（机械电子工程专业论文）静力压桩机吊机过载保护系统的研究.pdf

摘要静力压桩机吊机在施工过程中可能因超载而导致吊臂损坏，甚至折断。本文针对这一实际工程问题在静力压桩机吊杌j 蔓敷规理分析的基础上，通过方案的比轻衄，首仓u 性抛提出了液压静力压捆舰吊胡志睦问题的全鞠涯解决方案。采用机液比例溢流阀同时作为调压阀和安垒阀来控制吊杌腋压系统变幅油缸和卷扬马达的最高工作压力，使之与吊机在不同的吊臂变幅角度下的起重能力相致，一旦超载溢流阀即溢流，使吊机不能吊起超载重物，从而达到过载保护的1 1 的。该系统为一开环控制系统。系统的控制信号输入方式借鉴电液比例阀方案，采用凸轮杠杆机构，从而利用了凸轮容易实现任意函数关系转换的优点。凸轮机构将变幅角位移信号转换为线位移去控比例溢流阀的先导阀调压弹簧。系统的核心在于研究设计了机液比例溢流阀，它具有近似电液比例压力阀的输入输出特性，可以根据凸轮机构所传递的控帛临号在静力压桩机吊机起重能力所确定的特定的压力范围内对麴晤最大允许压力和卷扬最大允许压力进行自动连续地按比例调节。作为全液压方案静力压桩机吊机过载保护系统的核心部分，机液比例溢流阀的研究设计是本课题创新的重要体现。首先它将凸轮和杠杆传动机构与溢流阀结合起来，取代了溢流阀的螺杆调压装置或比例电磁铁，作为控制信号的采集和输入装置，是系统功能实现的关键。其次，差压式先导阀的采用也是机液比例溢流阀研究的关键所在。它使得先导阀调压弹簧的设计比较容易，刚度可以更小，改善了弹簧特性曲线的线性度，并在低压到高压的范围内减少调压弹簧的根数，实现了在静力压桩机吊机起重能力曲线所决定的具体的变幅或卷扬最大允许压力范围3 - 1 8 m p = 内用一根调压弹簧进行自动连续按比例调压，从而达到机动调压以实现吊机过载保护功能的目的。而且，差压式先导阀还起到了减振活塞的作用，增大了与粘性摩擦有关的阻尼系数值，改善了机液比例溢流阀的调压稳定性。静态特性与动态特性计算机数字仿真和实验研究的结果表明，静力压桩机吊机过载保护系统的研究设计是有效的、可行的，能够较好地解决液压静力压桩机吊机过载保护问题。关键词液压静力压桩机，吊机过载保护系统，机液比例溢流阀，计算机数字仿真a b s t r a c tt h ec r a n ea r mo ft h eh y d r a u l i cs t a t i cp i l ed r i v i n gm a c h i n ec 舭b ed a m a g e do re v e nb r o k e nw h i l ew o r k i n gb e c a u s eo fo v e r l o a d i n g t h ep r o b l e mo fc r a n eo v e r l o a dp r o t e c t i o no ft h eh y d r a u l i cs t a t i cp i l ed r i v i n gm a c h i n ei so r i g i n a l l ys o l v e db yaf u l lh y d r a u l i cp r o j e c tt h r o u g hc o m p a r i s o na n dd e m o n s t r a t i o ni na d v a n c ei nt h i sp a p e r as p e c i a l l yd e s i g n e dr e l i e fv a l v e ，i e ，m e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v ei su s e da sp r e s s u r er e g u l a t i n gv a l v ea n ds a f e t yv a l v et oc o n t r o lt h eh i g h e s to i lp r e s s u r eo f t h er a d i u sc h a n g i n gc y l i n d e ra n dh o i s t i n gm o t o ri no r d e rt oa c c o r dt h ep r e s s u r ev a l u ew i t ht h ec r a n e sh o i s t i n g c a p a c i t yc o r r e s p o n d i n gt oc e r t a i nr a d i u sc h a n g i n ga n g l eo ft h ec r a n e sa r m o n c eo v e r l o a d , t h ep r e s s e do i lo v e r f l o w st h r o u g ht h er e l i e f v a l v es oa st or e s u l ti nt h ee r a l l ec a n tw o r kw i t ht h eo v e r l o a d i n gw e i g h tt h e r e b ya c h i e v et op r e v e n tt h ec r a n ef r o