（机械电子工程专业论文）新型振动沉拔桩机液压系统仿真及动力学分析.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g s i 哪u l a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e ma n dd y n a m i c a n a l y s i so ft h en e w b r a t o r yp i l i n gm a c h i n e b yb i a nh o n g y e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw e nb a n g c h u l l l e c t u r e rr e nz h a o h u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 哆 j a n u a r y2 0 0 8 l 1，、0j t，；p，。l 厂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：l 思o - ， 曩- 学位论文作者签名：迎眇p 午 日期：& 耐2 学位论文版权使用授权书 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：即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。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： f，厶0， 东北大学硕士学位论文 摘要 新型振动沉拔桩机液压系统仿真及动力学分析 摘要 随着高层建筑对桩基础的要求和建筑施工中环保要求的不断提高，桩基础施工设备 的进一步发展已变得越来越迫切。研制新型的沉桩能力强的环保型桩机，己逐渐成为了 各国研究和发展的重点。本文论述的振动桩机，是在液压静力沉拔桩机的基础上，通过 改造其机械结构及液压系统，产生周期性激振力，实现了动静压的结合，是一种新型的 “液压激振式”振动沉拔桩机。 本论文对液压静力沉拔桩机工作原理进行分析，改造了其原有的沉桩系统结构，实 现了连续沉桩，提高了工作效率；对液压回路进行设计，引入了液压旋转阀，使系统产 生周期性激振力，实现了动压沉桩；介绍了旋转阀的结构及工作原理，对其静态特性进 行了分析。 研究了“液压激振式 振动沉拔桩机沉桩液压系统各组成元件的动态特性、根据各 元件的特性、流量方程和传递函数，利用仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 建立了各基本元件的 模型；根据各液压元件间的流量和压力的关系，建立沉桩液压系统的整体模型，根据设 计参数对液压系统模型进行了仿真，验证了液压旋转阀可以产生周期性激振力，为新型 桩机的设计提供了可行性依据。 以“液压激振式 振动沉拔桩机土系统为研究对象，分析沉桩过程中，土对桩的 沉桩阻力，建立振动沉拔桩机一土系统简化的非线性力学模型，研究非线性振动沉桩系 统的响应分析。利用简化后的数学模型，对沉桩过程进行仿真，研究桩机一土系统中参 数对沉桩效果的影响。 利用大型有限元分析软件对沉桩过程进行了计算机仿真，研究桩机参数以及土的力 学性质对沉桩效果的影响，研究结果为振动沉拔桩机在实际施工中参数的选取提供理论 依据。 关键词：振动沉拔桩机；液压系统：桩一土模型；数值仿真；有限元 i i 妇 j 1 l i - t 东北大学硕士学位论文 a b st r c t s i m u l a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e ma n dd y n a m i c a n a l y s i so f t h en e w v i b r a t o r yp i l i n gm a c h i n e a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i i m o u s l yr a i s i i 培d e m a n do ft h ep i l ef o u n d a t i o no f1 1 i g h b u i l d i n ga 1 1 do f e n v i r o m n e n t p r o t e c t i o n i n p i l e f i o u n d a t i o n c o n s t m c t i o n ，m e如n h e rd e v e l o p m e n to f p i l e c o n 专t r u c t i n ge q u i p m e n th a sb e c o m em o r ea n dm o r eu r g e n t n e wp i l