无损水射流插桩机压盘装置设计

王春海，牛梦杰，杨亚雄

(华北水利水电大学机械学院，河南郑州450008)

0 引言

水射流无损插桩，管桩是射流管路的一部分，其中供水系统和管桩的连接——压盘装置，一方面构成管路射流的一部分，另一方面又是设备施工起吊承载的重要部分，其设计对设备的使用性能起决定性作用。因此，该部分的结构设计是其核心部件之一。

1 方案设计

压盘装置一方面连接管桩和供水系统管道，是供水系统的一部分，另一方面又是吊点布置的位置，连接起吊机械和供水系统，使管桩实现整个高度上连续插桩。因此，压盘装置设计是设备的关键部件之一，总体方案如图1 所示。

图1 压盘装置总体方案

压盘1 直接压在管桩的顶部，通过螺栓与管桩连接在一起，其形状、孔径和螺孔数量由桩端板结构和端板上螺纹孔数量决定。连接弯头2 是由标准弯头和钢管焊接组合在一起，改变管路射流方向;连接法兰3 将管桩和供水系统管路连接在一起，为了实现在桩高度上连续插桩，需要连接起吊机械和射流系统的吊点，该部件的关键点和难点是吊点4 的设计、螺栓组强度及密封性要求。

2 压盘和连接弯管的连接方式选择与设计

压盘1 与连接弯管2 下端部分的连接，通过直管和压盘，连接方式有平焊连接、对焊连接、螺纹连接、承插焊连接(如图2 所示)，由于吊点需要占用较大的空间，尽可能预留较多的空间，同时，使连接弯管也不受力，选择对焊连接方式合适(如图2b 所示)。

图2 压盘与直管连接方案

选择图2b 方案，压盘一方面通过焊接与连接弯管连接，改变管路的方向，另一方面与管桩的端板通过螺栓对接，形成一个相通的供水管路;同时由于吊点也设计在压盘上，压盘同时承受约16 t 的拉伸载荷(管桩重量、管桩中的水重量、射流装置重量以及供水管路及其管中的水重量等)。因此压盘和吊点强度必须达到一定的承载能力。同时压盘厚度还要和管桩端板相配合的螺栓通用。综合设计，压盘结构如图3 所示。

3 连接弯管与供水系统的连接方式选择

连接弯管与供水系统的连接，直接决定供水系统的安全与可靠性、设备操作的灵活性，同时还具有改变管路液体流向的作用。为了使连接具有通用性和互换性，将两者采用对接法兰连接(如图4 所示)。图5a 方案，中间用密封圈，四周用螺栓连接即可保证连接的可靠性和密封的安全性。法兰具体型号由连接管的型号确定(DN150 型号)。弯管和供水系统连接处，除了图1 中90°弯头外，还可以用45°弯头、60°弯头等。

图3 压盘结构图

图4 弯管和供水系统连接方式

4 吊点方案设计及吊耳形式选择

4.1 吊点方案设计

在设备安装工程的建设过程和施工过程中，设备吊装始终处在举足轻重的位置。设备吊装过程尤其是大型设备吊装是否能顺利安全进行，直接决定着工程项目的施工周期和项目投资，更关系到工程项目管理的成败、企业市场开发与经营运行效果和企业的持续发展。

压盘装置为圆筒形，理论上设计4 个吊点起吊过程中稳定性好(如图5a 所示)，但是由于连接弯管为弯头形式，偏向一侧，使该侧空间受限，方案a 不可取;4 个吊点可以如图6b 所示布置，方案b 虽然吊点多，对称及稳定性好，但压盘和管桩配合螺纹所剩空间所限，方案b 亦不可取;方案如图6c 所示，两个吊点即可，缺点是起吊时造成设备的不平衡，偏向弯管供水系统一侧，可通过辅助设施解决不平衡问题。

图5 吊点方案设计

4.2 吊耳形式选择

吊点的实际表现形式是有吊耳，吊耳是设备吊装过程中最直接的受力部件，常用的形式分为耳板式和管轴式，分别应用在中小型和大中型的设备吊装工程中，且耳板式吊耳较管轴式应用范围更广泛一些。

相对应如图5c 吊点方案时对应吊耳设计如图6a 所示。为了增强吊耳和压盘连接的强度，在耳板两侧分别设计有两个筋板(如图6b 所示)。吊耳实际使用中，需要图6c 所示卸扣配合使用。

