（机械设计及理论专业论文）液压锤锤击系统性能仿真及垫层参数稳健设计研究.pdf

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i i i i 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：监吼塑年j 月聿日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者虢业翩签名蝉嗍业年上月罕日 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 液压锤由于其噪声低，污染少，能效高和施工适用性强等优点， 在桩基础施工中得到了广泛的应用。目前，国外对液压锤的研究相对 比较成熟，同时产品也形成了系列化；国内液压锤设计理论落后，没 有成熟的产品。本文针对目前液压锤锤击系统设计及应用的不足，建 立了锤击系统有限元模型，分析了垫层、锤重与落高等参数对锤击系 统性能的影响，得到了最佳的参数范围；并以在不同地质条件下对打 桩作业影响最小为目标，对锤击系统垫层参数进行了稳健设计。本文 的主要内容如下： 首先，对液压锤国内外研究现状及锤击系统设计理论等方面进行 了分析，摒弃了传统的使用经典牛顿碰撞理论研究锤击过程，采用应 力波理论分析了锤击打桩过程中的锤击应力，采用差分法求得了桩体 的位移，并对锤击系统性能评价参数进行了分析。 其次，对锤击系统在特定地质条件下锤击打桩的动态过程使用非 线性有限元分析软件a b a q u s 进行数值模拟分析。依照z c y 7 0 型液 压打桩锤建立了锤击系统有限元模型，采用罚函数法处理打桩过程中 的动态接触。分析了垫层、锤重与落高等参数对锤击系统性能的影响， 得到了参数对锤击系统性能的影响规律，确定了最佳参数范围。 再次，为提高锤击系统在不同地质条件下打桩的可靠性要求，考 虑在打桩过程中土层参数土体密度、体积模量以及摩擦角对锤击性能 的噪声干扰，结合有限元仿真分析数据，以锤击贯入度为目标，对目 前常用的几种垫层材料及厚度采用稳健设计理论进行了分析，得到了 垫层参数的最佳组合。 最后，使用z c y 7 0 液压打桩锤样机进行打桩试验，测试了桩顶 锤击应力，验证了有限元数值模型的正确性，分析了两种常用垫层材 料在不同落高下的锤击性能，并对稳健设计结果进行了试验分析，证 明了实验与理论研究一致。 关键词：液压锤，锤击系统，垫层参数，稳健设计 a bs t r a c t 晰t l lm ea d w a n t a g eo f1 0 w n o i s e ，l e s sp o l l u t i o n ，h i g he n e r g y e f f i c i e n c ya n dc o n s t r u c t i o na d a p t a b l e ，e t c ，h y d r a u l i ch a m m e rh a sb e e n w i d e l yu s e di np i l ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n a tp r e s e n t ，f o r e i g ns t u d yo n t h eh y d r a u l i ch a m m e ri sr e l a t i v e l ym a t u r e ，w h i l et h ep r o d u c t sa r ea l s o f o r m e das e r i e s ；t h ed o m e s t i ch y d r a u l i ch a m m e rd e s i g nt h e o r yr e l a t i v e l y b a c k w a r d ，a n dh a v en om a t u r ep r o d u c t s f o rl a c ko fd e s i g nt h e o r ya n d a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c h a m m e rh a m m e r i n gs y s t e m ，t h i s a r t i c e e s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fh a m m e r i n gs y s t e mt oa n a l y z et h e e f l e e to fs o m ep a r a m e t e r so fc u s h i o n ，t h eh a m m e rw e i g h ta n dd r o ph e i g h t o nh a m m e r i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea n do b t a i nt h eb e s tp a r a m e t e r sr a n g e i ti sa l s oa i m e da tm l 。