mo v e r l o a d i n g t h ec r a n eo v e r l o a dp r o t e c t i o ns y s t e mi sao p e n - l o o pc o n t r o ls y s t e m i m i t a t i n gt h ep r o j e c to fe l e c t r i c a la n dh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，ac a mm e c h a n i s mi sa d o p t e dt oi n p u ta n dc o n v e r tt h es i g n a lo fc r a n ea r m sr a d i u sc h a n g i n g a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls i g n a lt h ec a mm e c h a n i s mc o n t r o l st h er e g u l a t i n gs p r i n go ft h ep i l o tv a l v e a st h ec o r eo ft h ef u l lh y d r a u l i cc r a n eo v e r l o a dp r o t e c t i o ns y s t e mo ft h eh y d r a u l i cs t a t i cp i l ed r i v i n gm a c h i n e ，t h es t u d ya n dd e s i g no ft h em e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v ei sc r e a t i v e f i r s t ,c o m b i n i n gc a i na n dl e v e rw i t hr e l i e fv a l v et or e p l a c et h ep r e s s u r er e g u l a t i n gd e v i c eo ft h er e l i e fv a l v eo rt h ep r o p o r t i o n a le l e c t r i c a lm a g n e ta st h ei n p u ta n dp i c ks e to fc o n t r o ls i g n a li st h ek e yt oa c h i e v et h ef u n c t i o no ft h es y s t e m s e c o n d , t h ep i l o tv a l v eo fd i f f e r e n c ep r e s s u r es t r u c t u r ei sa l s ot h ek e yp a r to f t h em e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e i tm a k e st h ed e s i g no ft h ep r e s s u r er e g u l a t i n gs p r i n gm o r ee a s y , t h ee l a s t i cf a c t o rs m a l l e r , t h el i n e a rd e g r e eo f t h es p r i n g sp e c u l i a r i t yc u r v eb e t t e r , t h en u m b e ro ft h ep r e s s u r er e g u l a t i n gs p r i n gf e w e r , a n dt h e nm a k e st h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l ya n dp r o p o r t i o n a l l ya d j u s tt h er a d i u sc h a n g i n gs e c u r i t yo i lp r e s s u r eo rh o i s t i n gs e c u r i t yo i lp r e s s u r eb e t w e e nt h er a n g eo f 3 1 8 m p ad e c i d e db yt h ec r a n e sh o i s t i n gc a p a c i t yc u r v ew i t ho n l yo n ep r e s s u r er e g u l a t i n gs p r i n g f u r t h e r m o r e ，t h ep i l o tv a l v eo fd i f f e r e n c ep r e s s u r es t r u c t u r ei m p r o v e st h ed