（机械设计及理论专业论文）液压桩锤冲击机构的瞬态动力特性及冲击性能研究.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己在论文中作了明确的说明。 作者签名：互三杰日期：江年月上日 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。 日期：洫年月日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 液压打桩锤是一种噪声相对较低、无污染、振动较小、打击能量 较高的桩工机械。目前，国外的液压打桩锤基本形成了系列；国内的 液压打桩锤技术相对比较落后，目前还没有进行大规模生产和设计的 厂家，我国使用的液压打桩锤基本上从国外进口。液压打桩锤有很多 性能评价指标，其中最大冲击力、冲击效率和冲击噪声是非常重要的 性能指标，而国内生产的液压打桩锤样机存在冲击力不足、冲击效率 较低和冲击噪声过大等问题。本文就着眼于由锤体、锤垫、桩帽、桩 垫和桩组成的冲击机构，分析影响以上三种评价指标的各种因素，并 对它们进行优化，从而得到最佳参数。 首先，本文以古典牛顿碰撞理论为基础，针对冲击机构提出了一 种新的解析模型，根据此模型建立运动微分方程并求解，得到贯入度 与各参数之间的关系。利用系统的传递函数对其进行优化，得到在特 定土层下的锤垫和桩垫的最优参数值。 然后，本文以高应变波动理论为基础对冲击机构进行研究。分析 了锤体与桩的波阻关系对冲击力的影响，从而总结出锤体形状的设计 原则。利用s m i t h 原理建立桩的波动模型，求解出桩体任意位置的位 移时间关系式。根据不同的土层边界条件，计算总结出位移波和应力 波在桩底的反射规律，从而为基桩检测提供理论依据。 利用a n s y s l s d y n a 对冲击机构的单次碰撞进行波动特性仿真 研究。分析出桩底应力时间变化和位移时间变化，进而通过计算求出 整个冲击机构的冲击效率，画出垫层参数与冲击效率、贯入度、最大 冲击力和冲击力作用时间的关系曲线。通过改变土层的参数，分析不 同边界条件的桩体应力波和位移波的传递情况。通过改变锤体半径来 改变锤体的波阻，从而分析不同半径的锤体对冲击力的影响。 随后，利用碰撞振动理论和声固耦合理论对冲击机构进行分析， 得到冲击噪声与垫层参数的关系。利用仪器测出不同垫层的噪声频率 特性以及距离锤体不同距离的噪声值，总结垫层对冲击噪声的影响。 最后，利用测试装置对z c y b 7 1 3 0 型液压打桩锤的冲击力进行测 试。通过实验得到橡胶板和胶木板作为垫层的冲击效率，得到其大小 与理论仿真分析结果一致。 关键词液压打桩锤，垫层参数，冲击效率，有限元，冲击噪声 r a b s t r a c t - 一 h y d r a u l i cp i l eh a m m e ri sap i l e d r i v i n gm a c h i n e ，w h i c hh a sl o w n o i s e ，n op o l l u t i o n ，s m a l lv i b r a t i o na n dh i g hi m p a c te n e r g y n o w , h y d r a u l i cp i l eh a m m e ri nt h ef o r e i g nc o u n t r yh a sb e c o m eas e r i e s b u ti n c h i n a ，t h et e c h n i q u eo fh y d r a u l i cp i l eh a m m e ri sr e l a t i v e l yb a c k w a r d s r 一 一一 一 lh e r el sn om a n u l a c t u r e ri nd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n gi t l a r g e s c a l e s o m o s to ft h eh y d r a u l i cp i l eh a m m e r sa r ei m p o r t e df r o mo t h e rc o u n t r i e s t h e r ea r em a n ye v a l u a t i n gi n d i c a t o r sf o rp i l eh a m m e r , w h i c ht h el a r g e s t i m p a c tf o r c e ，t h ei m p a c te f f i c i e n c ya n di m p a c tn o i s ei sv e r yi m p o r t a n t b u tm a n yh y d r a