i n gm a c l l i n ew i m m g hp e n e t r a t i o nc a p a b i l i 够h a ss t e a d i l yb e c o m et h ef o c u st ob es m d i e da n dd e v e l o p e di nm e w o r l d t 王1 ep i l i n gm a c h i n ed i s c u s s e di n “sp 印e r b a s e do nm eh y d r a u l i cs 诅t i cf o r c ep i l e “v e ra n de x t r a c t o r ，a l t e r e di t ss 乜1 l c t u r ea n dh y d r a u l i cs y s t e m ，p r o d u c t 也ec y c l i cd r i v i l l g f o r c e ，r e a l i z et h ej o i n to fs t a t i cf o r c ea 1 1 dd y n 锄i cf o r c e ，t m si san e wt y p eo fv i b r a t o 巧p i l i l l g m a c h i n e t h ep a p e ra n 甜y z e dm e 、r k i n gm e o 巧o fs t a t i cf o r c ep i l ed d v e ra n de x 行a c t o rm a c l l i n e b ya l t e r l es t m c t u r e ，r e a l i z e dm ec o n t i n u o u s l ys i n k i n g b yr e d e s i g n e dt 1 1 eh y d r a u l i cs y s t e m a n di r n p o i r tm e r o t a r yv a l v e ，也es y s t e mi n l p u l s ec y c l i c “v i l l gf o r c e ，t 1 1 ep i l ec a i ls i l l k j n gb y d y n 锄i cf o r c e a n dm ep a p e ra l s oa n a l y z e dm e s t n l c t i l r ea 1 1 dw o r h n gt h e o r y ，o fr o t a d rv a 】v e r - e s e a r c h e dt 1 1 ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cf o re a c hc o m p o n e n to ft h eh y d r a u l i cs y s t e m b a s e o nm ec 1 1 a r a c t e r i s t i c ，c u r r e n t e q u a t i o n a 1 1 d 觚l s f e r劬c t i o 玛 u t i l i z i n g 廿1 es 饥l c t u r e m a t l a b s i m u l i n kt 0 0 1 b o x ，p r o d u c e de a c ho ft l l ec o i n p o n e n t so ft h e 、h o l eh y d r a u l i cs y s t e m u t i l i z e 也er e l a t i o l l s k pb e 似e e nc u r r e mc 印a c 时a 1 1 dp r e s s u r ef o re a c hc o m p o n e n t ；b u i l dt l l e w h o l em o d e lf o rh y d r a u l i cs y s t e mo ft l l eh y d r a u l i ci m p u l s ee x c i t a t i o nv i b r a t o 巧p i l ed r i v e r a n de x n a c t o r s i m u l a t i o nt h ew h o l eh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nm ed e s i 印p a u r a m e t e r i d a t e m a tm er o t a 巧v a l v ec a np r o d u c tp e r i o d i c i 够i m p u l s e ，m a d ep r o v ef o rt l l ef e a s i b i