熊 濤，高獻(xiàn)計(jì)，肖振秀

(1.河北省地勘局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北唐山 063000;2.河北省地理信息局，河北石家莊 050031)

200T型液壓起拔機(jī)的研制與應(yīng)用

熊 濤1，高獻(xiàn)計(jì)2，肖振秀1

(1.河北省地勘局第五地質(zhì)大隊(duì)，河北唐山 063000;2.河北省地理信息局，河北石家莊 050031)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外各種起拔機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，研制了一種全部液壓元件國(guó)產(chǎn)化的全液壓起拔機(jī)。并對(duì)該機(jī)的性能、壽命、使用成本等幾項(xiàng)主要指標(biāo)和進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比。該機(jī)可用在港口、碼頭、城市高層建筑鋼筋水泥地連墻施工中接頭管的起拔;還可以用于海上作業(yè)船和作業(yè)平臺(tái)的升降定位。

地下連續(xù)墻;連續(xù)墻接頭;起拔機(jī);全液壓

鋼筋水泥地下連續(xù)墻是港口、碼頭、城市高層建筑的重要組成部分。接頭技術(shù)是地連墻施工的關(guān)鍵技術(shù)，而起拔機(jī)是接頭技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一。我國(guó)這類(lèi)設(shè)備的現(xiàn)狀是難以滿(mǎn)足接頭技術(shù)的需要，迫切需要研制性能優(yōu)良、成本低廉的地下連續(xù)墻接頭管起拔機(jī)械。

1 現(xiàn)有起拔機(jī)存在的問(wèn)題

1.1 國(guó)產(chǎn)設(shè)備現(xiàn)狀及問(wèn)題

我國(guó)目前常用的起拔機(jī)主要有機(jī)械式和液壓雙缸插板式2種。

機(jī)械式起拔機(jī)是用2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)滑輪組來(lái)起拔接頭管，它的缺點(diǎn)在于:

(2)體積大、質(zhì)量大、能耗大(高度和質(zhì)量均為液壓式的4倍，能耗為液壓式的2倍);

(3)需要人力穿杠子、掛鉤子、幫助下繩，勞動(dòng)力多、勞動(dòng)強(qiáng)度大;

(4)起拔的可靠性無(wú)法保障，接頭管拔不出來(lái)的事故時(shí)有發(fā)生。

液壓雙缸插板式起拔機(jī)雖然解決了機(jī)械式起拔機(jī)的前3個(gè)缺點(diǎn)，但穿杠子變成了插插板，其不可避免的誤差(如制造、施工、安裝中的誤差)導(dǎo)致應(yīng)力集中在2個(gè)起拔缸的根部，其應(yīng)力不斷作用的結(jié)果，造成油缸的變形和損壞。再則插板如一旦插不到位，會(huì)飛出來(lái)有傷人的危險(xiǎn)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 由經(jīng)培訓(xùn)過(guò)的人員，采用EpiData 3.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙錄入并檢錯(cuò)，采用SPSS 16.0軟件統(tǒng)計(jì)分析。離散變量資料采用比或率進(jìn)行描述，率的比較采用χ2檢驗(yàn)，探討影響因素用二分類(lèi)反應(yīng)變量的非條件Logistic回歸分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.2 進(jìn)口設(shè)備現(xiàn)狀及問(wèn)題

德國(guó)進(jìn)口的全液壓摩擦抱緊式起拔機(jī)克服了國(guó)產(chǎn)機(jī)械式的全部缺點(diǎn)，但問(wèn)題仍有2個(gè):一是從技術(shù)上來(lái)說(shuō)抱緊和松開(kāi)是底座和導(dǎo)墻之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦阻力大，要求起拔缸活塞桿有很好的導(dǎo)向和很高的剛性;二是在經(jīng)濟(jì)方面需要巨額外匯。

日本進(jìn)口的引拔機(jī)也存在著2個(gè)問(wèn)題:一是一旦被抱的接頭管表面有油、孔內(nèi)附加阻力加大時(shí)，夾緊的可靠性沒(méi)有保障;二是進(jìn)口該類(lèi)設(shè)備成本高，相當(dāng)于自制成本的3倍。

