1、液压静力压桩机液压系统改造 -总体部分设计 绪论1.1 静力压桩机的发展桩工机械是各种桩基础工程的主要施工机械，按其工作原理可分为冲击式、振动式、静压式和成孔灌注式几类。常用的有柴油锤、蒸汽锤及液压锤、振动锤、静力压桩机、各种钻孔机以及与桩锤配套的各种打桩架等。锤击打桩是人类最早采用的桩基础施工方法之一。坠锤是冲击锤的原始形式，此后是蒸汽锤，目前国内广泛应用的是柴油锤，液压锤也在国内外有所应用。振动沉桩是利用高频振动，以高加速度振动桩身，使桩身周围的土体产生液化，减小桩侧与土体间的摩擦力，然后靠振动锤与桩体的自重将桩沉入土层中。自20 世纪70 年代中期，美国 MKT 公司首次在世界上研制成功
2、第一台液压式振动桩锤以来，便受到建筑界的重视并得以迅速发展，发达国家已普遍推广使用液压式振动桩锤。液压静力压桩是20世纪80年代兴起的一种桩基础施工新工艺。纵观液压静力压桩机的发展过程，大致可将其分为两个阶段：第一阶段，从20世纪70年代后期到90年代中期，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。其中具有代表性的两个系列产品是武汉市建筑工程机械厂生产的YZY 系列液压静力压桩机和利用中南大学智能机械研究所的专利技术生产的ZYJ 系列液压静力压桩机。在这个阶段主要解决了这种桩机的设计理论基础、动力配置和系统设计问题，满足了静压桩的基本功能。但就整体来说，其主要特征是桩机压桩力不大，
3、实际使用的最大压桩力不足4000kN，绝大部分的压桩力为 1 6002400kN；功能单一，主要应用于施工现场预制的截面尺寸为(300 mm300 mm)(400mm 400mm)的钢筋混凝土方桩(实心件) 的正常中位压桩，单桩设计承载力标准值在1400kN 以 下 。而预应力管桩和高强度预应力管桩主要是通过锤击设备如柴油锤等进行打入。进入20世纪90年代中期以后，液压静力机进入第二发展压桩阶段。由于1994第 1 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计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
4、压桩的应用范围，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。这个阶段的桩机品种显著增加，系列化不断完善，生产厂家也急剧增多，至今在全国约有30个制造厂。其中湖南山河智能机械股份有限公司的生产能力最大，2003年共生产125台，占全国年总产量的30%40%。目前的生产能力达到每月15台，年生产能力在180台左右，已形成压桩力为80010000kN的完整的产品系列。1.主驾驶室4.吊机7.纵移机构2.压桩台5.机身8.配重3
5、.预制桩6.横移回转机构9.升降机构图 1-1 静力压桩机的结构组成1.2静力压桩机的结构组成和工作原理1.2.1 静力压桩机的结构组成压桩机主要由升降机构、纵移机构、横移回转机构、压桩台、电控系统等部分组成,其外形及结构如图1-1所示。1.2.2 静力压桩机的工作原理由电控箱按钮进行起动和关闭,起动后高压泵产生的高压油,通过管路和控制阀件流入全机各个油缸内,使油缸按要求进行工作。管路内总压力可由溢流阀进行调整和控制,油缸的动作可由操纵室内手操多路阀控制。第 2 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计1. 升降机构升降机构主要由四个升降液压缸与四条悬臂组成。四个升降液压缸缸筒分
6、别通过四条悬臂与车身连接，其活塞杆分别与长船上的四组行走小车铰接。液压缸活塞杆伸长则机身和短船升高，反之降低。短船落地后，升降液压缸活塞杆继续缩回，则长船升起离开地面。2. 纵移机构纵移机构主要由两个长船及长船上的两条纵移液压缸和四个行走小车组成。当两个纵移液压缸同时伸长或缩短时，机身与长船之间便产生纵向的相对运动。3. 横移及回转机构横移及回转机构主要由两个短船、两条横移液压缸、回转平台、回转中心轴及弹簧复位机构组成。当两条横移液压缸同时伸出或回缩时，就使机身与短船产生相对横向移动。若两条液压缸一条伸，另一条缩，就会使二者产生相对转动。产生相对转动后，当短船离地时，安装在回转台上的复位弹簧即
7、可使回转台连同短船复位。4. 压桩台压桩台是桩机的主体结构,由它实现夹桩、压桩作业。它主要由主副压桩缸、夹桩箱等组成。夹桩箱由夹桩箱体、夹桩液压缸、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。再操纵压桩阀手柄，主压桩活塞伸长，产生强大的压力将桩压入地基，直到缸的行程走完，夹桩缸缩回松桩。接着主压桩缸活塞杆缩回提起压桩箱，就这样依次循环完成“夹桩压桩松桩返回夹桩”的动作，将预制桩逐次压入基础之中。如果需要的压桩力不是很大，则只需要主压桩缸工作即可。如果需要的压桩力过大，则需要副压桩缸同时工作。5. 液压系统液压系统分主机液压系统和吊
