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西安建筑科技大学硕士学位论文 新型液压打桩锤研究 专业：机械电子工程 硕士生：胡小江 指导教师：谷立臣教授 摘要 打桩锤是用于建筑、码头等桩基础施工的预制桩施工机械。液压打桩锤从2 0 世纪7 0 年代 中期开始研制，是世界各国对节能和环保问题重视以及机电液一体化技术发展的结果，与目前 较常用的落锤、柴油锤相比，它具有能量传递效率高、噪音低、打击能量高且易于控制等优点。 因此，液压打桩锤的研究和开发，对于环保、节能、促进社会技术进步具有重要意义。 本论文针对液压打桩锤的特点和发展趋势，研制了新型液压打桩锤的实验装置，并以动力 学基本理论为指导思想，以动态测试和信号处理技术为手段，以实验数据和仿真结果为依据， 对液压打桩锤主要性能参数的变化规律，进行了深入和系统地研究，进而提出了适合小型液压 打桩锤的液压系统动力学模型和计算方法，为产品开发提供了科学依据。论文主要研究内容和 结论概括如下： 1 通过调研和大量检索，设计出适合小型液压打桩锤的新型液压系统，并利用现有条件， 研制出新型液压打桩锤的实验装置。 2 对所研究液压打桩锤的打桩过程进行运动学和动力学分析，提出桩锤在各个打击过程的 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，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。 3 在液压打桩锤实验装置上利用传感器和动态测试技术得到油泵出口压力、液压缸上、下 腔压力和桩锤下打力的同步实测数据，再利用信号处理技术分析上述参数在上升、下打和保压 过程的精确值及对应关系，获取了液压系统动力学参数与打桩锤力学特性关系的设计知识。 4 以液压缸匕腔压力为辅助变量，桩锤下打力为主导变量，利用函数型神经网络理论建立 了两者之间的软测量模型，找到了液压系统油液压力和桩锤下打力之间的函数关系，从而为获 取不易直接测量参数提供一种新方法。 5 利用灰色系统理论给出桩极限承载力的预测模型和算法，并得出五个主要参数对桩极限 承载力关联l 生强弱关系。 关键词：液压打桩锤动力学计算实验与仿真神经网络灰色系统 论文类型：应用基础 西安建筑科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h en e w t y p eo f h y d r a u l i c p i l eh a m m e r m a 6 0 r l m e c h a t r o n i c s e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e h ux i a n j i a n g i n s t r u c t o r p r o f g u l i c h e n h y d r a u l i cp i l eh a m m e r w & sak i n do f m a c h i n e ，w h i c hw a s w i d e l yu s e di na r c h i t e c t u r ea n d d o c k t om a k eb a s e a st h er e s u l to f t h e d e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yo f i n t e g r a t i o no f m e c h a n i c s ，e l e c 自c o na n d h y d l i cp r e s s u r e ，h y d r a u l i cp i l eh a m m e rh a sb e e nr e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e ds i n c e 1 9 7 0 s b e c a u s ei tc o u l ds a v e e n e r g y s o u r c c sa n db e n e f i t e n v i r o n m e n t c o m p a r e d t os u c hc o n v e n 矗o n a lh a m m e r a sf a l l i n gh a m n l e ra n d p i l eh a m m e ru s i n gd i e s e lo i l i to w n e d9 d m ea d v a n t a g el i k eh i g hi r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y , l o wn o i s e ，h i g hp i l i n ge n e r g ya n de a s yc o n l r o l i n g s or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o ni tw e r e t a k e ni nt h ew o r l d , w h i c hh a v ea l li m p o r t 删ti n f l u e n c eo ne n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n , e