液壓靜力植樁機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

杜惠明，趙 昊，戴浩林，劉志君，李勝璽

（武漢電力設(shè)備廠，湖北 武漢 430061）

0 引言

鋼板樁的植樁施工，國(guó)內(nèi)普遍的方式為在挖掘機(jī)上裝配專用的振動(dòng)夾具，利用夾具的振動(dòng)將樁插入地下，此種施工方式振動(dòng)及噪聲較大，能提供的壓入力有限。對(duì)于老城區(qū)的基礎(chǔ)重建、管網(wǎng)改造等的植樁施工，由于老城區(qū)房屋年代久遠(yuǎn)、抗振能力差、空間小等特點(diǎn)，利用振動(dòng)沖擊的植樁設(shè)備難以適應(yīng)老城區(qū)的植樁施工要求。另外還有一些大型的液壓靜力壓樁設(shè)備，需要配備多種設(shè)備及搭建龐大的臨時(shí)平臺(tái)，需要大量的人力、物力及廣闊的空間，使得其應(yīng)用范圍受到限制。同時(shí)兼具體積小、提供的壓入力大及利用液壓靜力植樁等特點(diǎn)的新型植樁設(shè)備—液壓靜力植樁機(jī)，則能很好的適應(yīng)老城區(qū)改造工程的植樁施工特點(diǎn)，滿足施工單位需求。

液壓靜力植樁機(jī)的工作原理是利用已壓入樁的支反力來(lái)平衡壓樁反力。通過(guò)這一原理，液壓靜力植樁機(jī)可以不用配重，通過(guò)夾爪抓緊已壓入樁完成植樁作業(yè)。因此，液壓靜力植樁機(jī)整體尺寸很小適應(yīng)性強(qiáng)。同時(shí)，由于樁的植入是通過(guò)液壓力而非振動(dòng)沖擊實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)現(xiàn)了無(wú)振動(dòng)植樁。液壓靜力植樁機(jī)最大壓入力可達(dá)到800～1 500 kN，最大拔出力可達(dá)到800～1 600 kN。它可以采用不同壓入工法在狹窄的空間進(jìn)行施工，主要是使鋼板樁形成墻體，從而進(jìn)行圍堰、坑基支護(hù)等。

國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有液壓靜力植樁機(jī)生產(chǎn)廠家，相關(guān)設(shè)備完全依賴進(jìn)口。根據(jù)深圳茅洲河水環(huán)境綜合治理現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研，一套進(jìn)口的液壓靜力植樁機(jī)價(jià)格約為1 300萬(wàn)元。根據(jù)目前開(kāi)發(fā)成果統(tǒng)計(jì)的成本，如果液壓靜力植樁機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)，筆者有信心將成本控制在進(jìn)口設(shè)備價(jià)格的70%以內(nèi)，這將有效降低工程建設(shè)施工成本。液壓靜力植樁機(jī)不僅適用于老城區(qū)改造中的基礎(chǔ)重建、雨污分離工程中的管道施工，同時(shí)在搶險(xiǎn)、救災(zāi)、橋梁修復(fù)、加固堤壩等領(lǐng)域也具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其市場(chǎng)前景非?？捎^。

1 液壓靜力植樁機(jī)方案設(shè)計(jì)

液壓靜力植樁機(jī)系統(tǒng)主要包括工作單元、吊樁及動(dòng)力單元。工作單元的功能是實(shí)現(xiàn)鋼板樁的植入作業(yè)；吊樁及動(dòng)力單元與工作單元間通過(guò)液壓油管連接，為工作單元提供液壓動(dòng)力，吊樁設(shè)備完成向工作單元喂樁的功能。另外，系統(tǒng)還可以配置專用的搬運(yùn)小車，負(fù)責(zé)鋼板樁的搬運(yùn)。

根據(jù)項(xiàng)目前期在深圳茅洲河靜壓植樁機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲得的信息與需求，經(jīng)過(guò)分析論證，研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了將動(dòng)力單元和吊樁設(shè)備集成在一個(gè)底盤上的設(shè)想；工作單元?jiǎng)t根據(jù)功能的不同，分為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、夾樁機(jī)構(gòu)三大部分。經(jīng)過(guò)多次的專家評(píng)審，最終確定了整體設(shè)計(jì)方案及輸入?yún)?shù)，圖1所示為植樁機(jī)系統(tǒng)組成，表1為輸入?yún)?shù)。

圖1 液壓靜力植樁機(jī)系統(tǒng)組成Fig.1 System composition of silent piler

表1 輸入?yún)?shù)Tab.1 Input parameters

2 工作單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，工作單元主要包括移動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、夾樁機(jī)構(gòu)。

圖2 工作單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of work unit

圖3 為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要包括壓板、機(jī)座及夾爪，夾爪上有滑軌與機(jī)座梯形槽配合，在橫移油缸作用下夾爪實(shí)現(xiàn)橫向往復(fù)移動(dòng)。同時(shí)夾爪內(nèi)部安裝有夾爪油缸，在油缸的作用下，夾爪內(nèi)槽兩側(cè)的齒形板緊緊夾住鋼板樁。兩塊壓板與機(jī)座通過(guò)螺釘連接，三者形成滑槽與連接機(jī)構(gòu)的滑板配合。油缸座與行走油缸一端鉸接。

圖3 移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of moving mechanism

圖4 所示為連接機(jī)構(gòu)示意圖，主要由機(jī)架、滑板組成，各部件間通過(guò)螺釘連接?；逑虏坑杏透鬃?，與行走油缸另一端鉸接?；迮c移動(dòng)機(jī)構(gòu)的滑槽配合，通過(guò)行走油缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)架底部?jī)蓚?cè)各有一個(gè)油缸支座，兩側(cè)各有一條豎直導(dǎo)軌。

