（机械电子工程专业论文）内胀式吊桩器的研究.pdf

内胀式吊桩器的研究于两芰海洋石油平台、海上风电桩基等大型海上施工单位都需要利用大型管桩做为基本搭建单元。由于海上用设备的大型化，就需要专用起吊设备实现对海洋用管桩的搬运、操作等工作。目前我国各家海洋开发公司所使用设备为从国外高额进口或租赁的，国内在该项技术上尚属空白状态。国外设备中有一类是通过将吊具置于管桩内部，通过自身的外胀作用来夹紧管桩的。本课题来源于海油工程公司级科研项目“内胀式吊桩器国产化研制 。论文的研究目的就是研制出具有我国自主知识产权的这种内胀式吊桩设备，最终产生工程样机以运用于实际，减少我国海上建设施工成本。论文通过对内胀式吊桩器的工况进行详细分析，依据内胀式吊桩器的技术指标，制定了总体设计方案，并且通过分析计算验证了方案的可行性。围绕总体设计方案，对工程样机通过三维建模，设计出可以满足工作要求的具体样机结构。通过各种理论计算辅以a n s y s 有限元强度分析及a d a m s 动力学分析，验证了所设计结构满足工作要求。论文对内胀式吊桩器关键部件镶嵌压块进行了研发。参照国、内外在嵌入式接触提拉方面的相关成果，制备了具有较高强度、硬度的镶嵌压块。并且通过理论分析验证了所设计镶嵌压块满足工作要求。论文最后通过简化内胀式吊桩器工作状态模型，建立了简易试验装置平台。通过对简易模型的施载，验证了管桩可以被起吊并被夹持住。试验结果为一方面吊具上的镶嵌压块没有发生破损，另一方面镶嵌压块与管桩间也没有发生明显的相对滑动。通过此试验也说明了对于这种带有尖顶使被夹持材料表面发生损伤的接触形式，两接触面之间的静摩擦系数将达到一个比较大的数值。关键词：结构设计；有限元分析；摩擦系数；内胀式吊桩器；镶嵌压块内胀式吊桩器的研究a b s tr a c to f f s h o r e0 i lp l a t f o r m ，s e aw i n dp i l ef o u n d a t i o na n do t h e rl a r g es e ac o n s t r u c t i o nu n i t sn e e dt ou s el a r g ep i l ea sb a s i cb u i l d i n gu n i t w en e e ds p e c i a lh o o k o ne q u i p m e n tt oa c h i e v eh a n d l i n g ，o p e r a t i o nf o rt h el a r g ep i p eu s i n gi ns e a a tp r e s e n tt h ee q u i p m e n to fe a c hm a r i n ed e v e l o p m e n tc o m p a n yi nn a t i o ni nt h eu s i n ga r ef r o ma b r o a df o rh i g hi m p o r to rl e a s e ，t h et e c h n o l o g yi nd o m e s t i ci ss t i l li nt h eb l a n k t h e r ei so n ek i n do ff o r e i g nd e v i c e sw h i c hw o r k i n gi nt h ei n n e ro ft h ep i p ep i l e i tc l a m p sp i l et h r o u g hi t so w ne x t e r n a lb u l g ef u n c t i o n t h i st o p i ci sf r o ms c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t “d o m e s t i cr e s e a r c h i n go fi n s i d eb i l g et y p eh o o k o np i l ep i p ee q u i p m e n t ”w h i c hb e l o n g st oc n o o ce n g i n e e r i n gc o m p a n y m yr e s e a r c ha i mi st od e v e l o pt h ei n s i d eb i l g et y p eh o o k o np i l ep i p ee q u i p m e n tw i t ho u ri n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，r e s u l t i n gi na l le n g i n e e r i n gp r o t o t y p eu s e di nt h ea c t u a lt or e d u c ec h i n a sm a r i n ec o n s t r u c t i o nc o s t a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a li n d e x e sa b o u ti n s i d eb i l g et