（机械设计及理论专业论文）双缸双作用液压打桩锤研究与开发.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 双锻双作用液压打桩锤硪究冀开发 专业：税械设计及淫论 硕士生：张龙江 掺导教爨：陈室暹副教援 摘要 液压打桩锤是用于建筑、桥梁、码头等桩蒸础施工中打入预制桩的桩工机械。随赣 科学援术的邋步，预稍柱施工机械由落锤、汽锤、柴油锤，发展到了液压芋桩锤。用液 压打桩锤打械，可以调整撼击应力波波形，减小应力峰值，延长有效作用时间，是一种 跑较毽怨豹琰锻柱溅工橇辕，蟊耱在发达国家已援广泛使爝，并形袋了系翔纯。本文逝 用冲击机械系统动力学分析打桩过程中锤体与桩撞击时应力波的产生、传播以及该波对 沉整过程的影嚷。认为与糕等波隧楚缨长状锤体憩够产生鹫怨熬应力波波形；焱桩锤蓑 艟一定的情况下，可针对不同的地质情况和桩，通过选择不同刚度的桩帽和桩垫与其媳 聚来提离打极效率。本文对双缸双作用波压打攘锤液压系绫的结毒句秘工圣譬原理遴行了深 入的研究，并在此基础上设计出六吨双缸双作厢液压打桩锤的液聪系统和电控系统。由 于液联打桩镰液压系统是一个复杂的非线性系统，本文采用功率键合图法建立液压打桩 锤上行、下降的键台图模擞和状态空间方程，通过四阶龙格一库塔法和预倍一校正法相 结合编制了仿真程序对状态空间方程求解，在m a t l a b6 5 中进行液压系统的动态仿真， 获得液压季了援锤运籀过程中压力、位移、速度、麓速发等随时淹交化酶鼗线窝。院赫线 图方便了对液压系统动态特性分析，为液压系统的设计和参数优化提供了有益的借鉴。 簸螽，在深入分辑双螽至双馋震液压打桩锤控割系统熬功麓要求嚣，采霜了鞋褒代诗算孝建 技术为基础的新型工业控制装置- - p l c 可编程控制器，设计出了双缸双作用液压打桩锤 麴电器控制系统。p l c 髂积小、功能强、可靠矬毫、适盛建筑藏工极城恶劣鲍野铃垮 境。通过p l c 电控系统可以准确选择不问的上升、下降和保压时间，使得液压打桩锤舆 有不同的下打高度，从而获锝不网的打击末速度，提离了液压打桩锤对不同土壤的适廒 能力。 关键词：数缸双作孺液压打桩锤；j 串海丰凡械鞠力学：功率键舍潮；数後仿真 可编程控制器。 论文类鍪：纛耀基夏蠢 秘安建筑爵菝大学磋圭学位论交 s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o n o f d o u b l e a c t i n gh y d r a u l i c p i l eh a m m e rw i t hd o u b l e c y l i n d e r s 【s p e c i a l t y 】m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y 【n a m e z h a n gl o n gj i a n g 【i n s t r u c t o r a s s o c i a t e p r o f 。c h e ny i t o n g a b s t r a c r 王 y d r a u l i cp i l eh a m m e r i so n eo ft h ep i l ed r i v i n gm a c h i n e st h a td r i v ep r e f a b r i c a t e dp i l e s n t ot h eg r o u n di nt h ec o n s t r u c t i o no fp i l ef o u n d a t i o ns u c ha sc o n s t r u c t i o n ，b r i d g e ，酾c k ， e t c 。w 漉t h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 。t h ep r e f a b r i c a t e dp i l ed r i v i n gm a c h i n e s e v o l v ef r o mb l o c kh a m m e r ，s t e a m h a m m e r ，d i e s e lh a m m e rt oh y d r a u l i ch a m m e r h y d r a u l i c p i l eh a m m e ri so n eo fi d e a lp r e f a b r i c a t e dp i l ed r i v i n gm a c h i n e sb e c a u s ei tc a na d j u s ts t r e s s w a v e f o r i l l ，d e c r e a s es t r e s sp e a kv a l u e ，p r o l o n ge f f e c t u a la c t i o nw h e n i td r i v e sp i l e s h y d r a u l i c p i l eh a m m e r i su s e dw i d e l ya n df o r m e ds e r i e si nd e v e l o p e dc o u n t r i c sn o w m e c h