（机械电子工程专业论文）新型液压打桩锤机电液一体化设计与plc控制.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 新型液压打桩锤机电液一体化设计与p l c 控制 专业：机械电子工程 硕士生：王胜 指导教师：谷立臣教授 摘要 液压打桩锤是用于建筑、码头等桩基础旋工的预制桩施工机械。与传统打桩 锤相比较具有噪声小、无污染、振动小、打击能量高等优点，符合环保要求，并 恩有良好的动力学特性。因此，液压打桩锤的应用越来越广泛， 本文针对液压打桩锤的特点和发展趋势，以液压打桩锤实验装置为基础，改 进液压打桩锤液压系统，提出了液压系统的动力学数学模型，进行了液压锤机电 液一体化结构设计。论文主要研究内容和结论概括如下： 1 结合液压打桩锤实验装置及实验结果分析，改进液压打桩锤的液压系统， 2 根据不同的设计原则确定了液压缸、蓄能器和各液压阀的技术参数、型号， 提出厂设计液压集成系统的基本思路和方法。 3 提出桩锤在各个打击过程中的数学模型，并对各阶段进行仿真及分析，研 究桩锤下打过程中，桩锤位移、速度、加速度变化规律，为进步研究生产样机 提供了理论依据。 4 分析锤击过程中应力波在锤、缓冲垫、桩体中的传播形式，讨论了不同地基 施工时桩锤撞击产生的应力波在桩体中的传播情况，以实现合理选择缓冲垫和槛 帽材料，实现锤一中间介质一桩合理匹配之目的。 5 在分析原液压打桩锤实验装置继电器控制系统和典型液压锤电气控制原理 的基础上，提出了应用p l c 控制的基本方法和途径。 关键词：液压打桩锤参数计算结构设计桩锤撞击分析p l c 控制 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士论文 d e s i g na n d p l cc o n t r o lo nt h en e wt y p eo f h y d r a u l i cp i l eh a m m e r m a j o r ： m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w a n gs h e n g i n s t r u c t o r ：p r o f g ul i c h e n h y d r a u l i cp i l eh a m m e rw a sak i n do ft h ep r o t e c t i o ne q u i p m e n t ，w h i c hw a sw i d e l y u s e di na r c h i t e c t u r ea n dd o c kt om a k eb a s e c o m p a r e dw i t hn o r m a lh a m m e r s ，i th a sa 】o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e r n o i s e ，n oe x h a u s tg a s ，l e s sv i b r a t i o n ，h i g hp i l i n ge n e r g y a n db e t t e rd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，i t su s eb e c o m ew i d e l ya n d w i d e l y a i m i n ga tt h ep e c u l i a r i t ya n dt r e n do fh y d r a u l i ch a m m e r , o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，h y d r a u l i cs y s t e mh a v eb e e ni m p r o v e d t h u sd y n a m i c a lm o d e l w h o s eh y d r a u l i cs y s t e mw a sa p p l i c a b l et oh y d r a u l i ch a m m e ro f m i d d l ea n ds m a l lt y p e w a sp r e s e n t e d t h es t r u c t u r a ld e s i g no fm a c h i n e ，e l e c t r i ca n dh y d r a n l i c t h em a j o r c o n t e n ta n dc o n c l u s i o no f t h i sp a p e ra r eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： 1 o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n de x p e r i m e n t a l r e s u l t ，t h e h y d r a u l i cs y s t e m so f t h eh a m m e