無(wú)損水射流插樁機(jī)壓盤裝置設(shè)計(jì)

王春海，牛夢(mèng)杰，楊亞雄

(華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州450008)

0 引言

水射流無(wú)損插樁，管樁是射流管路的一部分，其中供水系統(tǒng)和管樁的連接——壓盤裝置，一方面構(gòu)成管路射流的一部分，另一方面又是設(shè)備施工起吊承載的重要部分，其設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備的使用性能起決定性作用。因此，該部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其核心部件之一。

1 方案設(shè)計(jì)

壓盤裝置一方面連接管樁和供水系統(tǒng)管道，是供水系統(tǒng)的一部分，另一方面又是吊點(diǎn)布置的位置，連接起吊機(jī)械和供水系統(tǒng)，使管樁實(shí)現(xiàn)整個(gè)高度上連續(xù)插樁。因此，壓盤裝置設(shè)計(jì)是設(shè)備的關(guān)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(shù)量由樁端板結(jié)構(gòu)和端板上螺紋孔數(shù)量決定。連接彎頭2 是由標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)管路連接在一起，為了實(shí)現(xiàn)在樁高度上連續(xù)插樁，需要連接起吊機(jī)械和射流系統(tǒng)的吊點(diǎn)，該部件的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)是吊點(diǎn)4 的設(shè)計(jì)、螺栓組強(qiáng)度及密封性要求。

2 壓盤和連接彎管的連接方式選擇與設(shè)計(jì)

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(duì)焊連接、螺紋連接、承插焊連接(如圖2 所示)，由于吊點(diǎn)需要占用較大的空間，盡可能預(yù)留較多的空間，同時(shí)，使連接彎管也不受力，選擇對(duì)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(duì)接，形成一個(gè)相通的供水管路;同時(shí)由于吊點(diǎn)也設(shè)計(jì)在壓盤上，壓盤同時(shí)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(diǎn)強(qiáng)度必須達(dá)到一定的承載能力。同時(shí)壓盤厚度還要和管樁端板相配合的螺栓通用。綜合設(shè)計(jì)，壓盤結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

3 連接彎管與供水系統(tǒng)的連接方式選擇

連接彎管與供水系統(tǒng)的連接，直接決定供水系統(tǒng)的安全與可靠性、設(shè)備操作的靈活性，同時(shí)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(duì)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(hào)由連接管的型號(hào)確定(DN150 型號(hào))。彎管和供水系統(tǒng)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(jié)構(gòu)圖

圖4 彎管和供水系統(tǒng)連接方式

4 吊點(diǎn)方案設(shè)計(jì)及吊耳形式選擇

4.1 吊點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

在設(shè)備安裝工程的建設(shè)過程和施工過程中，設(shè)備吊裝始終處在舉足輕重的位置。設(shè)備吊裝過程尤其是大型設(shè)備吊裝是否能順利安全進(jìn)行，直接決定著工程項(xiàng)目的施工周期和項(xiàng)目投資，更關(guān)系到工程項(xiàng)目管理的成敗、企業(yè)市場(chǎng)開發(fā)與經(jīng)營(yíng)運(yùn)行效果和企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

壓盤裝置為圓筒形，理論上設(shè)計(jì)4 個(gè)吊點(diǎn)起吊過程中穩(wěn)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(cè)，使該側(cè)空間受限，方案a 不可取;4 個(gè)吊點(diǎn)可以如圖6b 所示布置，方案b 雖然吊點(diǎn)多，對(duì)稱及穩(wěn)定性好，但壓盤和管樁配合螺紋所?？臻g所限，方案b 亦不可取;方案如圖6c 所示，兩個(gè)吊點(diǎn)即可，缺點(diǎn)是起吊時(shí)造成設(shè)備的不平衡，偏向彎管供水系統(tǒng)一側(cè)，可通過輔助設(shè)施解決不平衡問題。