n e r g ys a v i n ga n d t e c h n o l o g ya d v a n c e m e n t a i n m a i n g a t t h e p e c u l i a r i t ya n d t r e n d o f h y d r a u l i c h a m m e r , e x p e r i m e n te q u i p m e n t o f t h e n e w t y p e o fi th a sd e v e l o p e d o nt h eg u i d a n c eo f d y n a m i c st h e o r y , b ym e , a i l so ft e c h n o l o g yo fd y n a m i c a i m e a s u r e m e n ta n ds i g n a lp r o c e s s i n ga n do i lt h eb a s i so fe x p e r i m e n td a t aa n ds i m u l a t i o nr e s u l t , t h e c h a n g i n gr u l eo fm a j o rf u n c t i o n a lp a r a m e t e ro fh y d r a u l i ch a m m e rw a sr e s e a r c h e dp r o f o u n d l ya n d s y s t e m a t i c a l l y t h u sd y m m i c a l m o d e la n d c o m p u t i n g m e t h o dw h o s e h y d r a 皿cs y s t e mw a sa p p l i c a b l e t oh y d r a u l i ch a n l m e ro fm i d d l ea n ds m a l lt y p ew a s p r e s e n t e d a l s os c i e n t i f i cs u p p o r to fd e v e l o p i n g h y d r a u l i cp i l eh a m m e r w a s p r o v i d e d t h em a j o rc o n t e n ta n d c o n c l u s i o no f t h i s p a p e r a r eg e n e r a l i z e da s f o l l o w s 1 t h r o u g hm a r k e ti n v e s f i g a b o na n di n f o r m a t i o ns e a r c h i n g n o to n l yan e wt y p eo fh y d r a u l i c s y s t e mw h i c h i sa p p l i c a b l et om i d d l ea n ds m a l lt y p eo f h y d r a u l i ch a n 3 1 1 1 e ri sd e s i g n e d , b u ta l s oas e to f e x p e r i m e n te q u i p m e n ti sr e a l i z e d 2 t h ed y n a n a i c a la n dk i n e m a t i cs p e c i a l i t yo f h y d r a u l i ch a m m e r i sa n a l y s e dd u r i n gp i l i n g a tt h e s 锄e l i m e , t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i sp r e s e n t e do f e a c h p 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 h s 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 eo 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 n t a i l c o m et oad e c i s i o nf r o ms i m u l a t i o n p l o td u r i n g 僦l i n gp r o c e s so f p i l eh a m r f l e r r e s e a r c h o ns i m u l a t i o n w i l lb ei n s t r u c t i v ei n h n p r o v i n g a n d o p t i m i z i n gd e s i g n o f i t sp a r a m e t e r 1 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 f h r o u g he x p e r i m e n tu s i n gs e n s o ra n d t e c h n i q u eo f d y n