進(jìn)口起拔機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)均采用全液壓傳動(dòng)，因而主機(jī)不用人去操作，人只需操作液壓站的液壓閥手柄。節(jié)省了勞動(dòng)力，而且這種用“當(dāng)量摩擦力”(起拔機(jī)主機(jī)內(nèi)表面采用花紋板和接頭管外表接觸，通過(guò)加緊油缸在表面產(chǎn)生正壓力，這時(shí)花紋板的突出花紋和接頭管表面接觸，并彈性變形微量壓入接頭管表面形成機(jī)械咬合。要使其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即打滑，勢(shì)必以剪切花紋的方式進(jìn)行破壞，這個(gè)剪切力即“當(dāng)量摩擦力”代替了“常規(guī)摩擦力”?！P者注)來(lái)實(shí)現(xiàn)起拔過(guò)程中的抱緊，簡(jiǎn)化了接頭管表面的幾何形狀，除接頭管制造簡(jiǎn)單外，特別是降低了接頭管起拔的阻力?？梢哉f(shuō)這種抱緊方式是一個(gè)飛躍，是起拔機(jī)發(fā)展史的一個(gè)里程碑，這就是我們研制工作的起點(diǎn)。但進(jìn)口起拔機(jī)存在的問(wèn)題是抱緊的可靠性無(wú)法保障，如果用加大夾緊力的方法，將抱緊油缸的壓力提高到超高壓，這是高成本和液壓元件國(guó)產(chǎn)化不可逾越的障礙。因此，如何抑制超高壓，尋找一種比摩擦力大的另一種力來(lái)實(shí)現(xiàn)起拔過(guò)程中的抱緊，這是我們研究的主要問(wèn)題，也是在復(fù)雜多變工況的現(xiàn)實(shí)面前能否好用和耐用的關(guān)鍵。因?yàn)槲覀儺?dāng)時(shí)參觀到的國(guó)外2種類(lèi)型的起拔機(jī)，在復(fù)雜多變的工況面前時(shí)有不能勝任，而港口施工的實(shí)際要求我們不管在任何工況面前起拔的可靠性必須保證，所以我們只有把希望寄托在科技創(chuàng)新上——尋找比摩擦力大的另一種力來(lái)抱緊接頭管，這是我們研究的重點(diǎn)。

2 200T型液壓起拔機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該起拔機(jī)由主機(jī)和液壓站2個(gè)獨(dú)立的部件組成，其中主機(jī)由4個(gè)鋼制弧形塊、4個(gè)起拔缸和夾緊油缸組成，主機(jī)浮動(dòng)安裝于底盤(pán)上。底盤(pán)內(nèi)有4個(gè)可伸縮的壓梁(參見(jiàn)圖1、圖2)。能源來(lái)自液壓站的高壓油。

2.1.1 鋼制弧形塊

主機(jī)的4個(gè)鋼制弧形塊和夾緊油缸之間均為耳環(huán)連接式結(jié)構(gòu)，靠夾緊油缸的拉力，使主機(jī)的4個(gè)弧形塊靠摩擦抱緊被拔的接頭管進(jìn)行起拔或壓入，這種夾緊形式也是進(jìn)口設(shè)備的精華。

2.1.2 起拔缸

起拔缸設(shè)置為4個(gè)，采用倒裝式安裝于主機(jī)弧形塊的外側(cè)，活塞桿下部是球體，且球座和底盤(pán)間又有一個(gè)平面自由度，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

(1)施工時(shí)不需嚴(yán)格找正，可以減少輔助時(shí)間提高施工效率。

圖1 200T型液壓起拔機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 起拔機(jī)主機(jī)實(shí)物圖片

(2)這種結(jié)構(gòu)的特定功效，對(duì)設(shè)備制造中，起拔各油缸和底座的垂直度、施工中導(dǎo)墻的水平度和墻中心的垂直度均無(wú)苛刻要求奠定了可靠的基礎(chǔ)，因而解決了國(guó)內(nèi)液壓插板式起拔機(jī)各種不可避免誤差導(dǎo)致的應(yīng)力集中于油缸根部，而影響設(shè)備的好用和耐用的問(wèn)題。

(3)這種結(jié)構(gòu)解決了德國(guó)進(jìn)口起拔機(jī)在抱緊和松開(kāi)過(guò)程中其相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在底座和水泥導(dǎo)墻之間的問(wèn)題，解決了運(yùn)行中產(chǎn)生的過(guò)大摩擦阻力問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中過(guò)大的摩擦阻力，會(huì)對(duì)起拔油缸的密封、導(dǎo)向、強(qiáng)度及剛度的要求提高，從而加大元件國(guó)產(chǎn)化的障礙。

