资源描述
完整说明书CAD图纸由QQ:153893706提供ZYJ900液压静力压桩机夹持机构液压系统设计学 生：指导老师：(学院，长沙 410128)摘 要：本文概述了高性能液压静力压桩机技术特点；对液压静力压桩机进行结构分析；对液压静力压桩机的传动系统进行设计；设计多点均压夹桩机构，并对其设计原理、功能特点进行了具体的分析，同时对两种夹桩机构夹桩时桩内部的夹持力进行分析，采用多点均压夹桩机构，桩身应力分布均匀，且在夹桩油压相同时，夹桩力同比更大，而桩身应力峰值为采用传统夹桩机构所产生的桩身应力峰值的30%。关键词：液压；压桩机；静力；夹桩机构Hydraulic System Design of The ZYJ900 Hydraulic Static Pile DriverStudent:Gan Han-yu Tutor:Mo Ya-wu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: This essay generalizes the technical characteristics of the high-performance hydraulic static piling machine, analyzes the structure of the hydraulic static piling machine, designs the transmission system of the hydraulic static piling machine and the mechanism of the piling machine of multiple points average pressure, and specifically analyzes its design principles, functional characteristics. And at the same time, This essay analyzes the internal chucking power of the two piling machines. Utilizing the piling mechanism of multiple points average pressure, the pressure of the piling body itself is distributed in average. When the oil pressures of the pilings are the same, the power of the piling is relatively larger. However, the peak value of the piling itself is 30% of that of the piling whose peak value is generated by the traditional piling mechanism. Key words: hydraulic; pile driver；static pile；pile holder mechanism1 前言液压静力压桩机是一种新颖的环保型建筑基础施工,具有无污染、无躁声、无震动、压桩速度快、成桩质量高的显著特点，是一种高效节能无公害的先进桩基础施工工艺，代表未来桩工机械的发展方向。本文讲述了高性能液压静力压桩机技术特点；对液压静力压桩机进行结构分析；对液压静力压桩机的传动系统进行设计；设计多点均压夹桩机构，同时对夹桩液压缸进行了设计计算。在分析液压静力压桩机的发展概况及普通对顶式夹桩机构功能特点的基础上，提出了一种多点均压式夹桩机构的设计方案，并对其设计原理、功能特点进行了具体的分析，同时对两种夹桩机构夹桩时桩内部的夹持力进行分析，采用多点均压夹桩机构，桩身应力分布均匀，且在夹桩油压相同时，夹桩力同比更大，而桩身应力峰值为采用传统夹桩机构所产生的桩身应力峰值的30%。该创新技术成功解决了已有传统夹桩机构的不足，能在薄壁管桩施工及大吨位桩机施压高承载能力桩基础时，确保夹持可靠且桩身无破损。新型方圆桩夹桩箱，利用锲块增力原理，将夹桩缸轴向安装在箱体外部，进一部提高了对桩夹持的可靠性，解决了对顶式夹桩箱夹桩缸径向安装在箱体内部维修换件非常困难的问题。2 液压静力压桩机简述桩基础是建筑施工特别是高层建筑施工中最为常见的基础形式。其中，将预制桩完全依靠静载平稳、安静地压入软弱地基，是一种新型的桩基础施工方法-静压桩工法。这种环保的独特方法逐渐取代了锤击式打桩。随着科学技术的发展和人们环保意识的增强，液压静力压桩机开始广泛的应用。它适用于崩陷性土，淤泥土，砂层，沉积地质等地质条件。特别是用于市中心时，它是非常合适的一种理想的环保的基础设备。它最显著的性质是高稳定性的运转和高可靠度的成效。