（机械电子工程专业论文）基于“三化”综合设计法的新型静动压桩机的设计.pdf

垂i b 盘茎塑芏焦迨塞擅璺 基于“三化”综合设计法的新型静动压桩机的设计 摘要 三化综合设计法是一种以提高产品总体质量为目标，以非线性理论为基础，以，“义 优化为手段，汇集动态优化设计、智能化设计和可视化设计( 局部虚拟设计) 为一体的设 计法，其主要内容为：动态设计，可靠性设计，设备的智能化设计，可视化设计( 局部虚 拟设计) 。 动态设计是机械设计内容中最重要和最具广泛性的问题。智能化包括两个方面，首 先是设计过程的智能化，其次将先进计算机技术、控制技术等应用到设计产品中，使机 械产品成为机电一体化产品，且具有智能化特性。可视化设计( 局部虚拟设计) 是指在设 计过程中采用各种先进的可视化c a d 技术和三维造型技术，将机械设备的结构及外形 特征形象地表现出来。 桩机是建筑及基础工程重要的施工设备，其发展水平直接影响工程施工的质量和效 率。本文所讨论的新型静动压桩机是在连续沉桩液压静力桩机和振动沉桩机的基础上改 造而成，它是通过改进液压装置和改造部分桩机结构来实现沉桩。 应用“三化”综合设计法，对新型静动压桩机系统进行设计。 本论文以连续沉桩液压静力桩机和振动沉桩机为对象，通过研究两种桩机在机械结 构与液压系统方面的特性，考虑到具体施工的要求与条件，没计了新型静动压桩机，使 其能够满足不同沉桩阻力情况下的要求，并对隔振系统和系统工作状态进行动力学分析， 从而为进一步研究新型静动压桩机提供了理论基础。 运用“三化”综合设计法，对新型静动压桩机工作过程进行智能化设计，分析了液 压电磁阀在不同施工情况下的工作方式与位置。 运用“三化”综合设计法，对连续沉桩液压静力桩机进行可视化设计。根据设计要 求和实际工况的限制，建立连续沉桩液压静力桩机的三维可视化模型，并在虚拟可视化 的环境下，对连续沉桩液压静力桩机系统的整体工作性能进行分析、评价和修改，以实 现其装配过程可视化；将所设计的连续沉桩液压静力桩机在动力学分析软件中虚拟仿真， 以实现其工作过程可视化。 关键词：动态优化设计；智能化设计；可视化设计；三化综合设计法；新型静动压桩机 i i 主j ! 盘芏墅圭芏焦堡塞 b 丝! t h et h r e e f o l ds y n t h e s i sm e t h o da n di t sa p p l i c a t i o no n t h ed e s i g no fn e ws t a t i ca n dd y n a m i cp i l ed r i v e r a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h r e ef o l ds y n t h e s i sd e s i g nm e t h o db a s e do n “d y n a m i cd e s i g n ，i n t e l l i g e n t d e s i g na n dp a r t i a lv i r t u a ld e s i g n ”h a sb e e ns u b m i t t e da n dt h ec o n t e n t sa n d i t sc h a r a c t e r i s t i c s h a v eb e e ne x p l a i n e d b a s e do nn o n l i n e a rt h e o r ya n db yt h em e a n so fg e n e r a l i z a t i o n o p t i m i z a t i o n ，t h em e t h o da i ma ti m p r o v i n gg e n e r a l i z a t i o nq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ，i t sm a i n c o n t e n t sa r e ：d y n a m i cd e s i g n ，r e l i a b i l i t yd e s i g n ，i n t e l l i g e n td e s i g no fm a c h i n ea n de q u i p m e n t a n dp a r t i a lv i r t u a ld e s i g n d y n a m i cd e s i g ni st h em o s ti m p o r t a n ta n db r o a dq u e s t i o ni nm e c h a n i cd e s i g n i n t e l l i g e n t d e s i g ni n c l u d e st h ei n t e l l i g e n t i z a t i o no ft h ed e s i g np r o c e s sa n dt h ea p p l i c a t i o no f t h em o d e m c o m p u t e ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ep r o d u c t sd e s i g n ，s oa st om a k et h em