l i t ) ro fn e w v i b r a t o 巧p i l i n gm a c m n e w et a k et l l ev i b r a t o r yp i l i n gm a c h i n e s o i ls y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c ta n da 1 1 a l y z e dt 1 1 e r e s i s t a n c ed u r i n gm es i r 越n gp r o c e s sa n di i l i t i a l l ye s t a b l i s h e dn o l l l i n e a rd y n 锄i cm o d e lf o r v i b r a t o 巧p i l i n gm a c h 洫e s o i ls y s t e ma n dr e s p o n s ea n a l y s i so fn o m i l l e a rp i l i n gs y s t e m u t i l i z e t h es i m p l em o d e l ，s i m u l a t i o nt h es i n k i n gp r o c e s so f p i l e 1 1 1m ee n d ，s o 胁a r eo ft h ef i l l i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a se m p l o y e dt os i i l l u la t et h ep i l e s o i l i t i s y s t e m b yt 1 1 es i n l u i a t i o nw ec a nr e s e a r c hm ei n 丑u e n c eo ft 1 1 es o i la i l dt h ep i l i l l gm a c e d 面n g 也ep r o g r e s s - 础1t h j sr e s e a r c hr e s u l t s 谢1 ll a ya 廿1 e 。r e t i c a | b a s i s f o rd e s i 鲥n ga n d i n l p r o v i i 培t h ev i b r a t o r ) ，p i l i n gm a c h i l l e k e yw o r d s ：v i b r a t o 巧p i l i n gm a c h j n e ；h y d r a u l i cs y s t e m ；p i l e s o i lm o d e ；v a l u es i m u l a t i o n ； f “t ee l e m e n t i v ，。 j - 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s 缸a c t 。 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景与意义1 1 2 桩工机械发展及研究概况2 1 2 1 桩工机械发展概况2 1 2 2 液压静力桩机的改进3 1 3 本文主要研究内容。4 第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统6 2 1 静压桩机的结构与工作原理6 2 1 1 行走机构6 2 1 2 压桩平台的结构7 2 1 3 夹桩及压桩机构7 2 2 液压激振式振动沉拔桩机的结构及工作过程8 2 2 1 液压激振式振动沉拔桩机结构：8 2 2 2 沉桩工作过程9 2 3 液压系统组成及工作原理10 2 3 1 夹桩液压系统10 2 3 2 沉桩液压系统1 1 2 4 周期性激振力产生原理1 2 2 4 1 旋转阀结构1 2 2 4 2 旋转阀流量分析13 2 5 本章小结15 第3 章振动沉拔桩机液压系统分析与仿真。l7 3 1 沉桩液压系统的仿真目的与仿真软件1 7 3 2 沉桩液压系统组成元件的仿真模型1 7 3 2 1 液压泵数学建模与仿真模型l7 - v 一 b 东北大学硕士学位论文目录 3 2 2 液压缸数学建模与仿真模型2 0 3 2 3 旋转阀数学建模与仿真模型2 4 3 3 振动桩机沉桩液压系统整体仿真模型的建立和分析2 6 3 3 1 振动桩机沉桩液压系统整体仿真模型的建立2 6 3 3 2 系统仿真分析2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章振动沉桩系统动力学研究2 9 4 1 振动沉桩基本理论2 9 4 1 1 振动沉桩理论依据2 9 4 1 2 土的液化机理3 0 4 1 3 土液化的影响因素3 1 4 2 桩一土系统动力学研究3 2 4 