y p eh o o k o np i l ep i p ee q u i p m e n t ，p a p e rf o r m u l a t e so v e r a l ld e s i g ns c h e m et h r o u g hm a k i n gad e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o n d i t i o n ，a n dv e r i f i e st h e f e a s i b i l i t yo ft h es c h e m eb yt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s a r o u n dt h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m e ，p a p e rd e s i g n e ds p e c i f i cp r o t o t y p es t r u c t u r et om e e tt h ej o br e q u i r e m e n t st h r o u g h3 dm o d e l i n g b e s i d e st h ep a p e rv e r i f i e dt h ed e s i g n e ds t r u c t u r em e e t st h ej o br e q u i r e m e n t st h r o u g hav a r i e t yo f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nw i t ha n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y z ea n dt h ea d a m sd y n a m i c sa n a l y s i s p a p e rh a sas t r i c t l yi n v e s t i g a t et ot h ed e v i c ek e yc o m p o n e n t se n c h a s ep r e s sb l o c k i tp r o d u c e sh i g hs t r e n g t ha n dh a r d n e s se n c h a s ep r e s sb l o c kv i aa n a l o g yn a t i o n ，e x t e r n a lr e l a t e dr e s u l t si ne m b e d d e dc o n t a c tt i r a sa s p e c t s a n dv a l i d a t et h ed e s i g n e de n c h a s ep r e s sb l o c km e e tt h ej o br e q u i r e m e n t st h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s p a p e rf i n a l l ye s t a b l i s h e st h es i m p l et e s td e v i c ep l a t f o r mb ys i m p l i f y i n gt h ew o r k i n gs t a t em o d e lo fi n s i d eb i l g et y p eh o o k o np i l ep i p ee q u i p m e n t b a s e do nt h es i m p l em o d e ll o a da p p l i e d ，p i p ec a nb es u s p e n d e da n di st i p p e dt ol i v e t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti st h a to nt h eo n eh a n de n c h a s ep r e s sb l o c kn od a m a g e ，o nt h eo t h e rh a n dw i t h o u tap r o n o u n c e dr e l a t i v es l i d i n gb e t w e e ne n c h a s ep r e s sb l o c ka n dp i l e a n di ts h o w st h a ts t a t i cf r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i l lr e a c hal a r g e rv a l f f e st ot h ec o n t a c tf o r mw h i c hm a t e r i a ls u r f a c ei n j u r i e so ft h eh o l d i n gm a t e r i a l sb yc u s p s 内胀式吊桩器的研究ik e y w o r d s ：s t r u c t u r a ld e s i g n ；t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；i n s i d eb i l g et y p eh o o k o np i l ep i p ee q u i p m e n t ；e n c h a s ep r e s sb l o c k第1 章绪论第1 章绪论1 1引言随着我国国民经济持续稳定地增长，油气资源短缺问题日益严重，对外进口依赖程度逐年提高，因此确保油气资源安全稳定供应已经成为国家能源安全战略的核心，其中立足国内油气资源勘探开发是国家能源战略的重点。