e c h a n i cp r o d u c t s b e c o m et ot h em e c h a n i ca n de l e c t r o n i cs y n t h e s i sp r o d u c t sw i t hi n t e l l i g e n tp r o p e r t y o p t i m i z i n go rh y p o o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so ft h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t sp r o d u c t sa n d w o r kp r o c e s sb yt h em e t h o do ft h r e e f o l ds y n t h e s i sm e t h o dw h o s eh a r d c o r ei st h ei n t e l l i g e n t d e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，t h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t sc a no b t a i ng o o dw o r kp r o p e r t y p a r t i a lv i r t u a ld e s i g ni se x h i b i t i n gt h es t r u c t u r ea n df i g u r eo ft h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t s v i s u a l l yb yt h eu s eo fc a da n d3 d s c u l p tt e c h n o l o g y t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，e v a l u a t i o n ， m o d i f i c a t i o no ft h ev i r t u a lp r o t o t y p ei nd e s i g ns t a g e ，t h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t sc a nb e e n s u r e dt oh a v ee x c e l l e n tp r o p e r t i e sa n dt h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r i n g ，t e s t i n g ，m o d i f y i n gt h e p r o t o t y p ec a nb ec a n c e l l e do rs h o r t e n e da n d t h e nt h ed e v e l o p m e n tp e r i o do ft h ep r o d u c t sc a n b es h o r t e n e d p i l i n gm a c h i n ei st h ei m p o r t a n tc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tf o rf o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g i nt h i s n e ws t a t i ca n dd y n a m i cp i l ed r i v e ri sr e b u i l db a s e do nc o n t i n u o u sh y d r o s t a t i cp i l ed r i v e ra n d v i b r a t i o np i l ed r i v e r , t h r o u g hi m p r o v i n gh y d r a u l i cp r e s s u r ee q u i p m e n ta n dr e c o n s t r u c t i n gp a r t p i l ed r i v e rs t r u c t u r e st oc a r r yo u tm o v i n gp i l e t h en e ws t a t i ca n dd y n a m i cp i l ed r i v e rd r i v i n gm a c h i n ew a sd e s i g n e db yu s i n gt h e t h r e e f o l ds y n t h e s i sm e t h o d ( d y n a m i cd e s i g n ，i n t e l l i g e n td e s i g n ，p a r t i a lv i r t u a ld e s i g n ) t h ec o n t i n u o u ss t a t i cp i l e d r i v e