200T型液壓起拔機的研制與應用

熊 濤，高獻計，肖振秀

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

200T型液壓起拔機的研制與應用

熊 濤1，高獻計2，肖振秀1

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

通過對國內外各種起拔機的優(yōu)缺點進行綜合分析，研制了一種全部液壓元件國產化的全液壓起拔機。并對該機的性能、壽命、使用成本等幾項主要指標和進口設備進行了對比。該機可用在港口、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)平臺的升降定位。

地下連續(xù)墻;連續(xù)墻接頭;起拔機;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。接頭技術是地連墻施工的關鍵技術，而起拔機是接頭技術的關鍵設備之一。我國這類設備的現狀是難以滿足接頭技術的需要，迫切需要研制性能優(yōu)良、成本低廉的地下連續(xù)墻接頭管起拔機械。

1 現有起拔機存在的問題

1.1 國產設備現狀及問題

我國目前常用的起拔機主要有機械式和液壓雙缸插板式2種。

機械式起拔機是用2臺卷揚機通過滑輪組來起拔接頭管，它的缺點在于:

(2)體積大、質量大、能耗大(高度和質量均為液壓式的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，勞動力多、勞動強度大;

(4)起拔的可靠性無法保障，接頭管拔不出來的事故時有發(fā)生。

液壓雙缸插板式起拔機雖然解決了機械式起拔機的前3個缺點，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)導致應力集中在2個起拔缸的根部，其應力不斷作用的結果，造成油缸的變形和損壞。再則插板如一旦插不到位，會飛出來有傷人的危險。

1.4 統(tǒng)計學方法 由經培訓過的人員，采用EpiData 3.1軟件對數據進行雙錄入并檢錯，采用SPSS 16.0軟件統(tǒng)計分析。離散變量資料采用比或率進行描述，率的比較采用χ2檢驗，探討影響因素用二分類反應變量的非條件Logistic回歸分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

1.2 進口設備現狀及問題

德國進口的全液壓摩擦抱緊式起拔機克服了國產機械式的全部缺點，但問題仍有2個:一是從技術上來說抱緊和松開是底座和導墻之間的相對運動，摩擦阻力大，要求起拔缸活塞桿有很好的導向和很高的剛性;二是在經濟方面需要巨額外匯。

日本進口的引拔機也存在著2個問題:一是一旦被抱的接頭管表面有油、孔內附加阻力加大時，夾緊的可靠性沒有保障;二是進口該類設備成本高，相當于自制成本的3倍。

進口起拔機的主要優(yōu)點是執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)均采用全液壓傳動，因而主機不用人去操作，人只需操作液壓站的液壓閥手柄。節(jié)省了勞動力，而且這種用“當量摩擦力”(起拔機主機內表面采用花紋板和接頭管外表接觸，通過加緊油缸在表面產生正壓力，這時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械咬合。要使其產生相對運動，即打滑，勢必以剪切花紋的方式進行破壞，這個剪切力即“當量摩擦力”代替了“常規(guī)摩擦力”?！P者注)來實現起拔過程中的抱緊，簡化了接頭管表面的幾何形狀，除接頭管制造簡單外，特別是降低了接頭管起拔的阻力。可以說這種抱緊方式是一個飛躍，是起拔機發(fā)展史的一個里程碑，這就是我們研制工作的起點。但進口起拔機存在的問題是抱緊的可靠性無法保障，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產化不可逾越的障礙。因此，如何抑制超高壓，尋找一種比摩擦力大的另一種力來實現起拔過程中的抱緊，這是我們研究的主要問題，也是在復雜多變工況的現實面前能否好用和耐用的關鍵。因為我們當時參觀到的國外2種類型的起拔機，在復雜多變的工況面前時有不能勝任，而港口施工的實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抱緊接頭管，這是我們研究的重點。

2 200T型液壓起拔機結構特點及性能參數

2.1 結構特點

該起拔機由主機和液壓站2個獨立的部件組成，其中主機由4個鋼制弧形塊、4個起拔缸和夾緊油缸組成，主機浮動安裝于底盤上。底盤內有4個可伸縮的壓梁(參見圖1、圖2)。能源來自液壓站的高壓油。