rh a v eb e e ni m p r o v e d 2 a c c o r d i n gt od i f f e r e n td e s i g nc r i t e r i a ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha sc y l i n d e r s ， a c c u m u l a t o r st y p e ，h y d r a u l i cv a l v e sa n do t h e rh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa r ed e s i g n e d t o g e t h e r i na d d i t i o n ，t h i sp a p e r s e t su pt h em e t h o d so ft h ei n t e g r a t eh y d r a u l i cs y s t e m 3 t h ed y n a m i c a la n dk i n e m a t i cs p e c i a l t yo fh y d r a u l i ch a m m e ri sa n a l y z e dd u r i n g p i l i n g a tt h es a m et i m e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sp r e s e n t e do f e a c hp r o c e s s b a s e do n m a t h e m a t i c a lm o d e lo f e a c hs t a g e ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i si sm a d e t h ec h a n g i n gr u l e o fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o nc a r lc o m et oad e c i s i o nf r o ms i m u l a t i o np l o t ( 1 u t i n gf a l l i n gp r o c e s so fp i l eh a m m e r r e s e a r c ho ns i m u l a t i o nw i l lb ei n s t r u c t i v ei n i m p r o v i n ga n do p t i m i z i n gd e s i g no f i t sp a r a m e t e r 4 ，t h i sp a p e rs a r l l i m a r i z e st h et h e o r i e so fp r o p a g a t i o no fp l a s t i cw a v e sa l o n g h a m m e r , c u s h i o n ，p i l ea n df o u n d a t i o n i ta n a l y z e st h ei m p a c ts t r e s sw a v e st h a t p r o p a g a t ea l o n gp i l e sa c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so f f o u n d a t i o n ，c u s h i o n ，t or e a c ha i mt o s e l e c tm a t e r i a lo f c u s h i o na n dp i l ec u pr e a s o n a b l y 西安建筑科技大学硕士论文 a n dt om a t eh a m m e r ，c u s h i o na n dl i es u i t a b l y 5 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed e m a n d sa n dc o n s i s t so fe l e c t r o n i cc o n t m ls y s t e m o fh y d r a u l i ch a m m e r s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h em e t h o d st or e a l i z et h ec o n t r o l f u n c t i o n sw i mp l c 【k e yw o r d s l 【t h e s i st y p e l ： h y d r a u l i cp i l eh a m m m p a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ，s t r u c t u r ed e s i g n ，i m p a c t a n a