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1、第 25 卷 第 6 期 水利电力机械Vol. 25 No. 6 2003年 12月 W ATER C ONSERVANCY &E LECTRIC POWER M ACHI NERYDec. 2003全液压静力压桩机及其液压系统的设计Design of the hydraulic static pneumatic pilling machine and its hydraulic system夏卿坤 1, 刘磊 2, 谢立辉 1, 刘煜 1(1. 长沙大学 机械工程系 , 湖南 长沙 410003; 2. 武汉 430034摘 要 :、 实施途径 。 关键词 : 全液压静力压桩机 ;
2、中图分类号 :TU67:B文章编号 :1006-6446(2003 06-0028-03收稿日期 :2002-08-24作者简介 :夏卿坤 (1963- , 男 , 福建福清人 , 长沙大学机械工程系教授级高级工程师 , 从事材料成型与控制方面的教学和研究工作。0 引言全液压静力压桩机是利用高压油产生的强大静 压力 , 平稳 、 安静地将预制桩 快速沉入地基的一种新型桩基机械 , 具有操作简便 、工作效率高 、 无噪声和 气体污染 、 压桩时对 桩周的土体扰动范围和程度小 、 便于操作时控制 、 施工质量好等特点 , 已广泛用 于我 国许多城市 , 特别是沿海城市建设和旧城改造的桩 基础施工全
3、液压静力压桩机的压桩工作机理是静压预制 桩主要用于软土地基 , 当预制桩 在垂直静压力作用下沉入土中时 , 桩周围土体发生急速而激烈的挤压 , 土中孔隙水 压力急剧上升 , 土的抗剪强度大大降低 , 这时桩身很容易往下沉 , 压桩的阻力主要 来自桩尖向下穿透土层时直接冲剪桩端土体的阻力 , 压桩阻力并不一定随桩的入 土深度的增加而累计增大 , 而是随着桩尖处土体的软硬程度等因素 , 即桩尖土体的 抗冲剪阻力大小而波动 , 这说明此时桩侧摩擦阻力非常小 , 但这是一种暂时的现 象。一旦压桩终止 , 随着时间的推移 , 桩周土体中孔隙水压力逐渐消散 , 土体发生 固结 , 土的抗剪强度也可随桩侧摩
4、擦力逐渐恢复和提高 , 从而使静压预制桩获得较 大的承载力 , 在某些土体固结系数较高的软弱地基 , 静压预制桩获得单桩极限承载 力可比最终压桩力高出二、 三倍。全液压静力压桩机静压预制桩的施工 , 一般情况下采用分段压入、逐段接长的方法。其程序为 :测量定位 压桩机就位 吊桩喂桩 桩身对中调直 压桩 接桩再压桩 送桩 终止压桩 截 (接桩头。全液压静力压桩机具有如下显著特点 。 (1 在施工中具有无振动、无噪音、 无污染等特点 , 是实施城市环境保护法的一种理想的文明施工 机械。在城市居民 区、学校教育区、医院疗养区、宾馆、科研楼、精密车间等区域施工均具有 独特的适应性和优越性。(2 供压压
5、桩机的桩身混凝士强度 , 一般能达到起模、吊运要求即可 , 故比锤 击桩节省钢材和降低混 凝士标号 , 且可消除因锤击而造成的桩头破损和桩 身断裂 , 从而降低了工程成本。经统计 , 压桩与打桩相比可节约钢材 47%, 节约水泥 12%。(3 压桩可避免锤击灌注桩调换桩管长度等不 利因素 , 还可避免灌注桩施工时 一般容易发生的混凝士缩颈蜂窝又断桩的 。压桩所引起的桩周土体隆 起和水平位 移比打桩要小 , 也就表明压桩对土体结 构的破坏程度和破坏范围比打桩小得多(4 由于压桩机的工作高度不高 , 重心低 , 所以 桩机的施工操作和保养较为方 便 , 并可避免高空作 业中的不安全因素 。 桩机作
