無損水射流插樁機壓盤裝置設計

王春海，牛夢杰，楊亞雄

(華北水利水電大學機械學院，河南鄭州450008)

0 引言

水射流無損插樁，管樁是射流管路的一部分，其中供水系統和管樁的連接——壓盤裝置，一方面構成管路射流的一部分，另一方面又是設備施工起吊承載的重要部分，其設計對設備的使用性能起決定性作用。因此，該部分的結構設計是其核心部件之一。

1 方案設計

壓盤裝置一方面連接管樁和供水系統管道，是供水系統的一部分，另一方面又是吊點布置的位置，連接起吊機械和供水系統，使管樁實現整個高度上連續插樁。因此，壓盤裝置設計是設備的關鍵部件之一，總體方案如圖1 所示。

圖1 壓盤裝置總體方案

壓盤1 直接壓在管樁的頂部，通過螺栓與管樁連接在一起，其形狀、孔徑和螺孔數量由樁端板結構和端板上螺紋孔數量決定。連接彎頭2 是由標準彎頭和鋼管焊接組合在一起，改變管路射流方向;連接法蘭3 將管樁和供水系統管路連接在一起，為了實現在樁高度上連續插樁，需要連接起吊機械和射流系統的吊點，該部件的關鍵點和難點是吊點4 的設計、螺栓組強度及密封性要求。

2 壓盤和連接彎管的連接方式選擇與設計

壓盤1 與連接彎管2 下端部分的連接，通過直管和壓盤，連接方式有平焊連接、對焊連接、螺紋連接、承插焊連接(如圖2 所示)，由于吊點需要占用較大的空間，盡可能預留較多的空間，同時，使連接彎管也不受力，選擇對焊連接方式合適(如圖2b 所示)。

圖2 壓盤與直管連接方案

選擇圖2b 方案，壓盤一方面通過焊接與連接彎管連接，改變管路的方向，另一方面與管樁的端板通過螺栓對接，形成一個相通的供水管路;同時由于吊點也設計在壓盤上，壓盤同時承受約16 t 的拉伸載荷(管樁重量、管樁中的水重量、射流裝置重量以及供水管路及其管中的水重量等)。因此壓盤和吊點強度必須達到一定的承載能力。同時壓盤厚度還要和管樁端板相配合的螺栓通用。綜合設計，壓盤結構如圖3 所示。

3 連接彎管與供水系統的連接方式選擇

連接彎管與供水系統的連接，直接決定供水系統的安全與可靠性、設備操作的靈活性，同時還具有改變管路液體流向的作用。為了使連接具有通用性和互換性，將兩者采用對接法蘭連接(如圖4 所示)。圖5a 方案，中間用密封圈，四周用螺栓連接即可保證連接的可靠性和密封的安全性。法蘭具體型號由連接管的型號確定(DN150 型號)。彎管和供水系統連接處，除了圖1 中90°彎頭外，還可以用45°彎頭、60°彎頭等。

圖3 壓盤結構圖

圖4 彎管和供水系統連接方式

4 吊點方案設計及吊耳形式選擇

4.1 吊點方案設計

在設備安裝工程的建設過程和施工過程中，設備吊裝始終處在舉足輕重的位置。設備吊裝過程尤其是大型設備吊裝是否能順利安全進行，直接決定著工程項目的施工周期和項目投資，更關系到工程項目管理的成敗、企業市場開發與經營運行效果和企業的持續發展。

壓盤裝置為圓筒形，理論上設計4 個吊點起吊過程中穩定性好(如圖5a 所示)，但是由于連接彎管為彎頭形式，偏向一側，使該側空間受限，方案a 不可取;4 個吊點可以如圖6b 所示布置，方案b 雖然吊點多，對稱及穩定性好，但壓盤和管樁配合螺紋所剩空間所限，方案b 亦不可取;方案如圖6c 所示，兩個吊點即可，缺點是起吊時造成設備的不平衡，偏向彎管供水系統一側，可通過輔助設施解決不平衡問題。

圖5 吊點方案設計

4.2 吊耳形式選擇

吊點的實際表現形式是有吊耳，吊耳是設備吊裝過程中最直接的受力部件，常用的形式分為耳板式和管軸式，分別應用在中小型和大中型的設備吊裝工程中，且耳板式吊耳較管軸式應用范圍更廣泛一些。

相對應如圖5c 吊點方案時對應吊耳設計如圖6a 所示。為了增強吊耳和壓盤連接的強度，在耳板兩側分別設計有兩個筋板(如圖6b 所示)。吊耳實際使用中，需要圖6c 所示卸扣配合使用。