海洋平台工程是近海油气开发中至关重要的环节。桩基础是海洋平台的主要基础形式，海上结构物的钢管桩基础具有桩径大、桩数多、桩身长的突出特点，在海上进行接桩施工是海洋平台建造和安装中不可缺少的工序。由于我国海洋工程起步较晚，单独承揽海洋平台，特别是深海海洋平台的建造并不多见。因此，对于海上接桩及布桩施工还没有适用的施工工具i 。此外由于经济的发展，也造成对各种能源需求的不断上升。而我国传统的煤炭和石油资源并不多根据第三次石油资源评价结果，我国海洋石油资源量为2 4 6 亿晦占全国石油资源总量的2 3 ；海洋天然气资源量为1 6 万亿立方米，占总量的3 0 。我国海洋石油探明程度为1 2 ，海洋天然气探明程度为1 1 ，远低于世界平均水平1 2 1 ，所以更应进行可再生能源的利用开发。风力被称为“蓝天白煤，是取之不尽的清洁能源。与陆地相比，海上风速较高，约高出2 0 - 一1 0 0 ，发电功率约为陆地的1 7 一- - 1 8 倍。到2 0 2 0 年，我国风电装机容量将达2 x 1 0 7 k w , l 雪产化率将达8 5 ，其中5 0 将建于海滩 3 1 。利用海洋风能发电，就必须在海洋上进行风电桩基的搭建，为发电设施提供可支撑的平台。各种风电桩基与海洋搭建石油平台的管桩桩身均为又长又重的大型管桩【4 j ，使用普通吊具难以达到高效的工作目的。由以上分析知，无论是从海上石油平台的搭建、海上油气资源开发还是搭建海上风电桩基各方面，都要求对海上用管桩 5 1 的起吊、布置机具有一个比较明显的发展。因此，设计出针对海洋桩管的专用吊具，具有巨大的意义。1 2 课题来源、目的及意义1 2 1课题来源本课题来源于中国海洋石油工程股份有限公司的“内胀式吊桩器国产化研制 课题。哈尔滨工程大学硕七学何论文1 2 2 课题研究目的本课题的主要研究目的是：研制出具有我国自主知识产权的内胀式吊桩器工程样机，实现海洋用吊桩设备在该种起吊形式上的国产化。1 2 3 课题研究意义我国海洋石油平台的需搭建数量在持续增加。内胀式吊桩器的研制，对提高管桩的操作效率及提高石油平台搭建效率起着重要作用。目前使用的这些吊桩器具完全从国外进口或租赁，不仅在技术上受制于人、而且还要花费高额的购买、使用费用，造成了巨大的经济成本的流失。同时在设备维护方面还要请外来技术人员，不但造成了施工费用和安装成本的增加也耽误施工。本课题的研究具有极大的实际意义，不仅可以实现内胀式吊桩设备的国产化，还有利于培养自己的工程技术队伍，节省人力资源，有效地保证海上施工。在内胀式吊桩器的使用过程中，当我们遇到各种问题时，可以对设备进行结构及控制上的改进，增强了内胀式吊桩器的有效利用。面对目前各国对存在争议的海域的争抢开采，研制出高效的内胀式吊桩器对增加我国海洋公司的竞争力有着极大帮助。因此研制出具有自主知识产权的内胀式吊桩器对国家利益的维护也具有重要意义。总之，内胀式吊桩器的研制对加速我国海洋工程装备开发、维护和增强我国经济实利、提升开发海洋各项资源能力具有重要战略意义。1 3内胀式吊桩器国内外发展概况内胀式吊桩器是应用于圆形桩管类的专用起吊设备。该起吊设备的发展程度也反映了一个国家的海上油气勘探实力。目前国外在该领域处于领先地位的国家有美国和荷兰。国内在该种内胀式吊具的研究方面还处于空白状态。1 3 1国内内胀式吊桩器的发展概况对于桩管的起吊国内主要采用在桩管上焊接吊剧们，通过提升吊点来最终实现对桩管的操作。采用此种方式进行起吊就要涉及到吊点位置设计及增加额外的焊接工作等用。此外，吊点的设计是一项比较复杂的工作，吊点设计的好坏是桩管起吊安全与否的重要因素。海洋工程吊点主要用于组块与导管架的建造中，主要包括甲板片、大型设备、导管架水平片、立片及导管的吊装，主要有板式吊点、轴式吊点、直接兜拉及挡绳柱兜拉四种形式【8 】，如图1 1 所示。2第1 章绪论索具索具板式吊点轴式吊点直接兜拉挡绳柱兜拉图1 , 1 对管桩的四种起吊形式韦泽林在管桩起吊方面设计了如图1 2 示的吊具。其工作方式为：通过液压传动、皮带传动、链条传动、齿轮传动或摩擦轮传动使得伸缩架带动两伸缩臂移动，使弯折部进入管桩之中。然后通过钢丝绳将管桩提起1 9 】。此种起吊方式，省去了焊接吊点设计方面的工作，但是对于极长的管桩是不适用的。1 起吊钢丝绳2 可移动臂3 伸缩架4 弯折部图1 2 一种管桩吊具虽然国内在内胀式吊具这一领域的研究目前尚无先例，但是，由于哈尔滨工程大学( 海洋智能机械研究所) 与海洋石油工程公司之间的合作，已经在管道吊具方面做出一些成绩。其中包括风电桩腿单、双边吊具和导管架调平器f 1 0 1 等。