m m l z m 。gt h ei m p a c to np i l i n go p e r a t i o n si nd i f f e r e n t g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dm a k i n gr o b u s td e s i g nf o rh a m m e r i n gs y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： f i r s t ，t h er e s e a r c hs t a t u so fh y d r a u l i ch a m m e ra n d t h ed e s i g nt h e o r y o ft h eh a m m e r i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a dw e r ea n a l y z e d ，a b a n d o nt h e t r a d i t i o n a lu s i n gc l a s s i cn e w t o nc o l l i s i o nt h e o r yt os t u d yt h eh a m m e r i n g p r o c e s s u s et h es t r e s sw a v et h e o r yt oa n l y z et h e s t r e s si nt h ep r o c e s so i h a m m e rp i l i n g u s i n gt h ed i f f e r e n c em e t h o d st oo b t a i nt h ed i s p l a c e m e n t o ft h ep i l e ，a n dt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h eh a m m e r i n gs y s t e mw a s a n a l y z e d s e c o n d l y , u s i n g n o n l i n e a r f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e a b a q u st oa n l y z e t h e d y n a m i cp r o c e s s o fp i l i n gi nt h es p e c i f i c g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s a c c o r d a n c ew i t ht h ez c y 7 0h y d r a u l i ch u m m e r p r o t o t y p ec r e a t eaf m i t ee l e m e n tm o d e l o ft h eh a m m e r i n gs y s t e m ，u s i n g p e n a l t yf u n c t i o nm e t h o dt od e a lw i t ht h ed y n a m i cc o n t a c ti nt h ep i l i n g p r o c e s s a n a l y z et h ee f f e c to fs o m ep a r a m e t e r so fc u s h i o n , t h eh a m m e r w e i g h ta n dd r o ph e i g h to nh a m m e r i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e ，o b t a i nt h e i n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so nt h eh a m m e r i n gs y s t e ma n dg e t t l l eb e s tr a n g e o fp a r a m e t e r s a g a i n ，i no r d e r t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h eh a m m e rp i l i n gu n d e r d i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，c