形式除了圖7c 方案外，也可以選擇圖8a 所示的吊耳:為了將載荷分散，在壓盤上設計四個小吊耳，相應的兩個吊耳之間通過焊接高強度鋼筋，通過和圖8c 所示的卸扣配合使用，形成實際上只有兩個吊點的結構。

圖6 吊耳設計

5 螺栓組強度校核和密封性保證

進行螺栓組強度和密封性校核之前，必須對單個螺栓的強度和預緊力進行校核與計算。

5.1 單個螺栓連接強度和密封性校核

壓盤在工作中，螺栓組既受到軸向拉力的作用，又受到翻轉力矩M 的作用。對單個螺栓而言，既受到預緊力P'又受到軸向載荷P 的作用，設螺栓的最大拉力為P0，根據文獻［3］有

式中，P0——螺栓所受最大拉伸力，N;σ1p——螺栓的許用拉應力其中σs為材料的屈服強度值，Ss為安全系數。

因所加軸向載荷P 為變載荷時，除了按緊螺栓所受最大拉伸應力計算外，還要計算螺栓的應力幅，應力幅為

式中，σap——許用應力幅;CL——連接件剛度;CF——被連接件剛度。

許用應力幅σap

式中，ε——尺寸因數，Kt——螺紋制造工藝因數，Kμ——受力不均勻系數，Kσ——缺口應力集中系數，Sa——安全系數，σ－1t——試件的疲勞極限。

由于管路有密封性要求，此時，螺栓預緊力 P″ = (1.5 ～1.8)P。

已知，螺栓組數量n=14，長度L =60 mm，d1=27 mm，P =16 t=1.6 ×105N，

由式(1)得到

由式(2a)得到

所以

σ1≤σ1p

由于加在螺栓上的載荷是變載荷，由式(2b)得到

所以

σa≤σap

綜上所述，單個螺栓的強度和密封性滿足要求。

5.2 螺栓組強度校核

剛開始起吊時，螺栓既承受彎矩又承受軸向壓力載荷;起吊到豎直位置時耳板僅承受軸向拉伸載荷。第一種工況時，螺栓承受翻轉力矩M，對稱軸左側的螺栓被進一步拉緊，其螺栓的軸向拉力進一步增大，對稱軸線右側螺栓受力被放松，螺栓的預緊力也被減小。因各螺栓的受力與其到對稱軸線的距離成正比例，故距離螺栓組對稱軸最遠的螺栓所受到拉力最大，為

式中，M——螺栓組所受到翻轉力矩;r——螺栓中心至底板對稱軸線的距離。

保證結合面最大受壓處不壓潰的條件是

保證結合面最小受壓處不分離的條件是

式中，A——螺栓組底板結合面受壓面積;Z——螺栓組數量;P'——單個螺栓的預緊力，P'的大小為單個螺栓工作載荷的1.5.1.8 倍。即 P' =(1.5 － 1.8)P;W——螺栓組底板結合面的抗彎截面系數;σPP——結合面許用擠壓應力。

螺栓材料為40 Cr，抗拉強度抗拉強度 σb=750 ～1000 MPa，屈服強度 σs=650 ～900 MPa，σPP=520 ～720 MPa。

由式(4)得到

由式(5)得到

取較大值 P' =1.8 ×13333 =24000 N。－d4)，D、d 分別為管樁端板的外徑和內徑直徑。

由式(6)得到

所以，螺栓組強度滿足試驗要求。

6 結語

該壓盤裝置由河南建華管樁有限公司負責加工制造，并分別在其生產廠區和鄭州市花園口南裹頭進行30 根重復導流樁壩的施工。通過施工發現，該壓盤裝置強度和密封性完全滿足設計要求，但是由于螺栓數量(14 個)太多，施工中，壓盤裝置與管樁連接與拆卸耗時費力，壓盤與管樁之間的密封墊圈容易受損，同時由于在水中施工，螺栓容易掉入水中，需要較多的密封墊圈和螺栓備件。因此，可以在管樁端板與壓盤連接處增加抱箍，通過減小螺栓受力間接減少螺栓數量，達到節時省力，增加施工效率。

［1］吳林峰，郭飛，耿明全，等.射水造孔法拔除混凝土預制樁施工技術［J］.人民黃河，2010，(11):150 ～151.

［2］嚴大考.起重機械［M］.北京:水力電力出版社，2002.

［3］成大先.機械設計手冊(1 －5)［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［4］《簡明管道工設計手冊》編寫組. 簡明管道工設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1993.

［5］戴軍. 高強度螺栓設計的探討［J］. 內江技術，2007，28(1):110 ～111.