(4)在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中嚴(yán)格控制了系統(tǒng)的溫升，因此在夏天曝曬的情況下，也能保證起拔工作的連續(xù)進(jìn)行。如增加了一片操縱閥來(lái)解決夾緊油缸松開(kāi)時(shí)，液控單向閥背壓造成的能源損失和發(fā)熱;結(jié)構(gòu)中加入了強(qiáng)制冷卻的備用措施。

(5)在接頭管起拔過(guò)程中還可壓入，即接頭管上下運(yùn)動(dòng)可減低其外圈的土壓從而降低起拔的阻力;同時(shí)一邊監(jiān)測(cè)(壓力表的讀數(shù)就是孔內(nèi)阻力的可靠信息)，一邊作業(yè)，不會(huì)出現(xiàn)不能起拔的事故，安全可靠。

(6)油路中設(shè)置了防誤操作的安全保障系統(tǒng)，安全閥能準(zhǔn)確自動(dòng)及時(shí)防止過(guò)載，不會(huì)因操作失誤而造成機(jī)械或人身事故。

(7)油路中設(shè)置了等量分流集流閥，即保證了起拔各缸空載無(wú)導(dǎo)向時(shí)的同步，也解決了負(fù)載時(shí)有特定導(dǎo)向——即各種不可避免的誤差造成的接頭管實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向(這個(gè)運(yùn)動(dòng)方向和起拔缸不可能絕對(duì)平行)而影響起拔各缸全額均勻出力。

(8)摩擦接觸表面采用花紋板，采用比摩擦力大的另一種力——“當(dāng)量摩擦力”代替常規(guī)摩擦力來(lái)抱緊接頭管，抱緊的可靠性得到了保障。

2.2 工作原理

電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗茌敵?，有多路換向閥控制油缸的運(yùn)動(dòng)方向，同步閥控制起拔各缸的等速運(yùn)動(dòng)。先用夾緊油缸的拉力抱緊被拔的管，再用起拔油缸完成工件的起拔，反之夾緊油缸松開(kāi)，起拔缸復(fù)位，完成一個(gè)工作循環(huán)，周而復(fù)始地工作可將埋在地下的接頭管拔出來(lái)。

2.3 主要性能指標(biāo)

起拔力:2000 kN，壓入力:450 kN;起拔行程: 500 mm;完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間:150 s;總質(zhì)量:7.2 t;高壓泵公稱(chēng)壓力:31.5 MPa，高壓泵公稱(chēng)排量(1000 r/min時(shí)):25 L/min;葉片泵公稱(chēng)壓力:7 MPa，葉片泵公稱(chēng)排量:60 mL/r;電機(jī)功率:17 kW。

2.4 用國(guó)內(nèi)液壓元件實(shí)現(xiàn)設(shè)備高性能的幾個(gè)方面

(1)安全保障性能提高了。按日本起拔機(jī)摩擦抱緊方式起拔2000 kN，需要加緊油缸的油壓為25 MPa。當(dāng)孔內(nèi)附加阻力增加形成事故起拔時(shí)，如果起拔力增加1倍，或當(dāng)接頭表面有油而摩擦系數(shù)降低時(shí)，夾緊油缸的油壓將要增到超過(guò)高壓膠管的試驗(yàn)壓力向爆破壓力接近，這是個(gè)極不安全的因素。而200T型液壓起拔機(jī)由于采取了當(dāng)量摩擦力來(lái)抱緊，因而夾緊油缸的油壓從原來(lái)的32 MPa降到了16 MPa，已小于了高壓膠管允許的工作壓力范圍，故完全可以進(jìn)行各種事故起拔，安全性能是可靠的。

(2)壽命提高了。原因是一方面所有液壓元件不存在超負(fù)荷的因素;再則同樣起拔力的情況下夾緊力只是原來(lái)的50%，材料的疲勞和密封件的磨損情況都得到改善。

(3)系統(tǒng)溫升降低了，動(dòng)力損失也相應(yīng)降低了。如按日本的起拔機(jī)采用常規(guī)摩擦力抱緊接頭管，夾緊油缸高壓側(cè)用內(nèi)徑10 mm的三層鋼編膠管，由于兩泵總流量為82 L/min，則油流速度為17.4 m/s＞3～5 m/s(允許壓油管流速度);當(dāng)夾緊油缸松開(kāi)時(shí)，此管的回油流速為14 m/s＞1.5～2.5 m/s(允許回油管流速)。這樣空運(yùn)轉(zhuǎn)就需6～7 MPa的壓力，該壓力沒(méi)有作功，幾乎全部變?yōu)闊崃?，能源的損失造成了溫升的不良后果。而采用200T型液壓起拔機(jī)，如果在同樣起拔力的情況下，夾緊油壓降到原來(lái)的50%。200T起拔機(jī)如靠常規(guī)摩擦力抱緊，夾緊油壓需要32 MPa的油壓，必須采用承受壓力較大的內(nèi)徑10 mm的三層鋼編高壓膠管?，F(xiàn)在采用“當(dāng)量摩擦力”抱緊接頭管只需16 MPa的油壓，故而采用內(nèi)徑19 mm的三層鋼編膠管就可以承受夾緊需要的油壓。由于管內(nèi)徑的加大，不存在憋油的問(wèn)題，故能源的損失和溫升也迎刃而解了。