o n s i d e r i n gt h es o i lp a r a m e t e r so fs 0 1 l d e n s i t y , b u l k m o d u l u sa n df r i c t i o na n g l e t oa f f a c th a m m e r i n g p e r f o r m a n c ei nt h ep r o c e s s o fp i l i n g ，c o m b i n e dw i t hf i n i t ee l e m e n t i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i so fd a t a ，s e t i n gt h eh a m m e rp e n e t r a t i o nd e g r e ef o rt h et a r g e t ， u s i n gt h er o b u s td e s i g nt h e o r yt oa n l y z ec u s h i o nm a t e r i a la n dt h i c k n e s s ， a n do b t a i nt h eb e s tc o m b i n a t i o no fc u s h i o np a r a m e t e r s f i n a l l y , a ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e du s i n gt h ez c y 7 0h y d r a u l i c p i l i n gh a m m e rp r o t o t y p et ot e s th a m m e rs t r e s so f t h ep i l eh e a d ，v e r i f y i n g t h ec o r r e c t n e s so ft h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e l ，a n a l y z i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft w oc o m m o n l yu s e dc u s h i o nm a t e r i a l si nd i f f e r e n td r o p h e i g h t ，a n du s i n gt h ee x p e r m e n t t e s tt h er o b u s td e s i g nr e s u l t s ，p r o v et h e c o r r e c t n e s so ft h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l k e yw o r d s ：h y d r a u l i ch a m m e r , h a m m e r i n gs y s t e m ，c u s h i o n p a r a m e t e r s ，r o b u s td e s i g n i l l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 液压打桩锤国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 液压打桩锤简介2 1 2 2 液压打桩锤国内外研究现状8 1 2 3 液压打桩锤发展趋势9 1 3 锤击系统波动力学研究历史与现状9 1 4 液压锤锤击系统研究现状1 0 1 5 课题来源与研究内容及意义1 0 1 5 1 课题来源1o 1 5 2 研究内容及意义1 l 1 6 本章小结1 2 第二章锤击系统动力学分析及性能评价参数1 3 2 1 引言1 3 2 2 基于牛顿碰撞理论锤击打桩力学原理分析1 3 2 2 1 动量变化锤击打桩力学原理13 2 2 2 能量变化锤击打桩力学原理1 4 2 3 锤击打桩应力波理论1 5 2 3 1 锤击碰撞过程桩身中的应力波1 5 2 3 2 桩锤直接碰撞产生的锤击应力1 6 2 3 3 桩锤间接碰撞产生的锤击应力2 1 2 4 差分法计算桩的位移2 3 2 5 锤击系统性能评价参数2 6 2 6 本章小结2 8 第三章液压锤锤击系统性能有限元分析2 9 3 一液压锤锤击系统有限元模型的建立2 9 3 1 1 锤击系统各结构件几何尺寸2 9 3 1 2 桩的本构模型3 0 3 1 3 土的本构模型3 2 3 1 4 锤击系统各结构件材料属性3 3 3 1 5 罚函数法处理打桩过程动态接触3 4 3 1 6 锤击系统有限元模型及其求解3 8 3 2 垫层参数对锤击系统性能的影响分析4 