液压静力压桩机分为“抱压式液压静力压桩机”和“顶压式液压静力压桩机”(对桩顶部施压进行压桩)两种。抱压式液压静力压桩机压桩过程是通过夹持机构“抱”住桩身侧面，由此产生摩擦传力来实现的；而顶压式液压静力压桩机则是从预制桩的顶端施压，将其压入地基的。由于施压传力方式不同，这两种桩机结构形式、性能特点、适用范围也有显著不同，其核心是液压系统的设计方法及其配置，它直接影响整机的技术性能及节能效果。而压桩机构是桩机的主要工作装置，是这种压桩机的关键技术，直接影响桩机的压桩能力和成桩质量。其中，抱压式桩机主要由压桩系统和夹桩机构组成，而顶压式桩机主要由压桩系统和桩帽组成。顶压式桩机除压桩机构中没有夹桩机构外，一般不带起重机，但增加了一套卷扬吊桩系统。常规的顶压式压桩机由于其结构及工作特点，使其工作重心较高、安全性较差，并且存在压桩力较小、压入桩的垂直度保障能力差等问题，因而其应用受到限制；而抱压式压桩机结构紧凑、操作简便、工作重心低、移动平稳、转场方便、施工效率高，因此，抱压式压桩机已经占绝对主导地位。本文所述液压静力压桩机主要是指抱压式液压静力压桩机。2.1 静力压桩施工的概念及其分类 完全依靠静载把预制桩压入地基，是一种特殊桩基础施工方法静力压桩法1，其施工方法主要有以下几种：（1）压桩机施工法；（2）锚杆反压施工法；（3）利用结构物反压施工法；（4）堆载压入法。2.1.1 静力压桩机的分类从其发展历程来看，至今为止，静力压桩机有绳索式压桩机和液压式压桩机两种，其中液压式压桩机按其压桩的方式分为“抱压式（从侧面夹持桩身压桩）”和“顶压式（从桩顶部压桩）”两种；按其功能的不同可分为普通型液压静力压桩机和多功能液压静力压桩机（特别是可压边桩、角桩以及薄壁管桩的功能）；按压桩机构的布置位置不同可分为中置式液压压桩机和前置式液压压桩机。由于抱压式压桩机比顶压式压桩机机构紧凑、操作简便、移动平稳、转场方便，施工效率高，所以尽管压桩机最早从“顶压式”开始发展，“抱压式”压桩机仍然占主导地位。2.1.2 桩机行业状况国内在20世纪80年代开始，相继开发出可用于生产实际的液压静力压桩机，其发展大致可以分为两个阶段：第一阶段，从20世纪80年代后期到90年代中期以前，国内先后研制了几种压桩机，并逐步形成系列产品进入市场，其中具有代表性的性能较好的有武汉生产的YZY系列液压静力压桩机和利用中南大学机电技术与装备研究所的专利技术生产的ZYJ系列液压静力压桩机。上述两个处于主导地位的系列产品具有各自不同的特点，其中YZY系列桩机是我国早期性能较为先进的桩机产品，其主要特点如下：（1）液压系统采用恒流量设计原理设计、并且多采用电磁阀控制方式；（2）压桩系统采用多对压桩液压缸同时参与压桩；（3）横移回转机构采用建筑机械使用手册中介绍的三层式结构，回转后需人工复位。这种桩机在使用过程中发现以下不足： （1）能量利用率和工作效率较低；（2）电磁阀故障率较高，严重影响设备的可靠性；（3）横移回转机构结构较为复杂，且不能自动复位，工人劳动强度较大；（4）桩机回转属刚性回转，无回转补偿功能；（5）桩机顶升行走时局部偏载严重。ZYJ系列桩机的研究设计及其产品应用起始于20世纪90年代初，它是在研究了软弱地基上压桩实际工况和已有桩机产品所存在的问题基础上开发成功的。主要具有以下特点：（1）液压系统采用变流量准恒功率设计方法设计，使桩机功率得到合理匹配，同时，控制系统采用普通液压阀控制，机构简单可靠；（2）压桩系统采用两对压桩液压缸先后参与压桩，具有双速压桩特性；（3）横移回转机构采用两层式新结构，具有自动复位、回转补偿功能；（4）纵移机构具有均载联动功能，使顶升行走系统尽可能负载均衡；（5）夹桩器钳口分上下两层布置，提高了夹桩的可靠性及桩的导向性。 第二阶段， 从20世纪90年代中期以后开始，由于1994年底在珠海利用液压静力压桩机将直径500 mm的预应力管桩压入强风化岩获得成功，实现了静压桩施工技术的历史性突破，从此拓宽了静压桩的应用范围，也使预应力管桩在城市和居民住宅区内的应用找到了一条新路子。一方面，实现了静压桩的单桩承载力向大吨位方向的快速发展，与此同时，市场对大吨位桩机的需求不断增大，而且要求越来越强烈；另一方面，由于施工范围的不断扩大，对桩机功能的要求也日益增多，出现了工程施工中许多必须解决的实际问题。2.2 传统液压静力压桩机国内外现状及液压静力压桩机的发展趋势2.2.1 液压系统功率匹配不符合压桩实际工况，底盘结构复杂一方面，由于其液压系统采用恒流量设计，系统功率按满足最大流量和额定压力的要求进行配置，与实际工况不相适应，在压桩的大部分低阻力阶段，处于“大马拉小车”的工作状况，而进入高阻力阶段时，由于阻力大，必然导致压桩速度下降，多余的高压油的压力能只能以热能的形式从溢流阀上泄走，导致整个压桩过程能耗高、工作效率较低；另一方面，其底盘的横移回转机构采用3层式结构，无回转偏差补偿功能，设备回转时，底盘与地面间存在强制性的相对运动，回转后需人工复位，纵向移动时，顶升液压缸相互独立，活塞杆所受径向载荷严重不均，底盘结构复杂，可靠性较差，工人劳动强度大。