（机械设计及理论专业论文）新型水泥土复合桩成型机的桩架设计研究.pdf

摘要 随着城市建设的发展，水泥土复合桩的应用越来越广。施工单位在工程实 践和总结水泥土复合桩型结构特点的基础上，提出了一种新型的，可以一次性 形成水泥土复合桩的工艺。本课题承担了适应新型复合桩工艺的复合桩成型机 的研制，在工艺设备已经完成的前提下，本文主要承担该设备的关键部件一桩 架的结构与性能研究。 1 本文分析了国内外桩机桩架研究的现状，选择了适合新型复合桩机的桩 架结构类型，并利用p r o e 对桩架进行了虚拟设计和装配； 2 本文在分析了其他桩杌各种工况的前提下，对新型复合桩机施工过程中 的各种复杂工作姿态进行了研究，进而确定桩架的危险工况； 3 对桩架的关键部件一立柱进行了各种工况下的静强度有限元分析；对主 要设计尺寸进行了优化分析；为了确保安全，对立柱进行了静应力强度校核与 解析计算。 4 通过虚拟样机技术对起架工况进行了仿真，从而得到了在起架的过程中， 起架能力和各个杆的内力随时间的变化曲线，以确定其最大值，并对其中受力 最大的时刻进行了力学分析计算，计算结果和仿真结果表明，二者基本一致， 说明仿真过程接近实际过程。 通过有限元分析和力学计算，得知本次设计的桩架可以满足新型复合桩机 的施工本文的分析方法和虚拟样机技术在起架工况上的应用可以为其他类型 桩机的设计和研究提供重要的参考依据。 关键词：水泥土复合桩；复合桩成型机；有限元； 虚拟样机：起架能力 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c i t yc o n s t r u c t i o n t h ea p p l i c a t i o no f c e m e n t s o i lc o m p o s i t ep i l i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e o nt h e f o u n d a t i o no ft a l l y i n gu pt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fc e m e n t s o i l c o m p o s i t ep i l i n ga n dc o m b i n i n ga c t u a le x p e r i e n c e ，ac o n s t r u c t i o nc o m p a n y p u t sf o r w a r dan e wt e c h n i q u eo ff o r m a t t i n gc e m e n t s o i lc o m p o s i t ep i l i n g i no n es t e p f o ra d a p t i n gt h i sk i n do ft e c h n i q u e ，w et o o ko u rh a n dt o t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fc o m p o s i t ep i l i n gm a c h i n e i nt h i st a s k ，t h e t e c h n i q u ee q u i p m e n th a sb e e na l r e a d yc o m p l e t e d t h i sp a p e ri sm a i n l yt o s t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep i l l i n gs h e l v e s 1 c o m p a r i n gt h ed o m e s t i ca n df o r e i g np i l l i n g s h e l v e so nt h ep i l l i n g m a c h i n e s ，w eg e tt h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so fe a c h s ow ec a nc h o o s e o n et y p es u i t e df o rt h i ss u b j e c t ，a n dt h u st od e s i g na n dv i r t u a l l y a s s e m b l ei tu t i l i z i n gp r o e 2 i nt h i sp a p e rw ea n a l y z e da l lk i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n so n c e m e n t s o i lc o m p o s i t ep i l l i n gm a c h i n ed e s i g n e df o rt h i ss u b j e c t ，a n d c o