l 3 2 1 锤垫参数对锤击系统性能的影响4 2 3 3 2 桩垫参数对锤击系统性能的影响4 7 3 3 锤重与落高对锤击系统性能的影响分析5 3 3 3 1 锤重对锤击系统性能的影响5 3 3 3 2 落高对锤击系统性能的影响5 4 3 3 3 “重锤轻击”与“轻锤重击 对锤击系统性能的影响5 5 3 4 本章小结5 6 第四章锤击系统垫层参数稳健设计研究5 8 4 1 稳健设计基本理论5 8 4 1 1 产品质量设计模型5 8 4 1 2 稳健设计的基本原理与方法5 9 4 1 3 稳健设计中的试验设计6 1 4 2 基于损失模型的稳健设计6 2 4 2 1 信噪比6 2 4 2 2 正交试验设计6 4 4 3 锤击系统垫层参数的稳健设计6 7 4 4 本章小结7 0 第五章液压锤锤击系统性能实验研究7 1 5 1 实验内容及目的7 1 5 1 1 实验内容7 1 5 1 2 实验目的7 1 5 2 实验方案设计7 1 5 2 1 实验方法7 1 5 2 2 实验设备及测试仪器7 2 5 3 实验测试结果分析7 4 5 4 本章小结7 7 第六章总结与展望7 8 6 1 全文总结7 8 6 2 研究展望7 9 参考文献8 0 致谢8 5 攻读硕士学位期间主要研究成果8 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 建筑物的全部载荷加于其下部基础结构之上，并通过基础结构将载荷传递给 地基( 土层或岩层) 来承受。基础结构是建筑物的根基，直接关系到建筑物的安 危【l l 。在土木建筑中，桩基础一种最常用的基础形式，我国最早的桩基础可以追 溯到新石器时代【2 1 。桩基础工程是各类基础工程的主要形式，在基础工程中约占 1 2 2 3 3 - 5 】。随着建筑业向机械化方向发展，桩基础在基础设施建设领域的重要 性将日益突出。 随着科技不断发展，桩的种类大体分为预制桩和就地灌注桩。预制桩主要有 预应力钢筋混凝土桩、钢管桩、h 型钢桩。预应力钢筋混凝土桩结构坚固耐久， 可按需要制成不同尺寸的截面和长度，能承受较大的竖向载荷和施工锤击应力， 且不受地下水和潮湿变化的影响，施工质量较其他桩型易于控制，这些优点使其 在基础工程中被大量应用于重型厂房、工业设备基础、高层建筑、仓库、码头及 桥梁、城市立交等工程中。预制桩在施工时需要使用沉桩设备将桩沉入至持力层， 在沉桩过程中，桩周围的土体被压缩，使得土体对桩侧的摩擦阻力增大，其承载 力较灌注桩而言要大【昏7 1 。随着预制桩施工技术的完善及预制桩承载能力的提高， 使得预制桩具有更高的可靠性和环境适应性，其应用范围也将变得越来越广泛。 “十二五”时期我国基本建设规模仍将持续增长，将大举建设铁路设施，是建筑 业发展的重要战略机遇期【8 9 】。随着大量的建筑工程急需完成，预制桩基础的应 用将得到进一步的拓展，桩基础施工机械也将拥有了前所未有的发展空间。 预制桩的施工方法有锤击法、振动法和静压法【l0 l 。锤击法是最常用的方法， 它使用的设备工艺简单，施工速度快。预制桩施工的设备主要有柴油锤、蒸汽锤、 机械振动锤、静力压桩机和液压打桩锤。液压打桩锤具有低污染、低振动、低噪 声、高能量利用率、可调节锤击力、桩头不易损坏、工作过程可控、机动性能好、 能对柔软地基进行连续夯实等特点【1 1 1 4 】。随着世界各国建设资源节约型和环境友 好型的深入，液压打桩锤已经成为桩基础施工设备的主要设备。世界各工业发达 国家也都致力于液压打桩锤的开发和性能改进工作。目前荷兰、芬兰、英国、美 国、德国、日本、韩国和新家坡等均拥有自主知识产权的定型产品，对于打桩沉 桩理论研究也比较深入。我国尚处于液压锤研究的初级阶段，设计理论与方法不 成熟，不能满足目前市场需要：其设计理论停留在原始的经验设计阶段，没有相 对完整的设计理论指导生产；对锤击打桩动态过程动力学分析还停留在传统的经 典牛顿碰撞理论，不能准确分析整个桩锤碰撞过程；对由锤头一锤垫砧座一桩 垫一桩一地基土等组成的锤击系统性能分析不够全面准确，造成施工过程中桩体 中南大学硕士学位论文第一章绪论 发生断裂或锤击贯入困难等现象；随着桩深入土层，地质条件发生变化，对锤击 效果和锤击效率均有影响，降低了锤击系统的适用范围。本课题就是在这种背景 下提出的。 1 2 液压打桩锤国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 液压打桩锤简介 国外工业发达国家对液压锤研究已经比较成熟，液压锤的基本结构也都大致 相同。本文以湖南长河机械有限公司生产的z c y 7 0 型液压打桩锤为例介绍氮爆 式液压打桩锤的结构特点及其各部分功能【1 0 1 5 q 6 】。 氮爆式液压锤由机械部分、液压系统和电气控制系统组成。氮爆式液压打桩 锤机械结构如图1 1 所示。机械结构大体可以分为起吊装置、顶架、上机架、中 机架和下机架等5 部分组成，下面分别对其进行介绍。 