u l i cp i l eh a m m e r sp r o d u c e di no u rc o u n t r ya r es m a l l i m p a c tf o r c e , l o wi m p a c te f f i c i e n c ya n dh i g hi m p a c tn o i s e s ot h i sp a p e r i sa b a s e do nt h ei m p a c ts t r u c t u r e ，w h a ta r ec o m p o s e do f h a m m e r , h a m m e r c r a s hp a d ，p i l ec a p ，p i l ec r a s hp a da n dp i l e ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f f a c t o rf o rt h et h r e ei n d i c a t o r s ，a n dt h e no p t i m i z et h e m f i r s t ，a b a s e do nt h ei m p a c tt h e o r yo fn e w t o n ，t h i sp a p e rh a s o b t a i n e dan e ws o l u t i o nm o d e lf o ri m p a c ts t r u c t u r e w ec a l lo b t a i na o r d i n a r yd i f f e r e n t i a le q u a t i o nf o rt h i sm o d e l ，a n ds o l v ei t ，a n dw ec a n k n o wt h er e l a t i o n s h i po fl e n g t ho f p e n e t r a t i o na n dp a r a m e t e r s t h e nu s i n g t h et r a n s f e rf u n c t i o nt o o p t i m i z et h ep a r a m e t e r s ，a n do b t a i nt h eb e s t p a r a m e t e r sa tt h es p e c i a ls o i l ，h1 一一 lh e n ，t h i sp a p e r a n a l y s i si tw i t hw a v em o t i o nt h e o r i e s a c c o r d i n gt o d i f f e r e n th a m m e rs h a p e ，w ec a no b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh a m m e r w a v ed r a ga n di m p a c tf o r c e ，t h e nk n o ww h a ts h a p eo fh a m m e rw es h o u l d s e l e c t u s i n gt h et h e o r yo fs m i t h ，w ec a l lo b t a i nt h ed i s p l a c e m e n t r e l a t i o n a la ta n yl o c a t i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts o i l ，t h i sp a p e rh a s a n a l y z e dt h eb a c kw a v ea tt h eb o t t o mo ft h ep i l e t h e s ec a l lb er e f e r e n c e d f o rp i l et e s t 7 i h ep a p e rh a su s e da n s y s l s d y n at os i m u l a t ef o rt h es i n g l e d y n a m i ci m p a c ts t r u c t u r e 。