这些项目都已完成了样机制造及相关试验，为后续研究奠定了基础。如图1 3 所示为已经生产加工完成的风电桩腿单、双边吊具在工厂内进行起吊能力试验的实际工作状态。单边吊具采用夹持桩管的一侧用以提升桩管。而双边吊具则是采用两端夹持的方式来吊起桩管。基础吊具主体的工作过程为：把吊具的卡爪和管桩壁的大致位置调整好，然后使液压缸预紧夹紧块。随着液压力的提高，吊具与管桩之间的挤压力渐渐加大，从而达到夹紧的目的。由于吊梁一端有滑块调节装置，在液压缸预紧夹紧块的过程中，吊具就会自动找准和管桩壁的相应位置。在起吊的过程中，吊具通过管桩的自身重力作用，夹紧力会随着起吊角度增3哈尔滨工程人学硕士学位论文加而增大。使夹紧块不断楔入基础的桩壁中，最终实现对管桩的起吊。与此同时管桩外壁圆周表面也会由于卡爪形状在接触区域发生塑性变形。在整个吊装过程中，机构自身能够实现自锁【1 1 l 。图1 3 风电桩腿单、双边吊具t 作状态图1 3 2国外内胀式吊桩器的发展概况国外在内胀式吊桩器领域的发展处于领先地位，研究比较成熟的公司主要有荷兰的i h c 公司和美国的o i ls t a t e s 公司。两家公司的内胀式吊桩器结构特点基本相同。1 i h c 内胀式吊桩器i h c 公司的内胀式吊桩器现以发展为多种规格，如表1 1 所示【1 2 i 。表1 1i h c 内胀式吊桩器规格i l ts p e c i f i c a t i o n st y p el o a d ( m t o n n e s )s t a n d a r dm o d e s肋1 1t h i c k n e s sv e r t i c a lh o r i z o n t a l1 6 ”3 0 ”2 0 05 01 6 ”2 0 ”2 4 ”3 0 ”3 8 ”- 11 2 ”2 0 ”3 6 ”3 0 06 02 0 ”2 4 ”3 0 ”3 6 ”5 8 ”13 4 ”2 4 ”4 2 ”2 5 06 02 4 ”2 6 ”3 0 ”3 6 ”4 2 ”2 ”4 2 ”一6 0 ”5 0 01 2 54 2 ”4 8 ”5 4 ”6 0 ”1 1 4 ”一3 ”6 0 ”9 6 ”1 0 0 03 0 06 0 ”7 2 ”8 4 ”9 6 ”1 ”4 ”6 0 ”1 0 2 ”1 2 0 04 0 06 0 ”7 2 ”8 4 ”9 6 ”1 0 2 ”1 i t 4 ”由上表可见，该公司在内胀式吊桩器产品研制方面已经达到了非常成熟的水平。产品分为了6 大类，每一大类的内胀式吊桩器都可以适用于某一直径范围内的管桩起吊。如第一类产品就可以提升1 6 ” - 3 0 ”外径的管桩。总体来说其产品可以满足从1 6 ” - 1 0 2 ”外径的不同管桩，而最大提升重量也达到1 2 0 0 t 。目前该公司主要通过租赁方式向全球4第1 章绪论各沿海国家提供服务。图1 4 所示为可以满足6 0 ”9 6 ”规格管桩的内胀式吊桩器主体。图1 46 0 ”9 6 ”内胀式吊桩器主体该种吊桩器的技术参数如下：技术特征：可适应管道直径6 0 ”一9 6 ”标准吊具规格6 0 ”，7 2 ”，8 4 ”，9 6 ”最大规格( 削减起吊能力) 1 0 6 ”垂直起吊能力1 2 0 0 t水平起吊能力( 管桩平放) 5 0 0 t管桩壁厚为变化范围2 5 r a m 1 0 1 m m工作水深( 标准) 2 2 5 0m操作r o v双管线回接最大工作压力4 2 0 b a r适应环境条件：气温一1 0 0 ct o + 4 0 0 c海洋温度0 0 ct o + 3 5 0 c相对湿度2 5 t o1 0 0 2 、o i ls t a t e s 内胀式吊桩器该公司内胀式吊桩器的实际工作状态如图1 5 所示，利用船上或海洋平台上布置的液压源来提供动力，通过油管连接到吊桩器上。吊桩器在操作过程中，利用起重机吊住本体上的吊耳部并且通过外加拉绳来最终对准与管桩之间的相对位置。由此可见在管桩5哈尔滨j 1 _ ：程大学硕十学位论文上并不需要有什么多余的操作，只是通过调整吊具即可达到工作要求【1 3 】。图1 5内胀式吊桩器实际工况如图1 6 所示，吊桩器的使用是分为水平和竖直两个状态的。具体工作过程如左图所示，右图则展示了其内部的大体结构形式。国窗噬釜蛰匪主幽i 水平插入2 液压预紧圈阿3 竖起起吊4 解压卸载图1 6内胀式吊桩器的工作过程及内部结构1 4 本课题主要研究内容本文根据“内胀式吊桩器国产化研制”项目要求，对2 4 ”内胀式吊桩器的工程样机及相关配套设备进行详细的研究与设计，论文主要研究内容有：( 1 ) 通过查阅中外文献及相关资料，了解内胀式吊桩器的发展及现状；( 2 ) 通过对总体方案的计算分析，验证了利用吊桩器在管桩内部通过外胀式的运动来实现夹持、提升管桩方案的可行性；( 3 ) 通过p r o e 三维建模，设计出适用于2 4 ”、3 6 ”、4 2 ”钢桩的内胀式吊桩器机械本体结构及其试验装置的具体结构；6第1 章绪论( 4 ) 通过有限元分析及动力学仿真软件，验证所设计机械结构的强度满足工作要求；( 5 ) 对内胀式吊桩器的镶嵌压块进行了材料选取、外形设计，通过加工制造出实际产品。并且利用分析计算，验证了所选材料及加工工艺可以满足工作要求；( 6 ) 对镶嵌压块设计出了试验装置，并且通过试验验证了镶嵌块的强度合格，也同时反应了吊桩器的关键部分可以满足工作要求。