丁、；户 皆， 9 f _ ；_ 声 涨 1 导向装置2 顶架3 主控阀4 上机架5 冲击油缸6 低压蓄能器7 中机架8 锤头 9 罔弹缓冲垫1 0 下机架1 1 锤垫1 2 打击套1 3 桩垫1 4 桩帽1 5 砧板 1 6 周弹缓冲挡板1 7 行程阀1 8 高压蓄能器1 9 控制集成块 图1 - 1 氮爆式液压打桩锤机械结构 1 、起吊装置起吊装置主要由滑轮架、滑轮组与钢丝绳等组成，通过置于打 桩机鹅头上的定滑轮组与卷扬相连，利用卷扬的动力，液压锤可在导向架上滑动。 2 、顶架顶架用于集成控制块的放置，使用法兰与滑轮架进行连接。集成控 制块安放于顶层，有效解决了将其侧置而引发的集成块固定不稳及集成块与油缸 一一 一一23456一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 连接处易松动漏油等问题。 3 、上机架上机架主要是用来安装和保护液压锤上部的液压元件、液压管路 和电气元件。其与顶架之间使用方法兰进行连接，内部空间用于放置缸筒、控制 蓄能器和高、低压蓄能器等。 4 、中机架主要放置锤头和机罩。锤头在冲击油缸带动下，锤头在中机架导 轨内上下运动。液压锤打桩时，通过冲击油缸将锤头提高至设定高度后下落打击 替打机构，将能量传递给桩，实现桩的贯入。锤头为整体式锻钢件，一般采用 4 5 号钢，锤头外侧镶有滑块，通过滑块与导轨接触实现锤头上下滑动。 5 、下机架下机架主要由壳体、打击垫、缓冲垫、打击套、桩垫、桩帽等组 成，是锤头与桩之间的传力部分。桩置于桩帽内，桩帽主要起传力和导向的作用， 不同横截面积的预制桩对应不同的桩帽。下机架内各零部件的设计是整个锤击系 统的关键，承受极大的锤击力，而且必须要有良好的隔振隔噪声的作用。因此， 壳体与打击套之间一般有垫层材料。 电气控制系统一般采用传统的继电器控制或者p l c 控制方式，有手动和自 动打桩两种工作方式。液压打桩锤的工作行程主要通过时间设定和位置设定两种 方式进行调节。 根据液压打桩锤结构和锤头下落方式，按锤头下落过程中是否仅为重力做 功，可将液压打桩锤区分为单作用式和双作用式两大类【l7 1 。 1 、单作用液压打桩锤 单作用式液压打桩锤采用液压能将锤头提升到设定高度后快速释放，使锤头 在重力的作用下做自由落体运动锤击桩实现沉桩功能。其工作原理如下： 在锤头上升过程中，油泵和高压蓄能器向冲击油缸下腔提供高压油，冲击油 缸活塞杆带动锤头快速上升；锤头下落过程中，低压蓄能器与冲击油缸下腔对油 缸上腔供低压油，油缸上腔为低压腔，同时高压蓄能器吸收液压泵输出的部分压 力油，锤头在重力的作用下做自由落体运动下落。 单作用液压打桩锤有以下两种工作方式：锤头和冲击油缸活塞杆一起下 落：液压源给冲击油缸有杆腔供高压油，推动活塞杆带动锤头上升，当锤头被提 升到设定高度时，将冲击油缸有杆腔迅速切换至低压油并与冲击油缸无杆腔相联 通，锤头在重力的作用下做近似自由落体运动；锤头单独下落：锤头与冲击 油缸活塞杆采用可快速分离的连接结构。液压源给冲击油缸的有杆腔供高压油， 推动活塞杆带动锤头上升，锤头提升到设定高度时，通过快速分离机构使锤头与 活塞杆分离，锤头以自由落体运动方式下落。 英国b s p 公司生产的h h 7 液压打桩锤是典型的单作用液压打桩锤，其液压 系统如图1 2 所示。液压打桩锤的工作过程如下1 18 ：锤头上升：变量柱塞泵3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 工作，电磁溢流阀8 得电，系统建压。当二位四通电磁换向阀9 得电时，一路高 压油通过减压阀4 、换向阀9 ，进入液控先导阀2 小油缸的下腔，液控先导阀2 的阀芯上移，先导阀2 处于下位工作；同时另一路高压油通过液控先导阀2 与油 缸的下腔联通，锤头上升。油缸上腔的液压油被压入回油管路，回油油路上的低 压蓄能器1 1 储存油缸上腔排出的部分液压油，使回油油路保持一定的压力； 锤头下落：当锤头上移到油缸顶部后，接近开关1 3 将断电信号传至换向阀9 ， 使换向阀9 断电换向，液控先导阀2 的小油缸下腔经换向阀9 与回油联通。在低 压蓄能器1 1 的压力作用下，小油缸活塞带动先导阀2 的阀芯下移，使液控先导 阀2 处于上位工作，油缸下腔与回油联通。锤头在重力作用下减速，当锤头速度 降为0 时，锤头开始下落，同时高压蓄能器对油缸上腔补油；保压阶段：锤 头下落接近接近开关1 3 时，换向阀9 重新得电，新一轮工作循环开始。 r1 1 冲击油缸2 液控先导阀3 比例变量泵4 减压阀5 油箱6 冷却系统7 蓄能器8 电磁溢流 阀9 二位四通电磁换向阀1 0 单向节流阀1 1 。低压蓄能器1 2 高压蓄能器1 3 接近开关组 图1 - 2h h 7 液压打桩锤的液压控制系统 2 、双作用液压打桩锤 双作用式液压打桩锤采用液压能将锤头提升到一定高度，然后改变对冲击油 缸的供油，使油缸无杆腔联通高压油，推动锤头以更大的运动速度锤击桩顶实现 沉桩。