a n i c a li m p a c t d y n a m i c si su s e dt oa n a l y s et h ep r o d u c t i o na n ds p r e a do fs t r e s sw a v ew h e nh y d r a u l i cp i l e h a m m e rh a m m e r b l o w sp i l e s 1 h es t r e s sw a v ei n f l u e n c et h ec o u r s eo fd r i v i n gp i l e s l e n d e r h a m m e rt h a ti se q u a lt ow a v er e s i s t a n c eo ft h ep i l ec a nb r i n gi d e a ls t r e s sw a v e f o r m w h e nt h e h a m m e r w e i 垂ti sc o n s t a n t ，e 燃c i e n c yo fd r i v i n gp i l ec a nb e i n c r e a s e db ym e a n so f s e l e c t i n g d r i v ec a pa n dc u s h i o nd a do fd i 嚣c r e n tr i g i d i t yt om a t c ht h eh a m m e ra c c o r d i n gt ov a r i o u s g e o l o g i c a l c o n d i t i o na n dt h e p i l e t h e s t r u c t u r ea n dp r i n c i p i u mo fh y d r a u l i cs y s t e mo f d o u b l e - a c t i n gh y d r a u l i cp i l eh a m m e r w i t hd o u b l e c y l i n d e r si ss t u d i e di nd e t a i li nt h ep a p e b t h e h y d r a u l i cs y s t e ma n de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fs i x t o n - d o u b l e a c t i nh y d r a u l i cp i l eh a m m e r w i t hd o u b l ec y l i n d e ri sd e s i g n e do nt h eb a s i so fi t p o w e rb o n dg r a p hi su s e dt oe s t a b l i s h e d t h eb o n dg r a p hm o d e lo ft h el i f t i n ga n dd r o p p i n go fh y d r a u l i cp i l eh a m m e ra n ds t a t es p a c e e q u a t i o ni nt h ep a p e rf o rh y d r a u l i cp i l eh a m m e ri sp e r p l e x i n gn o n l i n e a rs y s t e m i n o r d e rt o a t t a i nt h eg r a p ht h a tp r e s s u r p o s i t i o n ，v e l o c i t y , a c e e l e r a t i o nv a r yw i t ht i m ei nt h ec o u r s eo f 出i v i n gp i l e 、s i m u l a t i o np r o c e d u r es o l v i n g s t a t es p a c ee q u a t i o ni sd e s i g n e d o nt h eb a s i so f c o m b i n i n g f o u r - - o r d e r r u n g e - k u t t a m e t h o dw i t h p r e d i c a t o r - c o r r e c t o r m e t h o d ，d y n a m i cs i m u l a t i o n o ft h eh y d r a u l i cs y s t e mi ss t u d i e di nm a t l a b6 5 ，i ti s c o n v e n i e n tt oa n a l y s ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，b e n e f i c i a lt ot h ed e s i g n a n dp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e m i nt h