2 1 土的动力学特性分析3 2 4 2 2 振动沉桩阻力分析3 3 4 - 3 振动沉桩系统力学模型与动力学方程3 5 4 3 1 振动沉桩系统力学模型3 6 4 3 2 弱非线性振动沉桩系统的响应分析3 7 4 4 振动沉拔桩机的数值仿真4 0 4 4 1 数值仿真参数选择4 0 4 4 2 数值仿真结果分析4 0 4 5 本章小结4 3 第5 章振动沉桩过程有限元分析4 5 5 1 有限元模型的建立4 5 5 1 1 基本假定4 5 5 1 2 模型单元类型的选择4 5 5 1 3 单元材料的选择4 5 5 1 4 接触单元4 7 5 1 5 模型的约束与载荷5 0 5 2 桩一土系统的仿真5 0 5 3 桩土模型仿真结果分析5 1 5 4 本章小结5 4 第六章结论与展望5 5 6 1 结论5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 致谢6 1 v 1 1 l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的一种基础 类型，早在新石器时代，人类为防范敌人袭击、猛兽侵犯和不占耕地，就已懂得在湖泊 和沼泽地里插木桩、搭平台修筑定居所。同时桩基础也是目前基础工程中应用较广泛， 发展最迅速的一种基础形式，已成为高层建筑、桥梁、码头等最常用的基础类型。 在各种桩基础施工中用来钻孔、打桩、沉桩和拔桩的机械统称为桩工机械。桩工机 械在施工中可以采用多种方式，常见的包括锤击沉桩、振动沉桩、静力压桩等【l - 3 1 。随 着城市建设的不断发展，建筑物向高层发展的趋势日益明显，建筑物由原来的十几米发 展到几十米甚至上百米，对桩基础的承载能力要求越来越高。由此，桩的深度也需要相 应的加深，需要克服的沉桩阻力也必然越来越大。因此，迫切需要更大吨位的沉桩机以 适应时代发展要求。 1 9 3 4 年俄国的巴尔喀教授将一个振动器安装在管桩上使其振动，结果只用静拔桩力 的1 1 0 1 5 就能将桩拔出，依据这一原理研制出了振动沉拔桩机。振动沉拔桩机具有 优良的技术性能，尤其拔桩更显独特的优越性。但使用柴油锤和低中频的振动桩锤沉桩 时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。 近年来，随着液压技术和液压振动技术等工业技术的发展，液压静压桩机又悄然兴 起。但目前市场上静压桩机吨位主要为6 5 0 吨以下，更大吨位的静压桩机比较少见。这 主要因为与大吨位的静压桩机相匹配的液压系统形成困难。此外，由于桩机自身结构所 限，大吨位的桩机需要与此相对的大吨位配重来保证沉桩，这样庞大的配重的不仅使整 机的拼装、移动成本相当高，而且浪费了大量时间，影响了整体的工作效率，降低了竞 争性。由此普通的静压桩机由于吨位，压桩力有限，使其应用范围被局限于沿海软土地 区或对桩基础要求不是很高的建筑物上，限制了其广泛应用。 鉴于目前桩机存在的问题，研制新型沉桩能力强，机身轻，高效环保的桩机是未来 的发展趋势。综合考虑静压桩机环保的优势和振动桩机沉桩能力强的优势，利用先进的 液压振动技术，设计满足全程压力需求，根据不同情况调整沉桩压力，实现静动压沉桩 功能，必将扩大目前液压静力沉桩机的适用范围，极大的提高液压静力沉桩机的性能， 具有良好的经济价值和应用前景。 】 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 桩工机械发展及研究概况 1 2 1 桩工机械发展概况 桩工机械是各种桩基础工程的主要施工机械，按其工作原理可分为冲击式、振动式、 静压式和成孔灌注式几类卜1 2 】。常用的有柴油锤、蒸汽锤、液压锤、振动锤、静力压桩 机、各种钻孔机以及与桩锤配套的各种打桩架等。 ( 1 ) 锤击式沉桩 锤击式沉桩是通过锤与桩之间的撞击在瞬间产生的撞击力使桩沉入岩土中，它是人 类最早使用的桩基础施工方法之一。锤击式沉桩典型的设备如蒸汽锤、柴油锤等。在2 0 世纪5 0 年代，最大的蒸汽锤为6 t ，可用来锤击直径为5 5 0 姗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。但蒸汽锤的辅助设备 多，效率低的缺点也逐渐显现。从日本车辆制造株式会社制造出世界上第一台柴油锤打 桩机开始，经过不断发展，柴油锤曾几乎占领了桩基础施工机械的全部市场，蒸汽锤基 本被淘汰。但锤击式桩机有着沉桩容易把桩打坏，噪声大，对环境污染严重等缺点，以 及由沉桩引起的挤土效应对相邻建筑物、管道、地下设施具有不利的影响，随着人们环 保意识的增强，这种类型的桩锤受到很大限制。 ( 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 土壤对桩的摩擦阻力，达到使桩下沉的目的，主要适用于各类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，我国便使用了振动桩锤。