钢支撑轴力智能控制设备液压系统设计

第5期（总期84期）
2017年9月
Fluid Power Transmission and Control
No.5(Serial No.84)
Sep.,2017
钢支撑轴力智能控制设备是用于钢支撑安装、轴力控制、拆卸等作业的设备，国内最早应用于2007年左右。

随着建筑行业绿色施工要求的提高，钢支撑系统因结构简单、施工快捷、无污染的特点，逐渐成为深基坑内支撑系统的主要方式；钢支撑轴力智能控制设备作为钢支撑系统施工的关键控制设备，市场接受度越来越高，设备的可靠性要求也越来越高[1]。

根据实际使用经验，工程机械设备的平均故障间隔时间约500小时。

因此，如何提升设备使用的可靠性，成为钢支撑轴力智能控制设备的关键所在。

本文以某型号设备为基础，介绍液压系统设计要求，为行业产品技术的提升提供参考。

1液压系统设计原理
图1为钢支撑轴力智能控制设备结构原理图。

钢支撑轴力智能控制设备由控制柜、发电机组、泵站、补偿节等四部分组成；每台控制柜配备1台发电机组、4台泵站，每台泵站配置8套补偿节，系统共有32套补偿节[2]。

控制柜、发电机组、泵站作为控制端，安装于基坑上方；补偿节与钢支撑串联连接，作为钢支撑轴力调整的执行元件，安装于基坑中。

液压系统因功率重量比大、动作准确、快速等特点，被选作为设备的动力来源和执行部件[3]。

由于钢支撑轴力智能控制设备长期、连续处在露天场合，工况恶劣，主要受静载荷作用，偶尔受冲击载荷，执行机构具有动作单一、持续时间短、重复工作的特点。

为满足以上性能要求，该种设备采用定量泵开式液压系统（如图2所示）。

液压系统采用单个液压泵顺序向各执行元件供油式，当所有机构不工作时，泵则处于
收稿日期：2017-09-08
作者简介：耿涛涛（1981-），男，工程师，硕士。

研究方向为机械工程。

停止状态。

液压系统各部分构成和功能如下。

1）轴力控制机构：轴力控制机构为补偿节，每根补偿节有一个液压缸，液压缸的伸缩实现钢支撑轴力调整；液压缸伸缩动作由三位四通电磁换向阀控制，为实现液压缸长时间保压、输出力稳定，每个液压缸均设有液控单向阀[4-5]。

2）锁紧螺母锁紧机构：锁紧螺母锁紧机构采用液压马达作为执行元件。

液压马达通过齿轮来驱动锁紧螺母回转，锁紧螺母转速约为3转/分钟，
液压马达转速约为15转/分钟，故未设置液压马达制动装置，通过三位四通电磁换向阀控制锁紧螺母正转、反转、锁定三种工况。

通常的钢支撑轴力调整作业顺序是：先通过液压缸伸缩将钢支撑轴力调整到设定值，然后通过锁紧螺母锁紧机构的调整实现锁紧螺母的自动锁紧。

1-发电机组；2-控制柜；3-泵站；4-补偿节
图1钢支撑轴力智能控制设备结构原理图
钢支撑轴力智能控制设备液压系统设计
耿涛涛
訚耀保
（同济大学机械与能源工程学院上海201804）
摘
要：钢支撑轴力智能控制设备作为智能施工的关键控制部件，对其可靠性要求越来越高。

以某型号钢支撑轴力
智能控制设备为基础，分析了设备液压系统原理，以及轴力控制回路、锁紧螺母锁紧回路、泵站冗余回路等诸多工作过程，归纳了智能施工装备的泵站、液压缸、机液锁紧机构等的设计要点。

关键词：开式液压系统；回路；冗余；锁紧；组合密封中图分类号：TH137
文献标志码：A
文章编号：1672-8904-（2017）
05-0001-004
2液压控制系统
2.1液压控制系统组成
液压控制系统分为轴力控制回路、机械螺母锁紧
回路、泵站冗余回路等3个回路，通过三位四通电磁换向阀的通断，实现各回路之间的切换，保证系统有序工作。