6、业人员少 , 劳动强度低 , 施工文 明 , 整机的拆 、 运 、 装十分方便 。(5 适宜于覆土层不厚的岩溶地区 。 此类地区采第 25卷第 6期夏卿坤 , 等 :全液压静力压桩机及其液压系统的设计? 29?用钻孔桩很难钻进 ; 采用冲孔桩 , 容易卡锤 ; 采用打 入式桩容易打碎 , 只有静 压桩是慢慢地压入并且显示压桩阻力 , 可收到较好的技术经济效果 。(6 压桩施工速度快 。1 QY Z 600 型静力压桩机机构和工作原理1. 1 压桩机的组成部分压桩机的主要组成部分如图 1所示。图 1 全液压静力压桩机示意图1. 2 主要部件机构和工作原理 1. 2. 1 长船行走机构长船行走机构
7、主要由船体 、 行走台车 、 油缸等组成 。 油缸的活塞杆球头与船体联接 , 缸体通过铰耳 与主动行走台车联接 , 行 走台车与底盘支腿上的顶 升油缸铰接 。 其动作过程是顶升油缸使长船落地 , 短船 离地 , 然后长船油缸伸缩推动行走台车 , 使桩机 沿长船轨道前后移动 , 顶升油缸回 程使长船离地 , 短船落地 , 短船油缸动作时 , 长船船体悬挂在桩机上移 动 , 上述动 作作往复交替 , 即实现了桩机的横向行 走。 1. 2. 2 短船行走机构及回转机构短船行走机构及回转机构由船体 、行走梁 、回转梁、挂轮机构 、油缸 、 回转轴 、 滑块等组成 。 桩机回转动作是 :长船接触地面 ,
8、 短船离地 , 两 个短船油 缸各伸出 1/2行程 , 然后短船接触地面 , 长船离地 , 此时使两个短船油缸的活塞一 个作伸出动 作 , 一个作缩回动作 , 桩机此时通过回转轴使回转梁 上的滑块在行走梁 上作回转滑动 , 油缸行程走满 , 桩 机可回转 15°, 重复上述动作 , 桩机可回转 360°。1. 2. 3 平台平台是桩机的主体结构 , 通过 4只顶升油缸与长船联接 , 由 4条主腿与两短船联接 , 中部装有导向 立柱和压桩门架 , 主、 辅 油缸各两对成组对称分置于 门架中心并以螺栓连接 , 压桩油缸与夹持机构铰接 , 通 过压桩油缸活塞杆的往复位移 , 实现
9、压桩和拔桩 。 1. 2. 4 夹持机构与导向压桩架 该部分由夹持横梁 、 夹持油缸 、 导向压桩架和压 桩油缸等组成 , 压桩 , , , 使夹持 机构在导向压 , 带动桩段挤入土中 , 压桩油缸行程 走满 , 夹持油缸回程 , 然后压桩 油缸也作回程动作 。 上述运动往复交替 , 即可实现桩机的压桩工作 。 1. 2. 5 液 压系统液压系统分主机液压系统和吊机液压系统 。 主 机液压系统由双联齿轮泵 、 单向阀 、 溢流阀 、 多路换 向阀 、 手动换向阀 、 液控单向阀等控制元件和执行 机构组成 , 主机采用 2台双联齿轮泵 C BZ2055/080作为液压的能源泵 , 分别由 2 台
10、 55kW 电动机作动力 , 其额定工作压力为 p =25MPa 。由于压桩机的吨位较大 , 压桩系统的主要执行元件压桩油缸由单缸改为双缸 , 由一个双作用主液压缸和一个柱塞缸辅助 缸组成 。 其液压系统原理 见图 2。吊机采用 1台单联齿轮泵 C BZ2050作为液压的 能源泵 , 由 1台 30kW 电动机 作动力 , 其额定工作压 力为 p =21MPa 。 1. 3 专用配套工作吊机为了满足不同截面 (313m 的预制桩起吊及桩机 的装拆、 检修、 预制桩的转 场等作业。 吊机起重臂分为 基本臂、 伸缩臂 , 伸缩臂的伸缩通过基本臂上的伸缩 油 缸活塞的运动完成。 伸缩完成后 , 用插