此时，锤头的打击能除了重力势能外，还有油缸无杆腔高压油推力做功所 产生的能量，锤头以大于重力加速度g 的加速度向下运动。由此可见，双作用式 液压打桩锤的锤击能量比单作用式的大；但是，由于活塞瞬时速度增大，所需瞬 时最大流量也增大，仅依靠液压泵供油不能满足系统需求，因此，双作用液压打 桩锤虽然锤击能较大，但是锤头上升速度慢，打击频率低。 双作用式液压打桩锤有以下两种工作方式：差动连接工作方式：液压打 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 桩锤在下降过程，冲击油缸的上下腔形成差动连接，使锤头在重力和液压力的双 重作用下加速下落锤击替打机构，实现桩的贯入；气体膨胀做功工作方式： 液压打桩锤冲击油缸无杆腔充有工作介质( 一般为氮气) ，锤头在液压能的作用下 上升，同时活塞压缩无杆腔的工作介质，当无杆腔中的工作介质达到一定压力时 或锤头上升到设定高度后，锤头在重力和工作介质瞬间爆炸力的双重作用下以大 于重力加速度g 的加速度下落，锤击替打机构，实现桩的贯入。 下面分别对这两种工作方式以具体的产品对其工作原理进行相应的分析。 a 差动连接工作方式 日本n i s s a 公司生产的n h 系列液压打桩锤【l7 j 是典型的双作用液压打桩锤， 其液压系统如图1 3 所示。 1 冲击油缸2 、7 、9 逻辑阀3 、6 、8 电磁阀4 单向阀5 高压蓄能器1 0 液压泵 1 1 低压蓄能器1 2 溢流阀1 3 行程开关组 图1 - 3n h 系列液压打桩锤的液压控制系统 n h 7 液压打桩锤的工作由电磁阀控制三个插装阀的开关实现，具体的过程 如下：锤头上升：顺序控制电磁阀6 、电磁阀3 和电磁阀8 ，使电磁阀6 失电， 电磁阀3 和8 得电。插装阀7 和插装阀2 分别在电磁阀6 和3 的控制下关闭，插 装阀9 在电磁阀8 的控制下打开，油缸上腔与回油接通，油缸下腔接高压油，锤 头上升；锤头下落：当锤头上移到设定位移后，行程开关组1 3 的上限位开关 将得电信号传至电磁阀，顺序控制电磁阀8 ，电磁阀3 和电磁阀6 ，使电磁阀8 和电磁阀3 失电，电磁阀6 得电，控制插装阀2 和插装阀7 打开，插装阀9 关闭， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 油缸上下腔形成差动连接与高压油联通，锤头在重力和液压力的作用下下落； 保压阶段：当锤头下落到0 位移处时，行程开关1 3 的下限位开关将得电信号传 至电磁阀，顺序控制电磁阀6 、电磁阀3 和电磁阀8 ，使电磁阀6 失电，电磁阀 3 和8 得电。插装阀7 和插装阀2 分别在电磁阀6 和3 的控制下关闭，插装阀9 在电磁阀8 的控制下打开，液压泵向高压蓄能器供油，当高压蓄能器压力到达所 设定的起升压力时，保压过程完成，下个工作周期开始。 b 气体膨胀做功工作方式 目前使用气体膨胀作功的液压打桩锤并不多见，其设计理论也不成熟。氮爆 式液压打桩锤为一种新型打桩设备，其在相同落锤高度下可释放更大的打击能量 而备受关注。下面将对湖南长河机械有限公司生产的z c y 7 0 1 3 0 型号的氮爆式 液压打桩锤【1 9 。2 0 】作原理上的分析。该型号液压打桩锤不仅实现了对打击能量与打 击频率的无级调节，并且在断桩保护、漏气保护和油液缓冲等方面都进行了深入 研究，对提高国产液压打桩锤的市场综合竞争力具有重要意义。图1 4 为氮爆式 液压打桩锤液压原理图。 6 9 厂唧矿t 一墙鞲 寸e t 匪j崖 一一。 斟：| 黼i 譬 1 行程阀a2 锤头3 行程阀b4 控制蓄能器5 单向溢流阀6 冲击油缸7 上升逻辑阀 8 上升先导控制阀9 上升反应时间调节阀l o 下落反应时间调节阀1 1 下落先导控制阀 1 2 下落逻辑阀1 3 回油蓄能器1 4 主控阀1 5 手动换向阀1 6 系统压力调节阀1 7 单向阀 1 8 工作油泵1 9 回油蓄能器2 0 控制油泵2 1 截止阀2 2 气压表2 3 气动减压阀 2 4 储气罐2 5 控制泵压力调节阀 图1 4 氮爆式液压打桩锤液压原理图 豢 荔 孑鹨 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 氮爆式液压打桩锤通过柔性冲击主控阀左端控制压力和右端氮气室的反馈 压力来实现主控阀的运动状态控制功能，利用主控阀和逻辑阀组成的集成模块控 制液压打桩锤的工作状态，实现打桩锤打击能量和频率无级调节。操作手动换向 阀1 5 时，液压打桩锤进入工作状态，具体工作过程如下： 锤头上升 当控制泵2 0 开启后，泵输出压力为控制泵压力调节阀2 5 所设定的压力。