2.2轴力控制回路
轴力控制回路系统如图2所示，由液压泵、直动型溢流阀（35MPa ）、电液比例溢流阀、三位四通电磁换向阀、液控单向阀、液压缸等部件组成，并配有压力传感器、压力表、快速接头等辅助元件[6-7]。

在保证设备性能稳定、可靠条件下，实现设备拆装、运输方便，系统设计额定压力35MPa 。

选用压力等级40MPa 的RK4-10/3.58定量径向柱塞泵、35MPa 直动型溢流阀，实现系统压力始终低于35MPa 额定压力，保证部件性能良好。

液压泵出油口单向阀避免控制阀换向过程中的液压冲击，实现液压泵工作条件稳定。

PLC 控制器通过安装于液压缸上的压力传感器传输的信号判定液压缸推力是否达到设定值，当达到设定值时，则通过三位四通电磁换向阀关闭油路；若检测到液压缸推力低于最低设定压力，则通过三位
四通电磁换向阀开启通路，进行补偿动作。

液控单向阀实现液压缸长时间保压，降低泵站启停频率，延长泵阀等元件的使用寿命。

液压缸作为轴力控制的执行单元，为了保证液压缸使用中的安全可靠，并且将液压缸压力维持在设定压力±5%范围内，采用锻造缸体+焊接缸底+螺栓固定式缸盖结构方式，且液控单向阀安装于液压缸端（见图3所示），并将液压缸置于密封良好的机械罩体内，保证液压缸工作环境安全、洁净；提高了液压缸密封
设计等级。

1-压力传感器；2-液控单向阀；3-支撑筒体；4-液压马达；5-螺杆；
6-球头压板；7-球头；8-锁紧螺母；9-防尘圈；10-内唇口式轴用密封圈；11-挡圈+O 型圈；12-支承环；13-挡圈+O 型圈；14-格莱圈；15-支承环；16-外唇口式孔用密封圈
图3
液压缸的结构简图
1-液压泵；2-直动型溢流阀（35MPa ）；3-电比例溢流阀；4-压力传感器；5-压力表；6-三位四通电磁换向阀；7-快速接头（冗余泵站）；
8-液控单向阀；9-液压缸；10-液压马达；11-直动型溢流阀（14MPa ）
图2
钢支撑轴力智能控制设备液压系统原理图
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a.鉴于液压缸内径D=360mm ，采用定制车削式密封件；
b.活塞与缸体之间采用外唇口式孔用密封圈+格莱圈+两道支承环的组合密封方式；
c.活塞杆与导向套之间采用内唇口式轴用密封圈+防尘圈+两道支承环的组合密封方式；
d.活塞杆与活塞、螺栓固定式导向套与缸体之间，均采用挡圈+O 型圈组合密封方式。

根据《JB/T10205-2010液压缸技术条件》标准表6双作用液压缸内泄漏量：液压缸内径D=360mm ，
内泄漏量q v 为2.36mL/min [8]，实际检测结果为：额定压力35MPa 时，内泄漏量为0.1mL/min 。

2.3锁紧螺母锁紧回路
锁紧螺母锁紧回路系统如图2所示，由泵、直动型溢流阀（35MPa ）、电液比例溢流阀、直动型溢流阀（14MPa ）、三位四通电磁换向阀、液压马达等部件组成，并配有压力传感器、压力表、快速接头等辅助元件。

锁紧螺母由OMP50151-0610液压马达控制，实现了锁紧螺母正转、反转、锁定等动作的远程自动操作。

PLC 控制器通过安装于液压缸端部的接近开关信号判定锁紧螺母是否移动到位，当移动到设定安全距离时，则通过三位四通电磁换向阀关闭通路，液压马达停止动作，锁紧螺母处于锁紧状态。

