全液压静力沉桩机行走机构的设计与研究 - 文章

全液压静力沉桩机行走机构的设计与研究

作者：中南工业大学黄开启吴万荣罗春雷

摘要：本文介绍了液压静力沉桩机的行走机构设计和工作原理，并根据行走机构的受力分析，提出了一种全新的液压联动机构。

关键词：液压静力沉桩机　行走机构　支腿　联动

全液压静力沉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础机械，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，已广泛用于我国沿海城市建设和旧城改造的桩基础施工。液压静力沉桩机共由十二个部分组成，结构如图1所示。它对单根预制桩施加的最大静压力不大于桩机自身的总重量(包括70%的配重块重量)。目前该类桩机的吨位一般为80～650t。根据桩基础承载力设计要求，最适宜采用桩基的地基为上部软弱而在桩端可达的深度埋藏有坚实地层，我国沿海地区浅层地基的平均抗压强度小于0.12MPa。为了保证在施工过程中桩机能灵活移动和避免沉陷，一般工程建设机械的履带行走机构不能满足要求。综合步履行走和预铺轨道工作原理，我们设计出了一种预铺轨道提携船式新型步履行走机构。

1.司机室　2.操作台　3.机身　4.压桩台
5.起重机　6.纵移机构　7.横移回转机构
8.举升机构　9.液压系统　10.泵站　11.配重
12.电气系统

图1　液压静力沉桩机结构示意图

1　行走机构特点与工作原理

行走机构如图2所示。行走运动可分解成纵向位移、横向位移和回转运动，由纵移机构和横移回转机构实现。在机身横梁上固定有四个支腿油缸，活塞杆与纵移机构中的行走小车连接，伸缩支腿油缸可使机身相对地面升降，从而能提放长短船，这是实现步履行走的前提。横移回转机构的回转平台通过两根中心轴悬挂在机身上，机身落下后又可支撑在回转平台上，成双层结构。这样，两者便有绕中心轴相对转动的自由度。整个桩机通过长短船与地面接触，根据浅层地基所能承受的抗压强度，设计合适的长短船接地面积，便可避免桩机沉陷。桩机的行走是通过提携长短船实现的，如果伸长支腿油缸使短船离地，只有长船接地时，伸长或缩回与行走小车绞接的行走油缸可使行走小车在船体中的预铺轨道上移动，而机身又通过支腿支撑在行走小车上，行走小车的移动便通过支腿带动机身作相对地面的移动。当缩回支腿油缸使短船接地时，再缩回或伸长行走油缸使小车回到初始位置，便完成一个纵向位移动作。横向移动工作原理相同。如此重复便能使桩机在施工场地内做任意距离的移动。

1.短船　2.行走小车　3.复位机构　4.机身横梁
5.行走油缸　6.回转平台　7.支腿油缸　8.长船
图2　行走机构原理图

桩机的回转运动通过机身作相对回转平台的转动实现。长船提起后，短船接地，整个机身支撑在回转平台上，当前后横移行走油缸分别伸长和缩短时，由于短船道轨的制约，行走小车带动两个回转平台分别沿短船作方向相反的直线运动，而机身由回转平台的中心轴带动只能作相对地面的转动。由回转前后机身中心线和回转平台中心线构成的直角三角形可知：两中心轴之间的距离变长了。机身中心轴孔设计为椭圆形孔，且长轴在机身中心线上。在回转过程中，中心轴可沿椭圆形孔长轴方向移动，使其能补偿回转时所需要的伸长量。由于机身支撑在回转平台上转动，从而大大降低了回转时的摩擦阻力，也避免了在回转过程中机构受力过大产生损坏的可能性和回转不到位。如果给出一个定值补偿伸长量，由上述三角形可计算出每次回转的角度，它也是一个定值。将短船提起，通过弹簧复位机构使其复位后，一个回转动作便完成了。重复操作可使机身相对地面全方位转动。