此 时，锤头处于下端极限位置，行程阀b 3 右位工作，工作油泵1 8 输出的系统压 力和控制泵2 0 输出的控制压力共同作用于主控阀1 4 阀芯的左端，推动主控阀阀 芯向右运动并处于左位工作；上升先导控制阀8 和下落先导控制阀1 1 在控制泵 输出压力的作用下分别处于右位和左位，上升逻辑阀7 和下落逻辑阀1 2 的控制 口分别与主控阀1 4 的b 口和a 口相通，下落逻辑阀1 2 的控制口通过下落反应 时间调节阀1 0 、主控阀1 4 的a 口先与工作油泵相通，而上升逻辑阀7 的控制口 通过上升反应时间调节阀9 和主控阀1 4 的b 口随后与油箱相通，下落逻辑阀1 2 在控制腔接高压油的情况下先关闭，上升逻辑阀7 在控制腔接回油的情况随后打 开，打桩锤工作状态的改变在柔性冲击换向中完成。冲击油缸6 的下腔接高压油， 锤头上升，同时，冲击油缸6 上腔( 氮气室) 中的氮气被压缩，行程阀3 换向处 于左位，切断主控阀阀芯左端的系统压力。 锤头下落 当冲击油缸6 无杆腔氮气室的压力升高到一定值时，作用于主控阀1 4 右端 的合力大于作用于主控阀左端的合力时，主控阀1 4 的阀芯开始向左运动，运动 一定的位移后，系统压力也作用在主控阀1 4 阀芯的右端，主控阀1 4 在氮气油压 和系统油压的作用下迅速向左运动，主控阀处于右位工作。上升逻辑阀7 的控制 口通过上升反应时间调节阀9 和主控阀1 4 的b 口先与工作油泵相通，而下落逻 辑阀1 2 的控制口通过下落反应时间调节阀1 0 、主控阀1 4 的a 口随后与油箱相 通，上升逻辑阀7 在控制腔接高压油的情况先关闭，下落逻辑阀1 2 在控制腔接 回油的情况下随后打开，冲击油缸6 下腔与回油相通，锤头在重力和氮气腔气体 压力的共同作用下快速下落。锤头在柔性冲击换向过程中完成上升到下落状态的 转变。 保压阶段 当打桩锤下落触动行程阀1 时，主控阀1 4 在左端环形控制腔增加了系统压 力的作用，主控阀换向至左位，下落插装阀1 2 的控制腔通过下落反应时间调节 阀1 0 ，主控阀1 4 的a 口与工作油泵相联接高压油，下落插装阀1 2 迅速关闭。 此时，锤头的重力和氮气室气体的压力作用在桩上，防止桩的反弹，增加锤头对 桩的作用时间。而上升插装阀7 控制腔的油液通过上升时间调节阀9 的可变节流 中南大学硕士学位论文第一章绪论 口缓慢流出，控制腔压力降低。当控制腔压力降到一定值时，上升插装阀7 打开， 冲击油缸下腔接高压油，保压过程结束，桩锤开始下一个工作周期。 1 2 2 液压打桩锤国内外研究现状 自从上世纪6 0 年代荷兰研制出史上第一台液压打桩锤以来，液压打桩锤成 为桩工机械发展的重要方向之一。液压打桩锤在国外发展较为迅速，1 9 6 4 年荷 兰h b g 公司研发部开始研究液压打桩锤，于1 9 6 5 试制成功，并于1 9 6 9 年系列 化生产h b m 型液压打桩锤。随着世界第一台液压打桩锤问世并第一次用于打桩 后，液压打桩锤以其独特的优势，在预制桩施工领域获得了青睐，成为众多国家 研究的对象。芬兰、荷兰、英国、美国、韩国和新加坡等国家也先后成功研制出 了各种形式的液压打桩锤。目前，液压打桩锤在国外工业发达国家被广泛应用， 已经开始形成系列化，并提出了相应的标准 1 9 - 2 1 】。表1 1 为各国锤头质量为7 t 级液压打桩锤的技术参数【2 2 之9 】【1 5 】。 表1 - 1 锤头质量为7 t 级液压打桩锤的技术参数 我国最早研制液压打桩锤是19 7 6 年，当时由长沙建筑机械研究所和武汉桥 梁机械厂合作共同开发了2 t 液压打桩锤，并于1 9 7 9 年制造出样机，但没有形成 产品；东北大学也于1 9 8 7 年同阜新矿山机械厂联合开发了2 t 液压打桩锤样机， 但也没能形成产品；江苏东台机械厂于1 9 9 7 年研制出d y 2 5 型2 5 t 级液压打桩 锤样机：最近上海工程机械厂从日本n i s s a 公司引进了n h 7 0 和n h l 0 0 两种打 桩锤的技术，从日本购买零部件在国内组装，走逐步国产化的道路，但由于价格 高，还不能为国内的施工单位所接受。到目前为止，由于引进的国外液压打桩锤 技术对零部件的制造精度要求较高，制造成本高，加上国内生产的液压打桩锤存 在振动冲击大，噪音高，工作可靠性差等缺陷，目前还没有定型的液压打桩锤 3 0 】。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 液压打桩锤发展趋势 液压打桩锤作为一种新型的预制桩锤击设备，具备预制桩施工的优点，同时 又能避免柴油锤打桩时产生的噪声和油烟污染【3 1 3 3 1 。在世界各国致力于建设环境 友好型、资源节约型社会的大环境下，液压打桩锤取代诸如柴油锤的传统打桩设 备是大势所趋。其发展趋势有以下几个方面【2 9 j ： ( 1 ) 对锤击系统在不同参数下锤击性能的研究； ( 2 ) 液压系统的节能及能量利用率的研究； ( 3 ) 减少振动缓冲垫层材料研究； ( 4 ) 降低锤击时产生噪声的研究； ( 5 ) 降低锤击时产生桩断裂，偏斜等方面的研究： ( 6 ) 开发可打倾斜桩的大型液压打桩锤： ( 7 ) 开发研究可用于海洋工程中水下打桩的液压打桩锤； ( 8 ) 开发研究桥梁港口施工中使用的超大型液压打桩锤； ( 9 ) 开发适用于不同土质、不同桩形式和尺寸、不同的施工要求的多功能型液 压打桩锤。 