ra n dv i b r a t i o np i l ed r i v e ra r ei n v e s t i g a t e d ，c o n s i d e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s et w ok i n d sp i l ed r i v e ri nm a c h i n ec o n s t r u c t i o n ，h y d r a u l i c sa sw e l la s d e m a n da n dc o n d i t i o no fa c t u a lc o n s t r u c t i o n t h en e ws t a t i ca n dd y n a m i cp i l ed r i v e ri s d e s i g n e dw h i c hc a nb es a t i s f i e df o rd e m a n d so fd i f f e r e n tp i l i n gr 4 s i s t a n c e a n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fi s o l a t i o nm o u n t i n ga n ds y s t e mo p e r a t i n gd u t ya r ea n a l y z e d ；t h r o u g ha n a l y s i s 。1 1 1 盘! ! 盘茎墅茔焦迨塞竖照堕 t h e o r e t i c a lb a s i sw a sp r o v i d e dt of u r t h e rs t u d yo nn e wt y p es t a t i c d y n m l a i cp i l ed r i v e r t h en e ws t a t i ca n dd y n a m i cp i l ed r i v e ri si n t e l l i g e n td e s i g n e db yu s eo ft h et h r e e f o l d s y n t h e s i sm e t h o d o p e r a t em o d e sa n dp o s i t i o no fh y d r a u l i cm a g n e t v a l v e i si n t r o d u c e da t d i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s t h ec o n t i n u o u sh y d r o s t a t i cs t a t i cp i l ed r i v e ri sp a r t i nv i r t u a ld e s i g n e db yu s eo ft h e t h r e e f o l ds y n t h e s i sm e t h o d t h e3 - dv i s u a l i z e dm o d e lo ft h ec o n t i n u o u sh y d r o s t a t i cs t a t i cp i l e d r i v e rw a sb u i l tu pa c c o r d i n gt od e s i g nr e q u i r ea n dl i m i t e dw o r kc o n d i t i o na n dt h ew h o l ew o r k d e r f o r m a n c eo ft h ec o n t i n u o u sh y d r o s t a t i cs t a t i cp i l ed r i v e rw a sa n a l y z e d ，e v a l u a t e d ，m o d i f i e d i nv i r t u a lv i s u a l i z e de n v i r o n m e n ta n di t sw o r kc o u r s ei sp a r t i a lv i r t u a l ， k e yw o r d s ：d y n m n i cd e s i g n ；i n t e l l i g e n td e s i g n ；p a r t i a lv i r t u a ld e s i g n ； h y s t e r e s i sm o d e lt h r e e f o l ds y n t h e s i sd e s i g nm e t h o d ； t h r e ef o l ds y n t h e s i sd e s i g nm e t h o d ；n e ws t a t i ca n dd y n a m i cp i l ed r i v e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究 成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：挪6 ， 学位论文版权使用授权书 ，2 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：既学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签字：否则视为不同意) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的及意义 机械设备在国内外市场中竞争力的强弱，在很大程度上取决于产品的质量( 这里所指 的是广义质量，即包括q 、c 、t 、e 、s 等用户对产品的各种要求，也即产品的结构性 能、工作性能、和制造性能) ，而产品的设计质量可赋予某种产品“先天性优劣”这种至 关重要的本质特性。