2.1.1 鋼制弧形塊

主機的4個鋼制弧形塊和夾緊油缸之間均為耳環(huán)連接式結構，靠夾緊油缸的拉力，使主機的4個弧形塊靠摩擦抱緊被拔的接頭管進行起拔或壓入，這種夾緊形式也是進口設備的精華。

2.1.2 起拔缸

起拔缸設置為4個，采用倒裝式安裝于主機弧形塊的外側，活塞桿下部是球體，且球座和底盤間又有一個平面自由度，這種結構的特點主要有以下幾點。

(1)施工時不需嚴格找正，可以減少輔助時間提高施工效率。

圖1 200T型液壓起拔機主機結構

圖2 起拔機主機實物圖片

(2)這種結構的特定功效，對設備制造中，起拔各油缸和底座的垂直度、施工中導墻的水平度和墻中心的垂直度均無苛刻要求奠定了可靠的基礎，因而解決了國內液壓插板式起拔機各種不可避免誤差導致的應力集中于油缸根部，而影響設備的好用和耐用的問題。

(3)這種結構解決了德國進口起拔機在抱緊和松開過程中其相對運動發(fā)生在底座和水泥導墻之間的問題，解決了運行中產生的過大摩擦阻力問題。運動過程中過大的摩擦阻力，會對起拔油缸的密封、導向、強度及剛度的要求提高，從而加大元件國產化的障礙。

(4)在液壓系統(tǒng)的設計中嚴格控制了系統(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)進行。如增加了一片操縱閥來解決夾緊油缸松開時，液控單向閥背壓造成的能源損失和發(fā)熱;結構中加入了強制冷卻的備用措施。

(5)在接頭管起拔過程中還可壓入，即接頭管上下運動可減低其外圈的土壓從而降低起拔的阻力;同時一邊監(jiān)測(壓力表的讀數就是孔內阻力的可靠信息)，一邊作業(yè)，不會出現不能起拔的事故，安全可靠。

(6)油路中設置了防誤操作的安全保障系統(tǒng)，安全閥能準確自動及時防止過載，不會因操作失誤而造成機械或人身事故。

(7)油路中設置了等量分流集流閥，即保證了起拔各缸空載無導向時的同步，也解決了負載時有特定導向——即各種不可避免的誤差造成的接頭管實際運動方向(這個運動方向和起拔缸不可能絕對平行)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——“當量摩擦力”代替常規(guī)摩擦力來抱緊接頭管，抱緊的可靠性得到了保障。

2.2 工作原理

電機驅動油泵將機械能轉變?yōu)橐簤耗茌敵?，有多路換向閥控制油缸的運動方向，同步閥控制起拔各缸的等速運動。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，起拔缸復位，完成一個工作循環(huán)，周而復始地工作可將埋在地下的接頭管拔出來。

2.3 主要性能指標

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

2.4 用國內液壓元件實現設備高性能的幾個方面

(1)安全保障性能提高了。按日本起拔機摩擦抱緊方式起拔2000 kN，需要加緊油缸的油壓為25 MPa。當孔內附加阻力增加形成事故起拔時，如果起拔力增加1倍，或當接頭表面有油而摩擦系數降低時，夾緊油缸的油壓將要增到超過高壓膠管的試驗壓力向爆破壓力接近，這是個極不安全的因素。而200T型液壓起拔機由于采取了當量摩擦力來抱緊，因而夾緊油缸的油壓從原來的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荷的因素;再則同樣起拔力的情況下夾緊力只是原來的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，動力損失也相應降低了。如按日本的起拔機采用常規(guī)摩擦力抱緊接頭管，夾緊油缸高壓側用內徑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);當夾緊油缸松開時，此管的回油流速為14 m/s＞1.5～2.5 m/s(允許回油管流速)。這樣空運轉就需6～7 MPa的壓力，該壓力沒有作功，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，如果在同樣起拔力的情況下，夾緊油壓降到原來的50%。200T起拔機如靠常規(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徑10 mm的三層鋼編高壓膠管?，F在采用“當量摩擦力”抱緊接頭管只需16 MPa的油壓，故而采用內徑19 mm的三層鋼編膠管就可以承受夾緊需要的油壓。由于管內徑的加大，不存在憋油的問題，故能源的損失和溫升也迎刃而解了。