7哈尔滨t 程大学硕十学位论文i 第2 章内胀式吊桩器总体方案设计2 1引言通过对国内外管桩起吊产品的现状分析研究，结合本课题对内胀式吊桩器的性能要求，论文提出了吊桩器主体结构设计方案。从结构本体及管桩强度方面验证方案的可行性，并考虑如何控制斜面间摩擦系数以实现功能要求。2 2吊桩器总体设计方案性能指标凭借吊桩器结构上的便利性，每一种规格的吊桩器本体都可以通过增加不同个数的垫块从而满足一定范围内桩管的内径变化要求。此论文所研究的吊桩器即可达到如下主要技术指标：( 1 ) 适用于2 4 ”、3 6 ”、4 2 ”外径桩管的起吊；( 2 )可以满足桩管的壁厚变化为1 尼”q ”：( 3 ) 可以完成垂向吊桩能力2 5 0 吨，水平吊桩能力6 0 吨。2 3 内胀式吊桩器总体结构设计由于该种设备为置于桩管内部进行工作的起重设备。一方面在考虑可靠性上，应加大结构尺寸，以达到比较好的结构强度要求；另一方面总体结构尺寸又受限于桩管的内径。固在结构设计中必须协调好结构尺寸及结构强度，从而保证所设计的吊桩器可以满足工作要求。产品设计【1 4 l 是产品开发、制造的关键环节，是最富挑战性与创造性的部分，目前在主流设计中，多是基于功能原理的设计过程【1 5 ，。这种设计过程的步骤1 1 6 】如图2 1所示。黑箱法功能逐级分解创造性方法、调蠡分析法形态学矩阵法各种评价方法图2 1 总体方案设计步骤8一一|一一一一一一一一一一第2 章内胀式吊桩器总体方案设计内胀式吊桩器的工作形式即是通过本体的外胀，从而实现压紧桩管内壁靠接触力来实现起吊桩管的目的。为实现所要求的工作目的，可将吊桩器设计为8 个径向液压缸呈辐射状向外伸出，此种方式简单、直接。而该种吊桩方式也存在着很大的缺点。首先，要同时使用多个液压缸来进行控制，不但液压缸的所需数量较多，而且对于液压缸的尺寸也有较高要求，需要能够使得8 个液压缸同时放入管桩之中；其次，由于此种工作方式为液压缸的直接作用效果，使得此系统中起不到适当的增力作用，就使得液压缸必须要能够提供更大的液压力：再次，此种结构形式不存在自锁功能，因此在工作过程有可能发生当桩管被起吊后，由于振动等瞬时加速度的产生使得桩管从空中脱落，造成重大损失。针对以上结构中存在的问题，本论文通过对国外同类产品的分析，设计出具有增力1 1 7 】作用且具有机构自锁【1 8 1 功能的单液压缸驱动设备。2 3 1内胀式吊桩器结构设计原理此方案设计中使用了简单机械，简单机械的运用最初主要是为了获得机械利益，即用较小的力来获得较大的力，或称为增力。如称施于机械上的驱动力为输入力，从机械所获得的有用力为输出力，则机械利益定义为输出力与输入力的比值【1 们。利用简单机械除了能改变力的大小外，有时为了改变作用力的方向或作用点的位置也可以应用简单机械。此外，有时也可以为了增大位移而应用简单机械。例如，仪表的指针、镊子等，在这种情况下，输入力大于输出力。总之，输入力小，其作用点移动距离就会加大；输出力大，则其作用点移动距离就相应的减小。所谓力学的“黄金律 ：“得之于力者，失之于速度。”早在1 6 世纪，当伽利略研究斜面上重物平衡问题时就已经发现，这就是从实践中总结出来的机械功原理跚。增力机构本质就是以减小行程为代价获得更大的输出力，最简单的就是杠杆和斜面。增力有三种方式：长度效应、角度效应和面积效应。杠杆利用的是杠杆的长度效应；铰杆、斜面、斜楔和螺纹用的是角度效应：液压增压、增力机构用的是面积效应【1 9 1 。此种吊桩设备则采用了如图2 2 所示斜面机构来实现运动的传递和增力效果的实现。图2 2 斜面增力简图9哈尔滨t 程大学硕士学位论文显见，f o f i ，另外本设计中采用的斜面机构也使得在起吊管桩后，能够依靠管桩的自重使得外胀力加大，从而可以达到自锁功能。2 3 2 总体结构设计方案比较内胀式吊桩器由于其工作位置是处于桩管的内部，固其径向尺寸要受到桩管内径的限制，而为了能够满足工作要求，又需要液压缸可以提供到所需要的力。这样，如何设计驱动锥体及合理的布置液压缸对结构设计的成败起到至关重要的作用。1 若考虑尽量满足液压缸可以提供动力的要求时，即液压缸的缸径可以尽量大一些情况下，则可将液压缸与驱动锥体分别设计。此时的关键部分结构形式如图2 3 所示。驱动锥体液压缸图2 3 单独的驱动锥体及液压缸该结构形式中，与外胀块构成斜面机构的驱动锥体与驱动液压缸是分开的。其构成方式即为，在驱动锥体的内部开有一个圆锥形容腔，在圆锥容腔的顶部，通过法兰与一个外加的液压缸进行相连。此种联接形式对于没有径向尺寸限制的空间，或是具有比较大的桩管内径空间是比较适用的。由于液压缸是单独的，在设计过程中，只要通过查找相关生产厂家的现有液压缸规格即可以确定使用何种液压缸来满足需要。2 由于桩管内径的尺寸限制，当设计某些小管径的内胀式吊桩器时，为了最大程度的满足结构尺寸小的要求，可以将驱动锥体和液压缸设计为一体。这种方式可以有效的减小结构尺寸，从而使得内胀式吊桩器可以放入管桩内部，同时满足液压缸可以提供到所需的力。如图2 4 所示结构，在驱动锥体内部开出一液压缸，外表面开出若干凹槽。外胀块在此槽中与驱动锥体形成斜面机构来实现所需的运动形式。此种结构相对于图2 5 所示结构，在吊耳处有了加强。而该结构存在的问题则是，凹槽的加工存在着一定的难度。