膀c a r lo b t a i nt h es t r e s sc h a n g ec u r v ea n d d i s p l a c e m e n tc h a n g ec u r v e , c a l c u l a t et h ei m p a c te f f i c i e n c y , a n dt h e n a n a l y s i s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r a s h c a pp a r a m e t e ra n di m p a c t e f f i c i e n c y , l e n g t ho fp e n e t r a t i o n ，t h el a r g e s ti m p a c tf o r c e ，a c t i n gt i m e t h r o u g hc h a n g i n gt h eb u l km o d u l u s ，w ec a l la n a l y s i st h ew a v ei n d i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h r o u g hc h a n g i n gt h er a d i u so fh a m m e r , w ec a na n a l y s i st h ei m p a c tf o r c ei nd i f f e r e n tw a v ed r a g u s i n gt h et h e o r yo fi m p a c tv i b r a t i o na n ds o u n d ，t h e n w ec a i lj u d g e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m p a c tn o i s ea n dc r a s hp a d w ea l s o t e s tt h e f r e q u e n c yp r o p e r t yo f n o i s ea n dm e a s u r et h es o u n dp r e s s u r ei nd i f f e r e n t d i s t a n c e f i n a i i y ，u s i n gi n s t r u m e n tt om e a s u r e t h ei m p a c tf o r c eo fz c y b 7 1 3 0 h y d r a u l i cp i l eh a m m e r , o b t a i ni m p a c te f f i c i e n c yo fr u b b e ra n de b o n i t e s h e e t i n g ，a n dc o m p a r e w i t ht h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，p r o v et h es i m u l a t i o n t ob ef i g h t k e yw o r d sh y d r a u l i cp i l eh a m m e r , c r a s hp a dp a r a m e t e r , i m p a c te f f i c i e n c y , t h ef i n i t ee l e m e n t ，i m p a c t n o i s e 1 1 1 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第一章绪论1 1 1 液压打桩锤的结构及原理概述l 1 2 液压打桩锤的技术现状和发展趋势3 1 2 1 国内外液压打桩锤的研究现状及存在问题3 1 2 2 液压打桩锤的发展趋势5 1 3 冲击碰撞机械系统研究的发展及现状。5 1 3 1 国内外碰撞机械系统的研究概况5 1 3 2 液压打桩锤冲击机构的研究现状。7 1 4 课题的来源和意义8 1 4 1 课题的来源8 1 4 2 课题的意义。8 1 5 论文的研究内容8 1 6 本章小结9 第二章液压打桩锤冲击机构的整体解析模型研究1 0 2 1 冲击模型的方案选择与优化求解1 0 2 1 1 冲击机构物理模型的方案选择l o 2 1 2 冲击机构桩顶冲击力计算1 3 2 1 3 冲击机构垫层参数优化计算1 4 2 2 冲击机构整体建模与仿真研究1 6 2 3 本章小结1 9 第三章液压打桩锤冲击机构的波动特性理论研究2 0 3 1 锤体与桩的冲击过程研究2 0 3 1 1 锤体与桩的直接碰撞2 0 3 1 2 锤体与桩间接碰撞的冲击应力2 5 3 2 桩土的等代力学建模与波动方程求解2 7 3 3 应力波在桩体中的传播特性3l 3 3 1 桩体动态响应的数学模型。3 l 3 3 2 各种桩型的位移波动态响应3 2 3 3 3 桩底波的反射特点分析3 3 3 4 本章小结3 4 第四章液压打桩锤冲击机构的波动特性仿真研究3 5 4 1 冲击机构有限元模型的建立。