所述的车架升降调整机构,由丝杠、丝母盘和转盘组成,转盘固定在丝杠的顶端,丝母盘与车架连成一整体结构,丝杠旋进丝母盘,其下端插入牵引梁上的丝杠端孔内。

六、混凝土机械

混凝土机械是用机器取代人工把水泥、河沙、碎石、水按照一定的配合比进行搅拌,生产出建筑工程等生产作业活动所需的混凝土的机械设备,常用的设备有混凝土泵车,水泥仓,配料站等。

随着混凝土机械技术的发展,混凝土机械的应用也日益广泛。混凝土机械产品主要应用于公路建设、铁路建设、房地产建设、电力基础设施建设、轨道交通基础设施建设等领域,其产品性能必须满足这些行业建设的需要。下游行业对混凝土机械行业的影响主要在市场需求和市场竞争方面。混凝土机械行业的发展依赖着下游行业的拉动,同时也制约着这些行业的发展。

混凝土机械主要包括混凝土泵车、混凝土泵(拖泵、车载泵)、混凝土搅拌站、混凝土搅拌运输车及布料杆等,其中属泵车和搅拌车所占比重最大。目前我国混凝土搅拌车的保有量约为24万台,泵车的保有量约3万多台。2012年全年混凝土搅拌车的销量约达8.58万台,较上一年同比增长26.21%,泵车的销量约达1.18万台,较上一年同比增长17.6%,增长率均较2011年有所下滑。

七、桩工机械

在各种桩基础施工中,用来钻孔、打桩、沉桩的机械统称为桩工机械。桩工机械一般由桩锤与桩架两部分组成。除专用桩架外,也可以在挖掘机或者起重机上设置桩架,完成打桩任务。桩工机械的主要特点是,专用性强,生产批量小。按其工作原理分打桩机、压桩机、振动沉桩机、灌注桩钻孔机等。

1、打桩机是利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械(Piling Machine),由桩锤、桩架及附属设备等组成。桩锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆(俗称龙门)之间,用提升吊钩吊升。桩架为一钢结构塔架,在其后部设有卷扬机,用以起吊桩和桩锤,桩架前面有两根导杆组成的导向架,用以控制打桩方向,使桩按照设计方位准确地贯入地层。塔架和导向架可以一起偏斜,用以打斜桩。导向架还能沿塔架向下引伸,用以沿堤岸或码头打水桩。桩架能转动,也能移行。打桩机的基本技术参数是冲击部分重量、冲击动能和冲击频率。桩锤按运动的动力来源可分为落锤、汽锤、柴油锤、液压锤等。

落锤打桩机的桩锤是一钢质重块,由卷扬机用吊钩提升,脱钩后沿导向架自由下落而打桩。

汽锤打桩机的桩锤由锤头和锤座组成,以蒸汽或压缩空气为动力,有单动汽锤和双动汽锤两种。单动汽锤以柱塞或汽缸作为锤头,蒸汽驱动锤头上升,而后任其沿锤座的导杆下落而打桩。双动汽锤一般是由加重的柱塞作为锤头,以汽缸作为锤座,蒸汽驱动锤头上升,再驱动锤头向下冲击打桩。上下往复的速度快,频率高,使桩贯入地层时发生振动,可以减少摩擦阻力,打桩效果好。双向不等作用力的差动汽锤,其锤座重量轻,有效冲击重量可相对增大,性能更好。汽锤的进排汽旋阀的换向可由人工控制,也可由装在锤头一侧并随锤头升降的凸缘操纵杆自动控制,两种方式都可以调节汽锤的冲击行程。