l y z e ，p l cc o n t r o ls y s t e m a p p l i c a t i o nf o u n d a t i o n i 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 得日j 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 包岔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 i j 请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同志对本研究所做的 所 r 贡献均己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： 乏胜 日期：珈e r 、莎、砂 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件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：乏啦导师签名 注请将此页附在论文酋页。 砂刃吼少们一房 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 弓l 言 1 绪论 桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物一种创造，是最古老、最基本的啼p 魑础类型。智利古文化遗址中发现的桩，距今约有1 2 0 0 0 年。在我国陕硒疆安半 坡村遗址和浙江余姚河姆渡遗址中发现，人们可以看到先人在7 0 0 0 年前就已经将 树杆插在松软土中以支承原始形态的建筑物。在漫长的人类历史发展过程中，桩 基的类型和工艺都有了很大的发展和变化，特别是近代，由于新的材料和施工机 械的出现，为桩基础的飞跃发展创造了条件。本世纪初，在上海建造的如国际饭 店、锦江饭店等2 0 层左右的标志性建筑物时都采用了1 0 多米长的木桩；可是到 本世纪束，上海建造的如8 8 层金茂大厦等超高层建筑时，已经采用了8 0 多米长 的钢管桩。从木桩到钢管桩，从1 0 多米到8 0 多米，展示了桩基础技术发展的轨迹， 标志着在2 0 世纪中，特另4 是2 0 世纪的后5 0 年，我国桩基础技术的巨大进展。【l 】 打桩锤是将桩贯入工作介质中的沉桩设备。分为蒸汽锤、柴油锤、落锤和液 压锤。与其它打桩锤相比，液压打桩锤具有污染小、噪声低、工作效率高等优点， 是目前世界各国争相发展的沉桩设备。国外液压打桩锤的发展比较成熟，如美国、 德国、日本和荷兰相继研制出了这种打桩设备。国内液压打桩锤的发展起步较晚， 大多是引进国外技术和对其液压系统仿真，系统的研究还比较少，本论文研究对 象为中小型液压打桩锤，主要用于公路用混凝土桩和高速公路护栏用钢管桩沉桩。 这些类型的桩具有桩径小、桩短、所需冲击能量低等特点。本文以新型液压打桩 锤机电液一体化设计及智能控制为研究目的，包括液压系统集成式设计及液压元 件的确定，锤体动力学分析、液压打桩锤运行状态监测及电气控制等部分。 自1 9 8 8 年我国第一条高速公路诞生以来，高速公路建设迅猛发展，但由于我 国高速公路建设基础薄弱，起步较晚。十多年来，高速公路的投资建设更显加速 趋势，高速公路在国民经济中扮演极为重要的焦色。高速公路的建设将会促进商 品流通和经济的快速发展。防护栏作为高速公路上的基本安全隔离设施，在高等 级公路的行车安全起着十分重要的作用。公路用混凝土桩和高速公路护栏施工都 需打桩设备，高速公路建设的飞速发展，为研究、开发小型打桩锤产品提供了广一 阔的市场。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 桩基础简介 l2 1 桩基础的特点 建筑物的全部载荷都要通过基础传给地基。具有足够的强度、稳定性和耐久 性的基础，才能保证建筑物的安全和正常使用。建筑物的基础大体分为直接基础、 桩基础和沉箱基础等，其中桩基础是基础工程中应用最广泛，发展最迅速的一种 耩础形式。这是因为桩基础具有承载力高、适应性强、沉降量小、抗震性能变f _ 、 【? 及施工方便等优点。 1 r 2 3 柱基础的分类 桩基础的种类五花a i q ，通常根据以下几个方面分类： 1 按桩的传递载荷方式分 ( 1 ) 端承桩桩穿过上部较软地层，支承在硬土层或岩石上的桩。 ( 2 ) 摩擦桩利用桩身周围摩擦力支承上部建筑物载荷的桩。 ( 3 ) 中间型桩在受周围摩擦力支承的同时，还依靠反力来支承载荷。 2 按桩的共同工作情况分 ( 1 ) 单桩使用单独一根支撑上部建筑物使用的桩。 ( 2 ) 群桩使用两根以上支承建筑物的桩。 3 按桩的材料分 ( 1 ) 钢桩钢桩通常是圆管形或工字形桩。 ( 2 ) 钢筋混凝土预制桩它可分为预应力桩和非预应力桩。 ( 3 ) 木桩 4 按桩的制作分 ( 1 ) 预制桩铜桩、钢筋混凝土预制桩、木桩都属于预制桩。 ( 2 ) 灌注桩 i 3 设桩设备 1 3 1 设桩设备分类 常用桩工设备分类f 如图1 1 ) 2 1 2 西安建筑科技大学硕士论文 甜 礴 桩工机械 预制桩施工机械li 灌注桩施工机械 黼i1 蕊f l 黼ii 黼i 搿 施工机械il 施工机械l 施工机械i 施工目l 械 l 砸 机械 薹ii 萎ll 囊ll 霎 1 3 2 液压打桩锤的发展 嚣 离 莆 彗 辩 爵 蔫 瞎 博 彗 褚i 磐 笥 南 南 曾 群 1 嗣 黼 辩 藩 酋 图1 1 桩工机械分类 菇 甬f 辞 叫 酋 嚣 国 嫦 阜 辞 掣 彗 睁 惭 坤 辞 掣 誊 筒 辩 赫 期 辞 剖 彗 盛 刊 再；f 漆 请 辞 掣 彗 桩工机械是用于完成预制桩的打入、压入、沉入、拔出或灌注桩的成孔等服 作业的施工机械。广泛应用于桥梁、建筑、码头、高速公路和港口等基础旌工中 的预制桩施工。 液压锤技术起源于六十年代，1 9 6 4 年荷兰h b g 公司f h o l l c u d sb e t wg r o u p ) 研究 发展部开始研究液压锤，1 9 6 5 年试制成功了世界上第一台液压锤，1 9 6 9 年制成h b m 型液压锤，从6 0 年代开始，荷兰i h c 公司和h b hh y d r o b l o k 公司共同研制开发 r 液压锤1 9 7 6 年，英国b s p 公司研制成功1 0 吨锤重的液压锤，日本日立建机( 株) 公 司买进英国b s p 公司的专利并于1 9 7 9 年试制成功，开始投入实际使用，特别是1 9 8 3 年，液压锤被 的”建设技术评定等级”所确认，因此进一步取得了普及推 j 一，7 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。图1 2 为日本车辆公司n h 型液压打桩锤外形图。【2 】 西安建筑科技大学硕士论文 l - 导杆2 打桩锤3 桩4 主机5 液压油管6 液压装置 图1 2 液压打桩锤外形图 目前液压锤在国外发达国家被广泛使用，并已形成系列化。许多公司已经开 发了各种形式的液压锤，典型的产品有；英国的b s p 系列、荷兰1 f i c 公司的s c 系列、日本车辆公司的n i t 系列、h 本日立公司的h n c 系列、美国h p s i 公司的 m o d e l 系列、芬兰j u n t i a n 公司的h h k 以及h 卸眨a 系列、日本常盘建机公司 的t k 系列等。国内的液压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锤大多从其它国家进口。国内目前只有上海 盒泰公司等少数几家单位和研究部门从日本等国家引进液压锤技术进行消化吸收 并试制生产。由于液压锤与传统打桩锤比较具有噪声小、无污染、无油烟飞散等 特点，可以认为是其为一种环保产品，符合曰益提高的环保要求。同时采用了先 避可靠的控制技术使得液压锤产品具有优良的动力学特性和可控制性。 1 3 2 液压打桩锤 目前世界上虽然有各种型号的液压打桩锤，但它们的工作原理都是大致相同 的。 液压打桩锤是靠压力油的作用将锤体抬升，再靠变换给油方向使锤体在重力 和油压力的推动下，下落冲击桩头使桩下沉。 4 西安建筑科技大学硕士论文 一、和其他桩锤音h 比，液压打桩锤具有以下特点：1 2 f 1 ) 作业面广。适用于各类土层和桩型，具有较好的打斜桩能力。如增n 一个 衔封罩，还可用于水下打桩。 ( 2 ) 打桩效率高。一般比柴油锤和蒸气锤可提高工效4 0 5 0 。由于冲击块质 量高于其他桩锤，因而能使桩面获得较大贯入度。 ( 3 ) 无公害。不排出任何废气，噪声和振动均小于其他桩锤。 ( 4 ) 可根据土质情况及桩的强度随时调节冲击块的行程，以控制桩锤的冲击， 使打击力峰值小，桩顶不易损坏。 ( 5 ) 桩的打入精度高 液压打桩锤的主要缺点是：设备及施工费用高，维修保养成本高，还需设置 专用动力源等。 二：、液压打桩锤的结构组成 液压桩锤的结构见图1 3 液压打桩锤可分为锤体、液压动力装臀、操纵控制装置三大部分：锤体部分 包括驱动装置、打击力传递装置、行程控制装置、液压控制装置等；液压动力装 置一般由发动机、液压泵、油箱等组成，相当于一个液压泵站；操纵控制装置包 1 液压动力装置2 操纵控制装置3 液压控制装置4 液压油缸 5 无触点开关6 桩锤 7 导向机构8 打击力传递装置 图1 3 液压桩锤结构图 括电控柜、数据显示及打印装置等。驱动装置包括液压缸和锤，打击力传递装置 西安建筑科技大学硕士论文 包括缓冲垫和桩帽，行程控制装置一般由无触点、时间继电器或光电开关等组成， 液压控制装簧则由各种阀和蓄能器组成。 l 、驱动装置 液压桩锤的驱动装置包括液压油缸利锤头。最常用的形式如图1 4 ，液压油缸 】固定在壳体上，其活塞杆与桩锤2 直接相连，这种方式结构简单，容易制造，应 用最广。 l _ 液压油缸2 桩锤 1 桩锤2 锤缓冲垫3 砧座4 桩缓冲垫置桩帽桩 图1 4 常用的驱动形式图1 5 打击力传递装置 2 、打击力传递装置 液压打桩锤的打击力传递装置一般由锤缓冲垫、砧座、桩帽及桩缓冲垫组成， 其主要功能是将锤头的打击能量传递到桩上；同时又要保护桩头不受损伤，避免 发生大的噪声。一般形式如图1 5 。 3 、锤头下落高度控制装置 锤头下落高度控制装置由锤头下落高度给定装薰与下落高度检测装置构成。 锤头下落给定高度分为时间给定方式和位置给定方式。时间给定方式是以时间来 确定下落高度，采用时间继电器来控制液压动力装置供给压力油的时间，锤的下 落高度是无级调整的。