因此对绝大多数产品来说，产品的设计在保证产品质量的过程中起 着头等重要的作用 1 】。 为了设计出高质量的机械产品，几十年来，科学技术工作者提出了各种各样的设计 方法，并具体应用到实际的工程设计中。其中，较有代表性的方法有：全生命周期优化 设计、虚拟设计、并行设计、面向产品质量的功能化设计( q f d ) 、智能设计、创新设计、 动态设计等。但这些设计方法一般只能考虑产品综合质量的某一个方面，或少数几个方 面。为了提高产品综合质量，克服单一设计方法的局限性，提出将三种主要设计方法有 机结合在一起，并兼顾其它设计方法的综合设计法，即“三化”综合设计法1 2j 。 闻邦椿院士提出的“三化”综合设计法 3 1 是一种以提高产品总体质量为目标，以非 线性理论为基础，以广义优化为手段，汇集动态优化设计、智能化设计和可视化设计( 局 部虚拟设计) 为一体的设计法。 本课题是以“三化”综合设计法的理论框架，并以对原有的液压静力沉桩机为研究 对象，应用“三化”综合设计法，其中主要应用了动态优化设计法和可视化设计方法， 对桩机系统进行改进系统设计，使改进后的新型静动压桩机可实现高效率、大吨位的沉 桩效果。静力沉桩机的优越性得到了普遍的认同，但在施工时存在一些必须克服的问题 机土效应对周遍环境的影响，施工作业时机身不平，桩身倾斜，夹状破损和桩身折 断大吨位桩机过于庞大，高速度和大吨位无法兼顾，智能测试系统的空白等。 针对城市需求的实际情况，进行研究，在此基础上虚拟仿真的桩机的工作过程，其 结果精度高、可靠性强。通过建模、分析和仿真得到桩机整体的运动情况和桩机液压缸、 桩的运动等情况，这些结果可以为桩机的进一步设计、分析和优化提供依据。 1 2 “三化”综合设计法主体思想 鉴于单一设计方法的局限性和全面采用各种设计方法存在的困难，闻邦椿院士根据 多年的实际设计经验提出了一种基于“动态优化设计、智能化设计和可视化设计”的三 化综合设计法。可以在较大范围内考虑产品广义综合质量的基本要求( 图1 1 ) 。 “三化”综合设计法是一种以提高产品总体质量为目标，以非线性理论为基础，以 广义优化为手段，汇集动态优化设计、智能化设计和可视化设计( 局部虚拟设计) 为一体 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的设计法。 匡圃 运行稳定性 工效实用性 指标优越性 操作宜人性 故障可诊断性 使用经济性 堕塑竺壁i 系统可靠性 人机安全性 环境无害性 工作耐久性 造型艺术性 设计经济性 ，、 现代机械设 q 狭义质最 c 价格 t 生产周期 e 环境 s 售后服务 匡羽 制造工艺性 零部件规范性 生产周期性 维修方便性 报废可回收性 制造经济性 图1 1 现代机械产品设计的广义质量 f i g 1 g e n e r a l i z a t i o nq u a l i t yo f m o d e mm a c h i n e r yp r o d u c td e s i g n 在新产品开发中，充分考虑用户的需求，使产品具有良好的质量( q ) ( 这里所指的质 量是狭义的，主要是指的产品的结构性能( 如工作可靠性) 和工作性能( 如技术性能等) ，合 适的价格( c ) 、较短的交货时间或生产周期( t ) ( 可把前两者作为制造性能来考虑) 、优良的 工作环境( e ) 及良好的售后服务( s ) ( 最后两项与三种性能都有关系) ，应该说满足上述三种 性能的产品是优良的产品，它在市场中应该具有较强的竞争力，这是所有设计工作者所 追求的目标n 为了设计出高质量的机械产品，几十年来，科学技术工作者提出了各种各样的设计 方法，并具体应用到实际的工程设计中。其中，较有代表性的方法有：全生命周期优化 设计、虚拟设计、并行设计、面向产品质量的功能化设计( q f d ) 、智能设计、创新设计、 动态设计等。但这些设计方法一般只能考虑产品综合质量的某一个方面，或少数几个方 面。为了提高产品综合质量，克服单一设计方法的局限性，提出将三种主要设计方法有 机结合在一起，并兼顾其它设计方法的综合设计法，即“三化”综合设计法。 1 3 “三化”综合设计法提出的背景 ( 1 ) 设计方法和产品质量的关系 机械设备正在向大型化( 或微型化) 、高速化、高效化、精密化、集成化、综合( 指功 能) 化、模块化、自动化、智能化、数字化、网络化、绿色化方向( 即大( 或微) 、高、高 、精、集、综、模、自、智、数、网、绿等十二字方向) 发展( 如图1 2 ) ，因此，对产品 质量的要求也愈来愈高5 4 1 。高质量的产品是通过精心设计、精密的制造加工、严格的管 理生产出来的，但最先的工作或核心的工作是设计，它对产品质量与档次起着“先天性” 的本质影响。 