柴油锤打桩机的主体也是由汽缸和柱塞组成,其工作原理和单缸二冲程柴油机相似,利用喷入汽缸燃烧室内的雾化柴油受高压高温后燃爆所产生的强大压力驱动锤头工作。柴油锤按其构造形式分导杆式和筒式。导杆式柴油锤以柱塞为锤座压在桩帽上,以汽缸为锤头沿两根导杆升降。打桩时,先将桩吊到桩架龙门中就位,再将柴油锤搁在桩顶,降下吊钩将汽缸吊起,又脱开吊钩让汽缸下落套入柱塞,将封闭在汽缸内的空气进行压缩,汽缸继续下落,直到缸体外的压销推压锤座上燃油泵的摇杆时,燃油泵就将油雾喷入缸内,油雾遇到燃点以上的高温气体,当即发生燃爆,爆发力向下冲击使桩下沉,向上顶推,使汽缸回升,待汽缸重新沿导杆坠落时,又开始第二次冲击循环。筒式柴油锤以汽缸作为锤座,并直接用加长了的缸筒内壁导向,省去了两根导杆,柱塞是锤头,可在汽缸中上下运动。打桩时,将锤座下部的桩帽压在桩顶上,用吊钩提升柱塞,然后脱钩往下冲击,压缩封闭在汽缸中的空气。 并进行喷油、 爆发、冲击、换气等工作过程。柴油锤的工作是靠压燃柴油来启动的,因此必须保证汽缸内的封闭气体达到一定的压缩比,有时在软土地层上打桩时,往往由于反作用力过小,压缩量不够而无法引燃起爆,就需要用吊钩多次吊起锤头脱钩冲击,才能起动。柴油锤的锤座上附有燃油喷射泵、油箱、冷却水箱及桩帽。柱塞和缸筒之间的活动间隙用弹性柱塞环密封。

液压锤打桩机是柴油带启动,以油液压力为动力,可按地层土质不同调整液压,以达到适当的冲击力进行打桩的一种新型打桩机。中小型液压打桩机,常用于公路护栏的打桩,高速公路护栏建设。同类打桩设备有:液压打桩机、公路打桩机、护栏打桩机、公路钻孔机。与柴油打桩机相比,液压锤打桩机的能量传递效率能够达到70%~95%,而柴油锤打桩机的能量传递效率仅为20%~30%,液压锤打桩机打桩控量精确,能实现不同地层的打桩作业;液压锤打桩机在减少噪声,震动和噪音方面有出色表现,特别适合城市施工需要。液压锤打桩机节能减排效果明显,是未来打桩机发展的主流。

螺旋打桩机(Spiral hammers)是一种通过动力头带动钻杆钻头向地下钻机成孔的打桩设备。螺旋打桩机可以分为两个部分:桩架和钻进部分。

2、压桩机是利用静压力将桩压入地层的桩工机械。用于软土层压桩,如地下铁道、海港、桥梁、水库电站、海上采油平台和国防工程等的桩工施工,分机械式和液压式两种。

机械式压桩机作业时,将桩置于压梁下,压梁两侧都装有压桩滑轮组。钢丝绳从卷扬机引出,绕过桩架顶梁上的导向滑轮,再顺次绕过压梁上的动滑轮和桩架底部的定滑轮,卷扬机卷进钢丝绳,逐步将压桩滑轮组收紧,通过压梁将整台压桩机的重量和配重施加于桩顶上,克服桩与土壤间的摩擦阻力,将桩逐渐压入土中。桩架顶梁上有起升滑轮组,用以吊桩就位,桩架中间有龙门,以导引沉桩方向。钢丝绳穿绕必须合理,使受力均衡。两台卷扬机力求同步。为抵消牵引速度的差异,顶梁上有平衡滑轮组,并将左右两压桩滑轮组的钢丝绳相联。桩架下部两侧为敷设有铁轨的船形轨座。作业时,吊起轨座,整机支承在中央机座上。移位时,两侧轨座前移搁地,行走轮在铁轨上滚动。适合在粘土、淤泥土和砂土中压设混凝土桩和钢桩。

液压式压桩机由桩架、吊桩起重机、液压夹桩器、压桩液压缸和电气设备等部分组成。桩架是整机支承部分,装有主平台、导向平台、立柱和下部行走台车。吊桩起重机装于立柱顶端,用以吊桩就位。作业时,液压夹桩器夹紧桩头,再由一对压桩液压缸推压夹桩器,使桩下沉。一机装有若干对压桩液压缸,可同时压若干根桩。电气设备用于驱动主泵运转、机械行走。适于在回填土、淤泥、粘土等场地压设型钢或工字钢桩,宜于城市施工。

压桩机作业时,不损坏桩头,桩身不受弯,无噪声、无振动冲击,对周围环境和建筑物影响小,不破坏土地结构。在压桩过程中可从压力表直接读得桩的承载能力,不需另做试验。工作平稳,能压能拔,但设备笨重,不能压设斜桩,使用有局限性。