此种结构形式适合于尺寸比较小的管桩内径，为了保证起吊部分的强度，只能通过提高加工难度来实现斜面机构的工作要求。1 0第2 章内胀式吊桩器总体方案设计驱功锥体图2 4 凹槽形式驱动锥体综合以上分析以及实际管径尺寸，2 4 ”内胀式吊桩器驱动锥体的具体结构采用如图2 5 所示。此种结构形式为在锥体的外表面开出8 个平面，利用这8 个平面与外胀块配合形成斜面机构来传递运动。不但加工相对容易，而且也可以保证液压缸的缸径尺寸要求。图2 5 棱面形式驱动锥体2 3 3内胀式吊桩器的总体结构内胀式吊桩器的方案设计采用模块化设计理念，本论文中对总体结构按功能划分为三个模块，分别对实现不同功能的模块进行设计。参照图2 6 所设计吊桩器各部件之间的装配关系为：圆柱筒与筒体头通过螺栓联接成一整体，引导锥又与圆柱筒在另一端连接成为一整体，这样它们三者即构成一个容腔，为外胀运动提供了一个可支撑的框架。驱动锥体暨液压缸的上部圆柱与简体头的内径为滑动配合关系，中部通过t 型键条、滑块及压块与圆柱筒的窗口相配合，下部由液压缸杆与引导锥相连，这样驱动锥体只能在此容腔中沿轴向进行一定幅度的运动。中部的联接形式具体为：t 型键条由螺钉紧固在驱动锥体暨液压缸斜面上，滑块与t 型键条相配合组成移动副，压块与滑块紧固叠合，压块处于圆柱筒的窗口中，相对圆柱筒不能轴向移动，只可在窗口中向外胀出或向内收缩。其中圆柱筒在周向均布开有8 个窗口，亦即有8 个压块从窗口中胀出来实现压紧管桩内壁。哈尔滨t 程大学硕十学位论文1 驱动锥体暨液压缸2 环形挡板3 滑块4 圆柱筒5 压块6 引导锥7 t 型键条8 平衡吊臂9 卸扣1 0 简体头图2 6 总体结构视图下面说明其具体工作过程：1 内胀式吊桩器在外胀块完全收缩状态时，通过平衡吊臂在吊车的起吊作用下，将吊桩器沿水平方向插入到管桩内部。引导锥的锥形外部形式即为了使得吊具在插入时比较容易。环形挡板则是用于限定吊桩器与管桩的位置关系，由于此环形挡板的外径大于管桩的外径，从而使得吊桩器不至于伸入管桩内任意深度，只要保证环形挡板与管桩端部贴合即可。2 对驱动锥体暨液压缸供油，使得活塞杆外伸，由于活塞杆的顶端与引导锥固联在一起，根据相对运动原理，整个驱动锥体则沿轴线方向向远离引导锥的一侧运动。这样，通过驱动锥体与滑块间的斜面机构，则压块、滑块即从圆柱筒的窗口中外胀伸出，从而使得压块与管桩内壁压合在一起。3 此时，将吊车第2 章内胀式吊桩器总体方案设计宣宣i 皇| 1i 一的吊点放在卸扣上，卸扣与驱动锥体铰接在一起，提升卸扣从而将管桩通过内胀式吊具最终起吊到垂直状态。此时，内胀式吊具的状态即为图2 6 所示的竖直状态。这样，吊车将管桩拉离地面进行移动即实现了对管桩空间位置的移动及操作。4 将管桩放置在指定位置后，由液压缸反向供油，从而使得缸杆回收，由此带动外胀块的回缩，达到卸载目的。2 4 总体结构方案的分析计算内胀式吊桩器工作时为驱动锥体上的8 个棱面与外胀块接触来进行力的传递。除了每两个相互对称的面外，每个平面与外胀块组成的接触对都是在不同的平面内。这样整个内胀式吊桩器的受力情况相当于4 组处于不同平面的空间受力形式。当对总体进行受力分析时，由于其为一空间力系f 2 1 】，当进行受力简图的绘制及定义各种力时会造成力分量的个数较多，容易产生混乱。另一方面，当建立好了受力模型后进行求解也比较复杂。而当研究一对外胀块时，吊具的受力情况则简化为平面力系问题，并且采用此种简化形式并不会对计算结果产生误差方面的影响。既可以减少计算时的工作量，也可以保证计算的准确性。因此在本论文中，进行吊桩器的受力分析时，仅取其中任意一对外胀块来进行分析计算。在进行受力分析时，部分计算采用了汇交力系翰求解。设汇交力系有个力，由几何法知，汇交力系的合力b 见式( 2 1 ) ：足= f i + f 2 + 砌；罗e( 2 1 )筒根据合矢量投影定理：合矢量在某一轴上的投影等于各分矢量在同一轴上投影的代数和。将上式在工、y 、z 轴投影，由汇交力系平衡的必要和充分条件得式( 2 2 ) ：瓦一( 瓦) 2 + ( 毛) 2 + ( 疋) 2 0 ( 2 - 2 )欲使上式成立，则必须同时满足方程如式( 2 3 ) ：f 毛= o 毛= o( 2 - 3 )【兄= o对于总体方案的设计计算，不必考虑各细节的具体结构形式，对于本设计结构可将总体方案简化为图2 7 所示平面受力形式进行分析计算。哈尔滨t 程大学硕士学位论文 品嚣露二擎尸沪4 ，1c o s c 聃每脚s 刚，一每忆。4 )黜c 2 吲2 4 1工作行程( 垂直起吊管桩) 受力分析在吊桩器工作过程中，为了保证外胀块与桩管内壁间始终保持接触，固在卸载之前，始终向液压缸提供一定压力f 。吊具机构简图中f 即为加上液压缸提供力后的总拉力。一对外胀块在起吊过程中受力简图如图2 8 所示。通过对工作行程的受力分析，最终可以得到管桩吊起后管桩与外胀块之间的正压力。1 4第2 章内胀式吊桩器总体方案设计qqn 胀紧斜块对数2 驱动锥体倾斜角p1 与2 接触面问的摩擦角p ”2 与4 接触面间的摩擦角f 提升力g 管桩自重q 正压力图2 8 正行程受力简图图2 9 正行程力多边形图2 9 所示为正行程时的力多边形。当管桩被完全吊起后，管桩施加于外胀块上的力，即为管桩的自重g 的1 2 n 。其中r 4 2 为对应于吊具的液压缸保压所产生的支反力，即其值为f 与摩擦力的合力。