鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備液壓系統(tǒng)

耿濤濤

（上海宏信設(shè)備工程有限公司，上海 201700）

鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備作為鋼支撐軸力智能控制設(shè)備的衍生產(chǎn)品［1-2］，主要用于跨度大、形狀不規(guī)則的基坑，對(duì)安裝于同一主撐的多根角度不同的斜支撐同時(shí)施工，設(shè)備單次施工周期相對(duì)較短。為了滿足施工要求，本文在前期研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行介紹。

鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備主要由泵站、補(bǔ)償節(jié)組成，設(shè)備結(jié)構(gòu)組成如圖1。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成圖

為了保證鋼支撐施工質(zhì)量，根據(jù)Φ609鋼支撐設(shè)計(jì)要求，確定設(shè)備推力、速度要達(dá)到表1要求。

表1 鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備推力、速度指標(biāo)

1 液壓系統(tǒng)形式確定

根據(jù)系統(tǒng)中液壓回路的特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)、閉式系統(tǒng)2種。開式系統(tǒng)是指通過閥的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)液壓換向，液壓油經(jīng)泵、閥、馬達(dá)（或液壓缸）回到油箱的一種液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、體積較大，成本較低，散熱性較好，在大多數(shù)機(jī)電設(shè)備中所采用。閉式系統(tǒng)是指通過泵的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)液壓換向，液壓油在泵、閥（可省略）、馬達(dá)內(nèi)封閉循環(huán)的一種液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)散熱性能較差，靠增加輔助泵散熱，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、體積較小，成本較高，常應(yīng)用于控制精度高、動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械［3-4］。

鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備主要用于施加、卸除鋼支撐預(yù)應(yīng)力，控制精度要求不高，工況簡(jiǎn)單，單次工作持續(xù)時(shí)間較短，設(shè)備泵站放置在工地現(xiàn)場(chǎng)、對(duì)設(shè)備體積限制少，成本控制嚴(yán)格，故設(shè)備液壓系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)。因?yàn)殇撝螌?duì)設(shè)備反向力為軸向力，且主要為靜載荷作用，偶爾受到?jīng)_擊載荷，所以選擇液壓缸作為執(zhí)行元件，并要求系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)液壓缸可順序及同步動(dòng)作。

2 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)為額定壓力P和額定流量Q。

2.1 液壓系統(tǒng)額定壓力選擇

額定壓力是指額定載荷條件下系統(tǒng)的最大壓力，取決于負(fù)載大小。因液壓缸為執(zhí)行元件，故液壓缸的額定壓力決定了液壓系統(tǒng)的額定壓力。

鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備處于工作狀態(tài)時(shí)，每根鋼支撐活絡(luò)頭同時(shí)連接2個(gè)受力相等的液壓缸，可知單個(gè)液壓缸最大推力為180t；2個(gè)液壓缸安裝在活絡(luò)頭內(nèi)部的兩側(cè)，如圖2所示，根據(jù)活絡(luò)頭尺寸可得：液壓缸最大安裝空間為260mm×260mm×520mm。為了提高液壓缸的可靠性，額定壓力盡可能小，根據(jù)液壓缸推力計(jì)算公式P1=F/S=N/（πd2/4），通過額定壓力P1、最大推力F、缸徑d匹配計(jì)算，在額定壓力為57.5MPa、缸徑200mm時(shí)，推力可達(dá)180t，從成熟、穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)系列液壓缸尺寸中，初步選定外徑250mm、缸徑200mm的雙作用單桿式液壓缸。

圖2 液壓缸安裝位置圖

2.2 液壓系統(tǒng)額定流量設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)額定流量是指設(shè)備在額定工況下系統(tǒng)所需的最大流量；方案中系統(tǒng)的額定流量等于16個(gè)同時(shí)作用液壓缸的最大流量與管路損失流量之和。根據(jù)液壓缸尺寸、伸出速度，結(jié)合流量計(jì)算公式，可以求得n=16個(gè)同時(shí)作用液壓缸的最大流量為