y n a m i cs t a b i l i t yo ft h er e l i e fv a l v e t h er e s u l to fc o m p u t e rd i g i t a le m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o na b o u ts t a t i ca n dd y n a m i cp e c u l i a r i t ys h o w st h a tt h es t u d ya n dd e s i g no ft h ec r a n eo v e r l o a dp r o t e c t i o ns y s t e mo ft h eh y d r a u l i cs t a t i cp i l ed r i v i n gm a c h i n ei se f f e c t i v ea n dw o r k a b l e a n di tc a l ls o l v et h ep r o b l e mo ft h ec 犯d n eo v e r l o a d i n gs u c c e s s f u l l y k e yw o r d sh y d r a u l i cs t a t i cp i l ed r i v i n gm a c h i n e ，c r a n eo v e r l o a dp r o t e c t i o ns y s t e m , m e c h a n i c a la n dh y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e l i e fv a l v e ，c o m p u t e rd i g i t a le m u l a t i o n2原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：割送盔日期：2 立q 年生月丝日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：割兰筮导师签名胡塑垩e l 期：2 0 0 5 年生月丝日中南大学硕十学位论文第一章综述第一章综述随着国民经济的迅速发展，作为主要施工设备的各类工程机械在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用【1 j 。由于液压传动具有功率密度高，易于实现直线运动，液压装置工作比较平稳、能在大范围内及运动过程中实现无级调速，易于自动化和实现过载保护，液压元件已实现了标准化、系列化和通用化等诸多突出优点，因而在工程机械中得到了广泛得应用。据统计，目前9 5 以上的工程机械都采用了液压技术；工程机械液压产品在整个液压工业销售总额中占4 0 以上。现在采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要指标 2 - ”。在土木建筑中，作为桩基础工程施工设备的液压静力压桩机，以其低噪声、无振动、无污染、环保节能和施工效率高的显著优势，目前己发展成为该工程领域内的主流设备嗍。液压静力压桩机是一种集压桩主机与液压起重机( 吊机) 于一体的工程设备。其主机与吊机液压系统的技术水平可以说是现代液压技术应用于工程机械的典型体现。1 1 液压静力压桩机的应用与发展我国在2 0 世纪7 0 年代开始研制和生产液压静力压桩机，目前已作为一种主要的桩工机械广泛地应用于如沿海地区具有软弱土层的桩基础工程施工。且由于其环保节能的优点将随着城市的发展日益受到市场的重视和推广应用。1 1 1 桩基础工程与桩工机械桩基础是土木建筑中最常用的基础形式。随着现代建筑业的飞速发展，桩基础已从木桩逐渐发展为钢筋混凝土桩或钢桩。桩的类型大体上可分为两大类：预制桩和就地灌注桩。预制桩有预应力钢筋混凝土方桩、管桩，钢管桩，h 型钢桩等。其中，预应力钢筋混凝土桩的机理是将钢筋混凝土桩的部分或全部主筋作为预应力张拉钢筋，采用先张法或后张法对桩身混凝土施加预应力。该桩型具有减小桩身混凝士的锤击拉应力和弯曲拉应力，提高桩的抗冲( 锤) 击能力与抗弯能力；强度高；抗裂性好等突出优点。它主要应用于穿透的中间层较软弱或夹有不厚的砂层，且持力层埋置深度变化不大的地区；地下水位高的地区以及对噪声、挤土影响无严格限制的地区。桩基础是一种应用广泛、发展迅速、生命力很强的现代建筑基础形式【9 玎j 。桩基础( 摩擦桩或顶承桩) 是由深入土层的桩与连接桩顶的承台共同组成，共同l中南大学硕士学位论文第一章综述承受动静载荷，将上部结构的载荷穿过软弱土层或地下水传递到深部较坚硬、压缩性小的土层或岩层( 持力层) ，以满足建筑物安全正常使用并限制变形量在一定范围内的一种深基础。桩基础工程之所以目前已在土木建筑基础工程中占有如此重要的地位，在于它具有多种独特的功能与特点，主要有：( 1 )借助于桩身与周围土层的接触把载荷传递给桩周土层；( 2 )通过桩的底部把载荷传给桩端咯硬持力层；( 3 )桩身穿过液化土层支承于稳定土层。