液壓靜力植樁機系統開發

杜惠明，趙 昊，戴浩林，劉志君，李勝璽

（武漢電力設備廠，湖北 武漢 430061）

0 引言

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

液壓靜力植樁機的工作原理是利用已壓入樁的支反力來平衡壓樁反力。通過這一原理，液壓靜力植樁機可以不用配重，通過夾爪抓緊已壓入樁完成植樁作業。因此，液壓靜力植樁機整體尺寸很小適應性強。同時，由于樁的植入是通過液壓力而非振動沖擊實現的，因此實現了無振動植樁。液壓靜力植樁機最大壓入力可達到800～1 500 kN，最大拔出力可達到800～1 600 kN。它可以采用不同壓入工法在狹窄的空間進行施工，主要是使鋼板樁形成墻體，從而進行圍堰、坑基支護等。

國內目前沒有液壓靜力植樁機生產廠家，相關設備完全依賴進口。根據深圳茅洲河水環境綜合治理現場的調研，一套進口的液壓靜力植樁機價格約為1 300萬元。根據目前開發成果統計的成本，如果液壓靜力植樁機系統實現自主生產，筆者有信心將成本控制在進口設備價格的70%以內，這將有效降低工程建設施工成本。液壓靜力植樁機不僅適用于老城區改造中的基礎重建、雨污分離工程中的管道施工，同時在搶險、救災、橋梁修復、加固堤壩等領域也具有其獨特的優勢，其市場前景非常可觀。

1 液壓靜力植樁機方案設計

液壓靜力植樁機系統主要包括工作單元、吊樁及動力單元。工作單元的功能是實現鋼板樁的植入作業；吊樁及動力單元與工作單元間通過液壓油管連接，為工作單元提供液壓動力，吊樁設備完成向工作單元喂樁的功能。另外，系統還可以配置專用的搬運小車，負責鋼板樁的搬運。

根據項目前期在深圳茅洲河靜壓植樁機施工現場調研獲得的信息與需求，經過分析論證，研發團隊提出了將動力單元和吊樁設備集成在一個底盤上的設想；工作單元則根據功能的不同，分為移動機構、連接機構、夾樁機構三大部分。經過多次的專家評審，最終確定了整體設計方案及輸入參數，圖1所示為植樁機系統組成，表1為輸入參數。

圖1 液壓靜力植樁機系統組成Fig.1 System composition of silent piler

表1 輸入參數Tab.1 Input parameters

2 工作單元的結構設計

如圖2所示，工作單元主要包括移動機構、連接機構、夾樁機構。

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

圖3 為移動機構，主要包括壓板、機座及夾爪，夾爪上有滑軌與機座梯形槽配合，在橫移油缸作用下夾爪實現橫向往復移動。同時夾爪內部安裝有夾爪油缸，在油缸的作用下，夾爪內槽兩側的齒形板緊緊夾住鋼板樁。兩塊壓板與機座通過螺釘連接，三者形成滑槽與連接機構的滑板配合。油缸座與行走油缸一端鉸接。

圖3 移動機構示意圖Fig.3 Schematic diagram of moving mechanism

圖4 所示為連接機構示意圖，主要由機架、滑板組成，各部件間通過螺釘連接。滑板下部有油缸座，與行走油缸另一端鉸接。滑板與移動機構的滑槽配合，通過行走油缸實現往復運動。機架底部兩側各有一個油缸支座，兩側各有一條豎直導軌。

圖4 連接機構示意圖Fig.4 Schematic diagram of connecting mechanism

圖5為夾樁機構示意圖，夾樁機構主要包括壓樁油缸、夾頭連接座、夾頭、驅動總成，各部件間通過螺釘連接。夾頭內部安裝有夾頭油缸，在油缸的作用下，夾頭內槽兩側的齒形板緊緊夾住鋼板樁。夾頭連接座上的滑槽與機架兩側豎直導軌配合。夾頭連接座上有壓樁油缸安裝法蘭面、驅動總成安裝座。壓樁油缸安裝固定在夾頭連接座上，一端與連接結構機架的油缸支座鉸接。驅動總成安裝固定在夾頭連接座上，驅動夾頭旋轉。滑槽與導軌三面貼合，在壓樁油缸的作用下整個夾樁機構實現上下往復運動，從而實現插樁或是拔樁。

工作單元整體三維模型如圖6所示。

圖5 夾樁機構示意圖Fig.5 Schematic diagram of pile clamping mechanism

圖6 植樁機工作單元Fig.6 Working unit of silent piler

3 關鍵零部件受力分析

液壓靜力植樁機工作單元在植樁作業時，夾頭需要夾緊待植入樁，當壓樁油缸動作，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，壓樁反力則通過移動機構的夾爪夾緊已植入樁來平衡。由于夾爪有4個而夾頭只有一個，因此夾頭的受力情況要比夾爪惡劣很多。連接機構需要承受壓樁機構傳遞過來的一個非常大的扭矩的作用，而其機架是工作單元中唯一的焊接結構件。因此，夾頭和連接機構的受力分析顯得尤為重要。靜力分析所用軟件為solidworkssimulation，文中分析模型是經過多次分析改進再分析后確定生產的最終模型。

3.1 夾頭的受力分析

設計輸入性能參數：壓樁力100 t、拔樁力80 t。經過分析對比，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生的正壓力。F3是擋住夾頭油缸的擋板經螺釘傳遞到夾頭上的力。F3、F4為鋼板樁對兩側摩擦塊的摩擦力傳遞到夾頭上的作用力，F1為均布載荷，F4為軸承載荷。夾頭與回轉支承外圈通過螺釘連接，因此分析時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 所示為夾頭的應力云圖，由圖可以看出夾頭應力較大位置位于底部開口處根部。從結構上分析，底部兩側相當于懸臂梁，當在其上施加垂直載荷時，懸臂梁的根部必定是應力最大位置。由分析可知最大應力為356.7 MPa，夾頭材料屈服強度σ≥700 MPa，因此安全系數 S≥2，滿足設計要求。

圖8 夾頭應力云圖Fig.8 Stress nephogram of clamping chuck

3.2 連接機構的受力分析

連接機構與移動機構和壓樁機構都有配合關系，因此如果單獨把連接機構拿出來進行受力分析，其約束將會很復雜而且難以與實際情況完全一致。在這種情況下將移動機構和壓樁機構的模型進行簡化，然后與連接機構進行了裝配，在保證相互間的配合關系的前提下，使整體模型盡量簡單，然后進行整體的靜力分析。連結機構受力最惡劣工況為壓樁力為100 t時，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 所示為連接機構應力云圖，由圖可知滑板上最大應力為238.1 MPa，機架上最大應力為189.2 MPa。因此，滑板安全系數大于2.9，機架上油缸支座安全系數為2，滿足設計要求。

圖10 連接機構應力云圖Fig.10 Stress nephogram of connecting mechanism

4 結論

本文在分析了國內植樁施工現狀及液壓靜力植樁機自主生產的重要意義的基礎上，提出了液壓靜力植樁機的總體方案。對工作單元各部件的具體結構及連接進行了詳細的研究設計，同時對關鍵零部件進行了受力分析，結果均滿足設計要求,為后續制造樣機提供了技術支持。