圖4 連接機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of connecting mechanism

圖5為夾樁機(jī)構(gòu)示意圖，夾樁機(jī)構(gòu)主要包括壓樁油缸、夾頭連接座、夾頭、驅(qū)動(dòng)總成，各部件間通過(guò)螺釘連接。夾頭內(nèi)部安裝有夾頭油缸，在油缸的作用下，夾頭內(nèi)槽兩側(cè)的齒形板緊緊夾住鋼板樁。夾頭連接座上的滑槽與機(jī)架兩側(cè)豎直導(dǎo)軌配合。夾頭連接座上有壓樁油缸安裝法蘭面、驅(qū)動(dòng)總成安裝座。壓樁油缸安裝固定在夾頭連接座上，一端與連接結(jié)構(gòu)機(jī)架的油缸支座鉸接。驅(qū)動(dòng)總成安裝固定在夾頭連接座上，驅(qū)動(dòng)夾頭旋轉(zhuǎn)?；叟c導(dǎo)軌三面貼合，在壓樁油缸的作用下整個(gè)夾樁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)插樁或是拔樁。

工作單元整體三維模型如圖6所示。

圖5 夾樁機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of pile clamping mechanism

圖6 植樁機(jī)工作單元Fig.6 Working unit of silent piler

3 關(guān)鍵零部件受力分析

液壓靜力植樁機(jī)工作單元在植樁作業(yè)時(shí)，夾頭需要夾緊待植入樁，當(dāng)壓樁油缸動(dòng)作，夾緊力需要足夠大才能使夾頭作用在樁上的摩擦力能夠克服泥土的阻力，使樁插入泥土中，壓樁反力則通過(guò)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的夾爪夾緊已植入樁來(lái)平衡。由于夾爪有4個(gè)而夾頭只有一個(gè)，因此夾頭的受力情況要比夾爪惡劣很多。連接機(jī)構(gòu)需要承受壓樁機(jī)構(gòu)傳遞過(guò)來(lái)的一個(gè)非常大的扭矩的作用，而其機(jī)架是工作單元中唯一的焊接結(jié)構(gòu)件。因此，夾頭和連接機(jī)構(gòu)的受力分析顯得尤為重要。靜力分析所用軟件為solidworkssimulation，文中分析模型是經(jīng)過(guò)多次分析改進(jìn)再分析后確定生產(chǎn)的最終模型。

3.1 夾頭的受力分析

設(shè)計(jì)輸入性能參數(shù)：壓樁力100 t、拔樁力80 t。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，拔樁力80 t為夾頭受力最為惡劣工況。圖7所示為夾頭拔樁工況受力圖。F1是由夾頭油缸及摩擦塊夾緊鋼板樁產(chǎn)生的正壓力。F3是擋住夾頭油缸的擋板經(jīng)螺釘傳遞到夾頭上的力。F3、F4為鋼板樁對(duì)兩側(cè)摩擦塊的摩擦力傳遞到夾頭上的作用力，F(xiàn)1為均布載荷，F(xiàn)4為軸承載荷。夾頭與回轉(zhuǎn)支承外圈通過(guò)螺釘連接，因此分析時(shí)可以等效為將螺栓孔固定。

圖7 夾頭的受力及約束Fig.7 The force and restraint of the clamping chuck

圖8 所示為夾頭的應(yīng)力云圖，由圖可以看出夾頭應(yīng)力較大位置位于底部開(kāi)口處根部。從結(jié)構(gòu)上分析，底部?jī)蓚?cè)相當(dāng)于懸臂梁，當(dāng)在其上施加垂直載荷時(shí)，懸臂梁的根部必定是應(yīng)力最大位置。由分析可知最大應(yīng)力為356.7 MPa，夾頭材料屈服強(qiáng)度σ≥700 MPa，因此安全系數(shù) S≥2，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 夾頭應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of clamping chuck

3.2 連接機(jī)構(gòu)的受力分析

連接機(jī)構(gòu)與移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓樁機(jī)構(gòu)都有配合關(guān)系，因此如果單獨(dú)把連接機(jī)構(gòu)拿出來(lái)進(jìn)行受力分析，其約束將會(huì)很復(fù)雜而且難以與實(shí)際情況完全一致。在這種情況下將移動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓樁機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后與連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了裝配，在保證相互間的配合關(guān)系的前提下，使整體模型盡量簡(jiǎn)單，然后進(jìn)行整體的靜力分析。連結(jié)機(jī)構(gòu)受力最惡劣工況為壓樁力為100 t時(shí)，圖9所示為裝配體受力圖，各接觸面件定義的接觸類型為無(wú)穿透接觸。

圖9 裝配體的約束及受力Fig.9 Restraint and force of the assembly

圖10 所示為連接機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖，由圖可知滑板上最大應(yīng)力為238.1 MPa，機(jī)架上最大應(yīng)力為189.2 MPa。因此，滑板安全系數(shù)大于2.9，機(jī)架上油缸支座安全系數(shù)為2，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 連接機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of connecting mechanism

4 結(jié)論

本文在分析了國(guó)內(nèi)植樁施工現(xiàn)狀及液壓靜力植樁機(jī)自主生產(chǎn)的重要意義的基礎(chǔ)上，提出了液壓靜力植樁機(jī)的總體方案。對(duì)工作單元各部件的具體結(jié)構(gòu)及連接進(jìn)行了詳細(xì)的研究設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了受力分析，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求,為后續(xù)制造樣機(jī)提供了技術(shù)支持。