a m i cm e a s u r e m e n t , t h e d a t ao f t h e p u m p p r e s s u r e ，p r e s s u r eo fu p p e ra n dn e t h e rc a v i t yo fh y d r a u l i cv a ta n dp u n c h i n gp o w e rh a so b t a i n e d s y n c h r o n o u s l y t h e ne x a c tf i g u r ea n dc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no f t h e s ep a r a m e t e ra l s os o m e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s ep a r a m e t e ri sg o tb ym e a n so f t e c h n o l o g yo fs i g n a lp r o c e s s k n gd u r i n ge l e v a t i n g , f a l l i n g a n d p r e s s u r e - r e t a i n i n g 4 b a s e do nn e u r a ln e t w o r k t h e o r y , i tt a k e sp r e s s u r eo fu p p e rc a v i t ya ss e c o n d a r yv a r i a b l ea n d p u n c h i n gp o w e ra sp i 岫v a r i a b l e t ob u i l dm o d e lo fs o rs e n s i n g t h u sp u n c h i n gp o w e r 啪b e p r e d i c t e du s i l l gs y s t e mp r e s s u r eb e c a u s eo ft h e i r f u n c t i o n a lr e l a t i o n t h i st y p eo fm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yp i _ o v i d e san e w m e t h o dt op a r a m e t e r sm e a s u r e m e n tw h i c hi m te a s yt og o t d i r e c t l y r e l a t i o n b e t w e e ns y s t e m a t i cd y n a m i c a lp a r a m e t e ra n dm e c h a n i c si sg o tk n o w n 5 t h ep r e d i c t i o nm o d e la n d a l g o r i t h m o f l i m i t a t i o nl o a do f p u eh b i t l m e ri sp u tf o r w o r d1 l s i f l gg r e y s y s t e mt h e o r y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n l i m i t a t i o nl o a da n dt h e s ef i v ep r i m a r yi sc o n c l u d e d , w h i c hi s s t r o n g o rw e a k ， i t l a e s i st y p e i = h y d r a u l i co i l eh a i l r u l e r , d y n a m i c sc o m p u t a t i o n , 舢e n t a n d s i m u l a t i o n , n e u t r a l n e t w o r k , g r e ys y s t e m a p p f i c a t i o n f o u n d a t i o n 1 1 1 声明 y6 1 6 8 08 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含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 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已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：t 问，小江 4 日期：力卯，2 关于论文使用授权的说明 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) 一椰獬层场吼儿 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 木桩和竹桩是最早使用的桩，早在新石器时代人类便通过打入木桩和竹桩在湖泊和沼泽地 搭台作为水上住所，在浙江省河姆渡就发现了这种原始社会遗址。