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 现代机械产品发展的趋向 f i g 1 , 2d e v e l o p m e n tt r e n do f t a n d e mm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t s 因此，为了研制与开发出工作安全可靠的、具有高技术性能的和经济、耐用的产品， 首先要搞好产品的设计工作。据有关专家统计，一种产品的质量，设计的贡献率可达7 0 ； 有的专家认为：产品的设计是产品质量的灵魂。举一个简单的例子，如果一种新产品， 它的设计是落后的，那么，在制造过程中，花了九牛二虎之力把它制造出来，这种产品 还是落后的。所以产品设计质量是好是坏，可以赋予某种产品“先天特优”、“先天良好”、 “先天一般”、“先天不足”等不同档次的“先天性”的本质特性，由此可见，产品设计 在保证产品质量、提高产品在市场中的竞争力，即在新产品开发与老产品改造中，起着 头等重要的作用。 日本曾对机械设备发生的故障进行过分析统计，发现因设计造成设备故障的比例占 5 0 ，因元件、材料原因造成故障的比例为3 7 ，因制造不良造成设备故障的比例为1 7 。 而全产品成本水平的7 0 8 0 取决于产品的设计。因此，产品设计不仅能够提高产品的 质量，还能缩短产品开发周期，降低设计与制造成本，可以满足用户多方面的需求。 机械设备的设计工作可以充分体现产品的综合质量( 我们称它为3 性：即结构性能、 技术性能、制造性能) ，因此可以说，产品设计是产品质量的灵魂。机械产品的先进落后， 很大程度上取决于设计质量。一般来说，产品设计的成本在整个机械产品成本中不到 3 0 ，但它在很大程度上决定了产品的档次和水平，产品设计对产品质量的贡献率可以 达到7 0 。要使机械产品的质量上水平，首要的任务是保证产品的设计质量。我国要成 为现代制造业的基地之一，最重要的任务是：要集中力量用现代设计理论与方法来指导 新产品的开发，使现代机械产品具有较高的工作可靠性和安全性、较优良的技术性能和 使用性能、较短的生产周期、较高的经济性、足够的工作耐久性( 工作寿命) 等，使我国 生产的机械设备具有较高档次与水平，在国内外的市场竞争中将能立于不败之地。 ( 2 ) 产品的综合质量与产品性能的关系 为了提高产品的竞争力，就必须提高产品的质量。那么，产品的广义综合质量或总 体质量应该包括哪些呢? 我们认为从广义的角度来看，最主要的有以下1 3 点，可以称它 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 为1 3 性：1 ) 系统可靠性；2 ) 人机安全性；3 ) 环境无害性；4 ) m 作耐久性；5 ) 造型艺术性； 6 ) 运行稳定性；7 ) t 效实用性：8 ) 指标优越性；9 ) 操作宜人性；1 0 ) 制造工艺性；1 1 ) 结构 和零部件的规范性；1 2 ) 生产周期性；1 3 ) 产品经济性( 包括设计经济性、使用经济性和制 造经济性) 等。 1 4 液压静力压桩机的概况 l - 4 l 液压静力压桩机的分类 液压静力压桩机分为“抱压式液压静力压桩机”和“顶压式液压静力压桩机”( 对桩 项部施压进行压桩) 两种。抱压式液压静力压桩机压桩过程是通过夹持机构“抱”住桩身 侧面，由此产生摩擦传力来实现的。而顶压式液压静力压桩机贝4 是从预制桩的顶端湿压， 将其压入地基的。由于施压传力方式不同，这两种桩机结构形式、性能特点、使用范围 也有显著不同。其核心是液压系统的设计方法及其配置，它直接影响整机的技术性能及 节能效果。而压桩机构是桩机的主要工作装置，是这种压桩机的关键技术，直接影响桩 机的压桩能力和成桩质量。其中，抱压式桩机主要由压桩系统和夹桩机构组成，而顶压 式桩机主要由压桩系统和桩帽组成。顶压式桩机除压桩机构中没有夹桩机构外，一般不 带起重机，但增加了一套卷扬吊桩系统。 常规的顶压式压桩机由于其结构及工作特点，使其工作重心较高、安全性较差，并 且存在压桩力较小、压入桩的垂直度保障能力差等问题，因而其应用受到限制，而报压 式压桩机结构紧凑、操作简便、工作重心低、移动平稳、转场方便、施工效率高，因此， 抱压式压桩机已经占绝对主导地位。 1 4 2 液压静力压桩机的国内外研究现状 静压法沉桩在我国始于2 0 世纪5 0 年代后期，其机理是：借助专用设备，利用专用机 架自重和配重或者结构物自重，通过压梁、压柱、卡瓦或夹持器等构件将整个桩架自重和 配重或构件的反力施加在桩顶或桩身上，桩在自重和静压力的作用下逐渐被压入地基中。 静压预制桩的施工，一般情况下都采用分段压入、逐段接长的方法。随着工程建设的大 规模发展，人们对桩基施工的要求也越来越高。特别是2 0 世纪8 0 年代中后期，其中由于城 市环境保护的需要，噪声低、污染少、振动小的施工方法越来越引起人们的重视。由于 建筑机械生产厂家的努力，压桩机已实现系列化，既可以压预制方桩，也可以压预应力管 桩。鉴于此，国内建筑行业对静力压桩法施工产生了浓厚的兴趣。在2 0 世纪9 0 年代初 期，开始大力推广使用静压施工法。