2.2.2 产品功能单一，适应能力差20世纪90年代末期以来，旧城改造以及基坑开挖后所出现的大量的离障碍物很近的“边桩”和靠角的“角桩”，对产品提出了一机多能的要求；同时，静压桩的桩型不断多样化，单桩承载力大幅度提高，特别是高承载力管桩、薄壁管桩的广泛应用和H型钢桩的出现，要求大吨位抱压桩机既要夹持可靠，又不破损桩，这对夹桩技术及相应装置提出了很大挑战。这些工程中的实际问题已成为抱压式静力压桩机进一步推广应用的桎梏。传统压桩机普遍只具有压“中桩”能力，或者虽能压“边桩”，但其“边桩”距离较大且不兼有压“角桩”功能，导致同一工地需多机种作业，给工程管理带来极大不便；同时，夹桩可靠性问题始终没有从根本上得到解决，工程适应能力差，严重制约了静压桩技术的推广。2.2.3 液压静力压桩机的发展趋势随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强，液压静力压桩机的应用将获得更广泛的推广。同时，液压静力压桩机技术及产品将由粗放型向功能精细化、操作智能化方向发展。其发展趋势可归纳如下2：(1)进一步多功能化，产品适应能力进一步加强。在较厚硬隔层地质条件下施工时，设计并配置专用的螺旋钻，提高压桩机的穿透能力和对地质的适应能力；对大吨位桩机开发相应的夯实装置，实现以静压替代强夯压桩管径可从目前的最大600mm增大到800mm以上；(2)智能化操作与施工的压桩机开发。开发机身液压自动调平系统，压桩过程计算机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作；(3)异型桩夹持装置的刀发。特别是与钢板桩、工字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩机构的开发；(4)压桩力大、质量轻机型产品的开发，特别是对于钢板桩连续墙施工产品的开发将是今后静力压桩机发展的新领域；(5)适应于北方寒冷地区气温低 、冻土层较厚的桩机产品的开发；(6)产品向高档次、高可靠性方向发展。 3 高性能液压静力压桩机技术特点 通过本人在网络上对湖南山河智能机械股份有限公司的了解，也对公司的专利产品-液压静力压桩机有了一个初步的认识，它具有准恒功率技术，新型步履行走底盘，边桩，角桩处理技术，多点均压式夹桩技术等特点。 3.1 准恒功率技术原有产品的主要不足：不适应实际工况，液压系统采用恒流量设计，其多对压桩液压缸同时参与压桩，导致系统能耗高，压桩速度相对低下。解决的难题：在较低功率匹配的条件下，既要实现高速压桩，又要保证足够的压桩力。高效节能的液压控制系统，根据实际压桩过程低阻力阶段时间较长且要求有较高的压桩速度、高阻力阶段速度较低且要求有较高的压桩力(对应为高压桩油压)的特点和要求，利用变量泵或恒功率泵低压大流量、高压小流量的变量特性，使压桩过程两个阶段的功率消耗基本一致，从而达到压桩过程的准恒功率匹配。压桩系统利用两对压桩液压缸先后参与压桩，即低阻力阶段由一对压桩液压缸进行压桩，适应低阻力高速度的要求；到了高阻力阶段另一对压桩液压缸同时参与压桩，以适应低速度高压桩力的要求。由此保证了压桩机在整个压桩过程中有很高的功率利用率。若不计其他损失，功率利用率接近1，系统分阶段接近于恒功率运转，解决了传统液压静力压桩机功率利用率低、液压系统可靠性及使用寿命差的问题。3.2 新型步履式行走底盘原有产品的主要不足：回转机构无偏差补偿能力，该偏差依靠结构变形或底盘强制性挪位解决；无自动复位功能；升降机构之间负载严重不均衡，导致机构可靠性差。 解决的难题：对于工作条件恶劣的重达几百吨的大型工程施工机械，如何从结构上自动实现回转偏差补偿、回转复位和行走时升降机构负载均衡。 新型步履式行走底盘采用两层式结构，简单可靠；短船自动复位机构，具有回转自动复位功能，解决了传统桩机在回转过程中短船需人工进行复位的问题，有效地降低了工人的劳动强度；在回转平台上巧妙地设计了回转补偿装置，有效地提高了设备的工作可靠性；纵移机构具有均载联动功能，通过联动液压缸将前后两顶升液压缸活塞杆径向浮动连接，使桩机在纵向移动时，前后顶升缸活塞杆联合动作并实现负载均衡，其优越性在大吨位桩机上尤显突出。3.3 边桩、角桩处理技术原有产品的主要不足：功能单一，不能近距离处理离“墙”很近的“边桩”以及两“墙”相交处的“角桩”，这是静压桩技术在基坑开挖后或旧城改造等工程实际应用中遇到的重大障碍。 解决的难题：大型工程设备实施近障碍物施工，并要求达到足够高的压桩力，实现一机多用。独创的“边、角桩装置”：沿压桩机纵向移动方向(即压桩机细长方向)一端布置处理“边桩”、“角桩”的机构，有效实现了同一套装置同时近距离处理边桩和角桩的目的。