3 生產應用情況

該樣機在京唐港完成了2個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，經歷了各種環(huán)境的考驗，如溫度、濕度、沙塵及超額定負荷1倍的特殊工況的考驗，設備性能仍然良好。施工場景見圖3。

圖3 起拔實況

業(yè)主唐山市港口建設指揮部對該拔樁機做出如下評價:

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

(2)該設備有孔內阻力信息反饋系統(tǒng)，可邊監(jiān)測邊作業(yè)，預防了不能起拔的事故。

(3)該機處理復雜多變工況的能力強，由于它能實現超額定起拔力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阻力加大，該機起拔的反作用力將鋼筋混凝土的導墻壓沉壓裂，也未出現不能拔管的事故。

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

4 與發(fā)達國家同類型起拔機的對比

(1)適應復雜多變工況的能力超過了日本進口的起拔機。如日本起拔機在摩擦表面有油時，當粗糙的表面其凹凸不平的高峰被擠銼平了就會造成摩擦力下降，而使起拔能力下降到不足額定起拔力的1/2，而我們研制的這臺起拔機在任何情況下“當量摩擦力”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口起拔機所不能比擬的。在允許同樣起拔力的情況下，其夾緊油壓比日本起拔機減少一半。

(2)起拔機的起拔能力關鍵在于抱緊的可靠性，因為起拔缸和夾緊缸從數量上相比為4∶1，摩擦系數又遠遠小于1，所以只有加大夾緊缸的直徑和提高油壓來平衡力的關系?？墒羌哟笾睆绞芙Y構位置的限制，而提高油壓所形成的超高壓又帶來安全、密封、壽命、溫升、維持費、事故率、造價等一系列的問題，所以這是核心問題。由于我們采用了在同樣正壓力的情況下以超過摩擦力1倍的另一種力來提高夾緊的可靠性，即在同樣起拔力的情況下，加緊油壓為日本進口起拔機的1/2，抑制了超高壓、降低了油缸的拉力，材質的受力也大為改善。這是進口起拔機所不能比擬的，也是國產材質和液壓元件質量不如發(fā)達國家但適應復雜多變工況能力超過發(fā)達國家而又不壞的原因。

(3)配套設施費降低一半。

接頭管截面上應力σQ為:

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

可見σQ和總正壓力N成正比，所以在同樣起拔參數的情況下，可改變接頭管的厚度t來適應總正壓力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也可相應減小一半，因此，這樣一項可節(jié)約鋼材28 t及節(jié)約相應的加工費。

(4)和日本進口起拔機相比主機制造成本降低。因為夾緊油缸的油壓產生的拉力降下來了，則結構的強度、密封的難度、液壓元件的要求都降低了，因而實現了全部元件國產化，這是成本降低的主要方面，此外，也為主機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 結語

以解決現有國內起拔機存在的缺點為目的，以進口設備的技術為起點，研制了200T型液壓起拔機。在研制過程中克服了重重困難，并有效地采用了“當量摩擦力”代替日本現有的“常規(guī)摩擦力”來抱緊，因而在國內液壓元件質量不如發(fā)達國家的現實條件下，起拔機的總體性能和壽命都超過了發(fā)達國家同類產品。在該機的鑒定會上，專家們一致認為其結構合理，工作實用可靠，居國內領先水平;該起拔機的結構形式和功能特點有新穎性和創(chuàng)新性，達到了國際先進水平。

［1］東北工學院.機械零件設計手冊［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1975.

［2］上海煤礦機械研究所.液壓傳動設計手冊［M］.上海:上海人民出版社，1974.

［3］編委會.中國大百科全書(力學)［M］.北京:中國大百科全書出版社，1985.

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

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

［6］中國地質學會探礦工程專業(yè)委員會.第三屆全國巖土鉆掘設備儀器學術研討會論文集［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大隊基礎公司副經理，工程地質專業(yè)，從事樁基礎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，29045441@qq.com;高獻計(1957－)，男(漢族)，河北遷西人，河北省國土資源廳副廳長，河北省地理信息局局長、正高級工程師，國務院特殊津貼專家，探礦工程專業(yè)，博士，河北省石家莊市中山東路495號，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大隊副總工程師、正高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事基礎及隧道工程施工工作，tsxzx@163.com。