位置给定方式是通过设置在桩锤外壳上的位置检测装置的 信号来进行控制的，锤头的下落高度是有级调整的。 锤头下落检测装置，可采用各种位置检测传感器，用以控制电液阀的动作。 如无触点开关、光电开关等。 4 、隔音装置 液压打桩锤的噪声主要发生在打击力传递装置上。因此，主要在这一部分采 西安建筑科技大学硕士论文 取降低噪声的措施。 三、液压打桩锤的分类 根据锤的下落方式可将液压打桩锤分为单作用式和双作用式液压桩锤。单作 用式液压打桩锤即桩锤在自重的作用下以接近自由落体方式下落，如雕本f | 立建 帆公司生产的h n c 系列液压桩锤、美国h p s i 公司的m o d e l 6 5 0 - - 3 5 0 5 型锤等； 观作用下落式即桩锤在自重和外力共同作用下以大于自由落体加速度下落，如臼 奉车辆制造公司的n h 系列液压桩锤，荷兰i h c 公司的s c 型锤等。 另外，按照桩锤的吨位大小可将其分为大型、中型和小型三种。桩锤重量在3 吨以下的为小型液压打桩锤；桩锤重量在3 吨到l o 吨之间的为中型液压打桩锤； 桩锤重量超过1 0 吨的为大型液压打桩锤，最大桩锤重量可达4 0 吨。小型液匪打 桩锤适用于打截面尺寸较小的钢桩、混凝土桩，一般截面尺寸小于2 0 0 r a m 2 0 0 w a n ( 或直径小于2 0 0 m r n ) ；中型、大型液压打桩锤适用于港口、码头、机场、高层建 筑、桥梁等工程的桩基旅工。本文就是以针对公路特别是高速公路护栏桩施工的 l 、型双作用液压打桩锤为主要研究对象的。 4 选题的背景和意义 由于柴油锤、蒸汽锤、振动锤和电磁锤等传统桩锤具有噪声污染大、打桩效 率低和桩头容易损坏等缺点。6 0 年代开始出现的采用一种新颖的的工作原理，体 现了传统打桩技术和现代控制理论有机结合，能够克服以上缺点的新型桩锤 液压打桩锤，已成为世晁各国努力发展的方向。 我国是从8 0 年代初期开始研究液压打桩锤的，但是发展速度不尽理想。主要 是从国外进口液压打桩锤。近年来，国内的一些科研院所也开始引进液压打桩锤 技术进行试验、研究。主要是对国外的几种液压打桩锤的液压系统进行理论研究、 系统仿真等。总体上讲，研究比较单一，进展缓慢。因此，对液压打桩锤进一步 进行研究有着十分重要的意义。我们要在理论研究和试验的基础上，进一步研究 其动力学特性和桩一土理论分析，根据实验结果，改进系统回路，设计出适合我 幽国情和使用场合的液压打桩锤。 近年来，我国的公路建设特别是高速公路迅猛发展，截止到2 0 0 4 年末我国的 公路总长已达1 8 5 6 万公里；高速公路里程达3 4 2 万公里。根据2 0 0 0 。2 0 2 0 年我 酗公路建设发展纲要规划，预计到2 0 2 0 年，全国公路总里程达到2 6 0 万至3 0 0 万公罩，高速公路总里程达到7 万公里以上，基本形成国家高速公路网。针对公 路护栏桩施工的小型液压打桩锤必将具有广阔的市场前景。小型液压打桩锤产品 的开发十分必要，也很有意义。 西安建筑科技大学硕士论文 1 5 论文研究的内容 针对本论文，作者主要完成以下研究工作。 1 ) 液压打桩锤液压系统的改进 对实验台装置上所测数据，结合相关理论，进步进行理论分桥，改进、优化、 确定更适合打桩工况的液压系统。 ( 2 ) 桩上动力学分析 通过研究桩在锤冲击作用下受力过程机理，导出桩的极限承载力，桩一土体 系载荷分布、变化情况，建立锤、桩和桩周土之间的数学模型，得出根据不同桩 和桩周土选择不同的打击力，提高锤的打击效率。 ( 3 ) 液压系统动力学研究 结合实验台的液压系统及上述选择的中小型打桩锤产品性能参数建立数学模 型，运用m a n a b 软件s i m u l i n k 工具箱编写仿真程序，验证液压回路、产品各个元 件、管路选择的正确、合理性， ( 4 ) 锤体动力学计算及结构设计 对液压打桩锤工作过程中桩锤与桩、桩与土之间的力传递过程和传递规律进 行分析，并建立液压系统参数与桩锤下打力、冲击速度、桩锤行程之间的关系。 实现液压打桩锤最大打击效率。结合相关产品，进行打桩锤外形结构设计。 ( 5 ) 液压系统集成式设计及液压元件的确定 根据液压系统原理图及打桩锤工况要求，确定主要针对公路护栏及隔离桩用 的打桩锤产品性能参数；选择液压元件( 油箱、各种阀、蓄能器等) 和管路布置 方式：进行液压系统集成式设计。 ( 6 ) 液压打桩锤的p l c 控制系统设计 在分析原液压打桩锤实验装置继电器控制系统和典型液压锤电气控制原理的 冬础上，提出了应用p l c 控制的基本方法和途径。 西安建筑科技大学硕士论文 液压打桩锤系统设计计算 本液压打桩锤是在大量研究国内外液压打桩锤液压系统基础上，总结在实验装 氍模拟打桩过程中的成功之处，汲取其运行过程中的不足，结合使用现场的实际 情况及打桩工况要求，设计出的液压打桩锤液油路。完全按照产品实际参数设计 的。 根据桩锤下落方式不同，液压打桩锤可划分为单作用液压锤和双作用液压锤 阿大类，本论文主要以双作用液压打桩锤为研究对象。 2 。1 液压打桩锤油路系统设计要求 ( 1 ) 采用全液压控制，最好选用国产液压元件； ( 2 ) 运动要求：设计满足要求的液压回路系统，选择液压泵、蓄能器、油缸和液压 阀之间的匹配方式： ( 3 ) 在不提高甚至降低能耗和桩锤重量的前提下，提高打击能量和打击频率。 ( 4 ) 桩锤行程可调，运动平稳，经济性能好； ( 5 ) 结构简单、紧凑； ( 6 ) 油路系统可靠，维护、维修及操作方便。 2 2 本系统参数化设计的主要内容 ( 】) 根据液压打桩锤运动和动力传递要求，确定系统基本液压回路类型和基本 参数； ( 2 ) 确定系统压力； ( 3 ) 设计计算液压缸、液压泵、高，低压蓄能器、各类液压阀、油箱及管路等 液压元件。 2 3 油路系统 2 3 1 油路系统组成 本液压系统主要由油箱1 、滤油器2 、液压油泵3 、单向阀、压力表5 、溢流 阀6 、桩锤7 、液压缸8 、插装阀电磁阀l o ，1 2 、高压蓄能器1 l 、节流阀13 、低 压蓄能器1 4 组成，在锤体的外侧筒体是有5 个限位开关，用于控制锤的行程，以 西安建筑科技大学硕士论文 满足不同的打桩工况的要求。( 图2 1 ) 2 3 2 工作机理分析 1 油箱2 滤油器3 油泵4 单向阀5 压力表6 溢流阀7 桩锤 8 液压缸 9 插装阀1 0 二位四通电磁阀1 i 高压莆能器 1 2 二位二通电磁闷1 3 节流阀1 4 低压蓄能器 图2 1 液压打桩锤液压系统原理图 本液压系统为双作用液压打桩锤，一个工作周期主要包括桩锤上升、桩锤下 降和保压三个阶段 1 、桩锤上升 当系统启动后，电磁铁1 d t 和4 d t 得电，插装阀v 1 和v 4 打开，阀v 2 和 v 3 处于关闭状态，液压泵泵出的液压油经滤油器及管路分别流入液压缸下腔和高 压蓄能器a ，建立系统压力，当液压缸压力上升至桩锤重力平衡时，随着系统压 力的进一步增加，桩锤开始上升，液压缸上腔液压油经插装阀v 4 ，流回油箱。回 路中的低压蓄能器b 的作用是吸收冲击和压力波动。 2 、桩锤下打 当桩锤上升至设定的行程时，上限位非接触开关发出电信号，电磁铁2 d t 和 3 d t 得电，开启阀v 2 和v 3 ，液压缸上下腔接通，形成差动连接，同时电磁铁1 d t 和4 d t 失电，阀v l 和v 4 关闭。泵、液压缸下腔和蓄能器同时向上腔供油，由于 桩锤在重力和液压力的作用下以1 7 9 的加速度下打，获得远大于自由落体的打击 能量。 2 、保压阶段 当桩锤打到桩上时，触及下限位开关，同时时间继电器得电，时问继电器的设 定时问由保压时间确定( 保压时间可通过打桩频率、桩锤上升下降时间计算得到) 。 达到时问继电器设定时间后，使插装润v l 和v 4 打开，阀v 2 和v 3 关闭，进入下 西安建筑科技大学硕士论文 个j 作循环。当液压打桩锤停止二 作时，蓄能器要进行卸荷。 2 。4 油路系统设计计算 24 1 技术要求 根据d y 2 5 a 型液压锤主要参数，确定新型液压打桩锤产品的技术要求 ( 1 ) 桩锤质量：m = 2 5 5 7k g ( 2 ) 最大行程：i - h a x 1 0m ( 3 ) 最大冲击能量：e m a x = 4 0 k j ( 4 ) 打击频率：f = o 5 ；t = 2 s 2 4 2 系统压力的确定 系统压力p 藁娆是确定执行元件参数的主要依据，其影响因素有：l 、液压打桩 锤1 ：作过程中产生的最高工作压力，取桩锤上升瞬间油腔工作压力；2 、液压元件 的制造水平；3 、液压泵类型，一般来讲，液压泵一旦确定系统压力也就确定下来； 4 、系统可靠性要求，系统压力越大，对液压系统元件要求就越高，系统可靠性就 越差；5 、系统压力的选择还应符合公称压力的国家标准( g b 门2 3 4 6 1 9 8 8 ) ( 见表 2 + 1 ) ，取优先系列数据。 表2 1 液压公称压力系列 o 0 1 00 0 1 6 o 0 2 5o 0 4 0o 0 6 30 1 0 0 1 6f o 2 0 ) o 2 5 o 4 00 6 3 ( 0 ，8 0 ) 1 ，01 62 54 06 3 ( 8 o ) 1 0 0 1 2 51 6 02 0 0 2 5 0 31 54 0 0 5 0 0 6 3 08 0 01 0 0 注：1 括号内公称排量值为非优先用值。 2 超出本系列1 0 0 m p a 时，应按g b 3 2 1 - - 1 9 8 0 优先数和优先数 系中r 1 0 数系选用。 系统压力确定后，调整液压回路中的溢流阀调整压力使之与系统压力相适应。 根据经验及公称压力国家校准，系统压力pi 初步定为1 2 5 m p a 。 在液压回路回油侧，需保持一定的背压压力。本设计取背压压力为o 4 f 5 m p a 。 西安建筑科技大学硕士论文 24 | 3 液压缸结构尺寸计算及选择 1 液医缸活塞杆外径d ( 1 ) 根据上升过程中活塞杆所承受的最大载荷确定活塞杆直径 上升瞬问所承受的最人冲击拉应力为f t 有： f t 2 f e 七f f 七f f + f 。 代中：外负载力：= m g 回油阻力：昂= x _ d d 2 风 摩擦阻力：乃= u s 。p 口( d b d - + d “k ) 1 0 6 式中：六一摩擦系数 ，岛一活塞及活塞杆密封圈宽度 ，屹一活塞及活塞杆密封圈修正系数 初步设计时，可用液压缸效率仇代替回油阻力和摩擦阻力。 惯性力：f ：墨a _ y _ v ，a v 为过渡过程出时间内的速度变化值， g a t 。 。 