3 5 4 1 1 冲击机构的几何尺寸3 5 4 1 2 冲击机构的各种材料属性3 6 4 1 3 冲击机构的有限元模型及求解一4 0 4 2 垫层参数对冲击机构的影响分析4 2 4 2 1 冲击机构的冲击效率计算4 2 中南大学硕士学位论文 目录 4 2 2 冲击效率优化分析 4 3 土层参数对冲击机构的影响分析4 8 4 3 1 位移波动曲线比较分析4 8 4 3 1 应力波动曲线比较分析4 9 4 4 锤体形状对冲击力的影响分析。5 0 4 5 本章小结。5 2 第五章液压打桩锤冲击机构的垫层对噪声的影晌研究5 3 5 1 桩锤冲击噪声的产生机理。5 3 5 1 1 锤体的加速度噪声5 3 5 1 2 锤体的自鸣振动噪声5 4 5 2 锤体与空气流体耦合分析5 6 5 3 不同垫层的噪声测试比较5 8 5 4 本章小结6 0 第六章液压打桩锤冲击力与冲击效率测试实验6 1 6 1 实验目的6 l 6 2 实验研究内容。6 l 6 3 实验设备6 l 6 4 实验方法及原理6 2 6 5 实验结果及其分析6 5 6 6 本章小结7 0 第七章全文总结与展望7 1 参考文献7 3 附录7 7 致谢8 5 攻读硕士学位期间主要的研究成果8 6 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 液压打桩锤的结构及原理概述 液压打桩锤技术起源于6 0 年代，1 9 6 4 年荷兰h b g 公司研究发展部开始研究液 压打桩锤，1 9 6 5 年试制成功世界上第台液压打桩锤，1 9 6 9 年制成h b m 型液压打 桩锤，1 9 7 6 年英国b s p 公司研制成功1 0 吨锤重的液压打桩锤。日本日立建机( 株) 公司买进英国b s p 公司的专利于1 9 7 9 年试制成功，并开始投入实际使用。1 9 8 3 年， 液压打桩锤被建设者的“建设技术评定制度 所确认，因此其进一步取得了 普及推广。鉴于液压打桩锤工作噪声较低、打击能量大和工作可控性好等优点， 7 0 年代至8 0 年代德国、前苏联、芬兰、美国、瑞典等国家也先后制造了各种形式 的液压打桩锤。而我国在进入9 0 年代后，才开始研制液压打桩锤口1 。图1 - 1 为湖 南长河机械有限公司生产的z c y b 型液压打桩机外形图。 卜机架2 一液压打桩锤3 桩4 - a 压系统5 一机身6 一行走装置 图1 - 1z c y b 型液压打桩机外形图 一般液压打桩机主要有机架、液压打桩锤、桩、机身、液压系统、行走装置 等组成。液压打桩锤作为整个打桩机的核心部件，主要由四部分组成：锤架、驱 动装置、冲击缓冲装置和液压系统眵1 。 锤架l ( 图卜2 ) 为液压打桩锤的支撑骨架，用来固定冲击油缸、锤体和各种 1 南大学硕士学位论文 第一章绪论 压元件等，整个机架可以在导柱上滑动。为了便于拆卸，锤架通常分为几层设 ，每层之间通过螺栓连接。为了保证能够一次性打击最长型号的预制桩，锤架 高度不能太高，以便其在导柱上拥有足够的上下活动空间。 驱动装置主要由锤体总成和冲击油缸等部分组成。根据驱动方式的不同，可 以分为单作用式驱动和双作用式驱动1 。单作用式驱动液压打桩锤是通过油缸下 腔的液压油压力将锤体举升到一定高度后快速释放，冲击锤以自由落体的方式冲 击桩顶，即锤体仅受到重力的驱动作用；双作用式驱动液压打桩锤是除了受到重 力的驱动作用之外，还有另外一种力作用于锤体，使锤体的下落加速度大于重力 加速度。目前，双作用式驱动液压打桩锤分又为两种：一种为差动连接驱动法， 另一种为氮爆式驱动法h 1 。差动连接驱动原理是锤体下打的过程中，液压油路形 成一种差动连接，有杆腔的液压油可以直接回到无杆腔，根据油缸上下腔作用力 面积的不同，使锤体加速下落：氮爆式驱动原理是锤体上升时压缩冲击油缸上腔 的氮气，锤体下落时氮气膨胀做功，从而使锤体加速下落。 i 图1 - 2 缓冲装置结构简图 冲击缓冲装置主要由垫板3 、橡胶垫4 、打击套5 、桩帽6 和桩垫7 组成，如图 1 - 2 所示。图中垫板3 和橡胶垫4 可以组合表示成锤垫，打击套5 和桩帽6 可以组合 表示成桩帽。这样，简化后的冲击机构就由锤体2 、锤垫、桩帽、桩垫7 和桩8 组 成1 。冲击缓冲装置的主要作用是传递打击力，使其平稳的输送到桩顶，避免破 坏桩头。缓冲装置的参数设置需满足两个条件：一是要保证拥有足够的打击力， 二是要保证有足够长的作用时间。 液压系统主要由液压泵、溢流阀、换向阀、高低压蓄能器、油缸以及管路等 组成嗍。图1 - 3 、1 - 4 、卜5 为几种生产厂家所设计的液压系统原理图h 1 。对于每 种液压系统的具体油路流向，这里不予介绍。总结起来，所有液压系统的设计都 注重在以下两个方面：一是实现锤体的行程稳定和打击频率稳定；二是降低液压 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 系统的回油背压，提高其进油和回油速度，以减少锤体下落的能量损失。 