螺杆桩机牵引卷扬液压系统初探.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 1 2期 螺杆桩机牵引卷扬液压系统初探 江 峰， 朱小民， 陈恺恺 意宁液压股份有限公 司， 浙江 宁波3 1 5 8 0 6 摘要 牵 引卷扬是螺杆桩机上 的重点部件之一。简单介 绍了螺杆桩机牵 引工况后 ， 对 比分 析了几种常见 的桩机牵 引形式 。在此基础 上 ， 提出了一种新型 的采用两台独立卷扬同步工作的液压系统 ， 并详细介绍了其工作原理。分析表明使用这种液压 系统 能极 大地改善 桩机牵引的适应性 ， 提高桩机 的工作效率和可维护性 ， 增强 了螺杆桩机的多样化作业能力。 关键词 螺杆桩机 ； 液压卷扬 ； 同步控制 ； 液压 系统 中阔分类号 T H1 3 7 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 5 8 0 3 Br i e f I n t r o d uc t i o n o f Tr a c t i o n W i nc h Hy d r a u l i c S y s t e m f o r S c r e w Pi l e M a c h i n e J I ANG F e n g， Z HU Xi a o - mi n， C HE N Ka i - k a i I n i H y d r a u l i c C o ． ， L t d ． ，N i n g b o 3 1 5 8 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p i l e w i n c h i s o n e o f i mp o r t a n t p a rts o f s c r e w p i l e ma c h i n e ．A f t e r a b ri e f i n t r o d u c t i o n o f t h e p i l i n g o p e r a t i o n me tho d ， i n the b a s e d o f c o mp e d wi t h a f e w o f d i ff e r e n t p i l i n g t y p e ， p r o p o s e d a n e w h y d r a u l i c s y s t e m o f p i l i n g w i t h s y n c h r o n o u s c o n t r o l o f t wo i n d e p e n d e n t w i n c h e s a n d d e s c r i b e d the d e t a i l e d w o r k i n g p rin c i p a 1 ． An a l y s i s r e s u l t s s h o we d t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f p i l e wi n c h i mp r o v e d t h e p i l i n g p e r f o r ma n c e a d a p t a b i l i t y a n d o b t a i n e d g o o d ma i n t e n a n c e ． A t s a me t i me ， t h e h y d r a u l i c s y s t e m a l s o i n c r e a s e d t h e w o r k i n g e ffic i e n c y a n d e x p a n d e d the a p p l i c a t i o n fi e l d o f s c r e w p i l e ma c h i n e ． Ke y wo r d s s c r e w p i l e ma c h i n e ； h y d r a u l i c w i n c h； s y n c h r o n o u s c o n t r o l ； h y d r a u l i c s y s t e m 0 引言 随着基础工程建设的多样化 ．