2　行走机构的结构设计与研究

在压桩过程中，地基浅层和深层土壤对预制桩的桩侧摩擦力和桩端阻力呈非线性变化，而接地船体所承受的压力与桩机施加在预制桩上的静压力有密切关系，大小等于机身的重量减去施加在预制桩上的静压力，而且承受船体的表层地基情况复杂，所以在桩机压桩和行走过程中船体的支撑状态是不断变化的，支撑机身的四个支腿油缸所承受的力也是变化的。为了消除支腿油缸在不同支撑状态下所承受的不同大小和方向的分力，设计时支腿采用球头铰接方式，球头连接能保证在不同支撑状态下，支腿所承受的只有轴向力。此外，在桩机行走时，行走小车需要克服轨道的摩擦阻力，由行走油缸提供动力，如果油缸只与一个行走小车相连，势必导致另一个行走小车所需要克服的摩擦力由机身传递，这样，就会使支腿活塞杆受到弯矩的作用，这个弯矩是造成支腿油缸磨损严重的主要原因，轻则引起油缸密封件磨损过快，泄漏严重，伸缩无力；重则使支腿弯曲断裂，机器损坏。综上所述，压桩时要求每个船体中的两行走小车之间呈浮动状态，由支腿受力情况决定它们的支撑状态；而在行走时为了平衡行走摩擦阻力作用，又要求它们之间刚性连接，进行力的直接传递。为此，引入行走联动油缸，结构如图3所示。

图3　行走机构受力状况示意图

两个油缸支腿分别支撑在船体中的两行走小车上，行走油缸缸体与行走小车1连接，活塞杆端部固定在船体上，联动油缸缸体与行走小车2连接，活塞杆与行走油缸缸体连接，连接方式均为铰接。行走油缸无杆腔和有杆腔活塞面积分别为A1和A′1，联动油缸无杆腔和有杆腔活塞面积分别为A2和A′2；在机身施加在每个长船行走小车上平均压力设定为G/4的理想状态下(G为机身重量)，行走小车在速度从0到v的启动瞬间，行走油缸要克服的是轨道对行走小车的行走摩擦阻力和机身移动的惯性力，其间的相互关系可用如下方程表示：

或

式中：f——行走小车滚轮与轨道之间的摩擦系数；
　　　P1、P2——行走油缸中的油压；
　　g——重力加速度；
　　a——启动加速度。

在无联动油缸情况下，由于行走油缸只与行走小车1铰接，行走小车2需克服的fG/4摩擦力是行走油缸提供的，它通过支腿油缸1和机身横梁传到支腿油缸2再传到小车2上，在这种情况下，支腿油缸2受到

水平力的作用，而支腿油缸1受到了大小为

的水平力的作用。在这种水平力的作用下，会导致支腿油缸在使用过程中发生密封件易损、油缸发生漏油现象，甚至出现油缸活塞杆断裂。

在增加联动油缸后，采用如图4控制原理，相当于在两行走小车之间增加了一个液压垫片，将行走小车2移动所需要的力直接通过联动油缸传递过去。

图4　行走机构液压原理图

于是有：

或

当

＝P1A2或

＝P2A′2时，行走小车2所需要克服的力就由联动油缸提供。综合(1)、(2)、(3)、(4)式就有：

P1A2=p1a1/2

或

P2A′2=P2A′1/2　(6)

当：A2=A′1/2和A′2=A′1/2时，则行走小车2需要克服的摩擦力和机身移动惯性力由联动油缸提供，从而支腿油缸1和支腿油缸2所承受的水平力大大减小，均只有

。而在均速行走时，支腿油缸是不受侧向力的作用的，从而大大降低了支腿油缸损坏的可能性。

3　结论

桩机的行走采用提携船式步履机构，操作方便灵活，能很好地适应城市中复杂地基情况下的沉桩基础施工，采用联动油缸的行走机构大大减小了支腿油缸承受的侧向力的作用，提高了支腿油缸的使用寿命。实践证明：该种结构方案经济、可靠。

(投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2004-6-9，阅读1772次)

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