而我国西南许多少数民族地 区至今仍沿用了这种习惯，随着人类活动向空间和海洋的延伸，各种高层建筑层出不穷，摩天 大楼拔地而起，这些都是建立在牢固的基础之上，因此，人们对桩基础的需求也越来越迫切， 传统的木桩和竹桩逐渐被各种新的桩材料取代。1 2 1 1 9 世纪2 0 年代，已有人开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头，二次世界大战后，无缝钢管 也被作为桩材料用于基础工程，上海宝山钢铁厂曾使用直径9 0 c m 、长约6 0 m 的钢管桩作为桩 基础；自2 0 世纪初钢筋混凝土预制构件问世以来，又出现了种类繁多的钢筋混凝土预制桩。1 9 4 9 年，美国雷蒙德混凝土桩公司利用离心机生产出中空预应力钢筋混凝土管桩，我国已于5 0 年代 开始生产和使用这种预应力钢筋混凝土桩。就地灌注混凝土桩是以混凝土或钢筋混凝土为材料 的另一种类型的桩。2 0 世纪2 0 _ _ 3 0 年代已出现沉管混凝土桩，3 0 年代上海修建的一些高层建 筑，就曾采用f r a n k i 桩和v i b r o 桩等沉管灌注桩：5 0 年代，随着大型钻孔机械的发展，我国的 铁路和公路桥梁大量采用了钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。1 3 打桩锤是将桩打入工作介质的设备。打桩锤分为落锤、汽锤、柴油锤和液压锤，液压打桩 锤同其它类型的桩锤比较具有很多优点，是打桩锤发展的趋势。国外对液压打桩锤研究较多， 产品较成熟。国内对液压打桩锤的研究较少，只是对国外几种典型打桩锤的液压系统进行理论 分析，没有将理论与实验相结台起来进行系统研究。本课题研究对象是小型液压打桩锤，主要 针对打公路用混凝土桩和高速公路护栏用钢管桩而设计。这些类型的桩具有桩径小、桩短、所 需冲击能量低等特点。本文以设计适合国产元件新型液压打桩锤液压系统为研究目的，对液压 系统进行动力学分析。在实验装置上研究系统动态冲击过程，下打力与油液压力的关系。 我国高速公路建设基础薄弱，起步较晚，十多年间，我国高速公路建设发展迅速，高速公 路的投资建设更显加速趋势，高速公路将在国民经济中扮演极为重要的角色。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设施，对促进我们高 等级公路上的交通安全起着重要的作用。公路用混凝土桩和高速公路护栏施工都需打桩设备， 随着高速公路建设飞速发展，为研究、开发小型打桩锤产品提供了广阔的市场。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 桩及打桩设备 1 2 1 桩的简介 桩的种类五花j k l u ，如果考虑用于复合地基的各种柔性桩( 如粉喷桩、碎石桩、c f g 桩等) 和近年来发展起来的异型桩( 如树根桩、支盘桩、后压浆桩等) 。据统计，竟有三百多种，但总 体来讲，如不考虑尺寸影响，根据不同目的，我们可以按不同的分类法对刚性桩进行分类。图 1 1 为按施工类型的不同对桩进行分类。 一泥浆护壁法h 一 千作业法1i 非挤土桩1 管套护壁法一贝诺特灌注桩l 机动洛阳铲成孔灌洼桩 螺旋钻孔灌注桩 多节扩孔灌注桩 钻孔扩底灌注桩 人工挖孔灌注桩 潜水钻成孔灌注桩 钻孔扩底灌注桩 自头钻成孔灌注桩 反循环钻成孔灌注桩 正循环钻成7 l 灌注桩 1 22 设桩设备的类型 图l , l桩的部分施工类型 设桩设备一般可分为：设置打入式预制桩的设备，设置钻孔式就地灌注桩的设备。 ( 1 ) 设置打入式预制桩的设备： 此类设桩设备的沉桩方式包括锤击沉桩、振动沉桩、静力压桩和射水沉桩等数种方式，其 中射水沉桩只适用于砂土层中，水的压力需达到0 5 5 o 7 m l ：i a ，必要时可用压缩空气替代。 a 锤击沉桩设备：包括各种落锤式打桩机、柴油打桩机、蒸汽打桩机以及液压打桩机。 b 静力压桩机：静力压桩机是在软土地上，利用静压力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。 它与普通的打桩机相比，可以消除噪声和振动的骚扰与危害。适用于对防震有要求的部门 2 西安建筑科技大学硕士学位论丈 附近进行施工。 c ，激振沉桩机：预制桩除了采用打桩和压桩之外，还有用振动沉桩的方法。振动沉桩适用 于沙质黏土、砂土和软土地区的沉桩施工，不宜在砾石和密实的黏土中使用。 ( 2 ) 设置钻孔式就地灌注桩设备 此类打桩设备包括以下几种： 乱动力螺旋钻：动力驱动的旋转式螺旋钻孔机适用于在黏性土中设置钻孔桩。 b 振动钻孔机：为了打入衬管，并在灌注混凝土时拔出它们，把振动器和螺旋钻孔机起 使用。 c 逆循环钻孔机：该钻孔机在多种土壤条件下( 包括软质岩石在内) ，能快速钻进，而钻 入粒状土中最为有效。 d 三脚架式钻孔机：三脚架式钻孔机特别适宜在低空间或通道狭隘的条件下工作。 1 2 3 液压打桩锤 打桩锤是建筑基础施工中广泛使用的种施工机械。传统使用的柴油锤由于噪声大、效率 低等原因，在基础施工中受到限制。近年来，液压打桩锤发展迅速。 一、液压打桩锤同其它桩锤比较具有以下优点： ( 1 ) 可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的充分发挥而不 损害桩身，施工时可省去桩垫； ( 2 ) 在打桩过程中，同时可获得下打冲击力和贯入度指标，因而可有效地确定桩是否已进 入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力； ( 3 ) 液压锤特别适应打斜桩作业及水下桩基施工，液压桩锤不存在软土起动困难的问题， 而且能适应各种气候下的施工作业； ( 4 ) 冲击能量可提高许多； ( 5 ) 液压桩锤的公害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩锤低2 0 d b 左右， 因而能适应城市桩基础的施工作业。 