2 0 世纪 6 0 年代，为直径3 6 0 0 n u n 预应力混凝土管桩下沉作业，又研制了大型振动锤中2 5 0 型， 激振力可达2 5 0 0 k n 。尽管振动桩机有工作效率高，安装方便，使用面广等优点，但其 产生的噪声、振动对周边环境也有很大的影响，随着环保问题的日益突出，振动桩机的 使用也受到一定程度的限制。人们由从技术性、经济性的考虑向更加重视环保的方向转 移。 ( 3 ) 静力压桩 静压桩机是以液压为动力进行预制桩施工的一种基础工程施工设备，主要应用于软 弱地基的桩基础施工。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，静压桩机与其它桩工机械相比，正是凭借这些优点，得到了充 分发展。 “ 静压桩机的工作机理是：借助专用设备，利用专用机架自重和配重或者结构物自重， 2 o ，o 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 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。 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，才出现较先进的静 压沉桩方法，但压桩机的压力较小，到了9 0 年代初期，由于液压件制造水平的提高， 静压桩机技术经过不断地改进、完善，其性能逐渐超越和取代打桩机。发展至今，静压 桩机已经形成了一套相对完善的吨位系列，其最小吨位为1 0 0 t ，最大吨位能达到1 2 0 0 t ， 可满足3 5 4 0 层以内的高层建筑所要求的桩基深度和压力，但随着建筑物高度的不断提 高，目前已有吨位的静压桩机已不能满足更高沉桩能力的要求。 1 2 2 液压静力桩机的改进 虽然静力沉桩的优越性得到了普遍的认同，但由于静压桩机以自重作为反力进行压 桩，因此其最大压桩力与桩机质量有着直接的关系，想要进一步扩大静压桩机的应用范 围，就要形成大吨位的静压桩机，针对如何提高速度，提高沉桩能力这两个方面，桩机 设计人员经历了一个探索的过程，并提出了一些改进方法【1 3 - 1 刀： ( 1 ) 沉桩机构的改进 最早出现的静压桩机只有一套夹桩、压桩系统，动作时间浪费在空回程上，为了提 高效率，设计人员提出了两种解决方案： 1 ) 将单层沉桩机构改进为双层交替沉桩机构，此种结构适用于桩阻力较小的施工 阶段。利用交替的两层沉桩机构，能够快速将桩压入土中。工作前，上下两层液压缸处 于退回状态，开始沉桩时，从下层夹桩箱开始，在沉桩液压缸的作用下开始夹桩沉桩， 当液压缸满程时，夹桩箱松开，沉桩油缸开始回程，此时上层夹桩箱开始夹桩，沉桩油 缸伸出，沉桩开始；当上层沉桩油缸满程时，松开桩并返程，此时，回到初始位置的下 层夹桩机构重复上一次动作，完成一个交替，如此循环进行。与单层沉桩机构相比，虽 然每一时刻仍只有一层沉桩机构工作，但利用其中一层沉桩机构回程的时间，另一层机 构继续工作，沉桩间断的时间仅为一层结构夹桩松开至另一层加紧桩的时间，间断时间 短，沉桩的速度相对要快，效率也较高。 2 ) 将单层沉桩系统改为双层间歇沉桩，此过程与交替沉桩的不同在于将交替沉桩 中的同一时间的单层沉桩改为两层沉桩机构同时工作。间歇沉桩时，所有压桩油缸一起 工作，产生的压力较交替沉桩的大，能够克服较大的沉桩阻力，故间歇沉桩适合于桩的 阻力较大的施工段。开始沉桩时，上下两层夹桩箱同时夹桩下降，当都达到液压缸满程 时，松开夹桩液压缸，沉桩液压缸回程，提升夹桩箱，然后再次同时夹桩、沉桩，满程 后再松开、上升，再夹桩、沉桩，如此循环，直到桩身沉入设计要求深度。此过程沉桩 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 力大，能适应任何情况下的沉桩需要，但两次沉桩间有较长时间的停歇，此时，桩身受 到的土摩擦由动摩擦变成静摩擦，再次沉桩时增加了压桩的阻力。 ( 2 ) 液压系统的改进 静压桩机沉桩能力还不能满足目前高层建筑的需要，为了提高压桩力，研究人员提 出了多种改进措施，比较具有代表性的是中南大学提出的增加振动开关阀的液压系统， 即在原静压桩机的液压回路基础上，在沉桩液压回路中的增加振动支路，改进后的液压 系统如图1 1 所示。 f - 图1 1 液压振动系统图 f 逛1 1h y d r a u l i cv i b r a t i n gs y s t e m 由于振动开关阀的连通与断开，使得回路中的油液压力产生周期性的变化，沉桩静 压力变为沉桩动压力。这种改进方式为我们提高静压桩机的沉桩能力提供了一个参考， 也取得了一定实际效果，但仍存在一定问题。这种改进并没有减少整体桩机的机重，静 压桩机的大量配重仍然存在。增加振动开关阀引起的振动幅值还不够大，沉桩能力的提 高不够明显，仍需要改进。 1 3 本文主要研究内容 液压静力沉桩机的发展趋势同其它工程机械的发展方向一样，实现其机构最优化、 功能多样化、效率最大化是所有研究者的最终理想。