对于小型压桩机，将正常压桩、夹桩的一套机构全部移到此处安装；对于大中型压桩机，则另外提供一套较简单的压桩夹桩机构，在需要处理“边桩”、“角桩”时安装。在桩机配重保持正常的情况下，就能做到处理“边桩”和“角桩”时充分利用桩机的自重。3.4 多点均压式夹桩技术(1)在圆周方向均布的若干个夹桩液压缸分上下两层轴向布置，分别通过与之相连的锥形块驱动对应的钳口同时向中心收缩对桩进行夹持。由于锥面的增力作用，多瓣钳口从多个方向可靠地夹紧预制桩。钳口的分布数量可以根据实际需要任意确定，以适应管桩的不规则性。(2)这种夹桩机构利用手握鸡蛋的夹持效果，有效地运用了锲形块的增力原理，将夹桩液压缸轴向布置，钳口在桩周实施多层多瓣多点夹持，并具有一定的浮动功能，能自动适应桩身的表面状况自动定心，从而达到桩身均压，使其应力分布均匀的目的。在夹桩油压相同(10MPa)时所产生的夹桩力更大，而桩身应力峰值仅为采用传统夹桩机构所产生的桩身应力峰值的30%。(3)由于锲形块的自锁作用，避免了普通型夹桩机构因夹持液压缸及系统元件的泄漏可能引起的夹桩打滑甚至座机现象的发生，提高了夹桩机构的安全可靠性。尽管其结构较复杂，但具有定心效果好、桩周夹持均匀、安全可靠的特点，有效地解决了夹桩时桩身破损以及大吨位压桩打滑的难题，即使用于壁厚仅为55mm的薄壁管桩或压桩力超过7000kN时，也不会发生桩破损的情况。4 压桩机液压传动系统的设计4.1 液压静力压桩机的结构分析4.1.1 主要部件机构及其工作原理液压静力压桩机的主要组成部分如图1所示3。（1）长船行走机构（纵移机构）长船行走机构4主要由船体、行走台车、油缸等组成。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.边桩机构 2.油箱、动力室 3.司机室及电气系统 4.操件台5.配重 6.压桩台 7.机身 8.起重机9.横移回转机构 10.纵移机构 11.升降机构 12.液压系统图1 液压静力压桩机结构原理图Fig.1 the Structure diagram of the Hydraulic static pile driver （2）短船行走机构及回转机构（横移机构）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：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。 （3）升降机构升降机构主要由前后共四个升降油缸、平衡阀、机身自动调平系统、浮机报警系统等组成。油缸底端与长船上行走小车相连，油缸缩回时长船离地，纵移油缸向前移动；油缸伸出时长船着地靠四个油缸的力将机身顶起同时短船离地，机身上装有水平监控系统用以保证整个机身的水平度，在压桩时保证桩与地面垂直不会偏。油缸液压油路上设有平衡阀，也称限速锁，是一种外控内泄式单向顺序阀，由一个单向阀和一个顺序阀并在一起使用，在工作时通称在工作回路中建立一定的背压，使液压缸或马达不会因负载自重下滑，此时起闭锁作用，不至于因自重超速下滑而使液压缸或马达的主工作产生负压，因此不会发生像双向液压锁那样的冲击和振动。 1 液压缸 2 液控单向阀 3 电磁换向阀图2 升降机构液压系统原理图Fig.2 the Structure diagram of The Hydraulic system about lifter framework （4）压桩平台压桩平台是本机的主要工作机构。由它实现夹桩、压桩作业。主要由主副压桩缸、夹桩箱等组成。夹桩箱由夹桩箱体、夹桩油缸、钳口等组成。压桩时，主压桩缸活塞杆缩回将夹桩箱提到最高位置。预制桩吊入夹桩箱中间孔后，夹桩缸伸长，将桩夹紧；再操纵压桩阀控制手柄，主压桩缸活塞伸长，产生强大的压力将桩压入地基，直到缸的行程走完，夹桩缸缩回并松桩；接着主压桩缸活塞杆缩回提起夹桩箱，就这样依次循环完成“夹桩返回松桩夹桩”的动作，将预制桩逐次压入基础之中。如果需要的压桩力不超过在额定工作压力下主压桩油缸所产生的压桩力,则只需主压桩缸工作即可。如果需要的压桩力超过在额定工作压力下主压桩油缸所产生的压桩力， 则需主副压桩缸同时工作。（5） 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。夹持油缸装在夹持横梁里面。压桩油缸与导向压桩架相联。压桩工艺过程是将桩段吊入夹持横梁内，夹持油缸伸程通过夹持板将桩段夹紧、然后压桩油缸作伸程动作，使夹持机构在导向压桩架内向下运动，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.4.1.2 液压系统分析液压系统分主机液压系统和吊机液压系统。 