在发生地震、浅部土层液化的情况下，桩基础凭借深部稳固的土层仍具有可靠的承载力；( 4 )桩基可提供很大的竖向刚度，在自身载荷及相邻载荷影响下，不会产生过大沉降和差异沉降，通常能满足建筑物对沉降变形的各种严格要求；( 5 )具有很大的侧向刚度和抗拔承载力，因此具有较大的抗倾覆能力，可以抵抗风浪和地震引起的水平载荷、上拔载荷和力矩载荷；( 6 )改变基础和地基的动力特性，提高基础与地基的自振频率、减小振幅，从而减轻地震载荷和机器振动对结构的影响；( 7 )由于桩的材料、长度、设置方法和工作方式都可以有很大的调节和变化，有利于实现基础工程的机械化和工业化。桩工机械主要应用于各种桩基础工程施i t l s - 2 4 1 。按施工桩型分类，主要分为预制桩施工机械和灌注桩施工机械两大类。其中，预制桩施工机械又可按施工原理的不同分为夯锤( 冲击锤) 打桩、振动桩锤和静力沉桩机三种。液压静力沉桩机为近年来新兴的一种环保作业的桩基础施工设备，主要适应于软土地区。该方法以桩机自身的重量作为反作用力，利用液型油压力将桩强制性地压入土中，工作过程无噪声、无振动、无空气污染，也可以实现拔桩，效率高，节能。正因为其环保、节能、高效的突出优点，液压静力压桩机目前已经在国内得到广泛的应用，并已发展为沿海地区如广东、深圳桩基础工程的主导施工设备。1 1 2 液压静力压桩机的应用、发展与国内外研究现状液压静力压桩机是预应力钢筋混凝土预制桩静力沉桩施工所必需的工程设备【2 5 捌。我国在2 0 世纪7 0 年代开始研制液压静力压桩机，到8 0 年代初期，才出现较先进的静压沉桩方法。但压力较小，为9 0 0 k n 到1 2 0 0 k n ，只能解决一些荷重不大的短桩旌工。到了9 0 年代初期，由于液压件制造水平的提高，压桩机的吨位逐渐提高到2 0 0 0 k n ，可以满足1 5 层以下的高层建筑桩基础沉桩深度所需压力。发展至今，由于压桩机最大吨位已达到1 0 0 0 0 k n ，故单桩允许承载力可达5 0 0 0 k n ，可满足3 5 4 0 层的高层建筑所要求的桩基深度和压力。2中南大学硕士学位论文第一章综述全液压静力沉桩机的行走、转向、吊桩、夹持，压桩等工作全部采用液压驱动1 2 93 5 1 。其优越性得到了普遍认可，武汉建工机械厂( y z y 系列) 、湖南长沙长河机械有限公司( z y b 系列) 、湖南山河智能工程机械有限公司( z 系列) 等企业研究和制造的液压静力压桩机在我国沿海软土地基桩基础施工中被越来越广泛地采用。根据中国专利局信息中心的国际联机检索结果和有关建筑机械的资料表明：国外在液压静力沉桩这方面的技术及设备很少，只有一些在特殊长河下用于压钢桩的专用装置，所以可以说，湖南山河智能工程机械有限公司，和以中南大学液压机械与控制技术研究所为技术核心的上海正平工程机械有限公司及湖南长河机械有限公司等多家企业研制生产的z y j 及z y b 系列液压静力压桩机代表了当今国内外同行业的领先水平。液压静力压桩机由于采用静压沉桩原理将预制桩逐段压入土层中的桩基础施工方法而具有如下显著优点；( 1 ) 在施工中无振动、无噪声、无污染，在城市居住密集区旋工有明显的优越性；( 2 )由于桩是通过静力压入土层，桩没有受到锤击桩时所引起的拉伸应力波的冲击，因此桩内的钢筋配置和混凝土的强度均可比柴油锤击桩要小，这样可节约桩的工程成本。据统计，与打击桩相比，静压桩可节约钢材4 7 ，水泥1 2 ；( 3 ) 采用柴油锤打桩，桩周边土壤有一定程度的。液化”，因此，桩要经过一段时问的。休息”后，才具有真实的承载力，静压桩在施工中则不会对桩周边土壤产生较大的干扰，所压入桩的最终压力基本上体现了桩的实际承载力，因此，施工完成后，根据压入过程的压力曲线即可迅速计算出桩的实际承载力；( 4 ) 基本上无断桩；( 5 ) 可以直接用静压桩机对桩进行承载试验；( 6 ) 速度快，效率高，每天压桩最高可达1 2 0 0 米以上。虽然液压静力压桩机具有上述诸多优点，但由于它需要配詈较多的配重，整机的装拆、运输及总体工作效率仍然比打击桩低，所以目前仍不如柴油锤打击桩与钻孔桩普及。但随着城市的发展，对噪声及泥浆污染越来越严格的限制，液压静力压桩机必将越来越受到市场的重视。1 2 静力压桩机吊机过载保护静力压桩机吊机是液压起重机械的一种。如前所述，液压起重机( 吊机) 也3中南大学硕士学位论文第一章综述正是液压静力压桩机的一个重要组成部分p 6 l 。随着科学技术的发展，各种新技术、新材料、新结构、新工艺在起重机上得到了广泛的应用，有利地促进了起重机的发展。液压传动与控制技术以其突出的优点，得以在起重机的提升( 卷扬) ，变幅、回转、伸缩等几乎全部组成机构中被采用，使得起重机的操作性能和调速性能得以大大提高。另一方面，起重机械的安全保护措施也日益引起关注。起重机械广泛应用于国民经济的各个部门中。据国家劳动安全监察机关的统计资料表明，起重运输机行业发生的人身事故和设备事故相当严重。为此，国家劳动人事部制定了起重机械安全规范( g b 6 0 6 7 - 8 5 ) ，明确对各类起重机械的安全上的严格要求，并规定只有培训合格的人员才能进行驾驶。起重机械方面发生的事故是多种多样的f ，”。属于设备本身的有：机械故障、电气故障和金属结构的损坏等；属于不正常操作的有：起重机彼此相碰撞、超负荷起吊造成起重机倾倒和斜拉起吊等；属于自然因素的有：暴风和地基下沉等等。