ef i n a lp a r to ft h ep a p e r , u n d e r d e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o n t r o ic h a r a c t e r i s t i c sf o rd o u b l e - a c t i n gh y d r a u l i cp i l eh a m m e rw i t h d o u b l ec y l i n d e r s ，c o n t r 0 1s y s t e mb a s e do nt h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r sf o u n d e do n t e c h n o l o g y o fm o d e mc o m p u t ei s d e s i g n e d p l ch a s s m a l l c u b a g e ，s t r o n gf u n c t i o n ，h i g h r e l i a b i l i t ) ；a b i l i t yt oa d a p t a b o m i n a b l ef i e l de n v i r o n m e n to fc o n s t r u c tm a c h i n et of a c e i no r d e r t o r e p r o v ea d a p t i v ea b i l i t yo fh y d r a u l i cp i l eh a m m e r t ov a t i o u ss o i l ，v a r i o u sf i n i a l v e l o c i t y a n dd r o p p i n gl e n g t hm u s tb eo b t a i n e db ya d j u s t i n gt i m eo fi i 曩i n g ，d r o p p i n ga n dk e e p i n g 2 曲安建筑科技大学硕士学位论文 p r e s s u r et h a ti sa c c u r a t e l ys e l e c t e db yt h ec o n t r o ls y s t e mo fp l c k e yw o l d s ：d o u b l e w a c t i n gh y d r a u l i cp i l eh a m m e r w i t hd o u b l e c y l i n d e r s m e c h a n i c a li m p a c t d y n a m i c s ；p o w e r b o n d g r a p h ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r s t h e s i s t y p e ：a p p l i c a t i o n f u n d a m e n t 3 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 孛请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所撤的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：涨摹江 西期：2 醐辛己2 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印 牛，允许论文 被查阅翻措阅；学校可以公布论文豁全部或都分内容：酉以 采忍影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密展应遵守此规定) 论文作者签名：蒜涔江导师签名孤喧远 髫期：如雾z 乙 注：落糁戴页默在论文营页。 魏安建筑科技大学颈：奎学惫论文 1绪论 程土木建筑中，穗基石矗 蕊应蠲魄较广泛的一释蒸确类型，键是最古老的基础之 一它怒人类在软弱地基上建造建筑物的一种划举。超支撑作用的打入式承载樵怒 本工程辩学与工艺的最早实镄之一。擘在薪石器拜孪代，a 类便通过封入本藏酾竹穰 在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，浙江省河姆渡就发现了这种原始社会遗址。丽我 禹蘸赢诲多少数民藏溅送至今街港用了这耱习髅。隧麓太嶷活旗离空间和渗浮瀚延 枣，各静离屡建筑层出不穷，摩天大楼拔地藤起，控基础中所髑魄桩已从传统的木 桩笈震为舔麓滋凝椽或钢褴，穰基础豹慈工方法与藏工裰辕落毒了基大懿发震。 1 ，1 桩基础麓贪川4 1 械基础是由若干个沉入土巾的单械在其顶部用承台联接起来的一种深基础。其 律爝焱予穿过弱筑蓬滚链屡躐零，撼来童上甥结穗熟耩蓑簧递蚕更嫒竣受饔蜜曼 压缩性较小的土壤或辫石上。它具有承泼能力大、抗震性好、沉降量小等特点。在 一毅艨匿基旗工程中，凌基至蘩承受竖羯蓑鼗，毽在涎港、撬浆、衰蛰疆影建筑、 返海键采平台、支护绻捷以及撬震工程串，皴慧还霈蘩承受采蒎测囊瓣风力、波浚 力、主嚣力秘撼震力嚣水平赫载。 