m p a r ei tw i t hf o r m e rp i l i n gm a c h i n e s b e c a u s et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h i st i m ei sm u c hc o m p l i c a t e d ，w ea n a l y z e dt h ep i l l i n gs h e l fo na l lt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n s 3 s o m ek e yp a r t s ( 1 e a d e r ) o ft h ep i l l i n g s h e l fa r ea n a l y z e db ys t a t i c s t r e n g t hf e au n d e re v e r yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n ds o m ed e s i g ns i z e sa r e o p t i m i z e d i no r d e rt oi n s u r et h es a f e t yo ft h ep i l l i n g s h e l f ，t h i sp a p e r c h e c k st h el e a d e r ss t r e s s ，a n dc a l c u l a t e st h es t r e s st h r o u g h m a t e r i a l s t r e n g t hm e t h o d 4 t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fl e a d e rr i s i n gi si m i t a t e db yv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，t h u sw eg o tt h ev a r i a t i o nc u r v e sa b o u tt h e l e a d e r r i s i n ga b i l i t ya n de a c hp o l e si n s i d ed i n tw i t ht i m ed u r i n gt h e p r o s e a n dt h e nw eg a i nt h eb i g g e s td i n t v a l u e ，a n da n a l y z ei tt h r o u g h s t r e n g t h m e t h o da tt h a tp o i n t w ec o m p a r e di tw i t ht h es t i m u l a t i o nr e s u l t ， a n df o u n dt h a tt h et w or e s u l t sa r ee s s e n t i a l l yi d e n t i c a l s ow ec a ns a y t h a tt h ei m i t a t e dp r o c e s si sc l o s et oa c t u a l c o m p a r ei tw i t hi m i t a t e d i l l r e s u lt ，t h e n ，w eg a i nt h a tt h et w or e s u lta r esi m il a r ，s o ，i m it a r e d p r o c e s sc l o s et oa c t u a l w i t ht h ef e aa n d t h em a t e r i a l s t r e n g t hm e t h o d ，w el e a r nt h a tt h i s p i l i n gs h e l fc a ns a t i s f yt h en e w 。t y p e c e m e n t s o i lc o m p o s i t ep i l l i n g m a c h i n e sw o r k t h ea n a l y s i sm e t h o da n d v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a p p l i e d o nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so f1 e a d e rr i s i n g p r o v i d e d a n i m p o r t a n tr e f e r e n c ef o ro t h e rp i l l i n gm a c h i n e sd e s i g na n ds t u d y k e y w o r d s ：c o m p o s i t ep i l l i n gm a c h i n e ：p i l ed r i v i n gm a c h i n e r y ；l e a d e r ： f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 轫圣日期：丝孕：! 