卜油缸2 一逻辑阀23 一电磁阀24 一单向阀 5 一高压蓄能器6 一电磁阀37 一逻辑阀3 8 一电磁阀19 一逻辑阀11 0 - 液压泵 1 1 - 低压蓄能器1 2 - 溢流阀1 3 一行程开关 图1 - 3n h 型液压打桩锤液压系统 卜油缸2 一先导控制阀3 一比例变量泵4 一减压阀 5 一油箱6 一冷却泵7 一蓄能器8 一溢流阀 9 一电磁换向阀1 0 - 单向节流阀1 l 懈蓄能器 1 2 - 高压蓄能器1 3 - 接近开关 图1 - 4h h 3 5 7 型液压打桩锤液压系统 卜油缸2 一主换向阀3 一先导电磁换向阀4 一高压蓄能器5 一电磁换向阀 6 一单向阀7 一溢流阀8 一变量泵总成9 一油箱l o 低压蓄能器 图卜5h h k a 型液压打桩锤液压系统 1 2 液压打桩锤的技术现状和发展趋势 1 2 1 国内外液压打桩锤的研究现状及存在问题 目前，液压打桩锤在国外发达国家被广泛使用，并已形成系列化。有许多公 3 南大学硕士学位论文 第一章绪论 开发了各种形式的液压打桩锤，典型的产品如英国的b s p 系列、荷兰i h c 公司的 系列、日本日立公司的h n c 系列、日本车辆公司的n h 系列和n h s 系列、美国h p s i 司的m o d e l 系列、芬兰j u n t t a n 公司的h h k 以及h h k a 系列等嘲。 国内的液压打桩锤技术相对比较落后，目前还没有进行大规模生产和设计的 家，我国建筑单位使用的液压打桩锤基本上全部从其它国家进口。国内目前只 上海金泰公司等少数单位和研究部门从日本等国家引进液压打桩锤技术进行 化吸收并开始试制生产。 近年来，随着国外液压打桩锤逐渐被引入国内，相关学者对液压打桩锤也进 了各方面的研究。杨永海、吕景忠、隋振m 等分析了加速下落冲击式液压打桩 锤的结构组成和工作原理，应用状态空间法对冲击过程建立数学模型，并进行了 仿真分析。孙莉n 帕介绍了一种新型液压打桩锤锤体主体结构的构成、工作原理以 及与国内外同类产品关键技术的对比分析，证明了其锤体主体结构具有结构新 颖、制造成本低、工作可靠等特点。刘树道、童伟、迟永滨n 妇等对一种新型液压 打桩锤的打桩过程进行了运动学及动力学分析，并在此基础上提出了桩锤在各个 打击过程的数学模型，最后对各阶段进行了仿真分析，仿真研究对改进和优化打 桩锤的各个设计参数具有指导意义。罗春雷、胡均平、朱桂华n 2 1 等介绍了一种新 型高效低公害桩工机械z c y 系列液压打桩锤，对其功能结构和性能特点进行 了深入分析。该机采用气液联合控制，将氮气压缩后的膨胀能和锤体重力势能作 为对预制桩的打击能量，实现冲击能、冲击频率的无级调速，增强了控制性能和 打击能力，提高了设备的适应性。 目前，国内外液压打桩锤研究存在的问题主要有： ( 1 ) 国内缺少液压系统理论分析资料。了解液压系统只能通过观测实物或 者在国外产品说明书中油路原理图的基础上进行分析。在我国目前还没有见到关 于液压打桩锤理论分析与研究的完整资料。 ( 2 ) 国内关于液压打桩锤产品的设计理论与设计方法不够成熟，还没有形 成一套完整的液压打桩锤产品设计理论与方法。关于液压打桩锤系统工作过程运 动特性和过渡过程的动态特性分析，液压打桩锤打桩过程中由油缸一锤体一桩帽一 桩一地基等组成系统的动力学特性分析也很少见到。国内对引进液压打桩锤的工 作机理、结构形式、设计思路、设计计算理论等消化吸收不充分，还没有真正意 义上开发出液压打桩锤产品。 ( 3 ) 国内产品的设计、制造和试验手段的层次较低。计算机辅助设计、计 算机仿真与优化设计等技术在该领域的利用效率较低。液压打桩锤的设计方法与 设计理论还处于比较传统的估算、类比等设计阶段。还没有利用计算机进行产品 的参数化、系列化、标准化设计等，不能高效地进行新产品的开发研制。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 国外液压打桩锤产品本身也存在问题。双作用液压打桩锤打击频率较 低，例如日本车辆公司生产的n h 一1 0 0 型液压打桩锤每分钟打击次数最大行程时为 2 0 次，回程速度仅为0 5 m s 左右。单作用液压锤的打击能量仍显不足，主要利用 锤体的自由下落所产生的能量打击桩，冲击力较小。若需要大的打击能量则需要 增加打击行程，增大锤体结构尺寸。 ( 5 ) 制造成本高，产品结构复杂，价格昂贵。由于液压打桩锤是典型的高 压力、大流量、换向频繁、冲击很大的产品，对液压元件的制造精度和配合精度 要求很高，附属部件多且价格比较昂贵，制造成本很高。由于锤体重量很大，工 作时桩架需承受很大的作用力，因而对桩架的要求也很高。同时，目前液压打桩 锤产品的结构工艺性也存在一些问题。所以昂贵的价格是制约液压打桩锤技术发 展的最重要因素之一。 