为了使起重机械安全可靠地工作，除起重机械本身地质量要好( 机械、电气和会属结构地设计与制造符合产品验收标准) 之外，还必需装设有各种安全装置和对从业人员经常进行安全规范的教育，使他们严格遵守安全操作规程，不得违章作业。起重机械上常用的安全装置有：( 1 ) 缓冲器它是防止相邻两台吊车发生碰撞或单台吊车行至终点止挡器时，吸收其冲击能量，以减缓起重机速度直至停车。( 2 ) 起重量限制器它是防止起升机构超载，保护传动装置和金属结构不超过设计能力。( 3 ) 起重力矩限制器它用于臂架型回转起重机上，如汽车起重机和塔式起重机等。这类起重机要求吊重和幅度的乘积保持一定。起重力矩限制器就是同时控制起重量和幅度两个参数的( 伸缩臂式起重机需控制起重量、吊臂变幅倾角和臂长三个参数) ，使其不超过额定允许值。( 4 ) 防风装置它用于露天工作的起重机，防止大风袭来时被吹动而滑行。( 5 ) 偏斜限制器它用于大跨度的门式起重机和装卸桥，以防过度偏斜。( 6 ) 其它特殊用途的安全装置，如防暴装置。根据起重机安全规程( g b 6 0 6 7 8 5 ) 的规定，应用最广、要求最严的是超载限制器。对所有类型起重机( 桥架型、臂架回转型、升降型，电葫芦和缆索起重机) 都“应装”和。宜装”这种安全保护装置口“3 】。对流动式起重机、塔式起重机和门座起重机，则分别情况。应装”和。宜装”力矩限制器。由于起重机类型多、品种杂，目前的超载限制器和力矩限制器尚未实现通用4中南大学硕士学位论文第一章综述化。但是，对这两种安全保护装置的技术要求是十分严格的，且是共同的。它们是：( 1 ) 超载限制器和力矩限制器装置本身的可靠度应符合国家标准。( 2 ) 起重量限制器的综合误差，不应大于5 ；起重力矩限制器的综合误差，不应大于8 ，为保持装置的精度应定期进行标定。( 3 ) 功能齐全。当起吊重物超过额定起重量时应自动切除欺生能源，并发出报警信号；当起重力矩超过额定力矩时应自动切除能源，并发出报警信号。达到额定值的9 0 时，应有预警信号发出，最好具有显示功能。本文将研究的液压静力压桩机吊机过载保护系统则采用机液比例溢流阀作为安全阀以防止吊机过载。1 3 溢流阀在静力压桩机吊机过载保护上的应用溢流阀作为压力控制阀中最基本的类型，是一种最常用的液压控制元件。它在液压系统中的使用及其普遍，所有液压系统都要至少使用一个溢流阀来作定压阀或安全阀 4 4 1 。本文即是利用溢流阀容易实现过载保护的优点，采用机液比例溢流阀作为核心元件组成全液压自动调压控制系统来实现静压桩机吊机的过载保护功能。溢流阀通常按工作原理分为直动式和先导控制型二种。一、结构形式特点直动式溢流阀的启闭是在系统压力的直接作用下进行的，先导控制式溢流阀的主阀是由先导阀控制的。先导阀作为调压级，起直动溢流阀的调压弹簧的作用，通过主、导阀之间的阻尼器，控制主阀上腔的中闻压力。直动式溢流阀，它不只适应于低压小流量系统，近来也出现了高压大流量的直动式溢流阀。西德力士乐公司生产的d b d 型直动式溢流阀最高压力可达4 0 m p a 及6 3 m p a ，压力为3 1 1 0 m p a 时流量可达3 3 2 l m i n ，启闭特性好。其一种结构是在锥阀的端部及支承弹簧的圆盘上开有环形槽结构。环形槽改变了液流的方向，产生一个与弹簧力方向相反，大小随流量增加而增加可抵消部分弹簧力增量的射流力。第二种结构为锥阀带活塞，且将活塞铣扁，进口压力可作用于活塞底部的结构。活塞扶持锥阀的运动中不至于倾倒，有效地控制径向振动。活塞与锥阀连接处作成对称锥面，使液动力相互抵消。弹簧支承盘上也开有偏流环槽，产生抵消弹簧力增量的射流力。第三种结构为球阀式。活塞与球阀的连接主要是通过阻尼弹簧。阻尼弹簧的作用是使球阀上的主弹簧刚度增加、与压缩量减少，有利于提高静态特性。先导控制式溢流阀的结构有三级同心式、二级同心式和一级同心式。其先5中南大学硕士学位论文第一章综述导阀使用的弹簧有线性和非线性之分。非线性弹簧用于液压阀有很大的优越性，但至今应用的却不多见m l 。三级同心式先导溢流阀其主阀芯上有三处配合表面的同轴度要求较高。日本改进了三级同心式溢流阀：拉长了尾碟，增设了尾流环，还将回油通道防振尾附近作成直角弯，消耗动能，降低噪声。另外，在主阀上腔和导阀前腔都设置了消振滑块。改变油液流动状态和减小振动容腔。二级同心式先导控制溢流阀的主阀芯上有两处配合表面的同轴度要求较高。日本川崎重工业公司研制出了二级同心低噪声溢流阀，把节流部分作成长通道，消除急剧的缩流。在阀座上开出了许多小孔，防止产生负压。二级同心式与三级同心式溢流阀相比是其面积梯度比三级同心式大，动作灵敏，而且压力稳定性和工艺性都比三级同心结构要好。一级同心式先导控制溢流阀的主阀是滑阀，上下端承压面积相等，动作灵敏度较低，密封长度大，使动作反应慢，过渡时间长超调量大。但其加工、装配方便。还有的先导控制溢流阀的导阀弹簧为碟形非线性弹簧。碟形弹簧的刚度是可变的，其弹力和变形量不成线性关系。由此可使弹簧有较大的预紧力，而当阀芯运动到给定的阀口开启量时，弹簧力增加不大，这可使启闭调压差值减小。特别是轴向位移较大的溢流阀，采用碟形弹簧改善性能更加显著。如上所述的各种溢流阀其阻尼器的阻尼都是定值，此外还有变阻尼器结构。先导式溢流阀其主阀和先导阀的相互位置配备有三种形式：直角式、平行式和同轴式。