由( 参的力多边形可得如式( 2 - - 6 ) ，( 2 - - 7 ) ：r 1 2c o s ( x + j d ) 一q + r 4 2sinp(2-6)r 1 2s i n ( a + p ) = 厂+ r 4 2c o s p ( 2 7 )由上两式可得如式( 2 8 ) ：q ；墨2c o s ( ；t + p ) 一 9 1 2s m ( a + p ) 一f t a n p ( 2 8 )在的力三角形中可得式( 2 - - 9 ) ：f云- , r ：is i n ( np)(2-9)哈尔滨下程大学硕十学位论文由以上各式得式( 2 1 0 ) ：qa 丽f一丢t 叫( 2 - 1 0 )若当p = 0 ，p = 0 时，得式( 2 - - 1 1 ) ： o - q t a n a( 2 1 1 )在此工作行程中，f 为驱动力，q 为负载力其效率如式( 2 - - 1 2 ) ：叼；譬，南力此行程中不应发生自锁，即7 = 0 ，则五的取值范围应满足式( 2 - - 1 3 ) ：t a i l q 印) = 0( 2 1 3 )得式( 2 - - 1 4 ) 2 = 9 0 。- p( 2 - 1 4 )通过上述分析，可知工作行程中胀紧力q 与提升力f 的关系如式( 2 1 5 ) ：q - 丽f一丢t 趾( 2 - 1 5 )通过吊桩器的工况，现取2 = 9 5 5 。，p 一1 t ，p a 1 5 。，p m 1 5 。代入( 2 1 5 ) 式得式( 2 - - 1 6 ) -qt 面丽2 n 丽一五f 而1 ) z = 2 8 4 x ( f 加)( 2 - 1 6 )由此可见，此斜面机构的增力作用。在此斜面机构中，通过斜面的作用，使得输出力为输入力的2 8 4 倍。由( 2 1 6 ) 式显见，当a 、p 增加时，而q随之减小，即增力效果减小。2 4 2 卸载行程( 解锁过程) 受力分析当吊具将管桩；垂直起吊后放在桩基平台上、管桩固定，对吊具的起吊力松开后，参照图2 7 ，吊具液压缸杆回收，拉回胀紧斜块，将此过程定义为卸载行程也称解锁过1 6第2 章内胀式吊桩器总体方案设计程。考虑到实际的工况，当管桩被完全吊起悬在空中时，为防止振荡等原因产生瞬时加速度，使得管桩的提升力瞬时消失或减小而使得管桩从空中坠落损毁。故应使得该吊具具有反程自锁功能。此过程与正行程( 工作过程) 相反。在卸载之前，考虑到吊具的实际工作状态：压块与管桩内壁紧贴，卸载力首先会将吊具的其它部分上提，从而使得外胀块与窗口的下端相接触。然后继续增加卸载力，从而才能将外胀块拉回，实现卸载。一对外胀块在收缩卸载行程中的受力简图如图2 1 0 所示。口以胀紧斜块对数2 驱动锥体倾斜角p1 与2 接触面间的摩擦角p 2 与4 接触面间的摩擦角q 卸载时正压力f 所需卸载力图2 1 0 卸载行程受力简图对应于卸载行程的受力多边形如图2 1 1 所示。图2 1 1 卸载行程力多边形对于反行程来说，q 为驱动力，而下即为负载力。所以，即为使得吊具可以卸载的力。在( 参的力三角形中，由正弦定理得式( 2 1 7 ) ：1 7哈尔溟i ：程大学硕十字何论文2 硒r 葡t 1 2 s i n 9 0 。- ( p - a ) + p ( 2 - 1 7 )2 面而由( 2 - - 1 7 ) 得式( 2 - - 1 8 ) 。阶f ，：- 崭( 2 - 1 8 )在的力三角形中得式( 2 - - 1 9 ) ：丢吨如c 州，= 篙等并( 2 - 1 c o s切ip 一 一p l。若当p = 0 ，p = 0 时，得式( 2 - - 2 0 ) ：一a一警=q恤a(2-20)2nc o s l在此卸载行程中，一) 为负载，q 为驱动力。故此时其效率洲如式( 2 - - 2 1 ) ：f 小石2 n 。面- q s i i n ( p - 面a ) c o 面s p 若使此过程发生自锁，即j t - - o ，则应满足式( 2 - - 2 2 ) ：s i n ( p - a ) - - - o( 2 - 2 2 )即a 满足五印。考虑到吊具的具体工作过程，可知当卸载时，吊具保持在被完全提升的结合状态，故以上受力图中，q = q ，而f 提升力即为管桩的自重2 5 0 t 对应的重力g ，设计方案定为n 个数取为4 ，即共有8 个胀紧块沿径向同时向外胀出。按工作行程的受力分析求正压力q ，由式( 2 - 1 5 ) 得式( 2 - - 2 3 ) ：q = 瓦而f 丽一t 卸_ 1 0 8 n ( 2 - 2 3 )按卸载行程的受力分析求卸载力得式( 2 - - 2 4 ) ：芸吨s m c 一，一譬等掣= 篙等并( 2 - 2 4 )代入各相关数值得，第2 覃内胀式吊桩器总体方案设计萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i 宣i i i l由以上分析，可知当液压缸能够提供3 0 5 2 k n 的力时，该项设计即可达到功能要求。2 5 桩管强度分析由于镶嵌压块与管桩内壁要借助于接触时的正压力来提升管桩2 5 时的自重。此外在本设计中为了极大程度的提升接触面间的承载能力，在镶嵌压块上加工出了具有齿尖的牙型。这样在一定的压力下，镶嵌压块的环齿顶部将有可能使得管桩表面发生塑性变形，以至于部分齿顶牙将压入桩管内部。