施工场地越来越偏 僻 ． 运输维护成本越来越高 。 环保要求越来越 高 ， 传统 的桩机 已经不能完全满足 日益变化 的市场需要 ．而螺 杆桩机以其噪声低 、 出土少、 易维修 、 拆装性好、 适应性 强等优点越来越多地出现在各种桩基施工领域。其 中， 牵引桩杆的提升和下放是螺杆桩机最重要的两个工作 过程 。如何高效节能地实现桩杆 的提升和下放 ， 对于整 台螺杆桩机的使用至关重要 。传统链条传动 ， 或是液压 缸等牵引方式 已经难以满足多方位的需要 ．采用牵引 卷扬液压系统 ．既可以实现载荷相对较小的桩杆的快 速提升和下放 ． 又可 以实现重载荷 的高效工作 ， 较传统 形式可 以节约大量的能量消耗 1 概述 1 ． 1 牵引提升和下放简介 螺杆桩机卷扬牵引桩杆提升和下放一般分为 3种 工 况 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 3 作者简介 1 9 8 0 - ， 男， 工程师， 硕士， 现主要从事流体传动及控制、 机械 设计与制造方面的研究 。 1 动力头空载或动力头带桩杆上下移动 ， 桩杆只 有 自身重量 2 桩 机压桩 ． 桩杆随动力头加压下放 ， 且应保证 桩杆不出现坠落现象 3 桩 机拔桩 ， 当重载荷时 ， 动力头和桩杆慢速提 升 ； 当轻载荷 时 ， 动力头和桩杆快速提升 ， 即保证恒功 率提升运行 1 ． 2传统牵引系统 1 链条牵引 链条传动属于机械传动 ．但作为一种螺杆桩机基 本的桩杆牵引方式 ． 这里做一点提及。桩机上的链传动 牵引是 以封闭链 的形式连接在动力头上 ．桩杆提升和 下放所需 的功率 由电机通过平行轴式齿轮箱再分配到 双排链条上。 但链传动占地体积大、 吨位重、 拆装不便、 可维护性差 ．而且在压桩或拔桩过程 中受到 冲击时不 具有过载保护功能 ．容易造成设备损坏或危害操作人 员的事故 2 同轴单卷筒液压卷扬牵引 如 图 1 所示 ．同轴单卷筒液压卷扬是将卷筒 3加 工成左右两种折线槽 ．通过压绳板 5将钢丝绳通过左 右折线槽 4 ． 6分别固定到动力头上下两端 。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ． 1 2 ． 2 0 1 3 1 2 3 4 5 6 、 - n I | } I { _ ] |． 1 ． ． 1 J I lI 1 一 斜 轴 式 变 量 液 压 马达2 一 机 架3 一 卷 简 4 一 右旋折线槽5 一 压绳板6 一 左旋折线槽 图 1 同轴单卷简液压卷扬示意 图 当使用这种大直径 ．单层双绕绳形式的卷扬加压 下放桩杆时 。 动力头下端钢丝绳收进 ． 同时上端钢丝绳 放出。反之当提升桩杆 时 ， 动力头上端钢丝绳收进 。 下 端钢丝绳放出。 且收放钢丝绳速度相 同。 根据外部负载 大小 ．斜轴式变量液压 马达 1可实现轻载快速 和重载 慢速的提升和下放 如图 2所示 ．同轴单卷筒液压卷扬的液压系统较 为简单 ． 仅需要在下放方 向 B口放置一个 平衡 阀 ． 用于 防止下放超速即可 图 2同轴 单卷 筒卷 扬 液 压原 理 图 虽然 同轴单卷筒液压卷扬通过卷筒上 的两种折线 槽可以实现 同步提升和下放操作 ．但这种卷扬不能进 行多层绕绳 ． 否则 同步牵引效果会受到很大影 响， 甚至 造成桩机危险。由于不能多层绕绳 ， 其容绳量有 限， 轴 向长度较大 。 在整个车架上 的安置较为不便 ， 难以适应 长距离深度打桩 。