械基础可按不耐酮方法分类：不间类型的槛基矮脊不同的承载性能，施工时瓣 嚣境有不嚣的影豌、嚣蠢鸯不麓鹣造份攘标，嚣逢纛予不弱於冬转。 ( 1 ) 按永载性能分类 檄撰疆在壤孛溅力聿盘凝鹣不嚣，可努为鼗淘蓊载箍鞠模穗稽载羧。 1 ) 爨向穗羧桩 建筑桩蒸技术靓范( j g j 9 4 9 4 ) 根据骚向荷载摭被士相互作翊特点，分为四 个类擞，瑟摩擦攘、溺承摩撩撼、摩擦满承挺耨靖承搂隧转。桩磺箨黛瀚竖蠢稳簸q 出桩侧摩阻力q ，和桩端阻力q 。承担，即 q = 筑+ 缉或巯= 瓯十g 。 g 。；对摩擦端承桩而言a 。 g 。 2 ) 横向荷载桩 横向荷载桩分为主动桩和被动桩两种。桩顶受横向荷载，桩身轴线偏离初始位 置，桩身所受土压力因桩主动变位而产生，如风力、地震力等作用下的建筑物桩基 属于主动桩。若沿桩身一定范围内承受侧向土压力，桩身轴线受该土压力作用而偏 离初始位置，如深基坑支挡桩、坡体抗滑桩等属于被动桩。 ( 2 ) 按成桩方法分类 按成桩方法的不同，主要可分为预制桩和灌注桩两大类。 1 ) 预制桩 预制桩可用混凝土、钢材或木材在工厂或现场制作，然后以锤击、振动、静压 或旋入等方式就位。按材料可分为混凝土桩、钢桩和木桩； 2 ) 灌注桩 灌注桩是直接在所设计桩位处成孑l ，然后在孔内置筋再浇灌混凝土而成。可分 为沉管灌注桩、钻( 冲) 孔灌注桩和挖孔桩。 ( 3 ) 按成桩对环境影响分类 按成桩对环境影响的不同，可分为挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩。 1 ) 挤土桩指打入或压入土中的实体预制桩、闭口管桩( 钢管桩或预应力管桩) 和沉管灌注桩。这类桩在沉桩过程中，周围土体受到桩体的挤压作用，土中超孔隙 水压力增长，土体发生隆起，对周围环境造成严重的损害。如相邻建筑物的变形开 裂、市政管线断裂，造成水、煤气的泄漏。在大中城市的建成区已严格限制挤土桩 的施工。 2 ) 部分挤土桩指沉管灌注桩、预钻孔打入式预制桩、打入式敞口桩；打入敞 口桩管时，土可以进入桩管形成土塞，从而减少了挤土作用。打入实体桩时，为了 减少挤土作用，可以采取预钻孔措施，将部分土取走，也属于部分挤土桩。 3 ) 非挤土桩指采用干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法的钻( 冲) 孔、挖孔 桩。非挤土桩在成桩的过程中，对周围的桩间土没有挤压作用，不会引起土体中超 孔隙水压力的增长，因而桩的施工不会危及周围相邻建筑物的安全。 1 2 设桩设备 设桩机械设备是从工业革命后逐渐发展起来的。特别是二十世纪，人类社会飞 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 速发展，高大办公大楼，重型工业设备，高炉，以及船坞设备的发展都对设桩设备 提出了更高的要求，与此同时各行各业新技术的发展又为设桩设备提供了无限发展 的动力。特别是从1 9 5 0 至今，在全世界范围内重型基础工程大量增加，同时，近海 油田的开采经验，要求重型基础工程得到全面发展，这极大地刺激了设桩机械设备 的发展，现在无论桩机的尺寸、高度，还是锤的重量、效率都在增加；并且，各种 类型的较高容量机械的发展均伴随着移动灵活性和操作方便性的更多改进。设桩设 备的类型一般可分为：设置打入式预制桩设备、设置钻孔式就地灌注桩设备。 1 2 1 设置打入式预制桩设备 此类设桩设备的沉桩方式包括锤击沉桩、静力压桩、振动沉桩和射水沉桩等数 种方式，其中射水沉桩只适用于砂土层中，水的压力需达到0 5 5 o 7 m p a ，必要时 可用压缩空气替代。 ( 1 ) 锤击沉桩设备：包括各种落锤式打桩机、蒸汽打桩锤、柴油打桩锤以及液 压打桩锤。 1 ) 落锤式打桩机 落锤式打桩机由卷扬机拉升锤体，然后自由落下，利用自重夯击桩顶。一般锤 重1 3 0 k n ，每分钟锤击次数小于1 2 次，仅能在小规模工程中使用。其优点是构造 简单、费用低廉。缺点是生产率低、贯入能量小、对桩损伤大。 2 ) 蒸汽打桩锤 蒸汽打桩锤利用蒸汽的压力将锤体上举，然后由锤的自重向下冲击桩顶。可以 打水下桩、斜桩，甚至水平桩，对桩损伤小；工作性能不受土层软、硬和工作时间 长短限制。但需要配备一套锅炉设备，效率低、使用不方便。 3 ) 柴油打桩锤 柴油打桩锤是利用柴油燃烧时释放的能量提升锤体的。柴油锤自带动力、使用 方便、能耗低、生产效率高、能根据沉桩阻力的大小自动调节冲击力等优点；缺点 是噪声大、废气污染重、在软土及低温条件下启动困难、不能长时间持续工作。因 受自重、公害及性能的制约，难以向超大型方向发展。 4 ) 液压打桩锤 液压打桩锤是近几十年来发展起来的一种较理想的打桩锤。它利用液压能驱动 锤体升降。其优点是可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲 击能量的充分发挥而不损害桩身；在打桩过程中，同时可获得冲击力和贯入度指标， 因而可有效地确定桩是否已进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力： 液压打桩锤适合打斜桩作业及水下桩基施工，液压打桩锤不存在软土起动困难的问 西安建筑科技大学硕士学位论文 题，而且能适应各种气候下的施工作业；沉桩力作用时间长，有效贯入能量大；液 压打桩锤的公害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩锤低2 0 d b 左右， 因而能适应城市桩基础的施工作! 