取经验公式f = 0 5 m g 根据强度设计准则，并考虑安全因素，活塞杆直径 拈j 帮v嗍刀【盯】 式中【盯卜一活塞杆材料许用应力 ( 2 ) 活塞杆直径满足打击桩瞬间载荷的强度要求 液压打桩锤在打桩瞬时，活塞杆承受的最大压应力为f 2 d ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 23 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 3 ) 满足压杆弯曲稳定性要求 活塞杆属于媳型的细长杆，即长度三( 1 0 l s ) d ，在最大冲击压应力f 2 作用 卜- ，必须考虑压杆稳定性，即， 1 2 互州 西安建筑科技大学硕士论文 d j 墼芝端笋丝五 泣s ， 式中：, v k 一屈服安全系数，取2 4 ， a 一材料组织缺陷系数，取1 1 2 ， b 一活塞杆截面不均匀系数，取t 1 3 ， k 一油缸安装及导向系数，取k = 2 ， 上。一活塞杆总的支承长度，k = 爿一+ ( 2 5 0 4 0 0 ) e 一材料的弹性系数， 将数据代入式( 2 6 ) 得 d = ( 1 3 1 5 ) = 3 5 2 5 r a m ：144(2557x98+05型557) v0 9 石3 0 1 0 综合考虑以上三种因素，结合表( 2 2 ) 液压缸活塞轩外径尺寸系列( g b t 2 3 4 8 1 9 9 3 ) 和g b 3 2 1 8 0 与计算结果取d = 4 0 m m 。 表2 2 液压缸活塞杆外径尺寸系列 ( 摘自g b t 2 3 4 8 - - 1 9 9 3 ) ( m m ) 42 05 61 6 0 52 26 31 8 0 62 57 02 0 0 82 88 02 2 0 1 03 29 0 2 5 0 1 23 61 0 02 8 0 1 44 0l l o3 2 0 1 64 51 2 53 6 0 1 85 01 4 0 2 液压缸内径d 根据桩锤上升液压缸具有足够的举升力要求设计液压缸内径d p n m g + 4 】，+ l + 日 ( 2 9 ) 式中： a 广一液压缸有杆腔工作面积； a m 液压缸无杆腔工作面积； 取下腔压力为系统压力即p n = p ； 回油腔压力取回油路上背压压力，即p m = p o 。 西安建筑科技大学硕士论文 以效率n l 来代替摩擦阻力，由式( 2 9 ) 得 赴0 0 5 - 1 1 0 ) 。蒹4 ( m g 豸+ f ) 焉d 2 p 将数据代入式( 2 1 0 ) 得： d ( 1 0 5 1 1 0 ) = 1 1 4 x ( 2 5 5 7 9 8 + 2 5 5 7 0 5 ) 0 0 4 2x 0 8 x 1 0 6 z x o 9 x ( 1 2 5 - 0 4 ) x 1 0 6 ( 1 2 5 0 4 ) x1 0 6 4 x ( 2 5 5 7 x 9 8 + 2 5 5 7 x 0 5 ) 0 0 4 2x 0 8 x 1 0 6 z x o 9 x ( 1 2 5 - 0 4 ) x 1 0 6 ( 1 2 5 0 4 ) x 1 0 6 = 6 1 3 ( r a m ) 结合表( 2 3 ) 液压缸内径尺寸系列( g b t 2 3 4 8 - - 1 9 9 3 ) 和g b 3 2 1 8 0 与计算 结果取d = 6 3 m m 。 表2 3 液压缸内径尺寸系歹0 ( 摘自g b t 2 3 4 8 - - 1 9 9 3 )( m m ) 84 0 1 2 5( 2 8 0 ) 1 05 0( 1 4 0 ) 3 2 0 1 2 6 31 6 0( 3 6 0 ) 1 6 8 0( 1 8 0 )4 0 0 2 0( 9 0 ) 2 0 0( 4 5 0 ) 2 51 0 0( 2 2 0 ) 5 0 0 3 2( 1 1 0 ) 2 5 0 注：圆括号内的尺寸为非优先选用尺寸。 综上计算结果：可得 液压缸下腔工作面积4 = o 1 8 6 x 1 0 。f m 2 1 液压缸上腔工作面积4 = o 3 1 2 x 1 0 4 f m 2 1 上、下胶工作面积之差( 即活塞杆面积) 一= o 1 2 6 x 1 0 。( m 2 1 本液压系统回路采用差动回路原理，因此先用单活塞杆液压缸。现在液压缸 产品已是标准化产品。所以在设计过程中要选用国家标准化系列产品。计算的液 压缸尺寸也应符合表2 4 液压缸面积之比( g b 7 0 3 3 8 7 ) 的规定。 