我国大部分地区都曾试用过静力沉桩设备，但目前 这种方法仍以华东地区使用较多【7 】o 液压静力沉桩机在实践应用中解决了一些其他桩基础施工机械无法解决的问题：解 决了在一些市区、学校、医院、文物保护地区以及周围有危房等对振动、噪声、污染有 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为1 3 性：1 ) 系统可靠性；2 ) 人机安全性；3 ) 环境无害性；4 ) i 作耐久。t i ；5 ) 造型艺术性： 6 ) 运行稳定性；7 ) 工效实用性：8 ) 指标优越性；9 ) 操作宜人性；m ) n 造工艺性；1 1 ) 结构 和零部件的规范性；1 2 ) 生产周期眭；1 3 ) 产品经济性( 包括设计经济性、使用经济性和制 造经济性、等。 1 4 液压静力压桩机的概况 1 4 1 液压静力压桩机的分类 液压静力压桩机分为“抱压式液压静力压桩机”和“顶压式液压静力压桩机”( 对桩 顶部施压进行压桩) 两种。抱压式液压静力压桩机压桩过程是通过夹持机构“抱”住桩身 侧面，由此产生摩擦传力来实现的。而顶压式液压静力压桩机日u 是从预制桩的顶端湿压， 将其压入地基的。由于施压传力方式不同，这两种桩机结构形式、性能特点、使用范围 也有显著不同。其核心是液压系统的设计方法及其配置它直接影响整机的技术性能及 节能效果。而压桩机构是桩机的主要工作装置，是这种压桩机的关键技术，直接影响桩 机的压桩能力和成桩质量。其中，抱压式桩机主要由压桩系统和灾桩机构组成，而顶压 式桩机主要由压桩系统和桩帽组成。项压式桩机除压桩机构中没有夹桩机构外，一般不 带起重机，但增加了一套卷扬吊桩系统。 常规的顶压式压桩机由于其结构及工作特点，使其工作重心较高、安全性较差，并 且存在压桩力较小、压入桩的垂直度保障能力差等问题，因而其应用受到限制，而报压 式压桩机结构紧凑、操作简便、工作重心低、移动平稳、转场方便、施工效率高，因此， 抱压式压桩机已经占绝对主导地位。 1 4 2 液压静力压桩机的国内外研究现状 静压法沉桩在我国始于2 0 世纪5 0 年代后期，其机理是：借助专用设备，利用专用机 架自重和配重或者结构物自重，通过压粱、压柱、卡瓦或夹持器等构件将整个桩架自蕈和 配重或构件的反力施加在桩顶或桩身上，桩在自重和静压力的作用下逐渐被压入地基中。 静盘预制桩的施工，一般情况下都采用分段压入、逐段接长的方法。随着工程建设的大 规模发展，人们对桩基施工的要求也越来越高。特别是2 0 世纪8 0 年代中后期，其中由于城 市环境保护的需要，噪声低、污染少、振动小的施工方法越来越引起人们的重视。由于 建筑机械生产厂家的努力，压桩机已实现系列化，既可以压预制方桩，也司以压颓应力管 桩。鉴于此，国内建筑行业对静力压桩法施工产生了浓厚的兴趣。在2 0 世纪9 0 年代初 期，开始大力推，“使用静压施工法。我国大部分地区都曾试用过静力沉桩设备，但日前 这种方法仍阻华东地区使用较多u j 。 液压静力沉桩机在实践应用中解决了一些其他桩基础施工机械无法解决的问题；解 决了在一些市区、学校、医院、文物保护地区以及周围有危房等别振动、噪声、污染有 决了在一些市区、学校、医院、文物保护地区以及周围有危房等别振动、噪声、污染有 。d 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 为1 3 性：1 ) 系统可靠性；2 ) 人机安全性；3 ) 环境无害性；4 ) m 作耐久性；5 ) 造型艺术性； 6 ) 运行稳定性；7 ) t 效实用性：8 ) 指标优越性；9 ) 操作宜人性；1 0 ) 制造工艺性；1 1 ) 结构 和零部件的规范性；1 2 ) 生产周期性；1 3 ) 产品经济性( 包括设计经济性、使用经济性和制 造经济性) 等。 1 4 液压静力压桩机的概况 l - 4 l 液压静力压桩机的分类 液压静力压桩机分为“抱压式液压静力压桩机”和“顶压式液压静力压桩机”( 对桩 项部施压进行压桩) 两种。抱压式液压静力压桩机压桩过程是通过夹持机构“抱”住桩身 侧面，由此产生摩擦传力来实现的。而顶压式液压静力压桩机贝4 是从预制桩的顶端湿压， 将其压入地基的。由于施压传力方式不同，这两种桩机结构形式、性能特点、使用范围 也有显著不同。其核心是液压系统的设计方法及其配置，它直接影响整机的技术性能及 节能效果。而压桩机构是桩机的主要工作装置，是这种压桩机的关键技术，直接影响桩 机的压桩能力和成桩质量。其中，抱压式桩机主要由压桩系统和夹桩机构组成，而顶压 式桩机主要由压桩系统和桩帽组成。顶压式桩机除压桩机构中没有夹桩机构外，一般不 带起重机，但增加了一套卷扬吊桩系统。 常规的顶压式压桩机由于其结构及工作特点，使其工作重心较高、安全性较差，并 且存在压桩力较小、压入桩的垂直度保障能力差等问题，因而其应用受到限制，而报压 式压桩机结构紧凑、操作简便、工作重心低、移动平稳、转场方便、施工效率高，因此， 抱压式压桩机已经占绝对主导地位。 1 4 2 液压静力压桩机的国内外研究现状 静压法沉桩在我国始于2 0 世纪5 0 年代后期，其机理是：借助专用设备，利用专用机 架自重和配重或者结构物自重，通过压梁、压柱、卡瓦或夹持器等构件将整个桩架自重和 配重或构件的反力施加在桩顶或桩身上，桩在自重和静压力的作用下逐渐被压入地基中。 静压预制桩的施工，一般情况下都采用分段压入、逐段接长的方法。随着工程建设的大 规模发展，人们对桩基施工的要求也越来越高。特别是2 0 世纪8 0 年代中后期，其中由于城 市环境保护的需要，噪声低、污染少、振动小的施工方法越来越引起人们的重视。