随着人们研究的不断深入，对液压 静力沉桩机改进的措施也不断提出，但目前的改进措施都存在一定的缺陷，并没有从根 本上解决液压静力沉桩机存在的需要较大配重和压桩效率较低等问题。 本文所讨论的振动沉拔桩机是在原有液压静力沉桩机的基础上进行改进，通过液压 装置来产生周期性激振力，实现连续动静压结合的新型液压振动沉拔桩机。本文对“液 一4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 压激振式”振动沉拔桩机进行功能分析，设计了全新的液压激振系统，研究了振动沉拔 桩的工作原理，并对沉桩过程进行了计算机仿真。具体的研究内容和方法如下： ( 1 ) 对液压静力沉拔桩机结构及其液压装置进行改造，确定了“液压激振式”振 动沉拔桩机的结构、工作原理；对液压系统及沉桩工作过程进行论述与分析。 ( 2 ) 对“液压激振式 振动沉拔桩机液压激振系统的各液压组成元件进行数学分 析，研究其动态特性；为“液压激振式 振动沉拔桩机液压系统建立整体数学模型。利 用仿真软件m a t l a b s i m u l i i l l ( 对沉桩系统进行整体仿真，研究旋转阀对系统动态特性的影 响。 ( 4 ) 从振动沉拔桩机的沉桩理论依据出发，分析土的动力学特性，研究沉桩过程 中土对桩的作用；对振动沉拔桩机一土系统简化为非线性力学模型，研究非线性振动沉 桩系统的响应分析；利用简化后的数学模型，对沉桩过程进行仿真，研究各参数对沉桩 效果的影响。 ( 5 ) 对振动沉桩机中的桩一土系统建立有限元模型，利用有限元分析软件对沉桩 过程进行计算机仿真，研究土体的材料特性对沉桩过程的影响，通过分析对比为实际工 作提供参考。 东北大学硕士学位论文 第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 2 1 静压桩机的结构与工作原理 液压静力沉桩机主要由操作台、夹桩机构、压桩机构、桩、工作吊机、配重块、压 桩平台、长船行走机构和短船行走机构等几部分组成【i g 】。其结构如图2 1 所示。 2 1 1 行走机构 1 操作室2 操作台3 夹压桩机构4 桩 5 起重机6 配重快7 压桩台8 长船机构9 短船机构 图2 1 液压静力压桩机意示图 f i g2 1h y d r a u l i cs 诅t i cp r e s s u r ep i l l i n gm a c h i n e 行走机构分为长船行走机构和短船行走机构。长船、短船单独作用可以完成沉桩机 的横向及纵向移动；长船与短船配合工作，桩机还可以实现一定角度的转动。行走机构 的动力由液压系统提供，下面以长船行走机构为例介绍其工作原理。 长船行走机构主要由船体、行走台车、长船行走油缸等组成，其结构如图2 2 所示。 行走油缸的活塞杆与船体联接，缸体通过铰耳与主动行走台车联接，行走台车与压桩平 台支腿上的顶升油缸铰接。其动作过程是：顶升油缸使长船落地，短船离地，然后长船 油缸伸缩推动行走台车，使桩机沿长船轨道移动；顶升油缸回程使长船离地，短船落地， 6 东北大学硕士学位论文 第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 短船油缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，上述动作往复交替，即实现了桩机的纵 向行走。短船横向行走时与此类似。 1 2 1 顶升油缸2 压桩平台3 行走油缸活塞球头4 船体5 行走台车 图2 2 长船行走机构示意图 f i g 2 2w a l k i n gs y s t e mo f1 0 n g 锄ds h o ns h i p 长船和短船上各有4 个顶升油缸，同一长船上的两个油缸并联，目的是为了防止沉 桩施工时，因地势、振动或其它原因可能造成的同侧油缸瞬时举升力不一致的现象。通 过油缸的并联，可以使油液从举升力大的油缸流入举升力小的油缸，最终达到两个油缸 具有相同的举升高度。同理，对于两个短船上的4 个顶升油缸，也采用类似的并联结构， 使两个油缸在工作时能达到相同的举升高度，实现压桩平台的水平，为桩的竖直沉入提 供基础保障。 2 1 2 压桩平台的结构 压桩平台是桩机的主体结构，主要功能是实现行走机构与压桩机构和夹桩机构的连 接。压桩平台通过4 个顶升油缸与长船联接，通过4 条主腿与短船联接，中部装有导向 立柱和压桩门形架，4 个压桩油缸各两对成组对称分置于门形架中心，压桩油缸与夹紧 机构铰接，通过压桩油缸活塞杆的往复位移，实现压桩和拔桩。在门形架的每条导轨上 各有两个导向轮，使桩在下沉过程中，夹桩小车始终垂直门形架，限制桩的偏移。此外， 桩机的辅助设施如操作室，液压泵站，配重块均放置在压桩平台上。 2 1 3 夹桩及压桩机构 夹桩及压桩机构是桩机的核心部分，两部分机构配合工作来实现沉桩过程。该部分 由夹桩小车、夹紧油缸和压桩油缸等组成。