世。但其不足之处是结构复杂、价格贵。 ( 2 ) 静力压桩机：静力压桩机是利用静压力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。 它与普通的打桩机相比，可以消除噪声，避免振动的骚扰与危害且节约材料。适用 于对防震有要求的部门和城市居住密集区施工。但静力压桩机要配有较多的配重， 施工时整机的拼装、移动及工作效率仍比打击式桩机低。 ( 3 ) 振动桩锤：预制桩除了采用打桩和压桩之外，还有振动沉桩。振动桩锤是 根据共振原理或振动冲击理论发展起来的，它利用振动能量沉桩和拔桩。振动沉桩 适用于沙质粘土、砂土和软土地区的沉桩施工，不宜在砾石和密实的粘土中使用。 1 2 2 设置钻孔式就地灌注桩设备 此类设桩设备包括以下几种：动力螺旋钻、振动钻孔机、逆循环钻孔机和三角 架式钻孔机。 ( 1 ) 动力螺旋钻。动力驱动的旋转式螺旋钻孔机适用于在粘性土中设置钻孔桩。 ( 2 ) 振动钻孔机。为了打入衬管，并在灌注混凝土时拔出它们，把振动器和螺 旋钻孔机一起使用。 ( 3 ) 逆循环钻孔机。该钻孔机在多种土壤条件下( 包括软质岩石在内) ，能快 速钻进，而钻入粒状土中最为有效。 ( 4 ) 三脚架式钻孔机。三脚架式钻孔机特别适宜在低空间或通道狭隘的条件下 工作。 1 3 液压打桩锤1 随着液压技术的发展与逐步成熟，加之传统使用的柴油锤噪声大、效率低，污 染重等原因，在基础施工中受到限制，2 0 世纪7 0 年代，各国先后开发了液压打桩 锤以适用建筑行业的新需要。经过3 0 多年的改进与发展，目前液压打桩锤已成为建 筑施工中一种不可缺少的大型桩工机械，并越来越受到重视。 ( 1 ) 液压打桩锤工作原理 液压打桩锤以液压能为动力，举起锤体后快速泄油，或同时反向供油，使锤体 加速下降，撞击缓冲垫及桩帽，利用锤体冲击时动量变化所产生的巨大冲击力，克 服土壤对桩的阻力，将桩沉入土中。液压打桩锤正被广泛地应用于工业建筑、民用 建筑、道路、桥梁以及水中桩基施工( 加上防水保护罩，可在水面以下进行作业) 。 同时液压锤通过桩帽这一缓冲装置，直接将能量传给桩体，一般不需要特别的夹桩 翻安建筑科技大学硕士学位论文 装置，因此可不受限制地对各种形状的钢板桩、混凝土预制桩、木桩等进行沉桩作 业。另外，液压锤还可以相当方便地进行陆上与水上的斜桩作业，比其它桩锤有独 蜀赘往越蕊。 ( 2 ) 液压打桩锤基本组成 目前使用的液压打桩镪形式多样，假藻本结构大致相似，一般由本体机械部分、 液压系统殿电气控制系统构成。圈1 。l 为双瓿双作用液聪锤结构简图。 1 ) 液压打桩锤本体( 本体辊碱部分) 本体机械部分由起吊装置、导向装鬣、液压装置保护罩、锤体、壳体、桩帽及 缓冲垫等组成。各部分作用如下：( 1 ) 怒吊装置主要由滑轮架、滑轮组与钢丝绳组 成，通过皴絮顶部的港轮缀与卷扬极穗逡。剥瘸卷扬糠鑫奄动力，液疆锤可在打桩絮 的导向装瀵中上下滔动。( 2 ) 角嫖辁将鼯囱装置与壳体帮桩帽相连，使萁与导淘絮 的滑道相配合，锤可沿导向架上下滑动。( 3 ) 液压装鬣保护罩用来保护液压锤上部 的液压元件、液压油管和电气装置。由于液压锤的工况复杂、使用环域恶劣，难免 会发生这攒或郡襻的磁攘，因藏液压装爨必须畜可靠躲僳护。滚压装鬻绦护罩还有 一个重要的作用，即千# 配霆用。当锤体下落打击桩帽时，桩幄对锤体有一个向上的 反力，这个反力会使锤体和液压缸发生不规则的抖动溅向上反弹，这种干扰会影响 液压系统正常的工作循环，同时对桩、械架造成不良影响。液压装置保护罩的质量 起虱类经懿重熬箨弱，霹蔽缓解窝藏少獒不霞羹l 豹妻喜麓袋反弹，放蠢掇；妻；整髅工馋 性能。( 4 ) 锤体是沉桩的主要工作部分。液压锤通过镳体下降打击棱帽，将能量传 给桩，实现桩的贯入下沉。( 5 ) 壳体把上部的液压装鬣保护罩和下壳体连接起来， 在它的外侧安装着导向装溪、无触点开关、液压浊管斧n 控制电缆的夹投等。锤体上 下运裁锤蠢沉柱弱全过程均在壳薅蠹竞戏，壳薅蔽较蘼，除去畜是够弱强度与溺瘦 之外，还肖一定的隔音作用。( 6 ) 打桩时桩帽套在钢板桩或混凝土预制桩的顶部， 除去导向作用外，与缓冲照一起既保护极头不受到破坏，也使锤体及液压缸的冲击 苟载大为减少。 锤本髂包括驱动装餐和打击力德递装嚣。锤驱韵装霪主要由桩舔、滚压氯、液 压控制阀替组成；打击力传递装置主要由桩与桩锤之悯的缓冲垫、桩帽等组成，在 低噪声要求的环境中还脊隔音装置。 2 ) 渡压系统 液鹾打攘锤的液压系统主要由液趱泵( 定量泵或变曩泵) 、溢流瀚、卸荷阙、换 向阀( 逻辑阀) 、蓄能器、执行元件以及篱路等组成。 西安建筑科技大学硕士学位论文 j 童 j i i 莲 司 蓬至： i 鳖 l 1 l 藤 湖 嵫 瑙 k 一 每。l 嘴 自争。 陌! ： 憾熙璧 颧! 际 矿、 图1 1双缸取作阁液压锤结构简圈 i - 锤帽2 - 连接机构3 起升黼耳( 上) 4 - 液压缸 5 一液压阀块6 - 锤头高度指示器 7 一起舞麓耳下 8 - 桩糖总或 9 - 簧感嚣1 0 一棱耀i i 一缓 孛垫 1 2 一圄弹蕊 3 导向翡嚣1 4 一低臌蓄能器 1 5 一先导阔块1 6 高压蓄熊器 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 ) 电器控制系统 液压打桩锤一般采用先进的可编程逻辑控制器( 即p l c ) 控制。