喾 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：斩而导师签名狮日期矽7 j ，垆 第1 章绪论 1 1 引言 随着城市建设的快速发展，城市人口超饱和，地面空间显得日趋狭小，尤 其在沿海地区，为了充分利用含水量较高、强度低、压缩性较高的淤泥质、粉 质粘土为主的软弱地基来建造多层或小高层楼房，常采用桩土复合地基的方法， 其中水泥土复合桩具有单桩承载力高、造价低、施工工艺简单、质量容易控制、 施工噪声低、振动小、无土方排出、无须泥浆护壁、无沉渣隐患等优点，在软 土地基处理中获得广泛应用。，但是实施此工艺的施工机械的技术水平与国外相 比仍有差距，如产品自行开发少，仿制品种多；产品技术性能、质量的可靠性 有待提高，针对这一现状，为了提升我国桩工机械在2 l 世纪的竞争力，必须充 分利用计算机辅助工程技术，加强基础配套件的研究开发体系，使桩工机械产 品踏上一个新台阶来满足基础施工需求的增长。 本研究课题来源于与山东省某机械施工总公司的一个合作项目，该公司在 总结水泥土复合桩桩型的结构特点，分析国内外各种水泥土复合桩施工装置优 缺点的基础上，结合实际使用的经验，提出了一种新型的一次性形成水泥土复 合桩工艺，众所周知桩工机械的构造、性能、使用方法同基础施工工艺有密切 的关系，一种新的基础施工工艺出现，同时将伴随着产生一种新型的桩工机械 设备，因此本课题承担了适应新型复合桩工艺的新型复合桩成型机的研制。虽 然目前已经完成了工艺设备研制，但需要探索和研究的东西还很多，如水泥土 搅拌桩和混凝土桩心复合过程中的数学模型、力学特性及结构有限元分析等都 需要人们去探索，其中新型复合桩成型机的桩架作为主要受力部件，在工作过 程中承受多种外载荷的联合作用，载荷较大，工况复杂，其强度和剐度是否满 足设计要求，将直接影响成型机的使用寿命和复合桩的质量。 据调研，目前国内外尚无入对新型复合桩成型机桩架力学特性进行系统的 试验及理论研究，一次性使水泥土搅拌桩和混凝土桩心同时生成的复合桩技术 使得复合桩成型机在城市建设中有着广阔的应用前景，本课题正是在这种背景 下提出的。 1 2 水泥土复合桩的应用及施工设备 桩基的使用与桩基技术的发展有着悠久的历史，而复合桩基则是目前工程 实践中应用最为广泛的一种。复合桩按其施工工艺的不同，有多种类型，其中 常用的一种是劲芯水泥土复合桩，是在软基中施打水泥土搅拌桩或水泥土砂石 复合桩，在水泥未硬凝时施打素砼振动沉管微型桩劲芯( 也可加钢筋笼或插钢 筋、钢管形成钢筋砼劲芯) ，由于其刚性较高，且强度、工作特性接近刚性桩， 可作复合地基中的竖向增强体，也可作刚性单桩使用。其中钢筋砼劲芯复合桩 还有抗拔、抗弯、抗剪切作用，可用于偏心荷载作用下的建筑地基处理，也可 用于基坑支护、挡土墙等工程。这种桩型近年来已经在苏北沿海的南通、盐城 地区工程中应用，取得显著的经济技术效益”1 。 1 9 9 8 年7 月，由上海现代建筑设计集团、 上海市基础工程公司等科研、设计、施工单位 联合在上海地区开发应用钢筋混凝土劲芯水 泥土复台桩，并取得了专利权，其工作原理与 上面的相同，不同点是在水泥搅拌桩中压人预 制方桩形成复合桩h 】。 由上可知，现在应用的水泥土复合桩是在 水泥土搅拌桩的中间加上劲芯，其主要的区别 就是芯不同。其结构如图1 - 1 所示，砼芯水泥 土复合桩由水泥土搅拌桩外芯和小直径混凝 土预制桩内芯两部分构成。 ， - ，。，。，。；。 图卜1 砼芯水泥土复合桩 配合上述工艺的施工设备最早是采用双立柱组合桩机或同轨双机( 搅拌桩 机、沉桩机) 施工，其施工工艺是首先由搅拌系统在桩位上搅出= 6 0 0 ：9 0 0 m m 直径的浆状水泥土桩，而后平移桩机，由沉桩系统吊起劲芯，用桩帽与机台上 定位架将劲芯固定并沉入水泥土中。后经改进，其装置是由水泥土搅拌桩机和 压桩机组成0 1 ，施工步骤：首先是水泥土搅拌桩机移至桩位，然后调节桩机的水 平，使立柱处于竖直方向上，调节好后，通过搅拌装置对土搅拌，在搅拌的过 程中，喷入水泥浆，从而形成水泥土桩，之后水泥土搅拌桩机移出桩位，将压 桩机移至桩位，通过压桩机将预制钢筋混凝土芯压入水泥土桩中，这样就完成 了钢筋混凝土劲芯水泥土复合桩的施工。 由此看到虽然复合桩的应用已经很广泛，可是其没有专业化的施工机械， 2 其复合桩的施工是利用了水泥土搅拌桩的施工机械和施工方法，并且在原来的 搅拌桩机上加一套静压设备嘲。一个桩需要两台设备，两台设备不能同时在同一 桩孔上工作，需要不断的移动、交换设备，施工周期长，施工难度大，降低了 施工效率，增加了施工成本。 