夹紧油缸固定在夹桩小车上，压桩油缸固定 在导向门形架上。静压桩机的动作过程是将桩段吊入夹持小车内，夹紧油缸伸出，通过 夹持板将桩段夹紧，然后压桩油缸伸出，使夹桩小车在导向门形架的导轨上移动，带动 桩段挤入土中。 7 东北大学硕士学位论文第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 目前所使用的静压桩机，大多沉桩过程为交替沉桩，即每次交替过程中存在一定间 歇，在间歇时，由动摩擦力转变为静摩擦力，因而增大了沉桩阻力。本文所论述的振动 沉拔桩机对沉桩、压桩系统做了改造，将在下节中对改造后的系统进行详细论述。 2 2 液压激振式振动沉拔桩机的结构及工作过程 2 2 1 液压激振式振动沉拔桩机结构 液压激励式振动沉拔桩机是在原有液压静力沉桩机的基础上，通过对其夹桩及压桩 系统的结构和液压回路的改造，利用液压旋转阀，产生周期性激振力，在减少桩机机身 重量的情况下，将沉桩能力大幅提高。此桩机既保留了原有静压桩机的静压功能又增加 了动压力，实现了静动压的结合，实际施工中可以根据不同工况，调整沉桩力，实现效 率最大化。 夹 桩 机 构 压 桩 平 厶 口 。一 i几：】：ll i i 一前 帖一 _ 儿u _ _ _ - 乒 l 善 图2 3 振动沉拔桩机示意图图2 4 振动沉拔桩机样机图 f i g 2 3 t h es k e t c ho fv i b r a t i o np i l i n g f i g2 4 t h es 锄p l ep i c t u ：r e0 fv i b r a t i o np i l i n g s i n l ( e ra n de x t r 乏i c t o rs i l l | 【e ra n de x 臼a c t o r 液压振动沉拔桩机由于是在静力液压桩机的基础上改造的，其主要机械结构并未发 生很大的变化，但由于工作时产生了振动，为了避免桩机振动直接对地面产生冲击，桩 机与地面之间设计了隔振装置，增加隔振之后的桩机外形结构如图2 3 及2 4 所示。考 虑长船与短船是桩机的支撑机构，于是对长船与短船增设相同数量的隔振弹簧，当桩机 处于行走或工作状态时，长短船都有隔振弹簧，因此长短船与地面接触的性质一样，能 够保持桩机的水平度，不容易发生倾斜。隔振弹簧布置在机座上，长短船与机座之间利 用弹簧支撑，预留一定空隙，有利于桩机的振动，避免桩机对地面的冲击。 8 东北大学硕士学位论文第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 2 2 2 沉桩工作过程 如前文所述，针对液压静力沉桩机工作效率低的问题，人们提出了交替沉桩和间歇 沉桩两种方案，但这些方案并没有完全解决问题。由于动态摩擦阻力小于静态摩擦阻力， 所以本论文构想使桩在下沉中始终处于动摩擦阻力作用下，将交替沉桩改为连续沉桩， 避免交替沉桩中由于间歇造成阻力突然增大的情况，本振动沉拔桩机的沉桩机构为由两 层加紧小车，两套沉桩油缸组成，结构如图2 5 所示。 导向门 、生 油缸 图2 5 沉桩夹桩机构的结构 f i g 2 5 s t m c t l l r eo fs i n k i n ga n dc l 锄p i n gm e c h a n i s m 在初始准备阶段，上层与下层沉桩机构都位于初始零位置，下层夹桩小车在下层沉 桩液压缸的作用下首先开始夹桩沉桩，当液压缸行至满行程的3 4 时，上层夹桩小车开 始夹桩，进而开始沉桩动作，此时下层与上层沉桩机构同时工作，当下层沉桩液压缸满 程时，下层夹桩油缸与沉桩油缸退回，夹桩松开，下夹桩小车快速回程，而上夹桩小车 继续压桩，完成一个连续的沉桩过程；当上层沉桩油缸行至满行程的3 4 时，退回到初 始位置的下层夹桩油缸加紧桩，沉桩油缸继续进行沉桩，当上层沉桩油缸满程时，上层 夹桩油缸松开，沉桩油缸回程，而此时下层夹桩小车继续做压桩工作，完成第二个连续 沉桩，如此循环进行，没有时间间歇，沉桩夹桩机构连续沉桩过程可由图2 6 说明。 连续沉桩时，桩始终处于动摩擦阻力下，能够在沉桩阻力较小的情况下实现连续沉 桩，能够明显提高沉桩速度。整套系统中，上下两层夹桩小车的快速回程是保证连续沉 桩的关键，在小车回程时，需要增加回程液压缸内液压油流量，以提高速度，为此需要 额外的液压泵向油缸补油。 东北大学硕士学位论文第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 行 程 零 位 零 位 r 弋r 弋r 厂 厂 图2 6 连续沉桩过程 f i g 2 6 p r o c e s so fp i l ed r i v i n gc o n t i n u o u s l y 2 3 液压系统组成及工作原理 2 3 1 夹桩液压系统 上 层 机 构 下 层 机 构 夹桩机构的基本功能是实现桩的夹紧与松开，为了保证连续沉桩、交替沉桩、间歇 沉桩功能的实现，要求夹桩机构上下两层夹桩可以实现上夹下松、上松下夹、上下双松 和上下双夹四种组合类型的工作。 