另外 。 采用这种封闭环形式 的牵引 ， 如果动力头上下钢丝绳变形程度不一样 ．也容易产生 突然下坠等现象 ．加速钢丝绳 的非正常磨损和破断并 引发事故。 1 ． 3 机械同步双卷扬牵引 如 图 3所示 ．机械同步双卷扬是采用两台液压卷 扬分别控制桩杆的提升和下放 ．用于桩杆提升的称为 拔桩卷扬 。 用于桩杆下放 的称 为加压卷扬。两台卷扬平 行排列放置 。 由液压马达提供动力 ， 经输 出小齿轮通过 与两个卷筒一侧的大齿轮相互啮合实现两台卷扬之间 的同步联动。即当其 中一 台卷扬收绳时， 另一台卷扬 同 步放绳 ， 反之亦然 ， 形成同步控制。 ■ 一 舅 一 r一 叶Ⅲl mⅢ㈣ 叶憎 篚 _- _ 眦 删 。 l厂 1 ㈣ ㈣ JlI H 一 ㈣ l洲 一 一 一 一 一 ■ ■ 鼻 图 3机械 同 步 双卷 扬 示 震 图 机 械同步双卷扬使用一个液压动力源 ．具有和同 轴单卷筒卷扬相同的液压系统 ．但轴 向空间有较大缩 短 ， 容绳量也有所提高。不过仍然存在卷筒只能单层绕 绳的情况。由于这种双卷扬配置仍然属于封闭环形式 ． 两个卷筒上钢丝绳变形量的不一样也 同样会产生突然 下坠等现象 2 液压 同步双卷扬牵引 1 被动式液压同步双卷扬 液压 同步双卷扬牵引 ．是采用两台完全独立控制 的液压卷扬 ， 即拔桩卷扬和加压卷扬 。 利用各 自液压 系 统之间的联系来达到同步控制桩杆的提升和下放 拔桩卷扬 和加压卷扬可采用相 同或不 同的结构参 数配置 。两台卷扬上的钢丝绳分别通过滑轮组固定到 动力头 的上下两端 。卷扬 的绳速由输入卷扬 的流量决 定 。 系统压力根据实际拉力大小变化。两台卷扬采用 电 控或液控 的斜轴式液压马达来调整排量变化 当动力 头空载或动力头带桩杆轻载上下移动时 ．液压马达排 量设 为小排量 ， 即高速小扭矩状态 ； 当压桩和拔桩 时 ， 将液压马达排量转换到大排量 ， 即低速大扭矩状态。 如图 4所示 ， 其工作原理如下 当进行拔桩作业 时．压力油通过方 向控制 阀 l由 拔桩卷扬 的 B 1口进入液压马达 7．同时经过梭阀 2和 电磁方 向阀 8打开拔桩卷扬的停车制动器 ．拔桩卷扬 开始收绳 。 收绳的速度 由方 向控制 阀 1的开 口来调节 。 此时加压卷扬上的方 向控制阀 1 0处于中位 ． 加压卷扬 的液压马达 l 6处于被动放绳状态 。 S 3和 S 4得电 ， 通 过 C 2口经过电磁方向阀 1 7联动打开加压卷扬 的停车 制动器。加压卷扬 的液压马达 1 6在拔桩提升力的作用 下作泵工况 ． 油液通过打开 的电磁方 向阀 1 3和节流阀 1 4由 E 2口流回主回油路 。节流阀 l 4可以对泵工况的 5 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 l 2期 马达进行速度控制 为了保证整个主回油路始终充满 液压油 ．在主回油路 和油箱之 间放置了一个开启压力 0 ． 3 MP a的背压阀 9 虽然加压卷扬被动放绳会 因为节 流损失而产 生部分发热 。但 同时液压马达 1 6也会 由 D 2口通过双 向补油 阀 1 5 将 主回油路上的冷油 回补马 达低压腔 ． 一方面防止马达 因补油不充分而损坏 ． 另一 方面也可 以起到冷却冲洗 ． 减小发热 的作用。另外加压 卷扬上 的节流阀开 口可 以调大一点 ．因为在提升过程 中不存在 向上的超速可能 拔桩卷扬 加f 五卷扬 Cl 1 ， 1 0 -方 向 控 制 阀2 ， 1 1 -梭 阎3 ， 1 2 -平 衡 阀4 , 8 ， 1 3 ， 1 7 -电磁 方 向 闽 5 ， 1 4 一 节流 阀6 ， 1 5 一 双向补油阀7 ， 1 6 一 变量液压马达9 一 背压 阀 图 4被动式液压 同步双卷扬液压原 理图 当进行压桩作业时 ．基本作业操作与拔桩类似 ． 