通過以上計(jì)算，16個(gè)液壓缸所需的最大流量Q1=3.55L/min。

系統(tǒng)的額定流量等于16個(gè)同時(shí)作用液壓缸的最大流量與管路損失流量之和，故系統(tǒng)額定流量為

式中 K—— 管路損失系數(shù)，常取1.1～1.3，本設(shè)備設(shè)計(jì)中取1.2。

故系統(tǒng)最小額定流量Q=4.3L/min。

3 液壓系統(tǒng)原理

3.1 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

在選用以上部件的基礎(chǔ)上，根據(jù)鋼支撐預(yù)用力施加、卸除的要求，擬定液壓系統(tǒng)原理如圖4。

3.2 液壓系統(tǒng)回路

根據(jù)工作過程不同，設(shè)備可分為預(yù)應(yīng)力分級(jí)施加、預(yù)應(yīng)力多點(diǎn)同步施加、預(yù)應(yīng)力自動(dòng)補(bǔ)償?shù)入A段，設(shè)備實(shí)際工作過程為液壓缸伸長(zhǎng)、縮回2個(gè)過程，液壓回路如圖3所示，液壓系統(tǒng)由8個(gè)相同液壓回路組成。

當(dāng)設(shè)備處于施加鋼支撐預(yù)應(yīng)力工況時(shí)：電機(jī)1驅(qū)動(dòng)液壓泵2從液壓油箱中吸取液壓油，液壓油經(jīng)單向閥3提供給主管路；管路中兩位兩通電磁換向閥5處于斷開狀態(tài)，液壓油直接推動(dòng)液壓缸7無桿腔動(dòng)作，此時(shí)三位四通電磁換向閥9處于下位；PLC控制根據(jù)壓力傳感器6檢測(cè)到的管路中系統(tǒng)壓力控制三位四通電磁換向閥9的位置切換。

當(dāng)設(shè)備處于卸除鋼支撐預(yù)應(yīng)力工況時(shí)：電機(jī)1驅(qū)動(dòng)液壓泵2從液壓油箱中吸取液壓油，液壓油經(jīng)單向閥3提供給主管路；管路中兩位兩通電磁換向閥5處于斷開狀態(tài)，液壓油直接推動(dòng)液壓缸7有桿腔動(dòng)作，此時(shí)三位四通電磁換向閥9處于上位；PLC控制根據(jù)壓力傳感器6檢測(cè)到的管路中系統(tǒng)壓力控制三位四通電磁換向閥9的位置切換。

當(dāng)設(shè)備開機(jī)、補(bǔ)償節(jié)處于鎖緊狀態(tài)時(shí)：電機(jī)1驅(qū)動(dòng)液壓泵2從液壓油箱中吸取液壓油，液壓油經(jīng)單向閥3提供給主管路；管路中兩位兩通電磁換向閥5處于連通狀態(tài)，液壓油直接回到液壓油箱。

液壓回路中，單向閥3可避免振動(dòng)、沖擊等因素造成液壓泵2反轉(zhuǎn)或損壞；電磁泄荷閥4主要用于調(diào)節(jié)主管路中工作壓力低于元件的額定壓力，避免壓力過大對(duì)泵、閥、傳感器等各元件造成損傷；設(shè)備開機(jī)、補(bǔ)償節(jié)處于鎖緊狀態(tài)時(shí)，兩位兩通電磁換向閥使液壓油直接回到液壓油箱，可以降低設(shè)備功耗，且減少電機(jī)、液壓泵頻繁啟動(dòng)、關(guān)閉動(dòng)作，能夠延長(zhǎng)電機(jī)、泵、閥等部件使用壽命。

圖3 鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備液壓原理圖

4 關(guān)鍵部件選擇

4.1 液壓泵選擇

（1）液壓泵額定壓力計(jì)算。

液壓泵的壓力在滿足液壓缸的額定工作要求之外，同時(shí)要能補(bǔ)償管路造成的總壓力損失，并預(yù)留一定的壓力儲(chǔ)備，根據(jù)液壓泵的額定工作壓力計(jì)算公式

式中ΣΔp為從液壓泵輸出端到液壓缸輸入端之間管路因素引起的的總液壓損失；實(shí)際工作中系統(tǒng)簡(jiǎn)單、回路短、流速小的液壓系統(tǒng)，取ΣΔp=（0.2～0.5）MPa；系統(tǒng)復(fù)雜、回路較長(zhǎng)、進(jìn)口有調(diào)閥的，取ΣΔp=（0.5～1.5）MPa；方案中ΣΔp取1.5MPa。