l 液压泵2 过滤器3 溢流阀4 ，5 换向阀6 梭阀7 压力表8 压力传感器 图2 7 振动沉拔桩机夹桩机构液压系统 f i g 2 7h y d r a u l i cs y s t e mo fc l 锄p i n gm e c l l a _ i l i s mf o rv i b r a t i o np i l i n gm a c h i n e 从工作要求看，要达到液压缸双松、双夹，即要求上下两组液压缸能同时做伸出与 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 退回动作，于是把液压缸的油路采用并联形式；考虑到还要完成上夹下松、上松下夹动 作，则上下层液压缸必须处于不同的回路，利用换向阀来实现压力油的分路。通过在液 压回路中设置压力传感器，可以得出压力油的压力，结合工作效果调整溢流阀与压力油 的压力。夹桩结构的液压回路如图2 7 所示。 夹桩油缸的四种组合类型可通过控制换向阀4 、5 得到：当换向阀4 和5 都处于左 位时，上层油缸的活塞处于伸出状态，夹紧桩，下层4 个油缸活塞处于退回状态，松开 桩，即夹桩系统处于上夹下松状态。同理，当换向阀4 和5 都处于右位时，夹桩系统处 于上松下夹状态；当换向阀4 处于左位，而换向阀5 处于右位时，夹桩系统处于双夹状 态；当换向阀4 处于右位，而换向阀5 处于左位时，夹桩系统处于双松状态。 值得一提的是，与静压桩机不同，夹桩机构采用了较为独立的油源，用单独的液压 泵进行供油。由于本桩机在工作过程中产生振动，施加在桩身上原有的夹桩力会减小， 摩擦阻力也会减小，因此需要更大的夹桩力，保证桩的加紧。如果夹桩系统与沉桩系统 同用一台液压泵，夹桩力也会变得不稳定，不利于桩的加紧。 2 3 2 沉桩液压系统 沉桩系统的动作过程是与夹桩系统相互配合的，因此，沉桩系统的动作过程也具有 四种组合形式，分别是上层沉桩下层回程、上层回程下层沉桩、上下同时回程和上下同 时沉桩，其液压系统的组成，如图2 8 所示。上下两层沉桩液压缸的动作与夹桩系统相 似，由换向阀4 与5 来控制。 沉桩液压系统是实现振动沉桩的关键，增设了可以产生周期性激振力的旋转阀，通 过旋转阀周期性的转动，完成液压油快速的换向，实现液压缸活塞的振动。根据功能和 结构的特点，系统中将静压桩机原有的一个液压泵，增加到三个液压泵，它们分别为： 油量补油泵，沉桩泵和振动泵。增加油量补偿泵是因为连续沉桩时，上下两层油缸都需 要有快速退回的动作，如果仅将下层油缸排出的回油接入到上层油缸的进油腔，系统中 的油量将保持不变，流入回程油缸的油量会与下沉油缸排出的油量相等，因而回程与下 沉的速度也将相同，不能实现快速退回，加入油量补偿泵后，回程油缸中的油量增加， 速度也就提高了。沉桩泵排出的液压油只进入液压缸的后腔，即沉桩泵只能使桩下沉， 桩在回程时不起作用。振动泵提供的压力油通过旋转阀的作用，交替进入液压缸的前后 两腔，也液压缸活塞的振动提供动力。振动泵与沉桩泵的分别供油可以实现对桩下沉速 度和振动幅值得单独控制，有利于根据不同的施工情况，合理选择桩的振动幅值和下沉 速度。 东北大学硕士学位论文第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 l 油量补偿泵2 沉桩泵3 振动泵4 ，5 换向阀6 梭阀7 压力表8 压力传感器 图2 8 振动沉拔桩机压桩液压系统 f i g 2 8h y d r a u l i cs y s t e mo f v i b r a t i o np i l i n gm a c h i n e 2 4 周期性激振力产生原理 2 4 1 旋转阀结构 振动沉拔桩机能够产生周期性振动，是因为在液压回路中加入了关键部件旋转 阀。由于旋转阀的特殊结构，在周期性转动时使流经旋转阀的静压力交替流入液压缸的 前后两腔，使活塞杆产生周期性振动，即形成周期性激振力。旋转阀主要部件为阀芯和 阀套，阀芯结构如图2 9 所示。 图2 9 旋转阀阀芯结构 f i g 2 9 s t r u c t u r eo ft h ec o r ef o rr o l l i n gv a l v e 阀芯有五个通孔，按功能将其划分为两个振动压力油孔，两个回油孔和一个沉桩压 力油孔，通孔两端为矩形槽。其中的两个油孔分布在同一表面上而另三个通孔分布在另 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章振动沉拔桩机结构及液压激振系统 一个表面上，这两个表面呈9 0 度角。对应的阀套也有五个通孔，但分布在同一表面上， 位置上一一对应，由此五个孔不能同时连通。阀套连接液压泵的一侧，阀套孔2 与4 同 时与振动泵压力油连接，孔1 与5 同时与油箱管路连接，孔3 由沉桩泵单独供油；阀套 连通液压缸的一侧，孔1 ，3 ，4