11、销将伸缩臂固 定在基本臂上 , 配有专门的吊钩吊具及幅度指示器。 基本臂、 变幅油缸与转台相联接 , 转台与回转支承装 置 承台相联接 , 而承台则与底盘相联接2 液压系统的设计全液压静力压桩机是以液压为动力进行静压桩 施工的一种桩基础施工设备 , 其 中液压控制系统 （包 括液压动力源 尤其是压桩液压系统是该设备的核心 和关键 , 其设计是否合理将直接影响着设备的性能。 2. 1 恒流量设计原理所谓液压系统恒流量设计就是使液压动力源的30? 水利电力机械 2003 年 12图 2 QY Z 600 型全液压静力压桩机主机液压系统图输出流量保持恒定的一种设计方法。 在实际的液压静 力压桩机液压
12、系统中 , 在保持系统输出流量不变的条 件下 , 以设计的最大压桩速度所需的流量 Q 和最大 压 桩力时所产生的系统的装机功率可由下式确定 :N =Q 1×P 1 Q max ×P ma式x ,中 (1 : Q 1 液压泵的额定输出流量 (m 3/s ;p 1 系统额定油压 (Pa 。 目前本方法的实施是将动力源液压泵采用定量泵 , 而压桩机构采用一对或多对有效面积和为 A 的 液压缸同时参与压桩的工 作方式 。因此 , 在忽略系 统泄漏时 , 存在下列关系式 :N =Q max ×P max =Q max ×A ×v max ,Q max =
13、v max A× , F max =(2式中 : v max (m/s ;A (m 2 ;F max 压桩机的最大压桩力 (N 。由式 (2 就可以求得压桩液压缸的总有效作用面积 :A =N/(p max v× max 。(3 2. 2 恒流量设计压桩系统液压控制原理图 2 为其中的 QY Z600 型液压静力压桩机主机 液压系统图 。 该种机型就是采 用恒流量设计方法研 制的全液压桩机 。该系统动力源采用 2 台定量泵供油 , 控制元件 为弹簧对中电磁换向阀 , 执行元 件为两对同时压桩 的液压缸 , 参见 1. 2. 5。很显然 , 该压桩系统相对较 简单 。 结 合
14、(2 式可知 , 采用这种设计方法 , 根据不同的吨位 , A 的液压缸 。 , , 。结论(1 全液压静力压桩机具有操作简便 、 工作效率高 、 无噪声和气体污染 、 压桩时对桩周的土体扰动范围和程度小 、 施工质量好等特点 , 已广泛用于我国许 多城市 , 特别是沿海城 市建设和旧城改造的桩基础 施工 。(2 采用恒流量设计方法 , 其压桩液压系统比较 简单 。参考文献 :1 丁树模 . 液压传动 M. 北京 :机械工业出版社 ,1998.2 彭志明 , 陆栋 . Y ZY 系列全液压桩机及其在软土地区的施工 J.建筑机械 ,1999, （4 : 2230.3 俞启荣 . 机床液压传动 M
15、.北京 :机械工业出版社 ,1984.4 章宏甲 , 黄宜 . 液压传动 M.北京 :机械工业出版社 ,1993.（编辑 :王书平（上接第 27 页参考文献 :1杨长暌 . 起重机械 M.北京 :机械工业出版社 ,1982. 2K ovals. I. Z ar. frage der seilschwingunger und der seidampfungJ.Die. Bautechnik ,1982, （10 :325332.3埃米尔 . 希谬 . 风对结构的作用 风工程导论 M.上海 : 同济大学出版社 ,1992.4季文美 . 机械振动 M. 北京 :科学出版社 ,1985.（编辑 :李国云預升油吒