控制方式有手 动和自动打桩两种状态，桩锤下落高度的控制主要有时问设定方式和位置设定方式 两种类型。本课题采用时间设定方式。 ( 3 ) 液压打桩锤的分类 根据桩锤的下落方式可将液压打桩锤分为单作用下落式和双作用下落式两种类 型。单作用方式即桩锤在自重的作用下以接近自由落体方式下落，如英国b s p 公司 的h h 3 5 7 9 型锤、日立公司生产的h n c 型锤、美国h p s i 公司的m o d e l 6 5 0 - - 3 5 0 5 型 锤等：双作用下落方式即桩锤在自重和外力共同作用下以大于自由落体的加速度下 落，因此，在相同行程、相同锤重时产生的打击力比单作用下落方式大得多，如日 本车辆公司的n h 型锤、荷兰i h c 公司的s c 型锤、芬兰j u n t t a n 公司的h h k a 系列液 压锤等。 1 4 国内外发展现状 自从荷兰在1 9 6 5 年研制出液压打桩锤以来，8 0 年代以后，液压打桩锤便很快 在英国、芬兰、日本、美国等国家得到迅速发展。以下列举国外主要液压锤生产厂 家及其液压锤特点。 芬兰的永腾公司是最早生产打桩设备的专业厂家之一。它主要生产两个系列 ( h h k ，h h k a ) ，2 0 余种不同型号的液压锤，都是采用单作用自由下落式液压系统。 两个系列最主要的区别是h h k a 系列采用了液压辅助落体的措施，来消除阻力的影 响，真正实现自由落体。所以h h k a 系列与h h k 系列相比，以相同的结构参数可产 生相对较高的冲击能量。 英国的b s p 国际基础有限公司也早在7 0 年代开始系列生产液压锤，他们生产的 产品也采用单作用自由下落式工作原理，但其液压系统象永腾公司的h h k a 系列一 样，采取特别的增压措施消除阻力的影响，真正实现无阻力自由下落，提高了冲击 的能量。 荷兰i h c 公司是世界上最大的挖泥船制造厂商，其强大的机械制造能力使其生 产的液压锤享誉世界。其生产的液压锤与众不同，采用了独特的双作用下落式工作 原理。锤头在提升的过程中同时压缩活塞上方的气体，上升到行程顶端时，供油阀 关闭，回油阀打开。在下冲程中，活塞上方的压缩气体的附加能量作用在锤头上， 和重力一起使锤头产生大于9 8 m s2 的加速度，这样以较短的行程可以获得较大的能 量，但因要求具有良好的密封性使其制造成本相应地提高了很多。 西安建筑科技大学硕士学位论文 近年来，国内的一些建筑施工单位开始从国外进口液压打桩锤，而国内制造厂也 开始引进液压扣桩锤技术进行试验、生产和技术开发。随着基础建设在我国的不断 发展，液压打桩锤具有比较广阔的应用前景。但目前我国液压打桩锤仍处于发展阶 段，技术和性能均不太完善。 1 5 本课题的研究内容 本课题主要对双缸双作用液压打桩锤进行波动力学分析、液压系统建模与数值 仿真以及控制系统设计。各部分主要内容如下： ( 1 ) 液压打桩锤的波动力学分析 液压打桩锤是利用冲击原理进行工作的。由于锤体和桩在撞击方向上的尺寸( 轴 向尺寸) 比横向尺寸要大的多，将它们简化为质点运用古典碰撞理论进行分析显然 是不合适的。本文运用冲击机械动力学中的二元冲击系统波动力学模型来模拟锤体、 桩帽、桩之间的相互作用过程。找出三者之间的最佳匹配关系，用以指导液压锤的 设计工作。 ( 2 ) 液压系统建模与数值仿真 液压打桩锤是由液压泵、蓄能器、液压缸和桩锤等组成的综合性复杂系统。在 充分消化吸收国外先进液压打桩锤工作原理的基础上，设计出六吨双缸双作用液压 打桩锤。由于液压打桩锤在工作过程中，无论是锤体的上升还是下降，都是一个变 加速过程，液压系统中各个参数的变化很大，如果采用古典控制理论中的传递函数 分析法，将会给液压系统动态特性的研究带来难以克服的困难。本课题采用现代控 制理论中的状态空间分析法研究液压打桩锤液压系统的动态过程。即通过功率键合 图建立液压系统的状态空间方程，运用数值仿真中的四阶龙格库塔法和预估一校正 法相结合建立仿真程序，在m a t l a b 6 5 中编制m f i l e 进行仿真。 ( 3 ) 控制系统设计 液压打桩锤的工作环境比较恶劣，设计出性能可靠的控制系统是保证液压打桩 锤正常工作的必要条件之一。可编程控制器( p l c ) 是近年来发展起来的一种以微 处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术的新型控制器。它具有体积小、 功能强、灵活通用、维护方便、高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力等一系列优 点。所以本课题中液压打桩锤的控制系统采用可编程控制器。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 液压打桩锤的动力学分析 撞击是人类最早利用的自然现象之一。从远古时代的石器打制到现代工业文明 中的锻造冲击，从微观粒子的相互碰撞到宏观天体的相互撞击，无一不是撞击现象 的客观表现。撞击是物体的运动状态发生急剧变化的一种现象，其基本特征在于物 体间动量的传递是在极短的时间内进行的，并伴随着产生了极大的作用力作用于撞 击物体上。 