图3 液压系统原理图（主机部分） Fig.3 the Structure diagram of the Hydraulic system about the main machine（1）主机液压系统 桩系统是本桩机的核心技术之一，在高效节能方面取得突破性进展。同时，根据地基压液压系统原理如图3所示。主机液压系统56主要由13台压力补偿变量泵、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。多路换向阀S控制升降油缸的伸缩，从而可调整机身的高度和水平，长、短船的离地和落地；多路换向阀Y控制夹桩箱的升降、压桩、夹桩和松桩；多路换向阀Z控制桩机的行走和回转。每组多路阀有4个操作手柄。液压系统采用准恒功率系统设计，两对先后参与压桩的液压缸和与之匹配的液压系统形成的准恒功率压桩阻力变化，实施多挡压桩速度，有效地克服了桩机能耗高的弊端。（2）起重机液压系统 本起重机7与一般液压汽车起重机的结构相似，主要由吊臂系统、卷扬系统、回转系统和液压控制系统组成，其原理如下图4所示。吊臂系统与吊臂伸缩 吊臂系统主要包括大臂、伸缩吊臂和两个并联变幅油缸及伸缩吊臂的驱动系统等组成。吊臂伸缩时，首先将吊臂基本放平，拨出固定活动臂的两个销轴后，扳动多路换向阀操纵手柄即可控制吊臂伸缩马达的转动，从而使活动臂相对固定臂运动。图4 起重机液压原理图Fig.4the Structure diagram of The Hydraulic system of crane 卷扬系统 卷扬系统主要由液压马达、减速器和制动器的卷扬滚筒机构、卷扬用钢丝绳和滑轮组成。回转系统 回转系统主要包括一台液压马达、减速机、小齿轮和回转支承、回转支承固定在机座上。液压马达通过摆线针齿轮减速机驱动小齿轮，小齿轮围绕回转支承上的大齿轮转动，实现起重机的回转运动。4.2 液压系统噪声的排除液压静力压桩机是公认的高效、低污染的环保型桩基础施工设备，投放市场十年来，以其特有的优势，很快占据了沿海城市建筑基础施工的市场。但是，20世纪90年代中期的老机型的液压系统流量偏小，相应的压桩效率较低。有的用户曾参照新机型加大了供油量，加快了压桩速度，虽提高了施工效率，但其液压系统却因此而产生了强烈的噪声。经检查，主要噪声源有两处，一是从液压泵组出口至汇流器(3个液压泵供油汇流)之间的输油钢管振动发出的噪声；二是行走时，纵移液压缸时压力油入口处的液流受冲击产生的高频噪声。排除噪声的方法810：(1)由于系统压力油从液压泵流至汇流器的管路上要经过二道90。弯的钢管， 当工作压力达到10-16 MPa时，液流的液动力激发了弯头处钢管的固有频率，致使该段管路发生剧烈振动，从而辐射出强烈噪声。经研究决定，将其中的一个90。钢管的弯曲处切除，换上通经为32 mm、4层钢丝缠绕、长700 rain的液压胶管。这样，在工作压力范围内，液流就不能引发管路的共振，从根本上排除了这个噪声源。(2)纵移液压缸时，压力油入口处的这个噪声源是由节流塞而引起的。因为系统流量加大后，整机行走速度过快，起步、停步时对机身的冲击很大，为了适当降速而加了一个节流塞(见图5)。图5 液压缸节流口示意图Fig.5 the Schematic diagram of the Hydraulic cylinders restriction 当压力油穿过节流孔道a a经b口进入液压缸时，由于孔道面积突然加大而形成喷流，从而产生强烈的冲击噪声。我们将接头改成如图5右图所示的形状，接头孔道中部b处的断面积最小(但能满足节流要求)，液流的入口a和出口c均做成喇叭口状，装机试验，取得了令人满意的效果，消除了这个噪声源。为避免噪声的发生，在液流管路上应尽量避免通流截面的突变；采用钢管的管路时，特别是有多处弯道的情况下，应考虑液动力的影响，避免管道产生共振现象，必要时可加一段软管以消除振动，防止噪声的发生。4.3 桩机主要技术参数下面以ZYJ900型桩机为例说明其主要技术参数（1）压桩力、压桩速度 主压桩缸单独工作： 最大压桩力 450 tf 慢速压桩速度 2.0 m/min 快速压桩力 144.0 tf 快速压桩速度（最大） 5.0 m/min 主副缸同时工作： 压桩力 900tf 压桩速度（最小） 0.7 m/min 一次压桩行程 1.8 m 边桩最大压桩力 260 tf（2）行走能力 每次行程：纵向 3.6 m 横向 0.7 m 每次转角： 8 行走速度：前进 5.0 m/min 后退 9.4 m/min 左移 5.0 m/min 右移 7.0 m/min（3）升降行程 1.10 m（4）用桩尺寸 圆桩： 最大600mm 长度： 小于14m（5）液压系统 额定压力： 12.9 MPa 额定流量： 270 L/min（6）电气系统 功率： 303+30=120 kW 电压： 380 V 电流： 56.82+56.8=227.2A 频率： 50 Hz 输入电缆： YCW-350+216（7）重量 主机重量： 约158 t 