静压桩机优化多挡压桩速度的液压系统设计.pdf

静压桩机优化多挡压桩速度的液压系统设计 朱桂华,胡均平,罗春雷 中南大学 机电工程学院,湖南 长沙 410083 [摘要] 本文分析了早期液压沉桩机的液压系统存在的问题,研究设计了优化的液压沉桩机多挡压桩的液 压系统,并在ZYB系列液压静力沉桩机上实施,通过实际应用,取得了高效节能的效果。 [关键词] 静压桩机 液压系统 优化多挡压桩 高效节能 [中图分类号] TU67 [文献标识码]B [文章编号] 10012554X20030520040203 Studyanddesignofh ydraulics ystemforstaticpile2pressin g machinewithoptimummulti ple pile pressin gs peed ZHUGui2hua,HuJun2ping,LUOChun2lei Electro2mechanicalEn gineeringColle geofMiddleSouthUniversit y,Changsha410083,China AbstractThis paperanal yzestheh ydranlics ystemexistin g problemofearlierhydraulic pile pressingmachine.Ahydraulics ystem withmulti ple pile pressings peedforo ptimum pile pressingmachineisstudiedanddesigned.Thesystemisusedinthehydraulic pile pressingmachineserialZYB.Itgetshi ghefficienc yandener gy2savingresultthrough practicalusa ge. Keywordsstatic pile2pressingmachine;hydraulics ystem;o ptimummulti ple pile pressings peed;highefficienc yandener gsavin g 液压静力沉桩机投放市场只有十多年的历史, 与冲击式、灌注式等传统桩基础施工设备比较,它 以高效率、低噪声、无污染的优点,迅速占据了我 国南方桩基础施工市场。其压桩原理是依靠液压夹 桩机构夹紧预制桩,依靠桩机的自重,由压桩液压 缸驱动静力压桩。随着压桩机市场的迅速扩大,要 求压桩能力不断提高,液压沉桩机朝着大吨位、节 能、自动化的方向发展。早期一个挡位的压桩速度 早已不适应发展的需要,继而有了中期的两挡压桩 速度的设计。在此基础上,我们研究开发了优化的 多挡压桩速度的液压系统,大幅度提高了压桩作业 效率。该液压系统在ZYB系统桩机上实施,取得 了很好的效果,经济效益和社会效益显著。 1 早期液压沉桩机液压系统及其存在的问题 早期液压沉桩机具备液压行走、夹桩和压桩功 能,其液压系统如图1所示。液压泵组1向两个多 路阀组5和7同时供压力油,多路阀组5中有4路 分别接两个纵移液压缸和两个横移液压缸,一路接 一对压桩液压缸;多路阀组7中有一路接夹桩液压 缸,4路分别接4个支腿液压缸。 从图1可看出,这种液压桩机的压桩速度只有 一个挡位。液压泵的最大流量和压桩液压缸的缸径 决定了压桩的最大速度,而系统的最大油压和压桩 液压缸的缸径又决定桩机的最大压桩吨位。这里就 产生一个矛盾,即在液压泵流量一定的情况下,要 获得较大压桩速度就要减小压桩液压缸缸径,可是 这样就制约了桩机的最大压桩吨位。通常为了获得 较大的压桩吨位,而使得其压桩速度较低。实际上 这类机型的最大压桩力一般在1800kN以下,最大 压桩速度一般在215m/min以下,施工效率不高。 同时还有一个问题实际的压桩力是随着沉桩 阻力的变化而变化的,而沉桩阻力又是随着地下不 同土层性质的变化而变化的。典型的沉桩阻力曲线 见图2。在我国的南方沿海地层中通常有一个较厚 [收稿日期] 2002-10-09 [通讯地址]朱桂华,湖南省长沙市 04 设计制造 建筑机械 2003 5 11 液压泵 21 单向阀 31 过滤器 41 溢流阀 51 多路阀组1 61 压力表 71 多路阀组2 81 液控单向阀 91 压桩液压缸 图1 早期液压静力沉桩机的液压系统 的淤泥层,当桩穿越淤泥层时,沉桩阻力很小,而 当沉桩阻力逐渐增大时,往往很快就达到承力层规 定的压力而终止压桩。