1 3 新型水泥土复合桩成型机施工工艺及工作原理 本课题研制的水泥土复合桩机是一种创新研究成果，它创造性的将水泥土 搅拌桩和混凝土灌注桩的两种施工机械的功能有效的整合在一起，利用两种机 械的施工功能，完成先进的水泥土复合桩工艺，使水泥土复合桩一次性成桩， 和以往不同的是本课题的水泥土复合桩的桩芯是混凝土灌注桩( 也可为钢筋混 凝土芯桩) 。新型复合桩机施工工艺如图i - 2 所示： 图卜2 新型水泥土复合桩的施工过程 工作原理：在复合桩的施工过程中，首先启动水泥浆制作系统，在制作水 泥浆的同时，启动复合桩成型机，注入水泥浆，水泥土搅拌部件和中心取土部 件同时回转运动和向下运动，水泥土搅拌装置从地面移动的过程中在外圈完成 水泥土桩的初次搅拌：中心取士装置在向下移动过程中将中心的土取出，形成 混凝土桩的空间，当搅拌达到了预期的深度之后，便完成了水泥土桩的初次搅 拌，并且形成了中心孔。然后将中心取土装置提出，在形成的空间中灌入混凝 土( 或钢筋混凝土) ，并将中心取土装置压在混凝土芯上，以压实混凝土和防 止混凝士桩芯出现缺陷，水泥土搅拌装置向上运动，完成水泥土桩的二次搅拌。 显然，这种新的施工工艺对应的复合桩的芯是混凝土桩芯或钢筋混凝土。 而且水泥土搅拌桩和混凝土桩芯同时生成，利于桩芯和水泥土桩之问充分融合， 这样在桩芯和水泥土桩之间就会形成一个过渡层，使两者之间连接更加紧密， 使单桩的承载力更强。在施工过程中，还可以根据实际情况，选用强度不同的 桩芯，调整旌工参数来提高复合桩的质量。 1 4 本文研究的目的和意义 新型复合桩成型机的桩架作为主要受力部件，在工作过程中承受多种外载 荷的联合作用，载荷较大、工况复杂，其强度和刚度是否满足设计要求，将直 接影响成型机的使用寿命和复合桩的质量。为了保证桩架的可靠性，本课题将 借助国际上先进的c a d 软件p r o e 和c a e 软件a n s j f s 、a d a m s 。将c a d 和c a e 技术应用到新型复合桩成型机桩架( 采用步履式) 的设计中，为新产品的开发 提供一条实用，可靠、高效的途径，可提高计算的准确度、效率，缩短产品设 计周期，提高产品质量和可靠性，从而产生明显的经济效益。 本课题旨在对新型复合桩成型机的桩架在复合桩形成过程的受力进行研 究，求出桩架在不同工况下的阻力变化曲线，分析桩架在最大受力工况下的应 力分布情况，并进行结构静强度校核，为桩架的改进及新产品开发提供重要的 参考依据。 本课题意义是提高计算的准确度、效率，缩短产品设计周期，提高产品质 量和可靠性，从而产生明显的经济效益；为桩工机械桩架的改进及新产品开发 提供重要的参考依据；本课题的研究成果可供设计人员作为新型复合桩成型机 桩架优化设计和改进时参考；本成果对在复合桩成型机桩架在工程实践方面， 都将具有积极的科学意义和广阔的应用前景。 1 5 本文的主要研究内容 本课题的重点放在利用a n s y s 软件对新型复合桩成型机的桩架进行弹塑性 非线性有限元分析以及对桩架在最大载荷工况下的应力的分布状况，并应用 a d a m s 软件对起架工况进行虚拟仿真，得出在起架过程下相关构件的受力情况。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 绘制新型复合桩成型机的桩架结构图，为桩架优化设计提供参考。 ( 2 ) 对桩架进行受力分析，建立机构力学模型和力学方程；通过分析比较确定 桩架的最大受力工况位置，并求出最大工况位置的载荷和反力，提出一些有意 义的结论，为新型复合桩成型机结构设计提供依据。 4 c 3 ) 对桩架的关键部件和关键部位进行三维接触非线性有限元静强度分析，得 出最大受力载荷下的应力分布情况，并进行强度校核，指出在结构设计中应重 点加强的部位，并据此提出一些改进方案和建议。 ( 4 ) 对桩架的起架过程进行力学分析和虚拟仿真，通过比较两种不同方法得出 的结果，验证虚拟样机模型正确性。 1 6 本章小结 本课题设计的桩架主要是满足水泥土复合桩的施工，它不仅可以使水泥土 搅拌桩和混凝土桩芯( 钢筋混凝土桩芯) 一次成型，而且分别可以完成水泥土 搅拌桩和灌注桩的施工，形成一机多用。同时为了满足中小基础施工单位需要， 本课题使用我国自创的液压步履式桩架，以减少成本，使其更具有市场竞争力。 5 第2 章桩架的研究现状与本机结构特点 2 1 桩架的类型 桩架是桩工机械施工中必不可少的组成部分，桩架实际上是一台打桩专用 的起重与导向设备。柴油锤、液压锤、振动锤、钻孔机、振冲器、深层搅拌机 等工作装置在施工时都必须与桩架配套使用，桩架的功能主要是起吊各种桩锤 等工作装置、桩料斗、钢筋笼等，给桩锤等工作装置导向和变幅( 打斜桩) ，确 定桩位川。 桩架的种类很多，早期是与蒸气桩锤配套的直式和塔式桩架，以后是与柴 油桩锤配套的轨道式多功能桩架，为了消除轨道设施的不方便，又改进为液压 步履式桩架。目前在引进国外技术的基础上，又发展了具有现代化水平的三支 点履带式桩架m ，。 2 1 1 直式桩架 直式桩架是早期蒸气桩机使用的桩 架，主要由上部机架1 和底盘2 两大部分组 成，如图2 - i 所示，机架主要由架体、滑道 龙门、顶梁等组成。其底盘主要由液压系 统、纵向行走机构和横移转向机构等组成。 其纵向行走机构是由船形轨道，柱塞式伸 缩液压缸、行走台车等组成，其功能是驱 动整台桩机沿打桩轴线行走。