圖5 吊點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

4.2 吊耳形式選擇

吊點(diǎn)的實(shí)際表現(xiàn)形式是有吊耳，吊耳是設(shè)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(yīng)用在中小型和大中型的設(shè)備吊裝工程中，且耳板式吊耳較管軸式應(yīng)用范圍更廣泛一些。

相對(duì)應(yīng)如圖5c 吊點(diǎn)方案時(shí)對(duì)應(yīng)吊耳設(shè)計(jì)如圖6a 所示。為了增強(qiáng)吊耳和壓盤連接的強(qiáng)度，在耳板兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有兩個(gè)筋板(如圖6b 所示)。吊耳實(shí)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(shè)計(jì)四個(gè)小吊耳，相應(yīng)的兩個(gè)吊耳之間通過焊接高強(qiáng)度鋼筋，通過和圖8c 所示的卸扣配合使用，形成實(shí)際上只有兩個(gè)吊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。

圖6 吊耳設(shè)計(jì)

5 螺栓組強(qiáng)度校核和密封性保證

進(jìn)行螺栓組強(qiáng)度和密封性校核之前，必須對(duì)單個(gè)螺栓的強(qiáng)度和預(yù)緊力進(jìn)行校核與計(jì)算。

5.1 單個(gè)螺栓連接強(qiáng)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(zhuǎn)力矩M 的作用。對(duì)單個(gè)螺栓而言，既受到預(yù)緊力P'又受到軸向載荷P 的作用，設(shè)螺栓的最大拉力為P0，根據(jù)文獻(xiàn)［3］有

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

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

式中，σap——許用應(yīng)力幅;CL——連接件剛度;CF——被連接件剛度。

許用應(yīng)力幅σap

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

由于管路有密封性要求，此時(shí)，螺栓預(yù)緊力 P″ = (1.5 ～1.8)P。

已知，螺栓組數(shù)量n=14，長(zhǎng)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(gè)螺栓的強(qiáng)度和密封性滿足要求。

5.2 螺栓組強(qiáng)度校核

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

式中，M——螺栓組所受到翻轉(zhuǎn)力矩;r——螺栓中心至底板對(duì)稱軸線的距離。

保證結(jié)合面最大受壓處不壓潰的條件是

保證結(jié)合面最小受壓處不分離的條件是

式中，A——螺栓組底板結(jié)合面受壓面積;Z——螺栓組數(shù)量;P'——單個(gè)螺栓的預(yù)緊力，P'的大小為單個(gè)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(jié)合面的抗彎截面系數(shù);σPP——結(jié)合面許用擠壓應(yīng)力。

螺栓材料為40 Cr，抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 σb=750 ～1000 MPa，屈服強(qiáng)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(nèi)徑直徑。

由式(6)得到

所以，螺栓組強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

該壓盤裝置由河南建華管樁有限公司負(fù)責(zé)加工制造，并分別在其生產(chǎn)廠區(qū)和鄭州市花園口南裹頭進(jìn)行30 根重復(fù)導(dǎo)流樁壩的施工。通過施工發(fā)現(xiàn)，該壓盤裝置強(qiáng)度和密封性完全滿足設(shè)計(jì)要求，但是由于螺栓數(shù)量(14 個(gè))太多，施工中，壓盤裝置與管樁連接與拆卸耗時(shí)費(fèi)力，壓盤與管樁之間的密封墊圈容易受損，同時(shí)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(shù)量，達(dá)到節(jié)時(shí)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(yù)制樁施工技術(shù)［J］.人民黃河，2010，(11):150 ～151.

［2］嚴(yán)大考.起重機(jī)械［M］.北京:水力電力出版社，2002.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(1 －5)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］《簡(jiǎn)明管道工設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組. 簡(jiǎn)明管道工設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［5］戴軍. 高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)的探討［J］. 內(nèi)江技術(shù)，2007，28(1):110 ～111.