压 力油 通 过方 向控 制 阀 1 0由加 压卷 扬 的 B 2口进 入 液压 马达 1 6进行收绳 ． 同样通过控制方向控制 阀 1 0的开 H 来调节加压下行的速度 此时拔桩卷扬上的方 向控制阀 1处于中位 ．拔桩卷扬 的液压马达 7处于被动放绳状 态 ． S 1和 S 2得电， 通过 C 1口联动打开拔桩卷扬 的停车 制动器 ． 使得油液通过液压马达 7经过电磁方 向阀 4和 节流阀 5由 E 1口流 回主回油路 在加压下行时 ． 拔桩卷 扬上 的节 流阀开 V I 应小 ． 通过节流控制 ． 从 而保证对动 力头始终有一定的背张力 ． 防止加压时因为突然遇到软 土层瞬间加速下行时出现动力头下坠的现象 被动式液压同步 的关键点就在于一台液压卷扬 主 动工作 ． 另一台液压卷扬被动反拖。由于液压桩机 的牵 引速度不是很快 ． 且工作过程中有一定 间歇 ． 采用这种 方式能满足实际使用要求 ．但当长时间采用被动反拖 式操作时 ， 仍会产生大量 的热量 ， 因而必须保证有足够 的冷却来防止液压系统 的过热 2 自由下放式液压 同步双卷扬 自由下放式液压 同步双卷扬针对 上述 的不 足 ． 采 用 自由下放式 的加压卷扬和被动式的拔桩卷扬组合构 成。当进行拔桩提升时， 被动放绳 的加压卷扬不需要保 6 0 持较大的背张力 ．因而使用 自由下放式 的加压卷扬优 势更 大 。 如图 5所示 ． 拔桩提升时 ． 先导控制油从 X 口进入 加压卷扬 内部的离合器油缸 1 ． 推动油缸运动克服离合 器弹簧 2的作用力 ． 使得卷筒内部的湿式离合器片组 3 完全脱开， 卷筒在外力作用下可 自由拉动。此时无论快 速还是慢速提升 ．加压卷扬的卷筒仅仅根据提升的速 度放出相应的钢丝绳 ． 不存在任何节流发热损失 ． 能更 好的节约能量和提高效率 。 压桩下放时 ， 先导油 口X接 回油箱 ．加压卷扬上的湿式离合器片组 3在离合器弹 簧 2的作用下完全合上 ， 正常下拉动力头 ． 此时拔桩卷 扬如上节所述 ． 使用节流的方式被动反拖放出钢丝绳 。 拔桩卷扬 加压卷扬 C1 1 一 离 合 器 油 缸2 一 离 合 器 弹簧3 一 湿 式 离合 器 片组 图5 自由下放式液压 同步双卷扬液压原理图 3 结语 螺杆桩机采用液压 同步双卷扬进行牵引操作 ． 工 作效率高 ， 容绳量大 ， 空间占用小 ， 转场维修方便 。不仅 能克服现有传统牵引方式 的不足 ．还能因良好 的控制 适应性显著改善整台桩机的作业行为 未来可以考虑 将 负载传感技术 ．电子测控系统和电子监控系统运用 到液压同步双卷扬系统 中． 最后达到智能控制 ． 提供更 加便捷高效 。 更加 自动化的桩机牵引操作作业 。 参 考 文 献 f 1 1 路 甬祥． 液压气动技术手册『 M1 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 2 ． 『 2 1 雷天觉． 液压工程手册『 M1 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 孙文， 于兆 水， 姜超 ． 螺杆桩 机加压提升装 置的设计[ J ] ． 建筑机 械， 2 0 1 2 ， 1 1 1 1 4 1 1 6 ． [ 4 ] 唐秋生． 螺纹桩机的开发与应用[ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 6 ， 2 3 2 34． 『 5 1 沈保汉． 桩基础施工新技术专题讲座 九 螺纹灌注桩与螺杆 灌注桩[ J ] ． 工程机械与维修， 2 O l 1 ， 1 1 3 8 1 4 1 ． [ 6 】 王万俊 ， 张远鉴． 螺旋桩机 同步跟踪 自动控制 系统 的研制 [ J ] ． 华 中科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 2 ， f 4 3 5 3 6 ．