1 3 锤击系统波动力学研究历史与现状 应力波理论最早是从弹性波开始发展起来的。最早使用应力波处理碰撞问题 是b o u s s i n e s q 和s a i n t v e n a n t ，他们分别讨论了重块对直杆的碰撞和二杆对撞问 题。h o p k i n s o n 父子设计压杆实验装置，至今任被使用称为霍普金逊杆( s h p b ) 。 二十世纪三十年代，d o n n e l l 和d o h l 才将波动力学理论应用于冲击凿岩和冲压成 型机械中锤与杆碰撞问题。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。他得出的结论表明锤撞击杆时，锤与杆中不但有压应力作 用，同时还存在拉应力，且拉压应力皆沿纵向传播。这一结论结束了冲击部件只 有压应力这一学说。五十年代，a r n d tf i s c h e r 和s m i t h 分别应用特征线图解法和 有限差分法得到了阶梯状冲锤与杆撞击产生的应力波的计算的方法，但由于当时 计算条件的限制，冲击机械波动力学理论研究在工程界的应用没有得到足够的重 视。六十年代初期，随着电子示波器和电子计算机的高速发展以及基于电子计算 机的数学计算方法的不断完善，使得对碰撞问题的波动力学研究和波动方程的求 解更进一步。随后，越来越多的学者对冲击波动力学进行了相应的研究。 f a i r h u r s t 、h u s t r u l i d 和s i m o n 首先在理论上研究了包括冲锤和钎杆在内的冲击系 统应力波的传播规律以及在岩石上力和能力传递效率p 4 。引。f o r e h a n d 和r e e s e 应 用数值计算分析了沉桩过程1 36 1 ，r a u s c h e 提出了c a s e 法，后来发展成c a p w a p 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 程序，并研究出打桩分析仪。 当前，应力波主要用于桩基工程的检测，着眼点是桩的承载能力【3 7 - 4 0 ，而较 少涉及到打桩机锤击过程及沉桩能力的分析【4 1 删。通过对液压锤打桩的波动力学 研究，从而为打桩锤的设计和改进提供理论依据，是对液压锤锤击打桩波动力学 研究的主要目的。 1 4 液压锤锤击系统研究现状 液压打桩锤作为冲击机械的一种，其锤击系统结构不仅仅局限于冲击式直接 碰撞。针对液压打桩锤，国内不少学者利用经典牛顿碰撞理论和波动理论，对其 锤击系统进行了相应的分析。 1 9 6 0 年，e a l s m i m m j 提出了最初的模型。通过使用波动方程概念，将整 个锤击系统离散为许多单元组成，锤帽、桩帽、锤垫与桩垫以及桩身部分的弹性 均由无质量的弹簧模拟，而各部分的质量由不可压缩的刚性质量块代替，通过数 值积分和计算机，取得了当时较满意的解答。w a t a k e 4 6 】等忽略了桩与土之间 的相互作用，采用质量一弹簧阻尼模型，利用数值计算法，对桩顶产生的锤击 应力波进行了分析。朱合华【47 】考虑桩锤、锤垫、桩帽、桩垫的共同作用，锤垫 的粘弹性，采用数值模型，建立平衡方程，推导出锤击力的解析解。王仕方【4 8 】 通过对锤旎加初速度，建立了动力打桩分析模型，获得了桩端动位移和速度的解 析解。范臻辉【4 9 】使用载荷传递法对桩土间的相互作用进行了分析。然而，在这 些分析当中，边界条件与实际工况相差较远，导致分析结果与实际有所偏差。 有限元分析( f e a ) 是工程技术领域进行科学计算的结果非常重要的方法之 一，利用有限元分析可以获得几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息。当前， 一些学者采用采用有限单元法( f e m ) 对打桩过程进行了分析。方治华【5 0 】采用对锤 施加初速度，利用a b a q u s 软件对打桩过程进行了非线性有限元分析：m a b s o u t m e i s l 采用轴对称f e m 法，通过对桩顶施加载荷时间曲线对打桩过程进行了分 析；b o r j a 5 2 忽略桩土之间的相互作用，采用f e m 法通过施加载荷时间曲线对打 桩过程进行了分析；袁凡凡【5 3 】也采用了同样的方法对桩土之间相互作用进行了 分析。然而，桩顶载荷时间曲线与打桩锤打桩过程之间相互作用有密切关系，打 桩过程中忽略桩土之间的相互作用也是不合理的。所以，以上模型均不能很好的 模拟液压锤打桩的动态过程。 1 5 课题来源与研究内容及意义 1 5 1 课题来源 湖南省科技厅科技计划项目( 项目编号2 0 0 8 j t l 0 1 4 ，可无级调节打击能量 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 与打击频率的打桩锤气液联合控制方案研究) 。 针对国内外液压打桩锤及其锤击系统的研究状况，使用应力波理论对锤击系 统动力学进行了