试论静压桩机液压系统设计问题及优化措施

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摘 要：文章结合笔者的工作实践，重点分析了早期液压沉桩机的液压系统存在的问题， 从中提出了液压沉桩机液压系统的优化设计措施，通过实践表明，对静压桩机液压系统设计方案的优化后，其使用性能得到了提高，节能效果较明显，值得大家参考与研究。

关键词：静压桩机；液压系统；高效节能

前言：

目前，液压静力沉桩机与冲击式、灌注式等传统桩基础施工设备比较，它以高效率、低噪声、无污染的优点，迅速占据了我国南方桩基础施工市场。其压桩原理是依靠液压夹桩机构夹紧预制桩，依靠桩机的自重，由压桩液压缸驱动静力压桩。随着压桩机市场的迅速扩大，要求压桩能力不断提高，液压沉桩机朝着大吨位、节能、自动化的方向发展。

1 早期液压沉桩机液压系统存在的问题

早期液压沉桩机具备液压行走、夹桩和压桩功能，其液压系统如图 1 所示。液压泵组 1 向两个多路阀组 5 和7同时供压力油， 多路阀组5中有4路分别接两个纵移液压缸和两个横移液压缸，一路接一对压桩液压缸；多路阀组7中有一路接夹桩液压缸，4路分别接4个支腿液压缸。

1-液压泵；2-单向阀；3-过滤器；4-溢流阀；5-多路阀组 1；6-压力表；7-多路阀组2；8-液控单向阀；9-压桩液压缸

图1 早期液压静力沉桩机的液压系统

从图1可看出，这种液压桩机的压桩速度只有一个挡位。液压泵的最大流量和压桩液压缸的缸径决定了压桩的最大速度，而系统的最大油压和压桩液压缸的缸径又决定桩机的最大压桩吨位。这里就产生一个矛盾，即在液压泵流量一定的情况下，要获得较大压桩速度就要减小压桩液压缸缸径，可是这样就制约了桩机的最大压桩吨位。通常为了获得较大的压桩吨位，而使得其压桩速度较低。实际上这类机型的最大压桩力一般在 1800kN 以下，最大压桩速度一般在 215m/min以下，施工效率不高。同时还有一个问题：实际的压桩力是随着沉桩阻力的变化而变化的，而沉桩阻力又是随着地下不同土层性质的变化而变化的。典型的沉桩阻力曲线见图2。在我国的南方沿海地层中通常有一个较厚的淤泥层，当桩穿越淤泥层时， 沉桩阻力很小，而当沉桩阻力逐渐增大时，往往很快就达到承力层规定的压力而终止压桩。就是说，在大部分的沉桩时间内实际所需的压桩力远小于桩机的最大压桩力，即大部分时间内是大马拉小车，施工效率低，并造成能源的较大浪费。

图2 典型的静压沉桩阻力曲线

2 液压沉桩机液压系统设计及优化

2.1 两挡压桩液压系统设计

针对上面提出的问题，我们设计了具有两挡压桩速度的液压系统，即采用两对等直径压桩液压缸，其中一对为主压桩液压缸，另一对为副压桩液压缸，并在原多路阀组5中增加副压桩操作阀路。当沉桩阻力较小时，只操作主压桩，相应获得较高的压桩速度；当沉桩阻力增大到接近系统设定的额定压力时，主、副压桩同时操作，将桩压到规定吨位。进行这次改进后，与原来同等吨位的桩机相比，其压桩速度提高了近80%，能源也得到较有效的利用 ， 桩机最大吨位可提高到500t左右。

2.2优化的多挡压桩液压系统设计

在总结上述经验的基础上，研究设计出优化的多挡压桩液压系统。

（1） 额定压力的确定

液压桩机压桩的额定总压力 Fe、额定压力Pe、压桩液压缸的总面积S之间存在如下关系

Fe=Pe・S （1）

根据我们多年的经验，要保持桩机液压系统长时间稳定工作，其额定压力不宜大于 23MPa，而桩机的Fe是预先确定的，因此如额定压力Pe定得过低，势必加大S而影响到压桩的速度。为兼顾上述几个方面，我们选定了较优的 Pe值范围为22～23MPa。

（2） 压桩液压缸总面积的确定及主、副压桩液压缸缸径的匹配

由（1）式及上面推荐的Pe值，可以求出总面积 S 的范围。如 ZYB500C型桩机Fe= 5000kN，求出 S=0.2130～0.2227m2，得出四个压桩缸的平均直径为 0.260～0.266m。

由图2沉桩阻力曲线知道，大部分深度内的沉桩阻力远小于终止阻力，因此希望在这段深度内获得较大的沉桩速度，所以一般将主压桩缸径取小一些，在取得较大速度的同时，节约了能源。例如，根据上述原则匹配的 ZYB500C型桩机主压桩液压缸缸径250mm，副压桩液压缸缸径280mm。验算 Pe=22.15，在优化值范围内。

（3） 加速压桩油路的设计

由图2知道，在沉桩开始的一大段深度内，用上述的主压桩液压缸压桩时，还是大马拉小车。因此我们在主压桩油路上并联了加速压桩油路 ， 大幅提高这一段深度内的压桩速度，以进一步优化系统。加速的原理是使主压桩液压缸差动压桩。由此设计的 ZYB500C型静压桩机的液压系统如图3所示。

1-液压泵；2-单向阀；3-压力表；4-过滤器；5-加速压桩阀路；6-主压桩阀路；7-副压桩阀路；8-液控单向阀；9-单向节流阀；10-溢流阀；11-加油泵；12-截止阀

图3 ZYB500C型液压静力沉桩机液压系统原理图

（4） 优化的多挡压桩速度的实现

在额定压力下， ZYB500C 型桩机的各挡最大压桩速度及相应各挡的最大压桩力如表 1。广东一施工单位用 ZYB500C型桩机在广东番禺某工地创造了一昼夜压桩 1300m的纪录， 取得了显著的经济效益和社会效益。

表 1 ZYB500C型多挡最大压桩速度及各挡最大压桩力

操作部位 最大压桩速度

m/min 最大压桩力/kN

第一挡 加速压桩 8.0 1150

第二挡 主压桩 4.2 2218

第三挡 加速压桩+副压桩 2.4 3932

第四挡 主压桩+副压桩 1.9 5000

上述 4 个挡位的静压桩机操作方便、系统稳定、可靠性高。

在实践中，我们还尝试过在大吨位桩机上采用3 对压桩液压缸，得到6挡以上的压桩速度，理论上更加优化了，但在实际施工中，由于操作繁琐，制造成本增加，往往不适用。所以ZYB 系列桩机上基本上都采用上述4 挡的液压系统。

3 结论及效果

总之，通过以上静压桩机设计与优化，取得了高效节能的效果。采用优化的液压系统后， 目前出厂的最大的液压静力沉桩机最大压桩力已达 8000kN 以上。

参考文献

[1] 胡均平，刘兴农，朱桂华. 液压静力压桩机吊机过载保护系统研究设计[J].工程机械，2005（05）

[2] 夏卿坤，刘磊，谢立辉，等.全液压静力压桩机及其液压系统的设计[J].水力电力机械，2003（06）