最大部件（不含夹桩箱）： 56.0 t（8）外形尺寸 工作长工作宽运输高=1400091603000 mm（9）边桩距离 注：选配压边桩机构后边桩距离为： 1000 mm 角桩距离： 1530 mm（10）接地比压（600t时） 长船： 13.9 短船： 16.0表1 ZYJ900型桩机动性系统油压与泵的流量调整Tap.1 The oil pressure of ZYJ900 type hydraulic pile mobility system and the adjustment of pump flow最大压桩力（tf）主缸压桩力（tf）系统油压（MPa）高压下泵排量（%）最低压桩速度（m/min）37618815.01001.0439219.517.51001.050225120.0900.9056428222.5800.8060030023.9750.7590045025.5700.70（11）起重机 最大变幅力矩： 800 最大起重量： 16 tf 最大起升速度： 10 m/min 最大回转速度： 3 r/min4.4 压桩机液压传动系统的设计4.4.1 液压系统回路设计（1）主干回路设计液压系统原理1112见图3，主要由三台压力补偿变量泵，三组手动多路换向阀Z、Y、S，溢流阀以及实现上述功能的液压缸、液压附件组成。多路换向阀S控制升降油缸的伸缩，从而可调整机身的高度和水平，长、短船的离地和落地；多路换向阀Y控制夹桩箱的升降、压桩、夹桩和松桩；多路换向阀Z控制桩机的行走和回转。每组多路阀有4个操作手柄。对于任何液压传动系统来说，调速回路都是它的核心部分。这种回路可以通过事先的调整或在工作过程中通过自动调整来改变元件的运行速度，但它的主要功能却是在传递动力（功率）。根据伯努力方程13： （1）式中 主滑阀流量 阀流量系数阀芯流通面积阀进出口压差流体密度其中和为常数，只有和为变量。液压缸活塞杆的速度： （2）式中为活塞杆无杆腔或有杆腔的有效面积一般情况下，两调平液压缸是完全一样的，即可确定和所以要保证两缸同步，只需使，由式（2）可知，只要主滑阀流量一定，则活塞杆的速度就能稳定。又由式（1）分析可知，如果为一定值，则主滑阀流量与阀芯流通面积成正比即：,所以要保证两缸同步，则只需满足以下条件： ，且此处主滑阀选择三位四通手动换向阀 ，如图6所示。 图6 三位四通手动换向阀 Fig.6 Three four-way manual valve（2）其它回路选择下面所列均为桩机上所用到的液压回路，由于桩机本身质量比较大，属于大型工程机械，移动过程相对缓慢，工作要求精度不是很高，所以用到的液压元件以及液压回路都比较简单，其中包括平衡回路、压力调定回路、锁紧回路、进油节流调速回路。以下了出各种回路基本原理图。平衡回路 图7 用直控平衡阀的平衡回路Fig.7 Direct control of the balance valve with loop平衡回路的功用在于防止垂直或倾斜放置的液压缸和与之相连的工作部件因自重而自行下落。在桩机上用于调定机身的水平，压桩时要求桩身平衡，否则会发生偏桩、断桩的现象，因此连接升降油缸两端的回油路上都要设有起平衡作用的平衡阀。如图7所示。压力调定回路压力调定回路是最基本的调压回路。在夹桩、松桩以及压桩、提桩的过程中需根据不同的地质情况设置系统的压力、压桩速度以保证能够正常压桩，同时可以方便有效的控制个回路的压力减少泵的功率损耗，提高效率。溢流阀的调定压力应该大于液压缸的最大工作压力，其中包含液压管路上各种压力损失。如图8所示。图8 用先导型溢流阀控制的压力调定回路Fig.8 Using the pressure of the pilot-type relief valve to control the loop锁紧回路图9 用液控平衡阀的平衡锁紧回路Fig.9 Using the Equilibrium of the fluid balancing valve to lock the loop 锁紧回路的功用是在液压执行元件不工作时切断其进、出油通道，确切地是使它保持在既定的位置上。 考虑吊机的功能要求：由于吊机自身重力的作用，以及在起吊重物过程中举身过程要比较平稳，而且在任意位置要能被锁定，所以背压阀的压力值要设得比较小；工作时也要很好的被锁住；前倾时也要平稳和能被锁住，所以被压阀值要设得比较大。再考虑到平衡和锁紧的功能，可以使用液控平衡阀来同时实现这两个作用14。其原理如图9所示。 起吊过程中，开始时吊臂自重对液压缸的压力比较大，进油路压力很大，所以回油路上的被压值很小，随着起吊过程的进行吊臂自重对缸的压力减小，回油路上的被压值也随着增加。前倾过程中，进油路上压力值很小，所以回油路上的背压值特别大，收回过程和此分析相反。要锁紧时可以用换向阀切断进油路，从而靠平衡阀直接锁住。