1 2 2 液压打桩锤的发展趋势 目前，国外已有芬兰、美国、英国、日本、德国等国家争相发展液压打桩锤， 基本形成了系列，其结构各异，规格也不尽一样，其各种吨位大小均有。根据市 场发展的需求，其研制开发的动向是： ( 1 ) 可打倾斜桩的液压打桩锤； ( 2 ) 桥梁港口施工中的超大型液压打桩锤； ( 3 ) 可打型桩和板型桩的液压打桩锤； ( 4 ) 液压系统的节能及能量的充分利用的研究； ( 5 ) 减少振动和垫层材质的研究； ( 6 ) 锤体下落高度及冲击次数的显示装置； ( 7 ) 提高锤体打击力和打击次数，提高效率的研究； ( 8 ) 锤体的轻量化、可靠性及减振降噪的研究： ( 9 ) 智能桩锤的开发与研究。 1 3 冲击碰撞机械系统研究的发展及现状 1 3 1 国内外碰撞机械系统的研究概况 2 0 世纪6 0 年代，冲击机械的设计和选用都是基于古典碰撞理论进行的，甚至 至今，一些冲击机械仍然如此。古典碰撞理论将相撞的物体视为刚体而不考虑其 结构形状，只做整体运动而不考虑其内部应力，只给出碰撞结局而不讨论碰撞过 程n 劓。由此推导出的速度、动能损失和效率只取决于相撞物体的质量和恢复系数， 而与相撞物体的结构形状无关，也无法给出各种冲击部件的受力状态。 有关冲击机械系统动力学的研究可以追溯到2 0 世纪初，法国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碰撞问题，他们分别讨论了重 5 第一章绪论 试手段和计算技术的限制，直到5 0 年代初期，冲击机械系统的分析与设计仍停留 在牛顿碰撞定理的理论水平上。 2 0 世纪5 0 年代末期以来，随着电子示波技术和电子计算机的应用与逐渐普 及，冲击机械系统的波动力学研究引起了各国学者较浓厚的兴趣。s m i t h 、h r n d t 和f i s c h e r 分别应用有限差分法和特征线图解法提出了计算阶梯状冲锤与杆撞击 产生应力波的方法。随后，s a m s o n 和s u t t a 等分别基于有限差分法和波的透反射 关系编制了任意形状锤体与杆撞击产生应力波的计算机程序。f a i r h u r s t 、s i m o n 和h u s t r u l i d 等对冲击系统中应力波的传递规律、应力波波形与能量传递效率的 关系等问题进行了较为系统的研究；高岗三郎率先探讨了钎杆接头的能量传递与 耗散规律；l u n d b e r g 进一步深化t f a i r h u r s t 和高岗三郎等的研究工作，并探讨 了冲击系统中诸部件与工作介质的动态特性的匹配关系。与此同时，冲击机械与 工作介质的相互作用机理的研究也取得了进展，应用弹性力学和塑性力学，建立 了一些典型的工作介质的力学模型。同期，国内学者白玉衡、徐小荷、赵统武和 赖海辉等也就许多相关课题展开了研究工作，独立地取得了许多与国外相当的研 究成果，特别是西安交通大学在7 0 年代所进行的关于凿岩机活塞、钎尾和锻锤锤 杆等多种冲击部件的损坏机理与热处理工艺的系统研究更具有开创性意义。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，冲击机械系统动力学研究主要集中在数值模拟计 算，以及冲击部件疲劳强度分析与设计方面。各国学者在先前的理论与试验研究 所获得的数学模型的基础上，研制了多种数值模拟程序，从而使冲击机械系统动 力学研究更加贴近具体的冲击机械。g o b l e 和r a u s c h e 将7 0 年代提出的冲击沉桩 c a s e 方法发展成为c a p w a p 程序。l u n d b e r g 随继提出了冲击凿岩系统撞击、凿入和 撞击凿入全过程的数值模拟方法，并对世界著名的凿岩机生产商a t l a s c o p c o 公 司制造的c o p l 0 3 8 液压凿岩机进行了数值模拟分析与评估；徐小荷1 9 8 4 年提出了 基于表算法的冲击凿岩系统的数值计算方法与程序，对d h d 一3 6 0 潜孔冲击器进行 数值模拟和试验研究；大久保诚介在1 9 9 1 年完成了连续冲击作用下的计算机模拟 冲击凿岩机工作过程研究。与此同时，在数值模拟和测试获得的冲击部件应力谱 的基础上，赵统武、黄伟和黄吕权等分别就冲击凿岩机械中的钎杆、锻锤中的锤 杆和枪炮中的击针等冲击部件的应力谱特征、破坏机理和疲劳强度进行了深入研 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 究分析n 钔。 1 3 2 液压打桩锤冲击机构的研究现状 打桩锤作为冲击碰撞机械的一种，其结构不仅仅局限于冲击机械的直接碰 撞，还要考虑碰撞物体之间增加垫层的间接碰撞的情况。针对打桩锤，国内不少 研究学者利用古典牛顿碰撞理论和波动理论，对其冲击机构进行了分析。 王仕方n 司等分析了预制桩的可打性问题，在一维应力波传播理论的基础上， 建立了锤一桩一土三者之间相互作用的模型，获得了桩端的动位移和速度的解析 解，研究了施工工艺参数、桩的设计参数以及地质条件等对冲击力、桩顶贯入度 和桩顶回弹等的影响。