3、振动沉桩机是用振动方法使桩振动而沉入地层的桩工机械。作业时,桩与周围土壤产生振动,使桩面的摩擦阻力减小,桩杆由于自重克服桩面及桩尖的阻力而穿破地层下沉,还可以利用共振原理,加强沉桩效果。

沉桩机由振动器、夹桩器、传动装置、电动机等组成。主要工作装置是定向振动器,其激振部分是成对的水平转轴。在转轴上有若干块质量和形状相同的偏心块。每对转轴的偏心块对称布置,并由一对相同的齿轮传动,转速相同,转向相反,因此,两轴运转时所产生的扰动力在水平方向相互平衡抵消,防止沉桩机和桩的横向摆动,在垂直方向扰动力相互叠加,形成激振力促使桩身振动。转轴的转速可以调节,因而振动器的激振频率、振幅和振动力也是可调的,以适应各种不同规格的桩和不同性质的地层。振动器的变频有机械、气压、液压或电磁等多种方式。振动器下部是夹桩器,备有各种不同的规格尺寸,以便与各种不同截面的桩相连接,使沉桩机和桩连成一体。夹桩器的操纵有杠杆式、液压式、气压式等。

冲击式振动沉桩机的振动器与夹桩器之间采用弹性联系,在振动器下面和夹桩器上面分别设有锤头和砧座。当振动器工作时,锤头不断冲击砧座,既能使桩杆产生振动,减小土壤对桩面的摩擦阻力,又能使桩杆受到纵向冲击力,克服地层对桩尖的正面阻力,加快沉桩速度。

4、灌注桩钻孔机是利用取土或挤土装置在地层桩位上成孔,然后灌注混凝土成桩的桩工机械。适用于除流动淤泥层以外的一切土层成孔。

钻孔机多以履带式挖掘机(或起重机)的底盘为底架,其上设置龙门导杆,作为钻凿工具的支承,并引导钻孔方向。挖掘机的发动机常作为钻孔机的动力装置。

钻孔机按成孔方法,分螺旋式、冲抓式、潜水式和振动式四种,前三者属取土成孔,后一种属挤土成孔,还有综合上述多种方法的综合钻孔机。

螺旋式钻孔机用于民用和小型工业建筑,利用螺旋钻杆钻孔,螺杆通过上、下导架支承于桩架导杆上,其上端有驱动螺杆钻进的动力头,下端装带硬合金刀刃的钻头,作业时钻渣沿螺杆导槽自动排出,所钻桩孔孔壁规则,不需护壁或清洗孔底,钻至设计深度后,提出钻杆,即可灌注混凝土。此外,还有短螺旋钻孔机和有双刀管、双螺旋及底部扩孔刀的冻土钻孔机。前者专用于爆扩成孔及孔底成形;后者适用于严寒冻土,并能将孔底扩大,增加桩的承载力。

冲抓式钻孔机用于大型工业建筑和桥梁施工,可在土石混合地层、卵石或岩石地层上成孔。利用钻具冲击岩石,使之破碎,然后抓石出渣,达到成孔目的。由机架、卷扬机和钻抓工具组成。钻抓工具有螺旋钻、抓锥和冲锥三种,可根据土质拆换使用。在地下水位较高的泥质地区,采用螺旋钻,钻渣用压力水冲成泥浆排出。抓锥形如抓铲,单索操纵,可抓掘石块和卵石。冲锥有一定重量,下端有刀刃,用于冲凿岩石及坚土。

潜水式钻孔机用于沿海软土地区的桩基础施工,由潜水电动机、行星齿轮减速器和笼式钻头等组成。电动机通过减速器驱动5~7个钻头切削土壤,同时将压力水沿水管从钻头尖部射出,使钻渣成泥浆排出。设备较简单,无公害,效率高,可在各种土质条件下作业。

振动式钻孔机适于在砂土和软土地层成孔。用振动沉拔桩机将底部有单向活门的桩管沉入土中,达设计深度后,边借振动力将桩管逐渐拔出,边通过活门灌注混凝土。也可利用落锤或汽锤将桩管打入土中成孔,利用拔桩机拔出桩管,然后灌注混凝土成桩,但效率低。