目前，先导控制式溢流阀一般设置两个阻尼器，也有设置三个阻尼器的。这些阻尼器有串联的、并联的，也有串并联的，一般多为串联的。阻尼器与阀芯的相对位置有阀前阻尼、阀中阻尼和阀后阻尼，阀前阻尼效果最好。二、溢流阀的研究历史成果对溢流阀的研究内容，主要包括理论研究、实验研究和数字仿真。国内外从6 0 年代初期开始对先导控制式溢流阀进行研究。经历了定性和定量研究阶段。溢流阀静态特性研究方面的成果，衡量静态特性的指标有定压误差、卸荷压力、内泄漏量和调压范围。研究结构已经给出了比较完整的设计准则和阻尼孔尺寸选择范围，分析了阀的结构参数对静压特性的影响，也讨论了加载阀特性的应征影响是产生溢流阀启闭特性实验误差的主要原因。证明了先导控制结构是实现理想恒压特性的根本原因。把功率键合图理论用于建立环形缝隙阻尼溢流阀的数学模型，通过数字仿真分析了阀的静特性，并进行了参数预测及优化。主要研究成果可归纳为以下几个方面：( 1 ) 锥阀从理论上讲密封好，但阀芯在零位时却有泄漏，相当于阀提前开启，特别是在高压情况下，关键问题是加工装配质量。( 2 ) 主阀芯的面积比，直接影响阀的开启点，理想恒压要求面积比为一( 3 ) 主阀弹簧预紧力，在保证克服摩擦力的情况下应尽可能小。6中南大学硕士学位论文第一章综述( 4 ) 先导阀的溢流量应尽量小，且保持恒定。( 5 ) 主阀液动力对启闭特性的影响，主要对闭合特性的影响，取决于出流的方向。溢流阀本身就是一个反馈控制系统，其动态特性的研究主要包括稳定性和过渡过程响应特性。对于锥阀与管道连接系统的稳定性，导出了比较简单形式的稳定条件，指出提高稳定性要缩短管道，尽量减小容腔，加大阻尼。针对三级同心式先导溢流阀的稳定性问题，运用稳定工作点摄动线性化法进行了研究，指出在忽略泄漏与先导阀前阻尼时，只有先导阀的歼度始终大于某一定值，溢流阀才能稳定工作。对于一级同心式先导溢流阀的稳定性，研究结果认为，在阻尼孔的直径取合理值时，先导阀弹簧刚度对稳定性影响不大，由此可以根据静态特性设计选择弹簧，且指出了先导阀芯位移超调量最大，主阀芯超调量次之，压力超调量最小。还提出了加位移限位座提高三级同心式溢流阀主阀稳定性的措施，就是使阀芯运动到刚要达到力平衡时，要阀芯触及限位座，这时靠一个与液动力任意大小相适应的阀座反力来维持平衡，而不发生振动。实验研究了溢流阀阻尼孔位胃的影响效果，得出的结论是阀前阻尼优于阀中阻尼，阀后阻尼的稳定性最差。本课题将充分利用溢流阀容易实现过载保护的特点，采用机液比例溢流阀来组成全液压方案的静力压桩机吊机过载保护系统，通过控制吊机变幅和卷扬执行机构的最大允许工作油压来限制吊机的起重能力，达到实现静力压桩机吊机过载保护功能的目的。1 4 课题研究的思路及意义如上所述，液压静力压桩机是建筑桩基础工程旅工中一种不可或缺的工程设备，在国家经济建设中发挥着巨大的作用。并且以其环保、节能、高效的突出优势受到市场与目俱增的重视和更大力地推广应用。据专家预测，到2 0 1 0 年，国内桩工机械年需求量约为9 8 0 0 台1 8 1 2 0 0 吨，产值约9 8 个亿。其中，液压静力压桩机将占有4 0 - 一5 0 的市场份额。因此，加强对液压静力压桩机产品系列的开发研究及其性能的改进和完善，具有十分重要的意义，并可保持在国际静压沉桩研究领域的领先地位。1 4 1 课题的提出及其意义液压起重机( 吊机) 作为液压静力压桩机的一个相对独立却又不可或缺的组成部分，其性能的可靠和完善程度在压桩施工过程中有着十分重要的意义。同时，市场和用户也不断地对静压桩机及其吊机的使用性能提出更高的要求。以7中南大学硕士学位论文第一章综述z y b 型液压静力压桩机所配的q y 系列吊机为例，目前，在压桩施工现场，由于操作人员并非严格遵守操作规程，往往对机器造成一定程度的破坏。液压起重机吊臂弯曲变形，焊缝开裂甚至吊臂折断的情况都有发生过。调查其原因，是由于驾驶员超载起吊、斜拉拖拽管桩等违规操作导致吊臂承受破坏性载荷，此即本文所指的静力压桩机吊机过载问题。静力压桩机吊机过载问题不但是极大的安全隐患，对设备本身也是极大的损害。因此对这些问题的深入分析、即时全面有效地解决将在安全文明施工方面、经济效益方面、液压起重机( 吊机) 和液压静力压桩机的技术进步及行业发展方面都有着积极的意义。而目前市场上的液压静力压桩机吊机由于适应性或经济性的原因对此均尚未采取有效的解决措施，如安装机械式或电子式的起重力矩限制器等。故在本文之前，国内外针对液压静力压桩机吊机过载保护( 即采取具体的保护措施防止过载的发生从而避免静力压桩机吊机吊臂遭受破坏) 这个具体课题的研究尚属空白。本文即以分析和解决这一具有重大现实意义的问题为研究课题，目的在于研究设计一套经济实用、可靠有效的采用全液压方案的液压静力压桩机吊机自动调压系统以实现吊机过载保护，通过数字仿真对系统性能加以分析研究并以实验进行验证，从而即时满足生产实践对桩机性能改善的迫切需要。因此，可以说，本课题的选题和研究是基于作者对国内外研究现状较全面的了解，并且来源于科研实践，以解决实际工程问题为目的，具有较高的理论和实际意义。