8、机液压系统。主机液压系统由齿轮泵，单向阀，第 3 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计溢流阀，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。压桩系统的主要执行元件压桩油缸可是是单缸也可以是由一个主液压缸和一个柱塞缸辅助缸组成的双缸。6. 静力压桩机的技术特点在国内, 湖南山河智能机械股份有限公司的ZYJ系列静力压桩机有多项技术创新，很有特点。其产品采用高效节能的液压控制系统,均压管桩夹桩机构、边角桩装置, 既可压“ 中桩” ，又可压 “边桩”、“角桩” 的“ 边桩、角桩”装置和新型液压步履式行走，既实现了高效节能，又解决了实际问题、提高了施工质量。1.3 选题的
9、意义和作业内容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 ,具有效率高、工人劳动强度低、低噪音、无污染等优点，在持力层较深的沿海地区和内陆冲击平原地区具有明显的施工优势，其液压系统设计是否合理将直接影响着设备的性能。设计出更符合压桩实际工况的液压系统对提高液压静力压桩机的经济性，可靠性和实用性具有重大意义。本论文的工作内容如下：1拟订出液压系统的方案，绘制出液压原理图。2液压缸、液压马达主要参数的计算，主要液压元件的选型。3. 液压缸、油箱泵组等的设计及校核。第 4 页 共 56 页产品型号 ZYJ800额定压桩力(KN) 8000压桩速度(m/min) 高速 4.0低速
10、 0.7压桩行程(m) 1.8转角(o) 8升降(m) 1.1方桩(mm) 最小 400最大 300最大圆桩(mm) 600边桩距离(mm) 0.68角桩距离(mm) 1.2额定起吊(Kg) 16变幅力矩(tfm) 80功率(kW) 压桩 135起重 30尺寸(mm) 工作长 14000工作宽 8560运输高 31903总质量（含配重）(10 Kg) 802液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计 液压系统工作原理图的拟定2.1 液压系统方案的选择2.1.1 ZYJ 800 液压静力压桩机液压系统的基本参数及性能要求1. ZYJ800 液压静力压桩机液压系统的基本参数表 2-1 ZYJ 800
11、液压静力压桩机液压系统的基本参数2. ZYJ 800 液压静力压桩机液压系统的性能要求整个液压系统的要求是简单紧凑，高效节能，能在恶劣的环境下工作。起升机构应该升降平稳，速度适当，能在某位置停止，因此要设计有限速回路和相应的锁紧装置。纵移、横移机构只要求管路畅通就行，没有特别的性能要求。第 5 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计压桩、夹桩机构也是升降动作，要求升降平稳，速度适当，因此两机构都要有限速回路和琐紧装置。压桩机构还要求能满足一个调速范围，形成一个高速和一个常速两个个档位，所以要设计一个二级调速回路。压桩机构难免会遇到突然停机，系统压力急剧增大的情况，此时应有专门的
12、卸荷回路。各个机构的液压回路，都应该设计有各自过载阀（有各自的调定压力），保证过载状态下卸荷。整个液压系统还应该设计一个专供泄露油流回油箱的回路，保持整个系统的清洁。2.1.2(1)液压系统型式的确定及多路阀的连接液压系统型式的确定按油液循环方式的不同，液压系统可分为开式系统和闭式系统。由于静力压桩机执行液压缸的两腔面积不等，且两腔交替频繁，所以液压系统选用开式系统，即各元件回油直接回油箱。按系统压力的高低，液压系统可分为低压系统(使用压力16Mpa)，中高压系统 (16Mpa使用压力 25Mpa)，高压系统 (使用压力25Mpa)。由于本课题要求的工作压力为 25Mpa 左右，所以系统为高压
13、系统。按所使用的液压泵形式的不同，液压系统可分为定量系统和变量系统。按系统中液压泵的数量，液压系统可分为单泵系统、双泵系统和多泵系统。通过前述分析，本液压系统选用的是压力补偿变量泵,工作压力又属于中高压，课题要求的执行元件的工作速度可达 5m/min，只使用一个泵难以提供足够的动力，所以选择双泵或多泵；因此整个系统的型式确定为多泵变量开式系统。多路阀的连接(2) 多路阀的油路连通方式有并联式，串连式，串并联式。本液压系统采用 3 个多路阀块，横移、纵移机构共用一个并联多路阀块，以实现横移或纵移两个伸缩液压缸的同时移动。升降机构的四个液压缸用一个并联多路阀块，以实现四个升降液压缸同时移动，保证机
14、身的平衡。压桩和夹桩机构共用一个多路阀块，因为压桩机构是主要执行机构，设计时要考虑到它的泄露油第 6 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计回路和卸荷回路，且主副压桩缸并不是总是同时作用，所以该多路阀块不是简单的并联，比较复杂。2.1.3 各组成机构基本回路的选择(1) 升降机构的回路选择机身在做下降运动时受重力作用的影响 ,如果无控制,必然在重力的作用下加快运动速度，产生超速下降，造成事故。因此必须设置限速回路。目前主要有两种方法，一种是用平衡阀限速，一种是用液控单向阀和单向节流阀限速。升降液压缸D15.1D9.4D15.2D9.3D15.3D9.2D15.4D9.1卸荷回路