為避免不確定因素引起的壓力損失，液壓泵需要設(shè)置一定的壓力儲(chǔ)備，故選取泵時(shí)預(yù)留5%的儲(chǔ)備壓力，即P=P0*1.01=59.5*1.01≈62MPa。

（2）液壓泵流量計(jì)算。

根據(jù)前文計(jì)算，液壓系統(tǒng)最小額定流量為Q=4.3L/min。

（3）選擇液壓泵的規(guī)格。

在各類液壓泵中，柱塞泵能夠?qū)崿F(xiàn)62MPa超高壓系統(tǒng)中穩(wěn)定工作，且精度高、密封性能好；根據(jù)以上求得的P≥62MPa和Q≥4.3L/min的結(jié)果，選取RK7-8.5-4.51規(guī)格的柱塞泵，參數(shù)如表2所示。

表2 液壓泵主要參數(shù)表

4.2 電機(jī)選擇

設(shè)備在正常工作循環(huán)中，液壓泵的工作壓力、流量基本不變，泵的功率變化不大，根據(jù)液壓泵的額定工作壓力和額定流量計(jì)算電機(jī)所需的最高功率

式中 η—— 柱塞泵的總效率，一般取0.8～0.85，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)取0.85；

N=5.5kW。

在選擇電機(jī)時(shí)，除了考慮功率外，還要考慮轉(zhuǎn)速影響，選取的電機(jī)轉(zhuǎn)速要求不高于液壓泵的額定轉(zhuǎn)速；故選用YX3-132S-4-B5-5.5kW型皖南電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)液壓泵的原動(dòng)機(jī)，各參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)主要參數(shù)表

4.3 液壓缸選取

根據(jù)最低額定壓力為57.5MPa、外徑250mm、缸徑200mm要求，選用63MPa超高YGH200/140.200-00型雙作用單桿式液壓缸［5］，各參數(shù)如表4所示。

表4 液壓缸主要尺寸表

4.4 其它關(guān)鍵元件選擇

為了配合所選電機(jī)、液壓泵、液壓缸的良好工作，根據(jù)系統(tǒng)額定壓力、流量等要求，選取了閥、傳感器、油管及各類輔助元件［4］，具體如表5所示。

5 系統(tǒng)驗(yàn)算及實(shí)踐

系統(tǒng)驗(yàn)算是驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性、部件選擇正確性的必要步驟，最后根據(jù)所選部件的具體參數(shù)，對(duì)設(shè)備速度、推力等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算：將所選參數(shù)代入公式（1）可得速度為0.0064m/min，將所選參數(shù)代入公式（2）可得最大推力為193t；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)和部件均滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 其它關(guān)鍵元件規(guī)格表

鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備已在山西太原（基坑距離住宅樓最近為5m）、江蘇連云港（基坑距離住宅樓最近為7.8m）2個(gè)項(xiàng)目完成施工，施工結(jié)果滿足工程質(zhì)量要求。可見，實(shí)踐驗(yàn)證設(shè)備性能可靠，具備推廣價(jià)值。

本文通過對(duì)鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備設(shè)計(jì)過程的分析，為行業(yè)技術(shù)人員開展設(shè)備設(shè)計(jì)、設(shè)備施工、設(shè)備維護(hù)等工作提供參考，為跨度大、形狀不規(guī)則的基坑施工技術(shù)的提升提供切實(shí)可靠的設(shè)備、工藝。

［1］ 耿濤濤，張建平，賈建中. 鋼支撐預(yù)應(yīng)力同步分級(jí)施加設(shè)備［J］. 工程機(jī)械，2018，49（1）：3-7.

［2］ 耿濤濤，張建平，蘇勝暉，等. 智能鋼支撐軸力補(bǔ)償及基坑變形監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 工程機(jī)械，2016，47（2）：1-7.

［3］ 李楓，王欣，王盼盼，等. 起升機(jī)構(gòu)閉式液壓系統(tǒng)節(jié)能研究［J］. 建筑機(jī)械，2015，7：93-97.

［4］ 訚耀保. 高端液壓元件理論與實(shí)踐［M］. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2017.

［5］JB/T10205-2010. 液壓缸技術(shù)條件［S］.