由于 建筑机械生产厂家的努力，压桩机已实现系列化，既可以压预制方桩，也可以压预应力管 桩。鉴于此，国内建筑行业对静力压桩法施工产生了浓厚的兴趣。在2 0 世纪9 0 年代初 期，开始大力推广使用静压施工法。我国大部分地区都曾试用过静力沉桩设备，但目前 这种方法仍以华东地区使用较多【7 】o 液压静力沉桩机在实践应用中解决了一些其他桩基础施工机械无法解决的问题：解 决了在一些市区、学校、医院、文物保护地区以及周围有危房等对振动、噪声、污染有 一4 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 严格要求地区的桩基础旌工，取得了较好的效果：静力压桩在施工中利用了在压桩施工 时的直观性，解决了由于地质复杂的不可预见性，而为建筑设计提供了桩机施工承载能 力的可靠性。 纵观液压静力压桩机的发展过程，大致可将其分为两个阶段：第一阶段，从2 0 世纪 7 0 年代后期到9 0 年代中期，国内先后研制了几种压桩机，并逐步形成系列产品进入市 场。其中具有代表性的两个系列产品是武汉市建筑工程机械厂生产的y z y 系列液压静 力压桩机和利用中南大学( 原中南工业大学) 智能机械研究所的专利技术生产的z y j 系列 液压静力压桩机。在这个阶段主要解决了这种桩机的设计理论基础、动力配置和系统设 计问题，满足了静压桩的基本功能。但就整体来说，其主要特征是桩机压桩力不大，实 际使用的最大压桩力不足4 0 0 0 k n ，绝大部分的压桩力为1 6 0 0 - 2 4 0 0 k n ：功能单一，主要 应用于施工现场预制的截面尺寸为( 3 0 0 m m x 3 0 0 m m ) f 4 0 0 m m x 4 0 0 m m ) 的钢筋混凝土方 桩( 实心件1 的正常中位压桩，单桩设计承载力标准值在1 4 0 0 k 2 q 以下。而预应力管桩和高 强度预应力管桩主要是通过锤击设备如柴油锤等进行打入施工。 进入2 0 世纪9 0 年代中期以后，液压静力压桩机进入第二发展阶段。由于1 9 9 4 年底 在珠海利用液压静力压桩机将直径5 0 0 r a m 的预应力管桩压入强风化岩获得成功，实现 了静压桩施工技术的历史性突破，从此拓宽了静压桩的应用范围，也使预应力管桩在城 市和居民住宅区内的应用找到了一条新路子。一方面，实现了静压桩的单桩承载力向大 吨位方向的快速发展，与此同时，市场对大吨位桩机的需求不断增大，而且要求越来越 强烈；另一方面，由于施工范围的不断扩大，对桩机功能的要求也日益增多，出现了工 程施工中许多必须解决的实际问题。这个阶段的桩机品种显著增加，系列化不断完善， 生产厂家也急剧增多，至今在全国约有3 0 个制造厂。其中湖南山河智能机械股份有限公 司的生产能力最大，2 0 0 3 年共生产1 2 5 台，占全国年总产量的3 0 - - - 4 0 。目前的生产 能力达到每月1 5 台，年生产能力在1 8 0 台左右，已形成压桩力为8 0 0 1 0 0 0 0 k n 的完整 的产品系列，生产的最大吨位机型为z y j l 0 0 0 。 传统液压静力压桩机存在的问题：液压系统功率匹配不符合压桩实际工况，底盘结 构复杂一方面，由于其液压系统采用恒流量设计，系统功率按满足最大流量和额定压力 的要求进行配置，与实际工况不相适应，在压桩的大部分低阻力阶段，处于”大马拉小车 ”的工作状况；而进入高阻力阶段时，由于阻力大，必然导致压桩速度下降，多余的高压 油的压力能只能以热能的形式从溢流阀上泄走，导致整个压桩过程能耗高、工作效率较 低。准恒功率技术是根据实际压桩过程低阻力阶段时间较长且要求有较高的压桩速度、 高阻力阶段速度较低且要求有较高的压桩力( 对应为高压桩油压) 的特点和要求，利用变 量泵或恒功率泵低压大流量、高压小流量的变量特性，使压桩过程两个阶段的功率消耗 基本一致，从而达到压桩过程的准恒功率匹配。压桩系统利用两对压桩液压缸先后参与 压桩，即低阻力阶段由一对压桩液压缸进行压桩，适应低阻力高速度的要求；到了高阻 力阶段另一对压桩液压缸同时参与压桩，以适应低速度高压桩力的要求。由此保证了压 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 桩机在整个压桩过程中有很高的功率利用率。若不计其他损失，功率利用率接近1 ，系 统分阶段接近于恒功率运转，解决了传统液压静力压桩机功率利用率低、液压系统可靠 性及使用寿命差的问题。 新型步履式行走底盘采用两层式结构，简单可靠；短船自动复位机构，具有回转自 动复位功能，解决了传统桩机在回转过程中短船需人工进行复位的问题，有效地降低了 工人的劳动强度：在回转平台上巧妙地设计了回转补偿装置，有效地提高了设备的工作 可靠性；纵移机构具有均载联动功能，通过联动液压缸将前后两顶升液压缸活塞杆径向 浮动连接，使桩机在纵向移动时，前后顶升缸活塞杆联合动作并实现负载均衡，其优越 性在大吨位桩机上尤显突出。 1 4 3 液压静力压桩机的发展趋势 按施工设施的不同，预制桩工法可分为夯锤打桩、振动沉桩和静力沉桩三种方式： ( 1 ) 夯锤打桩 最早采用的打击方式是坠锤，此后是蒸汽锤。在2 0 世纪5 0 年代，最大的蒸汽锤为 6 t ，可用来锤击巾5 5 0 m m 的预应力钢筋混凝土管桩。2 0 世纪6 0 年代南京长江大桥建设 时，使用了6 t 和8 t 的蒸汽锤。