进油节流调速回路 进油节流调速回路使用普遍，但由于执行元件的回油不受限制，所以不宜用在超越负载(负载力方向与运动方向相同)的场合。阀应安装在液压执行元件的进油路上，多用于轻载、低速场合。对速度稳定性要求不高时，可采用节流阀；对速度稳定性要求较高时，应采用调速阀。在桩机上用在两个主副压桩油缸上，保证压桩时主副压桩油缸的同步一致性。其原理如图10所示。 图10 进油节流调速回路 Fig.10 the throttling function of the oil and the speed regulation function of the loop4.4.2 液压系统原理的设计 系统有节能要求，因此选用定压式容积节流调速回路，此回路由限压式变量叶片泵和调速阀组成（如下图11）。马达运动速度由调速阀中的节流阀开口来控制，变量泵输出流量则和进入马达的流量自相适应当时，泵的供油压力上升，使限压式变量叶片泵的流量自动减小到；反之，当时，泵的供油压力下降，该泵又自动使。因此，此调速回路使泵的供油量基本恒定。由于泵可按负载压力自动调节流量，有利于节能，减小油液发热。由于上车在某一回转角度指令下回转时，比较元件把采集到的实际回转角度信号与指令信号进行比较，判断出没有回转到位时，会给电液比例方向阀一个相应的电信号。这个电信号控制比例阀节流口开度的大小，从而输出相应的流量，但与开口前后的压差无关。因此，此调速阀已由比例阀给出。考虑到运动到位后，比例方向阀回到中位，泵的压力油可供其他回路，因此，另设一15Mpa顺序阀的管路。 图11 调速回路Fig.11 the speed regulation function of the loop4.4.3 确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数为压力和流量。它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。负载决定压力；液压执行元件（即马达）的运动速度和结构尺寸决定了流量。(1)回转马达载荷力矩计算：已知驱动力矩：Q=2500N.m，即马达惯性力矩=2500N.m，取机械效率=0.95，则载荷力矩T=2500/0.95=2632N.m （3）(2)初选系统工作压力压力的选择16要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低会加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料角度来看也是不经济的；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封制造精度也要求很高，必然要提高成本。由于吊机回转部分比较大以及在起吊过程中承受的载荷比较大，所以系统压力应适当高点，根据马达的受力情况，初选压力为14MPa。4.4.4 液压元件的选择液压系统是由液压元件和基本的控制回路组成的，而基本控制回路也是由液压元件通过管道和阀体组合而成的，因此液压元件是组成液压系统最基本单元。按照功能和执行任务不同，液压元件大致可以分为液压动力元件，液压执行元件，液压控制元件和辅助元件四大类。液压动力元件的功能是为液压系统提供具有一定压力和流量的液体，如液压泵。液压执行元件的功能是将液体的压力能转化为机械能，以驱动工作装置，如液压缸和液压马达。液压控制元件是用来控制，调节液流方向、速度、流量、压力等参数，使整个系统按要求协调的工作，如各种控制阀。辅助元件包括蓄能器、油箱、滤清器等。(1)液压马达的选择计算液压马达排量液压马达是双向回转的，其回油直接回油箱，视其出口压力为零，机械效率为0.95，因此， V=1180 （4）其中，= 液压马达进出口油压差。液压马达的选择17已经计算得出马达排量为1180mL/r，正常工作时，输出转矩2500N.m，系统压力为14Mpa。选择宁波意宁定货型号为IYH 32500的液压马达。其=3250L/min,V=1407 mL/r, =70r/min,在P=31.5Mpa时，输出扭矩T=2500N.m，m=61kg, 灌注油量30L，驱动轴J=3kg.。马达实际所需流量计算选择减速机为宁波意宁的Z23，其传动比为i=7，质量m=40kg。为了减小尺寸，小齿轮齿数取为37。因此，马达转速为：n=i2.5 r/min=710 r/min=70 r/min （5）因此，马达实际所需流量为：Q=Vn=118070 r/min=82.6L/min （6）(2)液压泵的选择 ppp1+p （7）式中 p1液压缸或液压马达最大工作压力； p从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。 是液压系统工作压力，即=25Mpa，为泵出口到液压马达入口的管道损失，由于系统中有换向阀，单向阀，取=0.5Mpa。