本设计的目的就是通过这种嵌入式的压缩，使得接触区域能够使力的传递承载能力达到最大化。管桩在承受指向轴心的压力时，一般不会向承受外压等发生失稳现象，但是当管桩在承受比较大的外胀力情况下，就有可能发生管桩的胀破 2 5 - 2 9 1 。由于本设计中管桩的材料将会发生这种弹、塑性共存的受力状况，因此在对桩管进行强度分析时，就要考虑到管桩的弹塑性变形1 3 0 1 。弹塑性力学主要研究内容主要包括两个部分，弹塑性本构关系和载荷作用下任一点的应力和应变。本构关系是材料固有的物理属性，指的是材料中任一点的应力与应变关系。本构关系分为弹性本构关系和塑性本构关系，弹性本构关系就是广义胡克定律。胡克定律是力学基本定律之一，其内容为在弹性限度内，物体的形变和引起形变的外力成正比。而塑性本构关系则十分复杂，它的具体内容随加载条件下的变化而变化p 。塑性本构关系分为两类：增量理论和全量理论。物体当承受载荷时，在物体内部材料中就会产生内力。因此，在整个物体中的每一个点都会产生一定的应力，有应力存在就会使得物体中的每个点产生应变 3 2 1 。舔八乃乡( t &y l图2 1 2 管桩受力微元体对于承受内压的桩管，如图2 1 2 所示。微元体平衡方程如式( 2 2 5 ) ：孕+ 生旦。0 ( 2 - 2 5 )d ，式中：q 一径向应力，m p a ；1 9哈尔滨工程大学硕十学位论文q 一切向应力，m p a ：广_ 坐标半径，m m 。当内压p 较小时，桩管处于弹性状态，此时应力分量如式( 2 - - 2 6 ) ：咿一蒂r 1 2 - - r 2 2 o ta a 2 芝笔2 c 等+ 1 )由上式知，当厂tr 1 时，( q q ) 取得最大值，即简体由内壁开始发生屈服。设内壁开始发生屈服的压力为p 。，即( q o r ，) ， - o s 可以求得弹性极限压力如式( 2 2 7 ) ：见= 导( 1 一与)( 2 2 7 )二r 2代入桩管的材料属性及内、外半径得：见= 学( 1 _ 劳m p a = 5 2 7 m p a当p p 。时，在桩管内壁附近出现塑性区，并且随着压力p 的增加，塑性区逐步向外扩展，而桩管外壁附近则保持为弹性变形。为求得桩管塑性区的应力分量，应满足上述微元体平衡方程与屈服条件，即如式( 2 - - 2 8 ) ：q 一仃，- o s( 2 - 2 8 )将屈服条件代入平衡方程，得式( 2 - - 2 9 ) ：d q 。o s d r( 2 2 9 )将上式进行积分，得式( 2 - - 3 0 ) ：一i n o + c( 2 3 0 )r o r sl n r + cl z 。j w在桩管的内、外径间有一中间层，为弹塑性相交区。设定此处的压力为p ，该弹塑性中分圆面的半径为，p 。将r = a 处力的边界条件仃，i _ 一- p p 代入上式得积分常数如式( 2 3 1 ) ：ci i i i 一耳一o r sl n ( 2 - 3 a )通过弹塑性交界面的弹性分析及塑性分析，最终得到式( 2 - - 3 2 ) ：p p 叫，h 詈专。一( 2 - 3 2 )随着压力的增加，当桩管的最外层发生塑性屈服时，即桩管达到了塑性极限状态。第2 荦内胀式吊桩器总体方粟设计n其承载能力达到临界值，从而失去继承载的能力，此时压力不能再继续增加，称此时应力为塑性极限压力，以p ，表示刚。将0a t r 2 代入上式，得易。吼h l 垒。6 2 9 m p a在外胀块与管桩之间在不断夹紧的过程中，由于接触区域设计成了近似为锥体的形状。因此，接触区域的面积是在不断增加的，当接触面域的面积达到最大的的时候，若不会将管桩胀破，则就可确定所设计的结构形式是合理的。通过计算得，当接触区域面积达到最大时，管桩内壁承受压力如式( 2 3 3 ) ： ，p 。击( 2 - 3 3 )式中：，_ 单个外胀块所受正压力，n ；三外胀块的长度，蚴；伊一外胀块的宽度，衄。代入相关数据得p = 1 7 2 m p a , 由此可以验证当内胀式吊桩器将管桩完成吊起后，不会由于管桩自重通过斜面机构产生的正压力将管桩胀破。2 6 斜面机构摩擦系数的控制斜面机构为依靠接触面间的滑动来进行工作的，而且此所设计吊具接触压力很大，故必须对接触面进行适当的润滑。只有使得驱动锥体与外胀滑块之间的接触面间摩擦系数保持在一定数值范围之内，才能使得该内胀式吊桩器能够满足工作要求。特别是当卸载时，若接触面间摩擦系数过大，将使得吊具无法卸载。润滑方法的选用是根据机械设备具体应用环境来决定的，并且随着使用环境的苛刻程度提高而不断发展和完善的 3 3 1 。润滑方法的种类很多，故要根据实际的工作环境合理的对机械设备采用相应的润滑。通常选择润滑方式时主要考虑以下因素：设备的工况参数；设备的工作环境；设备的发热、热传导状况；设备的润滑部位、结构特点；保证润滑，使用可靠，便于调整维修例。由于对于此斜面机构无法进行油润滑，因此主要考虑脂润滑形式。脂润滑【3 5 】的分类及应用见表2 1 所示。考虑到具体的工作环境，该接触面处于高压、重载、低速、摩擦生热不易散发的条件下，因此最终选择使用c a s t r o lm o l u b - a l l o y 型润滑脂。它以高度精制矿物有为基础，并添加粘性剂和油性剂，拥有特强的润滑和保护性能闱。2 1哈尔滨下程大学硕+ 学位论文表2 1 脂润滑的分类及应用润滑剂润滑方法应用场合应用工具或制作