钢支撑预应力同步分级施加设备液压系统

耿涛涛

（上海宏信设备工程有限公司，上海 201700）

钢支撑预应力同步分级施加设备作为钢支撑轴力智能控制设备的衍生产品［1-2］，主要用于跨度大、形状不规则的基坑，对安装于同一主撑的多根角度不同的斜支撑同时施工，设备单次施工周期相对较短。为了满足施工要求，本文在前期研究基础上，重点对液压系统设计过程进行介绍。

钢支撑预应力同步分级施加设备主要由泵站、补偿节组成，设备结构组成如图1。

图1 设备结构组成图

为了保证钢支撑施工质量，根据Φ609钢支撑设计要求，确定设备推力、速度要达到表1要求。

表1 钢支撑预应力同步分级施加设备推力、速度指标

1 液压系统形式确定

根据系统中液压回路的特点，液压系统分为开式系统、闭式系统2种。开式系统是指通过阀的动作来实现液压换向，液压油经泵、阀、马达（或液压缸）回到油箱的一种液压系统。该系统结构较为简单、体积较大，成本较低，散热性较好，在大多数机电设备中所采用。闭式系统是指通过泵的动作来实现液压换向，液压油在泵、阀（可省略）、马达内封闭循环的一种液压系统。该系统散热性能较差，靠增加辅助泵散热，结构较复杂、体积较小，成本较高，常应用于控制精度高、动作复杂的机械［3-4］。

钢支撑预应力同步分级施加设备主要用于施加、卸除钢支撑预应力，控制精度要求不高，工况简单，单次工作持续时间较短，设备泵站放置在工地现场、对设备体积限制少，成本控制严格，故设备液压系统采用开式系统。因为钢支撑对设备反向力为轴向力，且主要为静载荷作用，偶尔受到冲击载荷，所以选择液压缸作为执行元件，并要求系统能实现液压缸可顺序及同步动作。

2 液压系统关键参数设计

液压系统关键参数为额定压力P和额定流量Q。

2.1 液压系统额定压力选择

额定压力是指额定载荷条件下系统的最大压力，取决于负载大小。因液压缸为执行元件，故液压缸的额定压力决定了液压系统的额定压力。

钢支撑预应力同步分级施加设备处于工作状态时，每根钢支撑活络头同时连接2个受力相等的液压缸，可知单个液压缸最大推力为180t；2个液压缸安装在活络头内部的两侧，如图2所示，根据活络头尺寸可得：液压缸最大安装空间为260mm×260mm×520mm。为了提高液压缸的可靠性，额定压力尽可能小，根据液压缸推力计算公式P1=F/S=N/（πd2/4），通过额定压力P1、最大推力F、缸径d匹配计算，在额定压力为57.5MPa、缸径200mm时，推力可达180t，从成熟、稳定的标准系列液压缸尺寸中，初步选定外径250mm、缸径200mm的双作用单杆式液压缸。

图2 液压缸安装位置图

2.2 液压系统额定流量设计

液压系统额定流量是指设备在额定工况下系统所需的最大流量；方案中系统的额定流量等于16个同时作用液压缸的最大流量与管路损失流量之和。根据液压缸尺寸、伸出速度，结合流量计算公式，可以求得n=16个同时作用液压缸的最大流量为

通过以上计算，16个液压缸所需的最大流量Q1=3.55L/min。

系统的额定流量等于16个同时作用液压缸的最大流量与管路损失流量之和，故系统额定流量为

式中 K—— 管路损失系数，常取1.1～1.3，本设备设计中取1.2。

故系统最小额定流量Q=4.3L/min。

3 液压系统原理

3.1 液压系统原理设计

在选用以上部件的基础上，根据钢支撑预用力施加、卸除的要求，拟定液压系统原理如图4。

3.2 液压系统回路

根据工作过程不同，设备可分为预应力分级施加、预应力多点同步施加、预应力自动补偿等阶段，设备实际工作过程为液压缸伸长、缩回2个过程，液压回路如图3所示，液压系统由8个相同液压回路组成。

当设备处于施加钢支撑预应力工况时：电机1驱动液压泵2从液压油箱中吸取液压油，液压油经单向阀3提供给主管路；管路中两位两通电磁换向阀5处于断开状态，液压油直接推动液压缸7无杆腔动作，此时三位四通电磁换向阀9处于下位；PLC控制根据压力传感器6检测到的管路中系统压力控制三位四通电磁换向阀9的位置切换。

当设备处于卸除钢支撑预应力工况时：电机1驱动液压泵2从液压油箱中吸取液压油，液压油经单向阀3提供给主管路；管路中两位两通电磁换向阀5处于断开状态，液压油直接推动液压缸7有杆腔动作，此时三位四通电磁换向阀9处于上位；PLC控制根据压力传感器6检测到的管路中系统压力控制三位四通电磁换向阀9的位置切换。