15、D6.4 D6.3 D6.2 D6.1进油口回油口图 2-1 升降机构液压原理图（用液控单向阀和单向节流阀限速）若选择液控单向阀和单向节流阀进行限速，其液压原理图如图 2-1 所示。当手动换向阀置为上位时，液压泵来油经过换向阀上位，进入液压缸有杆腔，并通过控制油路将液控单向阀打开，从液压缸无杆腔出来的液压油，经过打开的液控单向阀，再经过单向节流阀和换向阀下位，回到油箱。如果产生机身超速下降的现象，则液压缸有杆腔进油路液压不足，压力降低，甚至产生负压，液控单向阀将关闭，直到该油路压力升高，再打开液控单向阀，才能继续下降。单向节流阀起限速作用。如果升降机构要在某位置停留，可将换向阀置为中位，切断液
16、压油。这种限速方法所用元件简单，体积小，安全可靠，打开液控单向阀的控制压第 7 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计力较低，能量损失少。但液控单向阀对压力十分敏感，开关动作迅速，工作平稳性较差。若用平衡阀限速,则液压原理图如图 2-2 所示。升降液压缸D 15 .1D 9 .4D 15 .2D 9 .3D 15 .3D 9 .2D 15 .4D 9 .1卸荷回路D 6 .4 D 6 .3 D 6 .2 D 6 .1进油口回油口图 2-2 升降机构液压原理图（用平衡阀限速）当手动换向阀置为上位时，机身下降，压力油直接端进入液压缸无杆腔，顺序阀的外控口 K 接进油路，阀芯的开启或
17、关闭由此进油路的压力控制。机身下降正常时此进油路有一定压力，打开顺序阀使液压缸无杆腔的油通过流回油箱。如果机身下降过快，超过了相应的速度时，进油路压力降低而使外控顺序阀的阀口关小，液压缸的回油阻力增大，从而阻止机身下降速度的进一步提高。平衡阀控制油路中的节流阀能减缓平衡阀的启闭速度，使其工作稳定可靠。比较以上两个方案，使用平衡阀调速既能达到液控单向阀和单向节流阀限速的效果，而且能使整个起升机构工作时更加平稳可靠，这对体积、质量大的工程机械是相当重要的，因此选择平衡阀调速。(2)纵移机构和横移及回转机构的回路选择第 8 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计横移液压缸 纵移液压缸
18、D10.1 D10.2 D11.1 D11.2D6.8 D6.7 D6.6 D6.5 卸荷回路回油口进油口图 2-3 纵移机构和横移及回转机构的液压原理图纵移机构和横移机构是通过全液压实现动作，它不同于挖掘机，起重机的行走机构，它液压回路的设计和升降机构的液压回路的设计很相似，不同之处就在于纵移机构和横移机构的液压缸动作时不需要考虑重力的影响。因此，纵移机构和横移机构的液压回路中不需要用到液控单向阀。回转机构的回转动作是通过两个纵移液压缸相反伸缩来完成，回转的回复动作是靠专门的弹簧机构实现，不需要液压控制。故纵移机构和横移及回转机构的液压回路原理图如图 2-3 所示。当手动换向阀置为下位时，是
19、液压缸活塞杆收缩的情况，液压泵来油经过换向阀下位，进入液压缸有杆腔，从液压缸无杆腔出来的液压油，经过换向阀上位，回到油箱。当手动换向阀置为上位时，是液压缸活塞杆伸长的情况，液压泵来油经过换向阀上位，进入液压缸无杆腔，从液压缸有杆腔出来的液压油，经过换向阀下位，再回到油箱。每个液压缸都设有一个换向阀，横、纵移液压缸的两个缸既可单独运动，又可同时运动。(3) 压桩台液压回路的选择第 9 页 共 56 页液压静力压桩机液压系统改造总体部分设计D5.4主压桩缸D12.1 D12.2D9副压桩缸D13.1 D13.2D5.1夹桩液压缸D14.1 D14.2D14.3 D14.4D8.4D8.5D8.2D
20、7.3 D8.6 D7.2 D6.4 D8.3D7.1卸荷回路回油口进油口图 2-4 压桩台的液压原理图压桩、夹桩机构因为也是升降动作，也要设计与起升机构的一样的限速回路和琐紧装置。因为只有直线往复运动，所以压桩机构的执行元件选用双作用液压缸，液压缸一边是有杆腔，一边是无杆腔，两腔的作用面积有差别，这样就可以通过差动连接来实现速度的转换，完成二级调速回路的设计。压桩机构的卸荷回路用换向阀的中位机能实现。选用主、副压桩缸组来完成压桩动作，在主压桩缸的压桩力不能满足要求时，主、副压桩缸同时作用。压桩台的液压原理图如图 2-4 所示。夹桩手动换向阀 D7.1 置为下位，其余换向阀置为中位。液压油从进油口进入，过手动换向阀 D7.1 下位，经过液控单向阀 D5.1 到夹桩液压缸无杆腔，夹桩液压缸夹紧预制桩；从夹桩液压缸有杆腔出来的油，再经过手动换向阀 D7.1 下位，回到第 10 页 共 56 页