目前使用的液压打桩锤形式多样，基本结构大致相似，主要包括：锤本体、动力源、液压 回路系统及操作控制系统等部分。图1 - 2 为液压锤的基本结构，图中： ( 1 ) 液压打桩锤本体 锤本体包括驱动装置和打击力传递装置。锤驱动装置主要由桩锤、液压缸、液压控制阎等 组成；打击力传递装置主要由桩与桩锤之间的缓冲垫、桩帽等组成，在低噪声要求的环境中还 有隔音装置。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 j 覆压缸2 1 瘦压阀组3 无触点开关4 桩锤5 桩锤霸十器 6 桩帽媛冲器t 桩帽8 桩9 导向条1 0 筒# 1 l 管道 1 2 营能器 图1 2 液压锤的基本结构 ( 2 ) 动力源及液压回路系统 液压打桩锤的液压回路主要由液压泵( 定量泵或变量泵) 、溢流阀、卸荷阀、换向阀( 逻辑 阀) 、蓄能器、执行元件、桩锤以及管路等组成。 ( 3 ) 操作控制系统 目前一般采用传统的继电器控制，由于继电器控制有着许多不可避免的缺陷，如机械触点 多，动作准确度和灵敏度不高，设备庞大，控制方式变化时更改困难等，新近出现了采用p l c 控制方式，它能够克服继电器控制的缺点。 根据桩锤的下落方式可将液压打桩锤分为单作用下落式和双作用下落式两种类型。单作用 下落式即桩锤在自重的作用下以接近自由落体方式下落，如英国b s p 公司的 玎书5 7 9 型锤、 日立公司生产的h n c 型锤、美国h p s i 公司的m o d e l 6 5 0 - - 3 5 0 5 型锤等；双作用下落式即桩锤 在自重和外力共同作用下以大于自由落体加速度下落，因此，在相同行程、相同锤重时产生的 打击力比单作用下落方式大得多，如日本车辆公司的n h 型锤、荷兰l h c 公司的s c 型锤、芬 西安建筑科技大学硕士学位论文 兰7 u a t m n 公司的h h k a 系列液压锤、新加坡生产的t w i n w o o d 系列液压打桩锤，本论文所 研究的小型液压打桩锤也属于这种方式。 二、液压打桩锤的系列划分和适用范围： 液压打桩锤的分类可以按桩锤的吨位来分：小型、中型和大型液压打桩锤。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1 0 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。小型液压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 m m 2 0 0 m m ( 或直径小于2 0 0 r a m ) ；中型、大型液 压打桩锤适用于港口、码头、机场、高层建筑、桥梁等工程的桩基施工。 1 3 选题的背景和意义 由于落锤、汽锤、柴油锤具有打桩效烈氐，容易把桩打坏，噪声大，对环境污染严重等缺 点，随着人们环保意识的增强，这些类型的桩锤受到很大限制。液压打桩锤是一种新型打桩设 备，克服了上述桩锤的缺点，世界各国都在努力发展液压打桩锤，液压打桩锤已成为打桩设备 发展的趋势。 我国于8 0 年代初期开始着手这一新型打桩锤的开发，但进展不是很理想。近年来，l 虱内的 一些建筑施工单位开始从国外进口液压打桩锤，而国内制造厂也开始引进液压打桩锤技术进行 试验、生产以及技术开发。国内从事液压打桩锤研究的人员少，起步较晚，进展缓慢，只是对 国外几种液压回路进行了理论研究，建立数学模型，将液压打桩锤的设计、计算、参数选择程 序化、可视化，并用计算机进行仿真。 目前我国对液压锤产品的开发还很不完善，所以对液压打桩锤新型液压系统的研究具有重 要意义。我们不仅可以从理论上研究这种液压打桩锤的动力学特性，而且从实验e 给予证啊和 论证。从实验中了解这种液压打桩锤的动力学特性，揭示下打力与系统各参数之间的关系，更 深层次的揭露液压打桩锤的本质。并目对开拓桩锤研究人员的思路也起到一定的作用。另外， 自1 9 8 8 年开始建设高速公路以来，我国高速公路建设向世界前列高速发展。2 0 0 1 年末，全国 高速公路通车总里程达到l9 万公里，跃居世界第二。今后个时期我国高速公路建设仍将保 持高速发展，到2 0 0 8 年奥运会在北京举办时，“五纵七横”快速国道主干线网将铺就在中国大 地上。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 万公里，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。我国在公路建设方面的投资逐年增加，根据交通部费改 税”对我国公路建设和养护资金筹措的影响及其对策研究提供的数据，我国未来高速公路的 建设成本为每公里3 5 0 0 万元，到2 0 0 5 年，我国的高速公路将达到2 5 万公里左右。从2 0 0 2 年到2 0 0 5 年，资金需求量达到2 1 0 0 亿元。“十五”期间全国公路建设投资需求约为1 0 0 0 0 亿元。 小型液压打桩锤产品的开发具有广阔的市场前景。液压打桩锤新型液压系统的研究对我国开发 西安建筑科技大学硕士学位论文 自己的液压桩锤产品也起到一定的推动作用。 