为了避免因压力过高导致液压马达、锁紧螺母损坏，通过直动型溢流阀（14MPa ）保证管路压力不高于14MPa ，在液压马达压力大于16MPa 时系统发出报警信息。

以上方案可实现锁紧螺母在任意位置自动锁定、解锁，避免人员爬到补偿节上进行操作，保证了补偿的及时性和方便性，缩短施工时间，提高施工效率、安全性。

机械锁紧装置作为液压缸液压锁后的第二道保护，要求锁紧力大、锁定性能可靠，由支撑筒体、螺杆、锁紧螺母等组成（见图3），此结构将挤压锁紧、套筒式锁紧、刹片式锁紧等装置的锁紧力由120t 左右提升至350t 左右，若通过加大螺母尺寸可以达到1000t 左右的锁紧力。

2.4泵站冗余回路
泵站冗余回路系统如图2所示，由液压泵、直动型溢流阀（35MPa ）、电液比例溢流阀、三位四通电磁换向阀等部件组成，并配有压力传感器、压力表、快速接头等辅助元件。

为了避免设备因单个泵站出现故障，无法提供动力，采用4组泵站互通设计，形成泵站冗余回路系统，
图2中7快速接头即为预留的泵站冗余接口。

工作时用液压油管连接4个泵站之间的冗余接口实现互通；PLC 控制器通过安装于主管路上的压力传感器传输的信号判定主管路压力是否升高，当超过系统设定时间上限（假如10分钟）未达到设定压力，则打开三位四通电磁换向阀，同时启动其他泵站电机，开启泵站冗余功能。

3实践及其分析
所介绍的实践产品已在上海万科七宝商业广场、
温州机场枢纽等多个项目中完成实际应用。

如上海万科七宝商业广场项目基坑位于城区商业中心、处于正在运营的地铁9号线50m 红线范围内，分为四个主要区域，单个区域最大宽度为25m ，基底标高为-19m ，对基坑支撑系统有着极其严格的要求。

为保障地铁9号线安全运行，采用钢支撑轴力智能控制设备，共投入200余套补偿节（见图4），设备在连续12个月的工作周期内稳定工作，保证了支护结构最大水平位移值为5.1mm ，远低于主体结构设计对其变形的限值20mm ；确保了钢支撑系统安全施工，受到业主好
评。

图4上海万科七宝商业广场现场施工图
综上所述，通过对智能设备使用工况的分析，可选择合理的液压方案，使用各种控制阀组，设计具有独特要求的泵站、液压缸、机械锁紧装置等部件，实现轴力自动控制、锁紧螺母自锁等功能，提高液压系统的安全性、可靠性。

实践中研制了高性能的钢支撑轴力智能控制设备，能有效控制基坑变形，确保施工安全。

参考文献
[1]杨兆军，陈传海，陈菲，等.数控机床可靠性技术的研究进
展[J].机械工程学报，2013,49(20):130-139.
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耿涛涛，等：钢支撑轴力智能控制设备液压系统设计
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[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]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.
[4]王安麟，吴小锋，周成林，等.基于CFD 的液压滑阀多学
科优化设计[J].上海交通大学学报，2010,44(12):1767-1772.
[5]丁鼎，魏聪梅，刘少龙，等.一种新型电液比例阀动态特性
分析[J].流体传动及控制，2016,(6):24-27.
[6]Qi Haitao ，Fu Yongling ，Wang Zhanlin.Scheme analysis of
pump-valve
coordinated
control
electro-hydrostatic
actuator[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics ，2008,34(2):131-134.(in Chinese)[7]Yang H Y ，Zhang B ，Xu B.Development of axial piston
pump/motor technology.Chinese Journal Mech Eng,2008,44(10):1-8.
[8]
JB/T10205-2010.液压缸技术条件
[S].
2017年第5期
Design and Analysis on Intelligent Axial Force Control Equipment of
Steel Support
Geng Taotao Yin Yaobao
Abstract:Intelligent axial force control equipment of steel support is the key building construction equipment today,but it faces the problem of increasingly high reliability.This paper was based on a kind of equipment,through ana-lyzing the hydraulic principle system,comparing the hydraulic loop of axial force controlling,mechanical locking,and redundant pumping station;summarized the design points of pump station,hydraulic cylinder,and locking mech-anism of the equipment.
Key words:open hydraulic system;circuit;redundancy;locking mechanism;combined seal
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