根据撞击原理设计的机械，能产生峰值极大的力脉冲，具有输出能量密度大， 结构紧凑等优点，特别适宜于要求实现工作对象的位移、变形和破坏等作业，因而 在土木工程、制造工业和矿业工程等领域得到了广泛的应用。 冲击机械是一类特殊的机械，它是以应力波的形式进行能量传递的。这就决定 了它不能象处理一般机械一样，应用静力学、运动学和刚体运动学去阐述其工作原 理。冲击机械原理属于弹性体动力学问题。弹性体动力学内容可分为两个主要部分： 机械振动和机械波传播。这是因为研究系统中是振动还是波动取决于机械系统的零 部件构形、约束条件和载荷条件。在一般的机械系统中，所研究对象在受力方向的 几何尺寸相对其它方向的尺寸并没有太大的差异，故可不考虑波动过程而直接作为 振动问题来分折，更为简单可行。冲击机械中有杆形部件，因而必须考虑波动过程。 冲击机械动力学的研究可追溯到十九世纪，b o u s s i n e s q 和s a i n t v e n a n t 最早 开始用应力波传播的概念来处理撞击问题，他们分别讨论了重块对直杆的撞击和两 杆对撞问题。h o p k i 1 s o n 父子设计的传播纵波的压杆试验装置，至今仍被称为霍布 金逊杆( s h p b ) 。到了二十世纪三十年代，才有人将波动力学研究应用在诸如冲击凿 岩机和锻锤机械上。l e s s e l l s 在蒸汽锻锤上进行测试工作，开创了冲击机械应力波 测试的先河，他证实了在锤杆中不但有压应力，而且还有与压应力等幅的拉应力。 且拉、压应力在锤杆中沿纵向反复传播。这一结论动摇了在冲击部件中只受压应力 的传统观点。但由于受测试条件、手段以及计算技术的限制，直到二十世纪五十年 代初，冲击机械系统的波动力学研究也未引起工程界的足够关注，冲击机械系统的 分析和设计仍停留在牛顿碰撞理论的水平上。在五十年代末随着电子示波器和电子 计算机的普及和应用以及基于电子计算机的各种计算方法的不断完善，使得科学地 对撞击问题中的波动方程进行进一步分析和求解成为可能。冲击机械系统波动力学 研究开始引起各国学者的浓厚兴趣。在六十年代至七十年代期间，冲击机械系统动 力学研究主要采用理论分析和实验研究相结合的方法，在有关应力波的产生、传播 和耗散，各冲击部件动态特性、冲击机械与工作介质相互作用机理等方面均取得了 西安建筑科技大学硕士学位论文 许多积极的成果。进入j k f f 一年代后，冲击机械系统的动力学研究主要集中在数值模 拟计算，以及冲击件疲劳强度分析与设计方面。各国学者在先前的理论与实验研究 所获得的数学模型基础上，研制了多种数值模拟程序，从而使冲击机械系统动力学 的研究更加贴近实际的冲击机械。 液压打桩锤就是冲击机械在土木工程中应用的实例之一。其工作原理是：锤体 在重力和液压力作用下加速向下运动，通过中介物一缓冲垫和桩帽间接撞击工作对 象一桩，利用撞击产生的冲击力克服桩周围土壤阻力，使其下沉，然后锤体在液压 力的作用下作回程运动，如此往复，直至将桩打入预定的深度为止。 2 1 一维弹性杆的波动方程 1 图2 1 所示为一等截面直杆，下面讨论它沿纵向的运动。首先作两点假设：( 1 ) 在运动过程中，直杆的每个横截面始终保持为平面；( 2 ) 截面上的应力分布是均匀 的。 图2 1等截面杆受力分析图 对任一长度为d x 的微元受力情况如图。根据牛顿第二定律，有 p a d x 粤：一兰出一一丝出+ x a d x ( 2 1 ) 以缸1 以 式中p 一一杆的材料密度( k t m 3 ) ： a 一一杆的截面积( i l l 2 ) ： “一一轴向位移 ( m ) ； t 一一时间( s ) ； f 一一单位截面积上的作用力 ( n ) ； “一一单位长度杆之周边粘性阻尼系数( p a + s ) ； x 一一x 方向的重力( n ) 。 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 由h o o k e 定律，得： 盯= e e( 2 2 ) 式中盯一一应力( 以压应力为正) ( p a ) ： e 一杆材料的杨氏模量( p a ) ； e 一应变 式( 2 2 ) 可变为： f ；一舡一o u ( 2 3 ) 以 将式( 2 3 ) 代入( 2 1 ) ，得： 粤：c z 堡一丝+ 三x ( 2 4 ) 以船2 p ap 式中 c 一一纵波波速( c 。j 吾是材料的一个物理常量) ( m s ) v 一一截面运动速度( m s ) 在液压锤撞击桩的过程中，撞击所产生的力比其自身的重力大得多，其重力一 般可忽略不计。为了推导方便，暂不考虑杆周边表面上的粘性阻力，由式( 2 4 ) 可 得： 粤：c z 粤 ( 2 5 ) 砸2缸 这就是一维弹性杆标准波动方程。表2 1 列出了常见材料的物理波参数。 表2 1 常厢。材料的物理波常数 r 封料种类 i 参数茹 钢铅铝花岗岩混凝土液压油空气 弹性模量2 1 0 1 2 07 04 63 01 5 ( g p a ) 密度( k g m 3 ) 7 9 5 09 0 8 02 9 6 02 7 2 02 4 0 09 2 01 3 纵波波速( m s )5 1 3 03 6 7 05 0 9 04 0 5 03 5 0 0 1 2 7 63 4 0 方程( 2 5 ) 是用位移表达的，稍经推导不难得到波动方程的其它形式。 在不计重力和粘性阻力的情况下，力平衡方程( 2 1 ) 可写为 口里：一塑 ( 2 6 ) 。