1 4 2 课题研究的思路及主要内容课题研究的思路是：结合工程实际，通过对液压静力压桩机整机结构力学分析，吊机回转支承倾覆力矩分析，吊臂弯曲强度校核等确定吊机在不同变幅角度下的最大起重量，并由此推导出吊机液压系统尤其是提升( 卷扬) 机构和变幅机构在此吊机最大起重量时的最大工作压力与相应吊臂变幅角度的关系式；然后采用开环控制方式的全液压方案的自动调压装雹分别控制上述卷扬和变幅执行元件的工作油压调定值( 即最大允许压力值) 自动跟随吊臂变幅角度的变化而变化，从而控制了吊机在不同的吊臂变幅角度下的最大起重量；否则，即因超载而溢流卸荷，使吊机不能吊起超载重物。这样就达到了对吊机过载保护的目的。该研究思路与通常的臂架型回转起重机械超载保护采用机械式或电子式的起重力矩限制器的传统方法有很大的不同。该思路的核心内容是采用机液比例溢流阀同时作为调压阀和安全阀对执行元件的最大工作压力加以调节和限定，使吊机无力吊起超载重物却无须切断工作能源，从而不致因超载保护切断执行元件工8中南大学硕士学位论文第一章综述作能源而引起系统压力冲击和机器振动。而且溢流阀跟随吊臂变幅角度自动调压是由凸轮、杠杆机构输入控制信号以对溢流阀的先导阀调压机构加以控制而实现的。故整个系统为全液压方式，无需采用电子元器件作电的转换，且经济实用、可靠有效。本课题研究的主要内容有：( 1 ) 液压静力压桩机吊机工况分析及其过载机理研究。( 2 ) 由吊机液压系统的组成及工作原理推导出吊机卷扬回路和变幅回路最大允许压力与吊臂变幅角度的函数关系。( 3 ) 对静压桩机吊机过载保护系统的力矩限制器方案、电液比例等方案同全液压自动调压方案作出比较，确定采用全液压方案。并以该方案进行液压静力压桩机吊机过载保护系统的研究设计，其核心内容是研制一种以凸轮作为控制输入的可自动连续调压的先导式溢流阀。( 4 ) 重点对过载保护系统，关键是自动调压先导式溢流阀的静态特性和动态特性进行分析评价，并通过传递函数框图建立相应数学模型，运用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 模块进行数字仿真研究。( 5 ) 实验研究。1 5 本章小结本章简单介绍了与本课题密切相关的桩工机械、液压起重机、溢流阀等的发展历史和研究现状。重点阐述了本课题的来源、课题研究的意义以及课题研究的思路和主要内容。( 1 ) 本课题直接来源于被广泛应用的建筑桩基础工程施工设备一液压静力压桩机的研发、生产实际过程和施工实践，目的在于更好地解决静压桩机吊机过载的实际工程问题，因而使课题研究具有明显的理论和实际意义。( 2 ) 由本课题的研究思路可知，对液压静力压桩机吊机过载问题本文将首次采用一种不同于传统的在吊臂上安装力矩限制器方式的全新的全液压自动控制方案予以解决，且使操作性能更加方便可靠，工作效率更高，因而具有明显的原创性。9妻奎兰堡主兰堡垒苎茎三童壁查堡壁垫曼墨塾塑垫墨堕塑墨茎三堡堡垄坌塑第二章静力压桩机吊机过载机理研究及其工作压力分析液压静力压桩机作为静压沉桩施工的专用工程设备，在机械结构、液压系统组成及工作原理上都具有自身的特点。作为液压静力压桩机一个相对独立而又不可分割的组成部分的吊机也就有了不同于一般起重机械的在机械结构及液压系统上自身的诸多特点。正如第一章中所阐明的静力压桩机吊机过载问题是指吊机超载起吊而导致吊臂弯曲破坏甚至折断；静力压桩机吊机过载保护则是指采取具体的保护措施防止吊机过载以避免吊臂弯曲破坏甚至折断。因此就本课题研究的静力压桩机吊机过载保护问题而言，就有着与一般移动式臂架型回转起重机所不同的超载机理，因而将采取的解决方案也不一样。以下几节将对静压桩机吊机过载机理从机械结构和液压系统方面加以分析研究，并通过对吊机液压系统尤其是变幅和卷扬系统的分析计算，给出静力压桩机吊机起重特性曲线以及从控制液压系统压力的角度研究实现静力压桩机吊机过载保护所需的变幅或卷扬机构最大允许压力与吊臂变幅角度的关系曲线。2 1 静力压桩机吊机过载机理研究对静力压桩机吊机而言，所谓过载保护，主要是指吊机过载时可能出现的吊机倾翻，回转支承破坏和吊臂弯曲破坏等三种情况。由静力压桩机吊机过载和静力压桩机吊机过载保护的定义可知，静力压桩机吊机过载将导致吊臂承受超载重量引起的弯曲力矩产生过大弯曲形变，从而使吊臂受损甚至断裂。本节将通过机械结构和材料力学分析计算阐明，静力压桩机吊机过载保护的目的不是为了防止吊机倾翻，或者吊机回转支承因承载能力不够而导致超载破坏，而是为了防止吊臂在吊机超载起吊时的弯曲破坏甚至断裂，并根据吊臂的弯曲强度计算确定相应的吊机起重特性曲线。2 1 1 静力压桩机及其吊机组成结构与工作原理以z y b 系列液压静力压桩机为例。其结构组成图如图2 - l 所示，它是由控制室1 、升降机构2 、压桩机构3 、液压系统4 、起重机5 、泵站6 、油箱久纵移机构8 、横移回转机构9 、电气系统1 0 、机身l l 、配重1 2 等组成。其工作原理是：主驾驶员操纵主机驾驶室内的液压系统多路换向阀的纵移机构和回转横移机构的控制手柄，驾驶桩机行走至制定压桩位，然后操纵升降机构对机身进行调平使压桩机构的钳口工作面处于铅直位置。再由吊机驾驶员及辅助i o中南大学硕士学位论文第二章静力压桩机吊机过载机理研究及其工作压力分析机组人员吊桩、将桩放入钳口、对桩，即可操作压桩手柄将预应力混泥土预制桩逐段压入地基，如此重复作业，直至完成静压沉桩施工。j，| | y褂lr，ir l li11_ lfi ：l罚1中，一- r，lmb 曲l嗣io j 龟墨t 一一l ! 