横移转向机 构是由转向滑板、复位装置、横移行走台 架、柱塞式伸缩液压缸、横移转向轨道等 组成，其功能是驱动整机前后位移和转向。 其优点是结构简单，拆卸方便，质量 轻，回转灵活，缺点是稳定性较差，而且 图2 - 1 直式桩架外形图 这类桩架的行走都采用滚杠撬滑、托板滚轮等人工移动的原始方法，劳动强度 大，容易发生事故。 7 2 1 2 塔式桩架 塔式桩架由机架和底盘两大部分组成，如图 2 2 所示。机架主要由架体、滑道龙门、顶梁等组 成。供桩锤导向的滑道龙门和直式桩架相同，底 盘为型钢连接的拼装式结构，其型式和工作原理 和直式相似。 其优点是起重能力强，稳定性好，适用范围 广。缺点为拆装费时，自重大，接地应力也大， 可施打斜桩，只要在架身后支柱上换上两很长螺 杆，用机械传动，调节架身倾角，可用于施打各 种斜桩。 2 1 3 导杆式桩架 导杆式桩架称为简易式桩架，如图2 - 3 所示，其 中卜龙门，2 一顶部滑轮组，3 一桩锤，4 一底座和架身， 5 一桩，6 一卷扬机，7 一底座，8 一滚轮。顶部滑轮组用 于提升桩锤和吊桩，电动卷扬机安装在底座后部， 两个卷扬机分别担任提升桩锤和吊桩作业，在卷筒 两侧的大齿轮上，分别装有棘爪，当卷筒正转时， 棘在齿面上滑跳，卷筒反转时，棘爪立即制住齿轮 逆转，以防止吊锤过程中因停电而造成落锤事故， 但需注意打桩前必须使棘爪脱开。 其优点：施工简便，拆卸容易，运输方便，基 本上不受地基承载力的影响。缺点：桩架精度较差， 桩就位时调整较困难。作业速度慢，效率低，常用 于落锤或导杆式柴油锤。 2 1 1 4 轨道式桩架 图2 - 2 塔式桩架外形 图2 3 导杆式桩架 轨道式桩架由钢结构部分、起升机构、传动机构、电气系统等组成，如图 2 - 4 所示，钢结构部分主要由滑轮组l 、钢丝绳2 、桩锤3 、立柱4 、升降梯5 、斜 撑横梁8 、上平台6 、下平台7 和水平伸缩平台等组成。起升机构的作用是完成各 8 项起升动作，分别由顶部滑轮组1 、起吊钢丝绳2 、 升降梯卷扬机9 、吊锤、吊桩卷扬机l o 完成，还有驾 驶室1 1 、行走机构1 2 。 其优点是可自身进行吊桩、吊锤、行走、回转等 动作；还可以自行完成立柱倾斜度的调整、起架和 落架等作业，这种桩架在大面积多桩位桩基施工中 可以发挥较高的效率，和柴油桩锤配套后，成为广 泛应用的柴油打桩机，其缺点是转位不方便，现在 已经很少使用。 2 1 5 步履式桩架 步履式桩架主要有上盘、中盘、下盘等 主要部分组成。上盘由立柱1 、斜撑杆5 、横 梁、卷扬机1 2 、操纵室7 等构成；中盘由回 转用的大小齿轮和油压支腿组成；下盘由驱 动油缸、行走机构和履板组成。如图2 5 为 该类桩架应用在螺旋钻机上的外形图。 工作时，前支架伸出星八字形。中盘上有 回转滚道，回转中心轴一端与中盘相连另一 端与回转机构中心转盘相连。上盘回转时，启 动液压缸使上盘绕回转中心轴转动。中盘底面 安装有行走滚轮，滚轮与履靴相连接。滚轮能 在履靴内滚动，移位时靠液压缸伸缩使履靴前 后移动。行走时4 个支腿液压缸里收缩状态，钻 架整个质量落在履靴上。行走一步后让支腿液 压缸伸出，履靴离地，行走液压缸伸缩使履靴 回复到原来位置重复上述动作可使整个钻机 行走到指定位置。回转时，前后支腿支起，履 图2 - 4 轨道式桩架结构 i 竞柱2 动力雯3 联接_ 盘4 钻瓤 斜撵6 起塔i l l i 舡7 操纵蜜s 羽 定变袈q 底赦1 0 过渡 轮i i 蹴 e b 柜1 2 。锰扬机1 3 配驻块 图2 - 5 步履式桩架结构 靴离地，回转液压缸伸缩使中盘履靴顺时针或逆时针旋转 在施工现场整机移动对位不用落下钻架。转移场地时，可以将钻架放下， 安上行走轮胎该类桩架的运输状态如图2 6 历示嗍。 9 图2 6 步履式桩架运输状态 步履式桩架的优点：液压步履式底架结构简单，机动性好，安装和维修方 便，造价低，同时也广泛地用于导杆式柴油锤，其他柴油锤及振动桩锤进行打 入桩作业和沉管桩作业，目前该类桩架已成为我国中小桩机中应用最广的型式。 2 1 。6 悬挂式履带桩架 悬挂式履带桩架是以通用型履带起重机为主 机，在其起重臂顶端悬挂打桩架的立柱( 又称导杆， 下同) ，在起重机底盘和立柱下端之间，用支撑叉 连接，其外形结构如图2 - 7 所示，其中1 一立柱，2 一 桩，3 一桩帽，4 一桩锤，5 一起重臂，6 一机架，7 一斜撑 叉。为了使桩架保持稳定，需要在起重机后部增加 配重。悬挂式桩架立柱在起重臂端都的安装比较简 单和方便。 其优点：可通用起重机改装而成；不需打桩时 即可拆除，提高机械利用率。其缺点是：垂直精度 的调节很难控制；横向承载能力较差；立柱不能倾 斜安装，所以也不能打斜桩。 2 i 7 三支点式履带桩架 图2 - 7 悬挂式履带桩架结构 这类桩架以履带起重机为底盘，是大型桩基工程中必备桩工机械，如图2 - 8 所示，卜吊锤定滑轮，2 一顶梁，3 一吊锤钢丝绳，4 一起落架，5 一柴油锤，6 一立柱 接点，7 一立柱，8 一导向轮，9 一立柱底座，l o 一支撑臂，i i - 螺旋千斤顶，1 2 - 接点 后支撑，1 3 一后支撑，1 4 一竖立柱钢索，1 5 - 竖立柱滑轮钢丝绳，1 6 - 超长伸缩液 压缸，1 7 一主机，1 8 - 水平伸缩臂，1 9 一垂直液压缸，2 0 一立柱动滑轮组，2 1 - 桩帽。 