形式除了图7c 方案外，也可以选择图8a 所示的吊耳:为了将载荷分散，在压盘上设计四个小吊耳，相应的两个吊耳之间通过焊接高强度钢筋，通过和图8c 所示的卸扣配合使用，形成实际上只有两个吊点的结构。

图6 吊耳设计

5 螺栓组强度校核和密封性保证

进行螺栓组强度和密封性校核之前，必须对单个螺栓的强度和预紧力进行校核与计算。

5.1 单个螺栓连接强度和密封性校核

压盘在工作中，螺栓组既受到轴向拉力的作用，又受到翻转力矩M 的作用。对单个螺栓而言，既受到预紧力P'又受到轴向载荷P 的作用，设螺栓的最大拉力为P0，根据文献［3］有

式中，P0——螺栓所受最大拉伸力，N;σ1p——螺栓的许用拉应力其中σs为材料的屈服强度值，Ss为安全系数。

因所加轴向载荷P 为变载荷时，除了按紧螺栓所受最大拉伸应力计算外，还要计算螺栓的应力幅，应力幅为

式中，σap——许用应力幅;CL——连接件刚度;CF——被连接件刚度。

许用应力幅σap

式中，ε——尺寸因数，Kt——螺纹制造工艺因数，Kμ——受力不均匀系数，Kσ——缺口应力集中系数，Sa——安全系数，σ－1t——试件的疲劳极限。

由于管路有密封性要求，此时，螺栓预紧力 P″ = (1.5 ～1.8)P。

已知，螺栓组数量n=14，长度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

由于加在螺栓上的载荷是变载荷，由式(2b)得到

所以

σa≤σap

综上所述，单个螺栓的强度和密封性满足要求。

5.2 螺栓组强度校核

刚开始起吊时，螺栓既承受弯矩又承受轴向压力载荷;起吊到竖直位置时耳板仅承受轴向拉伸载荷。第一种工况时，螺栓承受翻转力矩M，对称轴左侧的螺栓被进一步拉紧，其螺栓的轴向拉力进一步增大，对称轴线右侧螺栓受力被放松，螺栓的预紧力也被减小。因各螺栓的受力与其到对称轴线的距离成正比例，故距离螺栓组对称轴最远的螺栓所受到拉力最大，为

式中，M——螺栓组所受到翻转力矩;r——螺栓中心至底板对称轴线的距离。

保证结合面最大受压处不压溃的条件是

保证结合面最小受压处不分离的条件是

式中，A——螺栓组底板结合面受压面积;Z——螺栓组数量;P'——单个螺栓的预紧力，P'的大小为单个螺栓工作载荷的1.5.1.8 倍。即 P' =(1.5 － 1.8)P;W——螺栓组底板结合面的抗弯截面系数;σPP——结合面许用挤压应力。

螺栓材料为40 Cr，抗拉强度抗拉强度 σb=750 ～1000 MPa，屈服强度 σs=650 ～900 MPa，σPP=520 ～720 MPa。

由式(4)得到

由式(5)得到

取较大值 P' =1.8 ×13333 =24000 N。－d4)，D、d 分别为管桩端板的外径和内径直径。

由式(6)得到

所以，螺栓组强度满足试验要求。

6 结语

该压盘装置由河南建华管桩有限公司负责加工制造，并分别在其生产厂区和郑州市花园口南裹头进行30 根重复导流桩坝的施工。通过施工发现，该压盘装置强度和密封性完全满足设计要求，但是由于螺栓数量(14 个)太多，施工中，压盘装置与管桩连接与拆卸耗时费力，压盘与管桩之间的密封垫圈容易受损，同时由于在水中施工，螺栓容易掉入水中，需要较多的密封垫圈和螺栓备件。因此，可以在管桩端板与压盘连接处增加抱箍，通过减小螺栓受力间接减少螺栓数量，达到节时省力，增加施工效率。

［1］吴林峰，郭飞，耿明全，等.射水造孔法拔除混凝土预制桩施工技术［J］.人民黄河，2010，(11):150 ～151.

［2］严大考.起重机械［M］.北京:水力电力出版社，2002.

［3］成大先.机械设计手册(1 －5)［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［4］《简明管道工设计手册》编写组. 简明管道工设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1993.

［5］戴军. 高强度螺栓设计的探讨［J］. 内江技术，2007，28(1):110 ～111.