分析表明，桩垫刚度、锤体质量对桩的贯入度影响非常大。 但他们并没有对桩垫刚度进行最优化分析，在同等情况下获得桩垫刚度的最优 值，从而使桩的贯入度达到最大。 谢永健、朱合华n 岫等针对桩锤、桩帽、锤垫、桩垫组成的锤击系统，提出了 一种新的解析模型。该模型分别用不同的集中质量块表示锤体、桩帽，用一并联 的弹簧、阻尼器表示锤垫，用一弹簧表示桩垫，同时用阻尼器表示桩，建立平衡 方程，利用拉普拉斯变换推导出锤击力的解析解。该解析解均用无量纲表示，可 用来研究垫层材料的参数、桩帽与桩锤质量比对锤击力的影响，并利用室内试验 确定出桩垫材料的刚性系数。但他们的锤击模型没有充分考虑桩与土的关系，并 且没有进行最优化分析，仅仅取不同的垫层刚度值进行比较研究。 查理根n 刀利用波动力学理论，分析桩锤撞击过程中应力波在锤、垫层、桩体 和地基中的传播形式，建立计算冲击应力、桩锤最大工作行程和桩承载力方法。 讨论不同地基情况下桩锤撞击产生的应力波在桩体内的传播形式，分析桩锤直接 撞击和桩锤间接撞击过程中产生冲击力的形式。讨论不同工况下合理选择垫层和 桩帽的材料、结构形状和几何尺寸以及桩锤最大工作行程的原则，以实现锤一垫 层一桩之间的合理匹配，得到既能将桩顺利打入又不损坏桩的目的。但其讨论的 不够深入，仅仅提供了求解方法，缺少系统的仿真和实验研究。且其将锤垫、桩 帽和桩垫看成一个整体，用一个弹簧单元表示，从而不能研究桩垫和锤垫的单独 作用情况。 综上所述，目前对液压打桩锤冲击机构的研究存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 建立的解析模型不够完整，如没有充分考虑桩与土的关系等； ( 2 ) 没有对锤垫和桩垫的参数值进行优化分析； ( 3 ) 运用波动理论对冲击机构分析的不够完整和深入； ( 4 ) 缺少利用相关的仿真软件对冲击机构进行有限元仿真研究： ( 5 ) 缺少将垫层与冲击噪声联系起来进行分析的相关资料； 7 论文 第一章绪论 源和意义 源 打桩锤在国外发达国家被广泛使用，并已形成系列化，有许多公 司开发了各种形式的液压打桩锤。国内的液压打桩锤技术相对比较落后，目前还 没有进行大规模生产和设计的厂家，我国建筑单位使用的液压打桩锤基本上全部 从其它国家进口而来。国内科研单位和厂家对液压打桩锤的研究也只是刚刚起步， 距离生产大吨位液压锤和形成系列化尚有很大的差距。结合国内液压打桩锤研究 存在的问题，湖南省科技厅设立了液压打桩锤的研究项目：可无级调节冲击能和 频率的液压打桩气液控制方案研究( 项目编号：2 0 0 8 j t l 0 1 4 ) 。 1 4 2 课题的意义 国内的液压打桩锤基本都处在理论实验阶段，生产出来的打桩锤要么因缓冲 效果不好、冲击力峰值过大而导致桩头损害，要么缓冲时间不够而导致桩的贯入 度太小，要么垫层刚度太小而导致打击力不够。所以合理的垫层参数对桩的正常 贯入起着非常重要的作用。本课题对垫层参数进行最优化分析，为设计人员选择 最佳的垫层参数提供参考。 在冲击机械中，相撞击的部件，如锤体、桩等，在撞击方向的尺寸( 即轴向 尺寸) 比横向尺寸大得多，古典牛顿碰撞理论将它们简化为质点显然是不合适的。 本文从波动力学上对冲击机构进行分析。由于对打入土层中的桩进行实验研究比 较困难，本文利用a n s y s 有限元分析软件对冲击机构进行建模分析，得到预制桩 的波动曲线和振动曲线。将理论分析和仿真分析结合在一起，证明了理论分析的 正确性，从而建立了一套完整的冲击机构分析理论。 在市中心区域，对桩工机械的噪声控制是相当严格的。本课题通过对液压打 桩锤冲击噪声的产生机理和控制方法进行研究，总结出垫层与冲击噪声的关系， 从而达到从噪声源上控制桩锤冲击噪声的目的。 1 5 论文的研究内容 本文研究的主要内容如下： l 、液压打桩锤的解析模型和垫层参数优化分析 ( 1 ) 对四种冲击机构物理模型进行分析比较，根据模型的全面性和可求解 性，选择最佳的模型建立运动微分方程并求解； ( 2 ) 根据所建立的微分方程，画出系统传递函数框图。对模型的垫层参数 进行最优化分析，得到在同等外界条件下贯入度最大时垫层的参数值； ( 3 ) 根据冲击机构的完整物理模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件中的固有 模块进行建模。分析锤垫的粘弹性系数、桩垫的粘弹性系数、桩周摩擦阻力、桩 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 端粘弹性系数以及桩本身的弹性对冲击力的影响； 2 、研究冲击机构部件之间相互作用的重要波动特性 ( 1 ) 基于牛顿碰撞原理的传统桩锤设计理论的局限性，建立以波动理论为 基础的桩锤设计理论，探讨锤体与桩直接和间接撞击产生的应力波波形； ( 2 ) 利用s m i t h 原理建立冲击机构的桩土作用模型，求出桩的波动方程和振 动方程； ( 3 ) 分析应力波在桩中的传递情况，得到不同桩底边界条件下桩底应力波 的反射情况，总结出桩的反射规律。 