桩架部分是由立柱( 导杆) 、顶粱、后斜撑和立柱底座等组成。三支点式履带 1 0 桩架的特点： ( 1 ) 垂直精度调节灵活。 ( 2 ) 整机稳定性好，主机采用扩张式履带侧 向稳定性好。 ( 3 ) 可以旋打立柱后仰2 0 0 范围的斜桩。 ( 4 ) 可配备几种类型的立柱，使之能悬挂各 种类型的桩锤。 ( 5 ) 不需增加任何外部动力就能打桩。 ( 6 ) 拆装方便，不需缆风及地锚，行走和转 移迅速，作业效率高。 2 2 桩架在国内外的研究现状 2 2 1 国外的研究现状 莲 j 卜淄 j 翱 l i ，i ! 图2 - 8 三支点履带桩架结构 目前国外广泛应用的是三点式履带式桩架，它也是迄今为止最先进的桩架。 国外该类产品技术已趋成熟，整机采用钻孔深度、垂直度自动检测及控制；荧 屏实时显示；钻孔定位技术；液压履带式伸缩底盘，保证了整机稳定性及良好 的机动性能：自行起落可折叠钻桅，大扭矩多节伸缩式钻杆，可匹配多种钻具， 以适应不同作业需求；采用了主、副卷扬机的高度限位，动臂幅度限位及驾驶 室内液压开关等安全保护装置；使用人机工程原理设计了新型操纵室，布置了 冷暖空调，提高了操作舒适性等。而且这些年，国外主要是钻孔机的发展和多 功能旋挖钻机。下面是国外生产的一些桩机。 图2 - 9 为意大利s o i l m b c 钻机结构“町，图2 - 1 0 为德国m g e 钻机，图2 一l l 为意大利l l a m a d a 钻机，图2 - 1 2 为美国c l a w e l d 钻机，图2 1 3 为日本日 立建机的钻机，图2 - 1 4 为意大利c a s a g r a n d e 钻机。 图2 - 9s o i l m b c 钻机图z 1 0m g e 钻机图2 1 1l l a l 4 a d a 钻机 图2 - 1 2l a w e l d 钻机图2 1 3 日立建机钻机图2 1 4c a s g r a n d e 钻机 2 2 2 国内的研究现状 目前国内应用的桩架主要分为三类“。 ( 1 ) 三支点式履带桩架在我国2 0 世纪8 0 年代以前，三支点式履带桩架一 直靠进口，1 9 8 7 年原北京建筑机械综合研究所、哈尔滨四海工程机械厂、上海 工程机械厂联合开发1 0 0 吨全液压履带桩架，使我国的桩架水平基本达到国外 同类水平，2 0 世纪9 0 年代中期上海工程机械厂引进日本车辆d h 5 5 8 桩架生产技 术，达到国际先进水平。现我国履带式桩架的生产厂有上海工程机械厂“2 1 ( 如 图2 1 5 ) 、四海工程机械厂、三一重机“”( 如图2 - 1 6 ) 、抚顺挖掘厂，基本满足 了国家重点工程建设的需要，但与国外还存在一定的差距：液压系统配置受进 口液压元件的限止，因此关键部位设计还不能满足要求；整机的外观及操作室 内仪表盘的布置还需进一步的改善；国产的各种安全装置可靠性较低。 图2 一1 5 上工履带桩架 图2 - 1 6 三一重工桩机图2 - 1 7j z l - w 型桩机 ( 2 ) 电动履带式桩架电动履带式桩架也是由我国一些企业结合步履和履 带式桩架的优点，2 0 世纪9 0 年代末期开发出的新型桩架，与全液压履带桩架 相比，成本大幅度降低；与步履式桩架相比，移动方便；该产品受到施工单位 的欢迎，是短期内履带桩架的发展方向，其缺点是外接电源存在安全隐患问题。 目前我国生产电动步履式桩架的厂家主要方圆集团有限公司，如图2 1 7 为方圆 开发的j z l w 型电动履带式桩机【1 4 1 。 ( 3 ) 液压步履式桩架此类桩架由我国自创，它以步履方式移动桩位和回 转，造价低，深受中小基础施工单位的欢迎，在楼层不是很高的设施建设中， 应用非常广泛，此类桩架的缺点是设计基于经验和类比，缺少准确的建模和理 论分析方法，但是根据我国国情，此类桩架又具有很大的发展潜力，所以本课 题以液压步履式桩架为研究对象，建立机构力学模型和方程，采用三维设计，结构 有限元仿真等手段，推导出桩架在不同工况下工作阻力和位移的变化规律曲 线，并利用行之有效的现代设计方法对桩架进行弹塑性非线性有限元分析和结 构优化设计，为实际应用提供合理的施工方法【1 5 1 ，并为今后桩架结构设计提供依 据。 2 3 新型水泥土复合桩机主机结构 新型水泥土复合桩机主要由水泥土搅拌装置、混凝土桩芯取土装置和步履 式桩架组成，整机结构如图2 - 1 8 。 卜行走装置2 一回转装置3 一液压泵站4 一横梁5 一液压支腿6 一驾驶室7 一小卷扬机 8 一大卷扬机9 一斜撑1 0 一电控箱1 1 一电机1 2 一起架拉杆1 3 一立柱1 4 一顶部滑轮组 1 5 一桩芯取土装置1 6 一水泥土搅拌装置1 7 一滑轨 图2 - 1 8 整机布置图 2 3 1 水泥土搅拌装置 水泥土搅拌装置主要由动力系统( 一台主电机) 、传动系统( 行星摆线针轮 减速机和特种齿轮箱) 、回转接头、执行系统( 搅拌杆) 组成。电机产生的动力， 经行星摆线针轮减速机和特种齿轮箱减速后，带动回转接头和搅拌杆转动，进 行水泥土的施工。