泵工作压力为：=25+0.5=25.5Mpa （8）液压泵流量的确定 （9） 其中 马达，缸最大流量之和，对于在工作中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取 K系统泄漏系数，一般取K1.11.3，此处取1.1。则液压泵流量： =82.61.1=90.86L/min （10）液压泵的选择为了有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大2560。确定液压泵的驱动功率 （11）48.27 Kw （12）其中 液压泵的总效率 表2 液压泵的总效率Tap.2 The overall efficiency of hydraulic pumps液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.600.700.650.800.650.750.800.85综合考虑到整机其它工况动作，选择江苏启东申力的63YCY14B液压泵，=25Mpa,=31.5Mpa,V=63 mL/r。速度1500r/min时，Q=67.8L/min，Pmax=31.5MPa时，功率为55.6kw，质量63kg。(3)液压阀的选择18选择阀主要根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀。 溢流阀按液压泵的最大流量选取，选择节流阀和调速阀时要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的需要；控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20以内的短时间过流量本系统工作压力11Mpa左右。选择的换向阀是多路换向阀，ZS1-L32H-60H，其额定流量30L/min，泄漏量0.1 L/min（31.5Mpa），电磁换向阀 2ZEO-B6H-T，额定压力31.5MPa，流量12L/min，电压36V，额定电流0.9A，液控放油阀DFY-B25H，工作压力0-31.5MPa，流量200L/min，溢流阀MZL5-H32B，工作压力0-31.5MPa，流量200L/min， FD型平衡阀。单向阀S25PK-1-0.05，额定压力31.5MPa，流量175L/min。(4) 油管内径计算19由于制动阀装在马达上，因此管道只需计算泵进油管，出油管的内径。由式： （13）式中 Q通过管道内的流量，流量取最大流量；Q=82.6L/min 管内允许的流速m/s，对于吸油管路取对于压油管路取；则有： 泵进油管： （14） 泵出油管： （15）按标准值选取： 表3允许流速推荐值Tap.3 the recommended values of the allowed flow rate管道推荐流速/（m/s）液压泵吸油管道0.51.5，一般常取1以下液压系统压油管道36，压力高，管道短，粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6 (5) 确定油箱有效容积在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。经验公式： （16）其中液压泵每分钟排出压力油的容积. 经验系数，见表4 。表4 经验系数Tap.4 Empirical coefficient 系统类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械12245761210已知所选泵流量为82.6L/min,此时液压泵每分钟排出压力油0.0826，此系统为中压系统，取，得有效容积为： （17）4.5 液压系统发热温升计算(1) 计算发热功率20 液压系统设计时，除了执行元件驱动外载荷输出有效功率外，其余功率损失全部转化为热量，使油温升高。按下式计算其发热功率： （18）其中，泵的平均输入功率为 （19）式中工作循环时间 s； 液压泵的输出压力 Pa；液压泵的输出流量 /s； 各台液压泵的总效率； 第台泵工作时间 s；对本回转循环来说，=，因此，泵的平均输入功率为 （20）系统的输出功率为： （21）式中工作循环时间 s；液压马达的载荷扭矩Nm；液压马达的转速 rad/s；第台泵工作时间 s；由于=， （22）总的发热功率为：Phr=Pr-Pc=47.32-2.91=44.41kw （23）(2) 计算散热功率21 前面已初步算得油箱有效容积0.4135，按V=0.8abh求得油箱各边之积：abh=0.4956/0.8=0.61 （24）取h=1m，a、b分别为0.78m。因此，油箱散热面积为：A1.8h(a+b)+1.5ab=1.81（0.78+0.78）+1.50.782 =3.72m2 （25）油箱的散热功率为：
展开阅读全文