日i1f1 白日i 耋1 1i 。甲itijlj lf蔓卜i图2 - iz y b 系列液压静力压桩机结构组成图由静压桩机施工过程可以看出，静压桩机吊机( 液压起重机) 在压桩施工重主要起吊桩、对桩和其它辅助吊运工作的作用，是桩机的重要组成部分。其机械结构、液压系统和电气系统都相对于主机独立，具有自己的操作室，独立操作以配合主机操作实现压桩施工。以z y b 系列静压桩机的典型配置q y l 6 a 型液压起重机( 吊机) 为例。它主要由机座l 、集电环2 、回转机构3 、机架4 、司机控制室5 、卷扬机构6 、油箱7 、吊臂机构8 、液压系统9 、电气系统1 0 、伸缩机构1 1 、吊钩组1 2 等组成。其组成结构图如图2 2 所示。q y l 6 a 型吊机属于伸缩臂式回转液压起重机。其回转、吊臂伸缩、卷扬( 提升) 、吊臂变幅等机构均是由液压马达或缸驱动的。其工作原理是通过多路换向阀对卷扬马达、变幅油缸、回转马达、伸缩马达等几个相对独立的执行机构正反方向的动作进行集中控制并相互配合以实现吊机起重功能。由图2 - l 可知，一方面由于静压沉桩施工时，其长船、短船与地面有着很大中南大学硕士学付论文第二章静力压桩机吊机过载机理研究及其工作压力分析的接触面积，吊机起吊重物后旋转至水平面朝向主机的半平面以内的任意方位。图2 - 2q y l 6 a 型吊机组成结构图其重心都将落在此接触面积之内；另一方面，桩机主机部分重量加上配重往往达数百吨，远远大于吊机自重加上起重量之和，因此，液压静力压桩机吊机不可能发生象汽车起重机等移动式起重机那样的因超载而导致设备倾翻的现象。也因此，静压桩机吊机的起重能力计算不需要考虑整机抗倾覆稳定性决定起重能力这一方面。2 1 2 吊机回转支承过载机理分析q y l 6 a 型静压桩机吊机通常配置h s w 3 5 1 4 3 5 型四点接触滚珠式滚动轴承式回转支承。这种回转支承装置有一个大的滚动轴承，起重机的旋转部分固定在大轴承的旋转座圈上，而大轴承的固定座圈则与起重机固定部分( 如静压桩机吊机的机座) 固接，借助于这个大滚动轴承传递载荷，并由滚动轴承上的齿圈实现起重机旋转部分相对固定部分的回转。旋转座圈与固定座圈均以螺栓与吊机相应部分连接。h s w 3 5 1 4 3 5 型回转支承的承载能力曲线如图2 3 所示。上述h s w 3 5 1 4 3 5 型回转支承应用于q y l 6 a 型静压桩机吊机的实际工作点a点，可通过计算作用在吊机旋转部分的各种载荷，再按式2 一l 、式2 2 、式2 - 3求得回转支承所受的总垂直力f a 和总力矩m o 来加以确定。回转支承的计算载荷有：起重机旋转部分自重( 包括平衡重) g 奠；由起升载荷q t 引起的载荷q 张+ g o ；钢丝绳偏斜所引起的水平力，包括臂架摆动平面( q 张+ g o ) t g ，垂直于臂架摆中南大学硕士学位论文第二章静力压桩机吊机过载机理研究及其工作压力分析动平面的( qs i t + g o ) t g c b z ；旋转部分( 不包括重物) 的水平惯性力，包括旋转机构起动p - ，起重机旋转时离心力p _ ，旋转驱动装置最后一级齿轮传动啮合力p - 。其中，0q 硅r = kq ，k 为动载系数；g o 为取物装置重量；o r , 。，o r 2 分别为吊臂摆动平面内和垂直于吊臂摆动平面内的钢丝绳对地面垂直线的偏角。总垂直力：兄= g w + q 荨赣+ g o( k n )( 2 一1 )总水平力：e = 耳+ 哆( 1 ( n )( 2 2 )图2 - 3i i s w 3 5 1 4 3 5 型回转支承承栽能力曲线注：图中标注8 8 和1 1 9 的两根曲线表示回转支承联接螺栓的强度等级式中p x 一一x 轴方向( 垂直于臂架摆动平面的方向) 上所有水平力的总和；p y y 轴方向( 臂架摆动平面的方向) 上所有水平力的总和。总力矩：m = i m 2 + 川( i ( n m )( 2 3 )式中m x 一在垂直于臂架摆动平面内由各种水平力及垂直力引起的对回转支承滚子中心所在平面或水平滚轮所在平面与旋转中心线的交点的倾覆力矩的总和：晦一在臂架摆动平面内由各种垂直力及水平力引起的对回转支承滚子中心所在平面或水平滚轮所在平面与旋转中心线的交点的倾覆力矩的总和。将q y l 6 a 型吊机工作参数及h s w 3 5 1 4 3 5 的有关结构数据代入上式，可以求得回转支承实际工作点a 点的总垂直力和总力矩如下：f a = 3 5 x l o n ：m = 7 0 x l 矿n m 实际施工过程中f i s w 3 5 1 4 3 5 型回转支承的工作点位于图2 - 3 中的a 点。可鲫棚射中南大学硕士学位论文第二章静力压桩机吊机过载机理研究及其工作压力分析见回转支承实际所承受的工作载荷( 总垂直力和总力矩) 远小于其额定承载能力，即a 点位于静载曲线、动载曲线与坐标轴所包围的范围之内，故安全系数有很大的裕度，一定程度的超载不致导致机械破坏。所以吊机的起重能力计算不应以此为依据。2 1 3 静力压桩机吊机起重能力曲线确定起重机起重能力的计算一般包括三个方面，即：( 1 ) 工作机构地驱动功率和零部件的强度所决定的起重量；( 2 ) 起重机金属