整个水泥土桩搅拌装置固定在立柱导轨上，由与之配套的卷 扬机通过立柱顶端的钢丝绳滑轮组控制其在立柱上的位置，并可沿立柱上的导 轨上下移动。 图2 - 1 9 为水泥土搅拌装置结构图，图2 2 0 为搅拌机构三维图，图2 2 l 为 回转接头的三维图，图2 - 2 2 为生产完成的回转结构，图2 - 2 3 为特种齿轮箱的 1 4 结构简图，其中是齿轮一。是齿轮二，是齿轮三，是法兰盘，齿轮 一与减速器连接，通过齿轮二，将动力传递到齿轮三上。 卜支架2 一电机3 一减速器和特种齿轮箱 4 - 回转接头5 - 搅拌杆 图2 2 0 搅拌杆三维图 图2 - 1 9 水泥土搅拌装置结构图 图2 2 1 回转接头三维图 图2 - 2 2 生产完成的回转接头 u 羔，墨藤 霪 i | 劾瓣兹 父、 黼 移 lv ，一 i ? - 哪 i縻 心 ， 口当袁甏循砑毒卫i i 南d 缩礁如耐： n 弼 2 3 2 取土装置 图2 - 2 3 特种齿轮箱的结构简图 混凝土桩芯取土装置是由动力系统( 电机为y i b o l 一6 型) 、传动系统( 传动 比为1 7 的行星摆线针轮减速机) 、执行系统为螺旋钻组成。电机产生的动力经 摆线针轮减速器后，驱动螺旋钻钻取芯土。整个装置也由与之配套的卷扬机通 过立柱顶端的钢丝绳滑轮组控制其在立柱上的位置，并可沿立柱导轨上下运动。 运转时螺旋输送管将穿过水泥土搅拌装置的特种齿轮减速机并进入搅拌管中。 图2 2 4 取土装置结构简图所示，图2 - 2 5 取土装置三维图。 铜一 、 h 斟 1 6 图2 2 4 取土装置结构简图 图2 2 5 取土装置三维图 2 3 3 步履式桩架 本课题采用步履式桩架“”，图2 - 2 6 为其装配模型图，图中序号代表的部件 和图2 - 1 8 中相同。 图2 2 6 桩架装配模型图 桩架的底盘由上盘、下盘、中盘组成，下盘装配模型如图2 2 7 ，下盘和前 面介绍的步履式桩架基本一致，整机的移动是依靠下盘的行走机构作步履式移 动。下面仅介绍本课题底盘的特点。 中盘主要用来支承回转装置，回转装置从市场购买，前面已介绍的回转是 通过液压来驱动，而本机不同点是通过上底盘的电机驱动减速器，从而带动回 转小齿轮转动，而小齿轮和回转支撑上的大齿轮是一对齿轮传动，而小齿轮与 上底盘相连，大齿轮与下底盘相连，从而完成上、下底盘之间的回转。 上盘中的液压泵站、横梁、液压支腿、驾驶室、小卷扬机、大卷扬机、斜 撑、电控箱、小电机这些部件的布置与前面的介绍有所不同，这些部件在上盘 1 7 山乐亢掌坝士字位论义 的模型为图2 - 2 8 ，图中的卷扬机、电机和液压泵是在市场中购买的，所以没有 建立其模型，只是用黑匣子表示，最主要是它们在底盘上的位置。其次立柱的 顶部滑轮组的组数也比其他类型多，也就使滑轮组的重量增加“”“”，最后就是 起架方式也有所不同，本机可自行起架，不需其它设备，起架拉杆通过钢丝绳 与立柱连接在一起，起架时是通过卷扬机拉动起架拉杆来拉起立柱。 图2 - 2 7 下底盘装配模型图 图2 - 2 8 上底盘装配模型图 2 4 新型水泥土复合桩成型机的特点 ( 1 ) 桩架上设两个动力头桩架上共有两个动力头，位于上面的动力头 通过驱动螺旋钻取土装置钻取土，形成混凝士桩芯需要的中心孔，位于下面 的动力头驱动搅拌装置实现水泥土搅桩的功能，两动力头分别由两台卷扬机 通过钢丝绳控制，可沿桩架上的导轨上下运动。 ( 2 ) 采用特种齿轮箱特种齿轮箱是为满足新型复合桩施工的功能要求 设计的专用齿轮箱，由两级齿轮传动组成。它将动力转移一定的距离，同时 保证了桩芯的形成，满足新型复合桩施工的功能要求。 ( 3 ) 采用回转接头和多功能转换接头回转接头将水泥浆输入施工部 件，并能够通过螺旋钻，它不仅保证了水泥浆有良好的传输通道、水泥浆不 泄漏，而且易于修理和便于维护，利于桩芯的形成。接头采用了先进的润滑 材料，降低了零件之间的摩擦力，减小了零部件的尺寸，使之更符合施工的 使用要求。为了实现本机的一机多用，提高设备的利用率，设计了多功能转 换接头( 如图2 - 2 9 ) ，使本机能够完成水泥土复合桩之外还能完成混凝土 灌注桩机和深层搅拌桩机两种机型完成的桩型。 图2 2 9 转换接头装配图 ( 4 ) 新型的搅拌机构搅拌机构是本机的工作机构，它既要保证水泥浆的 传导，又要保证桩芯的形成，在设计中我们使用双层套管的结构。双层套筒结 构保证了水泥浆的传输的流畅，减少了水泥浆传输过程中压力的损失，利于桩 芯的形成，为了减少土体对搅拌机构端部的磨损，在其端部设计了单独的保护 结构，上面焊接了硬质合金刀头，避免了端部的磨损，而且易于修理。 ( 5 ) 螺旋钻取土装置螺旋钻取土装置是使复合桩中心形成桩芯部件，具 有独立的动力机构和动力传递机构和工作部件，它的作用是将中心的土取出， 1 9 并在搅拌机构回升时压在混凝土桩芯上，防止混凝土桩芯随着搅拌机构的提升 而出现断桩等缺陷。 2 5 本章小结 本章按桩架的发展过程介绍了迄今为止在桩工机械中所用到的桩架类型， 并且总结了这些桩架的优缺点，通过全面了解。