3 、冲击机构单次碰撞的有限元建模及波动特性仿真分析 ( 1 ) 参考z c y b 7 1 3 0 型液压打桩锤，确定冲击机构基本尺寸，分析锤体、 锤垫、桩帽、桩垫、桩和土的材料特性； ( 2 ) 利用a n s y s l s d y n a 有限元分析软件，对冲击机构建立有限元模型； ( 3 ) 通过选择不同的垫层材料参数，得到桩底应力变化曲线和位移变化曲 线，求出整个冲击机构的冲击效率，分析出垫层参数与冲击效率、贯入度、最大 打击力和冲击力作用时间的关系。通过改变土层的体积模量，分析不同土层边界 条件的桩体应力波的传递情况。通过改变锤体半径来改变锤体的波阻，从而分析 出不同波阻下的锤体对冲击力的影响。 4 、垫层参数与冲击噪声的关系研究 ( 1 ) 理论上研究液压打桩锤冲击振动响应，并利用有限元方法得到冲击噪 声的声固耦合理论。根据这些理论特性，总结出冲击噪声与垫层的关系； ( 2 ) 对不同垫层的冲击噪声进行测试，得到其噪声频率特性曲线。同时利 用声级计测试不同距离噪声，分析其变化规律。 5 、冲击机构的冲击力和冲击效率实验研究 根据实验目的、实验要求选择合适的实验仪器。以橡胶板和胶木板作为垫层， 通过测试出桩顶冲击力和桩的贯入度，计算桩顶的冲击能量，进而计算出将橡胶 板和胶木板分别作为垫层时，冲击机构的能量传递效率。 1 6 本章小结 本章首先对液压打桩锤的结构原理进行了概述，介绍了其发展过程和研究现 状，总结了目前液压打桩锤研究仍然存在的问题及其发展趋势。然后阐述了国内 外冲击机械系统动力学和打桩锤冲击机构研究的发展和现状。最后介绍了选题的 背景、选题的意义以及本课题研究的内容。 9 中南大学硕士学位论文第二章液压打桩锤冲击机构的整体解析模型研究 第二章液压打桩锤冲击机构的整体解析模型研究 锤体、垫层、桩帽和桩组成的冲击机构是打桩施工工艺中的重要环节之一。 其中垫层一般分为锤垫和桩垫两种，分别置于锤体的下部和预制桩的上部，主要 起着减弱冲击力峰值的作用，避免损坏预制桩和锤体n8 1 ；同时垫层还有使冲击应 力分布均匀及控制冲击过程的作用力持续时间和将冲击能量传递给预制桩的重 要作用，所以对垫层材料的物理特性进行优化处理非常重要。本章将以古典牛顿 碰撞理论为基础，对液压打桩锤的冲击机构的解析模型进行分析求解。 2 1 冲击模型的方案选择与优化求解 2 1 1 冲击机构物理模型的方案选择 一般打桩机械冲击机构物理模型的建立，需要根据具体打桩机械的结构和施 工环境所决定。如柴油打桩锤利用密闭空气的压缩进行缓冲，其本身就没有使用 锤垫材料，那么对其建立的模型就有所差异。本章针对液压打桩锤冲击机构( 包 含锤体、锤垫、桩帽、桩垫、桩和土层) ，综合前人对冲击机构模型的研究以及 各自存在的不足，总结出了如下几种方案： 方案一：由锤体、垫层( 锤垫和桩垫结合) 和直接置于桩顶的桩帽组成的冲 击模型刎2 ，如图2 1 。 图2 一l 系统冲击模型l 此模型考虑了锤体的质量m ，和桩帽的质量m 口，将锤垫和桩垫结合看成是一 种弹性系数为露的弹性单元，将预制桩用一个阻尼系数为c 口的阻尼器代替，将 预制桩底部完全固定约束。上图中，尺o 表示锤体受到的瞬态冲击力，l l r 为锤体 的位移变化，为桩帽的位移变化。此模型的运动微分方程为 j 小，打，+ 七，( ”，一”n ) = f ( f ) ( 2 - 1 ) 【m 。+ c 。d 。+ t ( ”。一u r ) = 0 此模型由d o c kr a n d o l p h 提出，其运动方程简单，便于求出桩项冲击力的解 析解。但此模型不能反应锤垫和桩垫单独对冲击力的影响；同时由于土层是一种 1 0 中南大学硕士学位论文第二章液压打桩锤冲击机构的整体解析模型研究 弹塑性模型，尤其在硬土层中的弹性表现的更为明显，所以上述方案没有将桩与 土层之间的关系完全表达。在那些桩帽质量较小的液压打桩锤中，且所打预制桩 为摩擦桩，同时也为了快速求出冲击力的解析解，可以采用此模型。 方案二：由锤体、锤垫、桩帽和桩垫组成的冲击模型口州矧吼1 ，如图2 2 。 m 图2 - 2 系统锤击模型2 这种模型考虑了锤体的质量聊和桩帽的质量m 口，将锤垫和桩垫分别看成是 一种弹性系数为岛和乜的弹性材料，仍将预制桩用一个阻尼系数为岛的阻尼器 代替，将预制桩底部完全固定约束。上图中，f ( 0 表示锤体受到的瞬态冲击力， 蜥为锤体的位移变化，为桩帽的位移变化，鳓为桩顶的位移变化。此模型的运 动微分方程如下： l m ，+ t ( ”，一“。) = f ( f ) 历。i i 。+ t ( ”。一“，) + k o ( 材4 一u b ) =