就是说,在大部分的沉桩时 间内实际所需的压桩力远小于桩机的最大压桩力, 即大部分时间内是大马拉小车,施工效率低,并造 成能源的较大浪费。 图2 典型的静压沉桩阻力曲线 2 优化的多挡压桩研究设计 211 两挡压桩液压系统设计 针对上面提出的问题,我们设计了具有两挡压 桩速度的液压系统,即采用两对等直径压桩液压缸, 其中一对为主压桩液压缸,另一对为副压桩液压缸, 并在原多路阀组5中增加副压桩操作阀路。当沉桩 阻力较小时,只操作主压桩,相应获得较高的压桩 速度;当沉桩阻力增大到接近系统设定的额定压力 时,主、副压桩同时操作,将桩压到规定吨位。 进行这次改进后,与原来同等吨位的桩机相 比,其压桩速度提高了近80,能源也得到较有 效的利用,桩机最大吨位可提高到500t左右。 212 优化的多挡压桩液压系统设计 在总结上述经验的基础上,研究设计出优化的 多挡压桩液压系统。 1额定压力的确定 液压桩机压桩的额定总压力Fe、额定压力 Pe、压桩液压缸的总面积S之间存在如下关系 Fe PeS1 根据我们多年的经验,要保持桩机液压系统长 时间稳定工作,其额定压力不宜大于23MPa,而 桩机的Fe是预先确定的,因此如额定压力Pe定 得过低,势必加大S而影响到压桩的速度。为兼 顾上述几个方面,我们选定了较优的Pe值范围为 22～23MPa。 2压桩液压缸总面积的确定及主、副压桩液 压缸缸径的匹配 由1式及上面推荐的Pe值,可以求出总 面积S的范围。如ZYB500C型桩机Fe5000 kN, 求出S012130～012227m 2 ,得出四个压桩缸的 平均直径为01260～01266m。 由图2沉桩阻力曲线知道,大部分深度内的沉 14 设计制造 建筑机械 2003 5 桩阻力远小于终止阻力,因此希望在这段深度内获 得较大的沉桩速度,所以一般将主压桩缸径取小一 些,在取得较大速度的同时,节约了能源。 例如,根据上述原则匹配的ZYB500C型桩机 主压桩液压缸缸径250mm,副压桩液压缸缸径 280mm。验算Pe22115,在优化值范围内。 3加速压桩油路的设计 由图2知道,在沉桩开始的一大段深度内,用 上述的主压桩液压缸压桩时,还是大马拉小车。因 此我们在主压桩油路上并联了加速压桩油路,大幅 提高这一段深度内的压桩速度,以进一步优化系 统。加速的原理是使主压桩液压缸差动压桩。 由此设计的ZYB500C型静压桩机的液压系统 如图3所示。 11 液压泵 21 单向阀 31 压力表 41 过滤器 51 加速压桩阀路 61 主压桩阀路 71 副压桩阀路 81 液控单向阀 91 单向节流阀 101 溢流阀 111 加油泵 121 截止阀 图3 ZYB500C型液压静力沉桩机液压系统原理图 图中截止阀12出口接边桩机构压桩液压缸。 4优化的多挡压桩速度的实现 经过上述研究设计,得到了优化的4挡压桩速 度。4个挡位分别与相应的沉桩阻力相匹配,阻力 小时用高速挡,阻力大时用抵速挡,起到了高效节 能的作用。 在额定压力下,ZYB500C型桩机的各挡最大 压桩速度及相应各挡的最大压桩力如表1。广东一 施工单位用ZYB500C型桩机在广东番禺某工地创 造了一昼夜压桩1300m的纪录,取得了显著的经 济效益和社会效益。 上述4个挡位的静压桩机操作方便、系统稳 定、可靠性高。 在实践中,我们还尝试过在大吨位桩机上采用 3对压桩液压缸,得到6挡以上的压桩速度,理论 上更加优化了,但在实际施工中,由于操作繁琐, 制造成本增加,往往不适用。所以ZYB系列桩机 上基本上都采用上述4挡的液压系统。 表1 ZYB500C型多挡最大压桩速度及各挡最大压桩力 液压站最大有效流量409 l/min 操作部位 最大压桩速度 m/min 最大压桩力 kN 额定压力 22115MPa 第一挡加速压桩8101150 第二挡主压桩4122218 第三挡 加速压桩副压桩2143932 第四挡主压桩副压桩1195000 采用优化的液压系统后,目前出厂的最大的液 压静力沉桩机最大压桩力已达8000kN以上。 [责任编辑黄志明] 24 设计制造 建筑机械 2003 5