目前国外主要使用履带式桩架， 而且它向着大型化，多功能，高科技方向发展，而国内在大型基础施工中，大 部分使用先进的履带式桩架，中小基础施工大部分使用我国自行研制的价格低 廉、结构简单的步履式桩架和电动履带式桩架。 第3 章新型水泥土复合桩机的载荷工况及力学分析 3 1 桩机施工工况 新型复合桩成型机桩架采用步履式桩架，因此在对桩架进行分析之前，首 先应确定桩机在施工过程中的有哪些工况，也就是桩机在整个施工过程中的各 种状态，然后对各种工况进行受力分析，以保证桩机在整个过程中能顺利完成 桩的施工，避免发生意外事故。下面介绍该桩机的各种工况。 ( 1 ) 起架工况所谓起架就是将立柱竖起，从前面的桩架的介绍中，了解 到步履式桩架上的立柱高达十几米，甚至二、三十米，在施工现场整机移动对 位不用落下钻架。但在转移场地时，为了运输方便，要将立柱放倒，而到达施 工现场后再将立柱竖起。由于放倒立柱和起架的过程相似，所以仅需分析其中 一种情况即可。 ( 2 ) 钻进工况当桩架上的立柱竖起，将桩机移至桩位后，就可以施工了， 由前所述，新型水泥土复合桩的施工过程，首先是水泥土搅拌部件和中心取土 部件同时回转，并向下运动直至到桩所需深度，这个过程称为钻进工况，和以 往桩机的钻进工况不同的是新型复合桩成型机的水泥土搅拌装置和中心取土装 置部件同时运动。 ( 3 ) 提钻工况在完成钻进工况后，开始向上提升中心取土装置( 根据 复合桩的混凝土芯的不同，决定是否注入混凝土) ，直到离开地面位置，在 这个过程中水泥土搅拌装置是不动的，只有螺旋钻在地面以下运动，即提升 螺旋钻，所以就称之为提钻工况。 ( 4 ) 搅拌杆提升工况完成中心混凝土( 钢筋混凝土) 的灌注后，将螺 旋钻压在混凝土芯上，开始向上提升搅拌装置，提升的过程中，搅拌杆不但 向上运动，同时继续回转，完成水泥土桩的二次搅拌，直至搅拌杆离开地面。 这个过程称搅拌杆提升工况。 ( 5 ) 其他工况以上为桩机在施工过程中的主要工况，除此之外还有转位 工况、爬坡工况等。转位工况就是：当完成一个复合桩的施工后，将桩机从一 个桩位移到下一个桩位的工况；爬坡工况就是在施工现场地面情况比较复杂， 桩机需要有一定的爬坡能力，即可以在有一定角度的地面上移动。 2 l 通过以上分析，了解了桩机的施工过程中的各个工况，本章主要对桩机影 响比较大的钻进工况、提钻工况、搅拌杆提升工况和起架工况进行分析，由于 在钻进工况、提钻工况和搅拌杆提升工况的过程中，整个桩架是不动的，搅拌 装置和取土装置直接作用在桩架的立柱部分，所以立柱是主要的受力构件，为 此对主要工况的立柱进行载荷分析。 3 2 立柱在钻进工况下的力学分析 舻揪 三亿 、乡t ， ，8 j g 。 ，夕蛐 阿个莉姬方向槲b a 对立 l ；受力瑚 隧3 - 2 掰个j l l 矩矗翔相爱时立 l ：受力耀 立柱在钻进工况下，搅拌装置和取土装置是靠自身的重力使得它们向下运 动，所以它们的重力绝大部分由大地来承受，而连接在它们上边钢丝绳受力很 小，也就是传递给立柱的力很小，可以忽略。搅拌杆和螺旋钻在向下运动的同 时还要回转，回转过程是通过它们自带的动力装置来驱动的，而动力装置是安 装在立柱的导轨上，所以动力装置将会把驱动搅拌杆和螺旋钻所需的扭矩施加 在立柱的导轨上，因此立柱将承受由搅拌装置和取土装置传递的扭矩，这两个 转矩的方向是相同还是相反，对立柱的受力影响也是不同的，而且由于搅拌杆 和螺旋钻是沿着导轨上下移动的，所以这两个扭矩施加在立柱上的位置也是移 动的。除此之外，还有立柱自身的重力，由于立柱顶部滑轮组连接在立柱上， 所以立柱还要承受顶部滑轮组的重力，在施工的过程中，由于空气的流动，立 柱还要承受风载。 图3 - i 和3 - 2 是两个扭矩方向相同和相反时立柱在钻进工况下受力简图。 图中a 点为立柱与桩架绞接的位置，b 点为立柱与斜撑活动绞接的位置，c 点为 立柱与顶都滑轮组连接的地方。t l 为取土装置传递给立柱的扭矩，t 2 为搅拌装 置传递给立柱的扭矩。g 2 为顶部滑轮组的重力，g 1 为立柱自身的重力，上面这 些载荷都在一个平面内，风载p 不一定在这个平面。 3 3 立柱在提钻工况下的力学分析 由于在提钻的过程中，搅拌装置在地面以下，而且是不动的，所以搅拌装 置的重力由大地来承受，不会作用在立柱上。这时候立柱的受力情况和钻机中 提钻工况是相似的，可以分为两种方式，直接提钻和回转提钻。直接提钻是指 提钻时钻具停止回转，只靠提升钢丝绳将钻具提升至孔外，这样会使钻具上的土 被孔壁压密形成柱塞，产成真空负压。这样在提钻时由于土的粘性阻力加上真 空负压等将产生很大的阻力，容易使孔坍塌或使钻孔机过载失稳。回转提钻是 指提钻时钻具一边回转，一边靠卷扬机提升钻杆至孔外，这时，对立柱和钻具 的影响较小“”。根据对两种提钻方式的分析，回转提钻是一种好的提钻方式， 在实际的工程过程中，这两种方式都有用的，也有开始选择回转提钻，等上升 一段后，再选择直接提钻，加快提升的速度，总之只要达到能提升螺旋钻的目 的就可以。 由于在直接提钻工况下，立柱的受力载荷大，所以这次只分析直接提钻的 工况。这种情况下，立柱主要承受自身重力、还有顶部滑轮组的重力、提升螺 旋钻的力( 包括螺旋钻重力和真空负压等产生的提升阻力) 、风载。立柱与底盘 之间是约束属于绞接。斜撑对