3 生產(chǎn)應(yīng)用情況

該樣機(jī)在京唐港完成了2個(gè)泊位地下鋼筋水泥連續(xù)墻(厚度1.05 m、深度25 m)的施工任務(wù)，經(jīng)歷了各種環(huán)境的考驗(yàn)，如溫度、濕度、沙塵及超額定負(fù)荷1倍的特殊工況的考驗(yàn)，設(shè)備性能仍然良好。施工場(chǎng)景見(jiàn)圖3。

圖3 起拔實(shí)況

業(yè)主唐山市港口建設(shè)指揮部對(duì)該拔樁機(jī)做出如下評(píng)價(jià):

(1)主機(jī)操作全液壓控制，方便省力，安全可靠，正常起拔一個(gè)人便可完成，大大減輕了繁重的體力勞動(dòng)。

(2)該設(shè)備有孔內(nèi)阻力信息反饋系統(tǒng)，可邊監(jiān)測(cè)邊作業(yè)，預(yù)防了不能起拔的事故。

(3)該機(jī)處理復(fù)雜多變工況的能力強(qiáng)，由于它能實(shí)現(xiàn)超額定起拔力1倍的力量抱緊，徹底杜絕了不能起拔管的事故，在施工中有幾次由于孔內(nèi)阻力加大，該機(jī)起拔的反作用力將鋼筋混凝土的導(dǎo)墻壓沉壓裂，也未出現(xiàn)不能拔管的事故。

(4)實(shí)踐證明，該設(shè)備在港口各種復(fù)雜環(huán)境和復(fù)雜多變工況下，顯示了超群的性能和可靠性。

4 與發(fā)達(dá)國(guó)家同類(lèi)型起拔機(jī)的對(duì)比

(1)適應(yīng)復(fù)雜多變工況的能力超過(guò)了日本進(jìn)口的起拔機(jī)。如日本起拔機(jī)在摩擦表面有油時(shí)，當(dāng)粗糙的表面其凹凸不平的高峰被擠銼平了就會(huì)造成摩擦力下降，而使起拔能力下降到不足額定起拔力的1/2，而我們研制的這臺(tái)起拔機(jī)在任何情況下“當(dāng)量摩擦力”都是1倍于常規(guī)摩擦力，所以其可靠性和處理意外事故的能力是進(jìn)口起拔機(jī)所不能比擬的。在允許同樣起拔力的情況下，其夾緊油壓比日本起拔機(jī)減少一半。

(2)起拔機(jī)的起拔能力關(guān)鍵在于抱緊的可靠性，因?yàn)槠鸢胃缀蛫A緊缸從數(shù)量上相比為4∶1，摩擦系數(shù)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，所以只有加大夾緊缸的直徑和提高油壓來(lái)平衡力的關(guān)系?？墒羌哟笾睆绞芙Y(jié)構(gòu)位置的限制，而提高油壓所形成的超高壓又帶來(lái)安全、密封、壽命、溫升、維持費(fèi)、事故率、造價(jià)等一系列的問(wèn)題，所以這是核心問(wèn)題。由于我們采用了在同樣正壓力的情況下以超過(guò)摩擦力1倍的另一種力來(lái)提高夾緊的可靠性，即在同樣起拔力的情況下，加緊油壓為日本進(jìn)口起拔機(jī)的1/2，抑制了超高壓、降低了油缸的拉力，材質(zhì)的受力也大為改善。這是進(jìn)口起拔機(jī)所不能比擬的，也是國(guó)產(chǎn)材質(zhì)和液壓元件質(zhì)量不如發(fā)達(dá)國(guó)家但適應(yīng)復(fù)雜多變工況能力超過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家而又不壞的原因。

(3)配套設(shè)施費(fèi)降低一半。

接頭管截面上應(yīng)力σQ為:

式中:D——接頭管直徑;F——起拔機(jī)和接頭管的接觸面積;［σ］——許用抗壓應(yīng)力;t——接頭管的厚度。

可見(jiàn)σQ和總正壓力N成正比，所以在同樣起拔參數(shù)的情況下，可改變接頭管的厚度t來(lái)適應(yīng)總正壓力N的變化。由于在起拔同樣噸位需要的總正壓力N減少了一半，因而接頭管的厚度t也可相應(yīng)減小一半，因此，這樣一項(xiàng)可節(jié)約鋼材28 t及節(jié)約相應(yīng)的加工費(fèi)。

(4)和日本進(jìn)口起拔機(jī)相比主機(jī)制造成本降低。因?yàn)閵A緊油缸的油壓產(chǎn)生的拉力降下來(lái)了，則結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、密封的難度、液壓元件的要求都降低了，因而實(shí)現(xiàn)了全部元件國(guó)產(chǎn)化，這是成本降低的主要方面，此外，也為主機(jī)的制造闖出了一條既保證制造精度又降低制造成本的工藝路線。

5 結(jié)語(yǔ)

以解決現(xiàn)有國(guó)內(nèi)起拔機(jī)存在的缺點(diǎn)為目的，以進(jìn)口設(shè)備的技術(shù)為起點(diǎn)，研制了200T型液壓起拔機(jī)。在研制過(guò)程中克服了重重困難，并有效地采用了“當(dāng)量摩擦力”代替日本現(xiàn)有的“常規(guī)摩擦力”來(lái)抱緊，因而在國(guó)內(nèi)液壓元件質(zhì)量不如發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)實(shí)條件下，起拔機(jī)的總體性能和壽命都超過(guò)了發(fā)達(dá)國(guó)家同類(lèi)產(chǎn)品。在該機(jī)的鑒定會(huì)上，專(zhuān)家們一致認(rèn)為其結(jié)構(gòu)合理，工作實(shí)用可靠，居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平;該起拔機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和功能特點(diǎn)有新穎性和創(chuàng)新性，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

［1］東北工學(xué)院.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1975.

［2］上海煤礦機(jī)械研究所.液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.上海:上海人民出版社，1974.

［3］編委會(huì).中國(guó)大百科全書(shū)(力學(xué))［M］.北京:中國(guó)大百科全書(shū)出版社，1985.

［4］［英］F.P.Bowden，D.Tabor.固體的摩擦與潤(rùn)滑［M］.陳紹澧，譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［5］林子光，黃文治，孫希桐.八十年代摩擦學(xué)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1988.

［6］中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)探礦工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì).第三屆全國(guó)巖土鉆掘設(shè)備儀器學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集［Z］.1995.

Development of 200T Hydraulic Pullout Machine and the Application

XIONG Tao1，GAO Xian-ji2，XIAO Zhen-xiu1(1.No.5 Geological Brigade，Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development，Tangshan Hebei 063000，China;2.Hebei Bureau of Geoinformation，Shijiazhuang Hebei 050031，China)

By the comprehensive analysis on the advantages and disadvantages of pullout machines both in China and abroad，200T hydraulic pullout machine was developed with domestic made hydraulic components，and comparison was made to imported equipment on the performance，service life and use cost.The machine can be used for joint pipe pulling in reinforced cement diaphragm wall construction of port，wharf and high building，and can also be used for lifting location in offshore workboat and operating platform.

diaphragm wall;joint of diaphragm wall;pullout machine;hydraulic

TU67

A

1672－7428(2012)03－0019－04

2011－12－09;

2012－02－24

熊濤(1972－)，男(漢族)，湖南邵東人，河北省地勘局第五地質(zhì)大隊(duì)基礎(chǔ)公司副經(jīng)理，工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，從事樁基礎(chǔ)及隧道工程施工工作，河北省唐山市路北區(qū)北新西道99號(hào)，29045441@qq.com;高獻(xiàn)計(jì)(1957－)，男(漢族)，河北遷西人，河北省國(guó)土資源廳副廳長(zhǎng)，河北省地理信息局局長(zhǎng)、正高級(jí)工程師，國(guó)務(wù)院特殊津貼專(zhuān)家，探礦工程專(zhuān)業(yè)，博士，河北省石家莊市中山東路495號(hào)，hbsm1993@sina.com;肖振秀(1965－)，男(漢族)，河北唐山人，河北省地勘局第五地質(zhì)大隊(duì)副總工程師、正高級(jí)工程師，探礦工程專(zhuān)業(yè)，從事基礎(chǔ)及隧道工程施工工作，tsxzx@163.com。