1 4 西安建筑科技大学硕士论文 表2 4 液压缸面积之比 = a t 4 = d 2 ( d 2 一d 2 ) ( g b 7 0 3 3 8 7 ) d6 3 m m8 0 r a m1 0 0 m m a 1 3 1 2 c m 25 0 3c m 7 8 5c i n 2 d2 0 m m2 5 m m3 2 r a m a 2 2 8 c m 24 5 4 e m 7 0 5 c m 2 1 1 11 1 l1 d2 8 r a m3 6 m m4 5 r m n a 2 2 5 c m 2 4 0 t c m 6 2 6 c m 2 巾 1 2 5 1 2 51 2 5 d3 6 m m4 5 m m5 6 m m a 2 2 1 c m 23 4 4 c 5 3 9 e r a 2 巾 1 4 81 4 61 4 6 d4 0 m m5 0 m m6 3 m m a 2 1 8 6 c m 23 0 6 c m 4 7 4 c m 2 中 1 6 81 6 41 6 6 3 、液压缸最大冲程确定 根据打桩工况及表( 2 5 ) ，确定液压缸的行程为1 0 0 0 m m 表2 5 液压缸行程系列 液压缸活塞行程第一系列( r a m ) 2 55 08 01 0 01 2 51 6 02 0 02 5 03 2 04 0 0 5 0 06 3 0 8 0 01 0 0 01 2 5 01 6 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 2 0 04 0 0 0 液压缸活塞行程第二系列( t u r n ) 4 06 39 01 1 01 4 01 8 0 2 2 02 8 03 6 04 5 05 5 07 0 09 0 01 1 0 01 4 0 01 8 0 0 2 2 0 02 8 0 0 3 6 0 0 液压缸活塞行程第三系列( n u n ) 2 4 02 6 0 3 0 0 3 4 03 8 04 2 04 8 05 3 06 0 06 5 0 7 5 08 5 0 9 5 0 1 0 5 0 1 2 0 0 1 3 0 01 5 0 01 7 0 01 9 0 02 l o o 2 4 0 0 2 6 0 03 0 0 03 4 0 03 8 0 0 西安建筑科技大学硕士论文 注：当活塞行程 4 0 0 0 r a m 时，按g b 3 2 1 1 9 8 0 优先数和优先数列中r 1 0 数系选用，如不能满足要求时，允许按r 4 0 数系选用 4 、上升过程系统压力确定 根据上升过程系统必须克服外负载力，有式： p 上a l 叩i g 0 代入数据解得：4 8 9 3 3 1 0 6 只 5 、下打过程中系统压力确定 ( 】) 根据动能定义式，计算出下打末速度v 柬 民。= 妻聊v 2 变换式( 2 1 2 ) ，代入数据，得 喙= 等= 磷笋刮m 纠 ( 2 ) 计算下打加速度 巩。= ；廿r 2 武( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 中，t 为下打过程所用时间。 口= 乏= 丽5 6 2 划_ 6 8 ( m s 2 ) ( 3 ) 计算系统压力p 根据相关资料，可以近似认为系统压力p 为液压缸上、 进行受力分析，得 尸爿+ 棚苫= 捌日 代入数据， ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 下腔压力，对液压缸 p = m r 口一g ) l a = 2 5 5 7 ( 1 5 6 8 - 9 8 ) o 1 2 6 x 1 0 。2 = 11 9 3 1 0 6 p a ( 2 1 5 ) 结合表2 1 液压一公称压力系列( g b t 2 3 4 6 1 9 8 8 ) ，确定系统压力为1 2 5 m pa 24 4 液压泵选择 1 、液压泵的形式 1 6 西安建筑科技大学硕士论文 液压油泵的形式包括定量泵和变量泵两种。选择油泵时考虑的主要因素有： 打击频率和打击能量对系统流量的要求、流量波动变化范围、泵本身的可靠性及 稳定性等。 ( 1 ) 定量泵 与变量泵相比，定量泵具有价格低廉、耐冲击、承受最高工作压力高、可靠 性好等优点。如果工作过程中流量变化范围不大，系统流量变化可以通过蓄能器 ：轻均衡，则可以考虑用定量泵，对于双作用液压打桩锤而言，在其上升阶段，上 升速度近似匀速，所需泵流量相对平稳；下打阶段，油泵与上下腔均连通油缸 l 、f 腔之问存在体积差，桩锤要以很大的加速度运动，系统需要油泵补充压力 油，高压蓄能器释放能量，所以双作用液压锤工作过程需求流量的变化范围不夫。 另外，本作用液压打桩锤针对公路护栏施工使用，打击频率相对平稳。因此可采 用定量泵。 ( 2 ) 变量泵 采用变量泵可以满足液压打桩锤各种不同工况对打击频率和打击能量的要 求。同时调节变量泵排量可以满足液压锤工作过程中系统流量变化的要求。相同 行程的条件下，桩锤的打击频率越大则变量泵排放的流量越大，采用变量泵来调 节打击频率和打击能量。变量泵适合于工作过程中流量变化范围大的场合。 2 、液压泵的分类( 见图2 - 2 ) 辫一一、躺 l 一勇鳓麟 图2 2 液压泵分类 3 、液压泵压力 确定液压泵额定压力需要考虑以下因素：系统压力，管路压力损失， 黼艄蝴溅 蝾 糕 麟 嘛 西安建筑科技大学硕士论文 液压油通过调节元件的压力损失，系统运行中的系统压力动态特性。 液压泵的额定压力应满足关系式： 0 k ( p + n b ) ( 2 1 6 ) 式中k p _ 一考虑储备量以及动态特性等因素的安全系数 a b 一回路中的各种压力损失之和 本设计中取液压泵额定压力为： 只( 1 2 0 1 3 0 ) p l = 2 1 7 ) 得出泵额定压力为1 6 m p a 。 4 、液压泵流量 分别计算液压锤个运行周期三个阶段( 提锤、下打和保压) 液压缸所需的 液压油体积( 图2 3 ) ，然后再考虑打击频率等因素。 ( 1 ) 上升过程中液压缸所补充的液压油的体积： =