ma x 嚣安建筑科搔大学硕士学位论文 j _ g ! s _ 自目e _ = ! ! _ 目s g 女= ! ! _ s ! 1 0 g e 目_ s ! = ! i ! ! ! _ 目! ! g # = ! ! _ # ! e 自_ e ! 又由“的单值连续条件可得： a o v 甜蔽 式( 2 7 ) 为运动学相容条件，它本质上反映了质量守恒。 将式( 2 6 ) 对x 求偏导，式( 2 7 ) 对f 求偏导，然后消去0 _ 2 2 _ v ，可得 o x o t 0 2 da 2 9 万2 妒孑 将式( 2 。2 l 弋入式( 2 - 8 ) 可褥： 窥 0 2 e，0 2 e 孑“。i 0 2 0 ： 20 2 0 一o t 2 “4 可 籍f = 盯一代久式( 2 1 0 ) 哥得 a z f，a 2 f o t 2 。万 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 ，1 0 ) ( 2 。l i ) 疼式( 2 6 ) 对t 袋镶譬，式( 2 7 ) 对x 求编导，然蜃糖式( 2 。2 ) 代入，可褥： a 2 v，d 2 v 孑“磊 ( 2 1 2 ) 由上可见波动传捶懿甥理量鹱可以是运动学参数，如位移、速度，也可以是其 它物理量，如应力、应变和作用力。以上波动方程都是基于等截面假设推导出来的， 当杆是变截面对，方程形式就有新不阊。为了求瓣方便，常采蠲含有逡度v 帮 笮焉力 f 甄个来知函数的一阶偏微分方程组，且与仅含一个未知函数的二阶偏微分方程簿 价。 将式( 2 3 ) 对t 求编导，霹褥： o f 。一蔗萎一o v ( 2 。i 3 与式( 2 。1 ) 联立藏可籍至1 d 4 堡+ 堡+ 群v x = 0 + 静戤 爿e 竺+ 堡：0 敏彝 当不计重力时，式( 2 1 4 ) 变为 ( 2 1 4 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 p a o d v f + i o f + 口v = o 觚旦+ 竺；0 o xo t 当= 0 时，则变为 p 彳詈+ 篆= 。 爿e 业+ 堡：0 o x o t ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 上述只是一种近似处理，因为在推导过程中假定了应力波通过时，横截面仍保 持平面，截面上的应力分布是均匀的。事实上，在弹性杆的纵向伸长和缩短的同时， 必定伴随着横向收缩和膨胀，这个横向运动使弹性杆截面上分布的应力不均匀，横 截面变歪曲了。但是，当弹性杆中的应力波波长比杆的横向尺寸大1 0 倍以上时横向 运动是可以忽略的。这也是应用一维波动方程研究冲击机械系统的前提条件。 2 2 波动方程的数值解 波动方程有两种求解方法，即波动法和振动法。波动法能给出杆中各处任何时 刻清晰的波形，而振动解是由级数形式给出的，取有限项，不能反映真实波形。在 冲击机械系统动力学的研究中，一般只能采用波动法，而不宣采用振动叠加法。 波动方程的通解，首先由d7 a l e m b e r t 得到 0 ，f ) 一中1 一c t ) + 中2 0 + d ) ( 2 1 7 ) 式中：中，和中，是两个具有二阶连续偏导数的任意函数，它们的具体形式需要由 边界条件和初始条件确定。将式( 2 1 7 ) 分别对t 和z 求导，可得： 毗归詈- c 【中：( x 州) 一中：o 卅) f ( x ，f ) = 一爿e 娑! = 一舡【中：o c f ) + m ：o + c f ) 】 戚 令 p ( x - c t ) = 一4 e 中：( z c t ) a ( x + c t ) = 一a e o 2 ( x + c t ) 代入式( 2 1 8 ) 可得： 芝：；之羔篇掣f ，f ) = p ( z 一甜) + q ( z + d )l 式中 z = p c a ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 话安建筑科技大学硕士学位论文 j 1 i i , i , 麓i 篁墨罡鼍邕篡詈皇詈皇糍暑曼鼍詈篁暑皇詈詈皇端暑曼鼍g 篡兰! ! 詈詈冀葛皇詈曹篁薯墨詈詈曹蜷鬯! 詈詈眷篁葛詈詈曹删皇詈墨量蔓拦鼍! 詈喜。 称z 为弹1 睦抒戆波阻，它表拯了枵对波动豹传送畿力。 由以上分丰斤可知，波动方程的通勰由两个行波叠加而成。这两个波均以不变的 波速c 沿x 轴传播，但传播方向相反。般将沿x 轴正向传播的波p 称为顺波，而将 浍善毒鑫受囱绩撵的波q 穆为逡波。壶予涵数p 帮q 戆取鬣侵与s ，= 聋一c t 或岛= x + 矗有 关，而与t 无关，因此这聪个波将随时间的发展在其传播过程中始终保持波形不变。 一般将相平面x f 平面上的，= x c t 和s ，= x + c t 分别称为波动方程的右特征线和左 将鬣线。照然，沿嗣一条右特征线一毫臻疆的p 为常数，滋同一条左耨，压线上传撩静q 为常数。 由上可知，顺波p 和逆波q 的具体函数形式取决于给定的初始条件和边界条件， 一般将这些条件统称为定解条件。对于无隈长秆，只需给蠢稠始条件，这时波动方 程懿定解阚题不难磐蹬。健由予冲击搬撼系统中的抒传都是礴限长的，这时可以采 用初值延拓方法将波动方程的定解问题转化为无限长杆的定解问题。 但在实际的冲击机械系统中，杆件是