当设备开机、补偿节处于锁紧状态时：电机1驱动液压泵2从液压油箱中吸取液压油，液压油经单向阀3提供给主管路；管路中两位两通电磁换向阀5处于连通状态，液压油直接回到液压油箱。

液压回路中，单向阀3可避免振动、冲击等因素造成液压泵2反转或损坏；电磁泄荷阀4主要用于调节主管路中工作压力低于元件的额定压力，避免压力过大对泵、阀、传感器等各元件造成损伤；设备开机、补偿节处于锁紧状态时，两位两通电磁换向阀使液压油直接回到液压油箱，可以降低设备功耗，且减少电机、液压泵频繁启动、关闭动作，能够延长电机、泵、阀等部件使用寿命。

图3 钢支撑预应力同步分级施加设备液压原理图

4 关键部件选择

4.1 液压泵选择

（1）液压泵额定压力计算。

液压泵的压力在满足液压缸的额定工作要求之外，同时要能补偿管路造成的总压力损失，并预留一定的压力储备，根据液压泵的额定工作压力计算公式

式中ΣΔp为从液压泵输出端到液压缸输入端之间管路因素引起的的总液压损失；实际工作中系统简单、回路短、流速小的液压系统，取ΣΔp=（0.2～0.5）MPa；系统复杂、回路较长、进口有调阀的，取ΣΔp=（0.5～1.5）MPa；方案中ΣΔp取1.5MPa。

为避免不确定因素引起的压力损失，液压泵需要设置一定的压力储备，故选取泵时预留5%的储备压力，即P=P0*1.01=59.5*1.01≈62MPa。

（2）液压泵流量计算。

根据前文计算，液压系统最小额定流量为Q=4.3L/min。

（3）选择液压泵的规格。

在各类液压泵中，柱塞泵能够实现62MPa超高压系统中稳定工作，且精度高、密封性能好；根据以上求得的P≥62MPa和Q≥4.3L/min的结果，选取RK7-8.5-4.51规格的柱塞泵，参数如表2所示。

表2 液压泵主要参数表

4.2 电机选择

设备在正常工作循环中，液压泵的工作压力、流量基本不变，泵的功率变化不大，根据液压泵的额定工作压力和额定流量计算电机所需的最高功率

式中 η—— 柱塞泵的总效率，一般取0.8～0.85，设计计算时取0.85；

N=5.5kW。

在选择电机时，除了考虑功率外，还要考虑转速影响，选取的电机转速要求不高于液压泵的额定转速；故选用YX3-132S-4-B5-5.5kW型皖南电机作为驱动液压泵的原动机，各参数如表3所示。

表3 电机主要参数表

4.3 液压缸选取

根据最低额定压力为57.5MPa、外径250mm、缸径200mm要求，选用63MPa超高YGH200/140.200-00型双作用单杆式液压缸［5］，各参数如表4所示。

表4 液压缸主要尺寸表

4.4 其它关键元件选择

为了配合所选电机、液压泵、液压缸的良好工作，根据系统额定压力、流量等要求，选取了阀、传感器、油管及各类辅助元件［4］，具体如表5所示。

5 系统验算及实践

系统验算是验证系统设计合理性、部件选择正确性的必要步骤，最后根据所选部件的具体参数，对设备速度、推力等参数进行验算：将所选参数代入公式（1）可得速度为0.0064m/min，将所选参数代入公式（2）可得最大推力为193t；根据计算结果，系统和部件均满足设计要求。

表5 其它关键元件规格表

钢支撑预应力同步分级施加设备已在山西太原（基坑距离住宅楼最近为5m）、江苏连云港（基坑距离住宅楼最近为7.8m）2个项目完成施工，施工结果满足工程质量要求。可见，实践验证设备性能可靠，具备推广价值。

本文通过对钢支撑预应力同步分级施加设备设计过程的分析，为行业技术人员开展设备设计、设备施工、设备维护等工作提供参考，为跨度大、形状不规则的基坑施工技术的提升提供切实可靠的设备、工艺。

［1］ 耿涛涛，张建平，贾建中. 钢支撑预应力同步分级施加设备［J］. 工程机械，2018，49（1）：3-7.

［2］ 耿涛涛，张建平，苏胜晖，等. 智能钢支撑轴力补偿及基坑变形监控系统［J］. 工程机械，2016，47（2）：1-7.

［3］ 李枫，王欣，王盼盼，等. 起升机构闭式液压系统节能研究［J］. 建筑机械，2015，7：93-97.

［4］ 訚耀保. 高端液压元件理论与实践［M］. 上海：上海科学技术出版社，2017.

［5］JB/T10205-2010. 液压缸技术条件［S］.