以日本车辆制造株式会社开发世界上第一台履带式三支 点柴油锤打桩机为起点，桩基础施工从此掀开了新的篇章，展现出无限的机械化前景。 人们开始认识到桩基础施工机械化这一重要的发展方向，柴油锤曾一度占领了桩基础施 工机械的全部市场。随着柴油锤的日臻成熟与推广使用，蒸汽锤已经基本被淘汰。我国 西安地区最初的桩基主要采用的就是柴油打桩机沉桩法，如中国人民银行大楼、西安火 车站等。 以打桩机使用非常广泛的日本为例，柴油锤已经被液压锤所淘汰。而就国内而言， 由于柴油锤在施工中噪声大，且油烟污染严重这些局限性，国内许多地区已经明令禁止 柴油锤在市区内施工。与柴油锤相比，液压锤具有噪声低，无油烟飞散和污染等优点， 而且由于夯锤落下的高度能自由调整，可适用于不同地基硬度、桩种及桩径，实现一台 液压锤能进行多种施工。我国于2 0 世纪9 0 年代处由上海工程机械厂以合作生产的方式 从日本车辆( 株1 引进7 t 和l0 t 液压锤生产技术并投入小批量生产。但由于液压锤与柴油 锤相比也存在一些缺点，如打击效率低，约为柴油锤的二分之一，价格偏高等原因，液 压锤在我国的桩基础施工中还没有得到普及，目前正处于推广阶段。 ( 2 ) 振动沉桩 振动沉桩的原理是利用振动桩锤产生的周期性激振力，使桩周边的土壤液化，减小 了土壤对壮的摩擦阻力，达到使桩下沉的目的，主要适用于各类钢板桩和钢管桩的沉拔 作业，也可用于混凝土桩的沉桩作业。在武汉大桥建设时期，我国试制了苏制b i i1 型 振动桩锤，成为当时激振力最大的振动桩锤。国内振动桩锤的研制工作基本停步不前， 近十多年来，由于石油工程及桥梁工程的需要，大型振动桩锤的研制有了新的发展【1 w 。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 国外振动桩锤主要向液压振动桩锤的方向发展。自7 0 年代中期，美国m k t 公司首 次在世界上研制成功第一台液压式振动桩锤以来，便受到建筑界的重视并得以迅速发展， 发达国家已普遍推广使用液压式振动桩锤。目前国际上的生产厂家多为大型专业公司， 如德国的m g f 、k r u p p 、p v e 、m f n c k 公司，美国的m k t 、i c e 公司，日本的日平 公司等。k r u p p 公司生产的高频无级调幅桩锤激振力可达4 0 0 4 0 0 0 k n 。 ( 3 ) 静力沉桩 用柴油锤和振动桩锤沉桩会产生相当大的噪声，在城市居民密集区施工时对环境影 响极大，目前世界各国都在环保法中规定了噪声污染的限度，限制在城市中心地带使用 柴油锤与振动桩锤。为此，近年来液压静力沉桩机悄然兴起。我国在2 0 世纪7 0 年代开 始研制静压沉桩机，到8 0 年代初期，才出现在较先进的静压沉桩方法，但压桩机的压力 较小，为9 0 0 k n 和1 2 0 0 k n ，只能解决一些荷重不大的短桩施工，故应用范围不广，到 了9 0 年代初期，由于液压件制造水平的提高，压桩机的吨位逐步提高到2 0 0 0 k n ，可满 足1 5 层以下的高层建筑沉桩深度所需压力。发展至今，由于压桩机最大吨位已能达到 8 0 0 0 k n ，故单桩允许承载力可达4 0 0 0 k n ，可满足3 5 4 0 层以内的高层建筑所需求的桩 基深度和压力。目前，静力桩机还处在发展时期，由于压桩设备的施工能力不可能无限 增加，它比较适用于单桩允许承载能力在3 0 0 0 k n 以下的工程范围。 随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强，液压静力压桩机的应 用将获得更广泛的推广。同时，液压静力压桩机技术及产品将由粗放型向功能精细化、 操作智能化方向发展，其发展趋势可归纳如表1 1 ： 表1 1 液压静力压桩机的发展趋势 t a b l e i 1d i r e c t i o no fs t a t i cp r e s s i n g - p i l em a c h i n eb a s e do nh y d r a u l i cp r e s s u r e 液压静力 压桩机的 发展趋势 a 进一步多功能化，产品适应能力进一步加强。较厚硬隔层地质条什r 施工时t 设计并配置专用的螺旋钻，提高压桩机的穿透能力和对地质的适应能力： b 智能化操作与旌工的压桩机开发。开发机身液压自动调平系统，乐桩过程计算 机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作： c 异型桩夹持装置的开发。特别是与钢板桩、t 字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩 机构的开发： d 压桩力大、质量轻机型产品的开发。特别是对于钢板桩连续墙施 产品的开发 将是今后静力压桩机发月的新领域： e 适应于北方寒冷地区气温低、冻土层较厚的桩机产品的开发 产品向高档次、高可靠性方向发展。 2 0 世纪9 0 年代末期以来，旧城改造以及基坑开挖后所出现的大量的离障碍物很近 的“边桩”和靠角的“角桩”，对产品提出了一机多能的要求，同时，静压桩的桩型不 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 断多样化，单桩承载力大幅度提高，特别是高承载力管桩、薄壁管桩的广泛应用和h 型 钢桩的出现，要求大吨位抱压桩机既要夹持可靠，又不破损桩，这对夹桩技术及相应装 置是很大的挑战。这些工程中的