1 4 论文研究的内容和重点 1 4 1 论文研究的主要内容 对于本课题，作者主要做了以下工作： ( 1 ) 研究与设计液压打桩锤液压系统。借鉴其它行业液压回路的先进技术，通过理论分析、 计算，设计出新型液压打桩锤液压系统。 ( 2 ) 为了研究液压打桩锤主要性能参数的变化规律，并为产品开发提供科学依据，利用现 有条件，研制出液压打桩锤实验装置。 ( 3 ) 打桩锤液压系统动力学仿真研究。对所研究液压打桩锤的打桩过程进行运动学和动力 学分析，提出桩锤在各个打击过程的数学模型，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，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。 ( 4 ) 液压打桩锤实验研究。在液压打桩锤实验装置t 利用传感器和动态测试技术得到油泵 出口压力、液压缸上、下腔压力和桩锤下打力的同步实测数据，再利用信号处理技术分析上述 参数在上y t - 、下打和保压过程的精确值及对应关系，获取了液压系统动力学参数与打桩锤力学 特性关系的设计知识。 ( 5 ) 基于神经网络的软测量技术在打桩锤中的应用。以液压缸e 腔压力为辅助变量，桩锤 下打力为主导变量，利用函数型神经网络理论建立了两者之间的软测量模型，找到了液压系统 油液压力和桩锤下打力之间的函数关系，从而为获取不易直接测量参数提供一种新方法。 ( 6 ) 利用灰色系统理论预测完整桩极限承载力。在已知完整桩轴向极限承载力见与桩长 l 、桩径d 、桩的阻尼自振基频，：、桩的应力波波速c 以及桩的单位动刚度k 。这些参数之间存 在一定关系，应用灰色系统理论解决五个参数l 、d 、 ，i 、c 、局中，哪个参数与q 。的关联性 强? 哪个参数与包的关联性弱? 任给一组数据( l 、d 、上、c 、k d ) ，预测此时q 。的大小。 1 42 论文研究的重点和难点 本论文研究的重点和难点主要有以下几方面： ( 1 ) 新型液压打桩锤实验装置的开发。首先进行市场调研和文献检索，把该液压打桩锤定 位为小型液压打桩锤，确定它的适用范围和施工撒，设计出液压系统，给出技术要求，确定 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 和选择液压元件，搭建实验台。 ( 2 ) 液压打桩锤实验研究。在液压打桩锤实验装置上利用传感器和动态测试技术得到油泵 出口压力、 8 涯缸上、下腔压力和桩锤下打力的同步实测数据，再币岍j 信号处理技术分析上述 参数在上升、下打和保压过程的精确值及对应关系，获取了液压系统动力学参数与打桩锤力学 特性关系的设计知识。 ( 3 ) 软测量技术在液压打桩锤中的应用。在实验的基础上，通过函数型神经网络理论，利 用软测量技术，已知液压缸上腔压力的情况下可以方便、准确得到桩锤下打力。软测量技术在 工程机械中的应用还不多见，它为获取不易直接测量参数提供一种新方法。 ( 4 ) 液压系统数学模型的建立。该液压打桩锤一个工作周期分为四个过程，分析各个过程 中桩锤运动规律和特点，运用流体动力学基本方程，建立起各个过程中液压系统数学模型。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 小型液压打桩锤液压系统设计计算 本液压打桩锤液压系统是在参考国内外液压打桩锤液压系统的基础上，借鉴其它行业液压 回路的先进技术和成功之处，结合打桩锤的工况设计出来的。由于这是个全新的液压系统，不 但需要从理论方面进行设计计算，还要从实验上进行检验，证明它的可行眭，所以在确定技术 要求时，没有按照打桩锤产品的参数而是按实验要求来确定技术要求的。 2 1 液压系统原理 2 1 1 液压系统工作原理 液压系统原理如图2 1 所示。液压打桩锤的一个工作周期可分为四个过程：系统增压过程、 提锤过程、下打过程和保压过程。系统增压过程和提锤过程也可合为们过程：上升过程。 t 换向阀8 压力继电寰9 裁止阀i o 营能器i i 换向阚 1 2 液压缸1 3 桩锤 图2 i 打桩锤液压系统原理图 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统增压过程：在起始阶段，由于系统压力为零，所以当系统启动后，首先要建立工 作压力才能开始进入正常的打桩过程。按下泵启动按钮，这时泵启动运行，换向阀7 的两个电 磁铁( 1 d t 、2 d t ) 均处于失电状态，液压泵打出的压力油一部分进入蓄能器，部分通过溢 流阀流回油箱。当按下锤运行按钮后，电磁铁2 d t 得电，换向阀7 的左位接通，压力油进入液 控单向阀k i 、k 4 的控制油口，使阀k 1 、k 4 反向导通，此时液压泵继续给蓄能器充能，剩余 压力油通过阀k l 进入液压缸下腔，液压缸下腔压力从零上升直到可以平衡桩锤重量为止，这 个过程为增压过程。 ( 2 ) 提锤过程：随着系统压力的进一步增加，进入提锤过程，活塞杆带动桩锤上升。 ( 3 ) 下打过程：活塞杆到达行程终点时，触发被行程开关，使电磁铁1 d t 得电，2 d t 失电，这时换向阀7 右位接通，压力油进入液控单向阀k 2 、k 3 的控制油口，使阀k 2 、髓反 向导通，油泵打出的压力油和蓄能器中的压力油同时通过阀豳进入液压缸上腔，由于采用差 动连接，液压缸下腔液压油通过阀k 2 进入t 腔，使桩锤加速下打。 ( 4 ) 保压过程：当桩锤打到桩上后，触发锤最低位行程开关，同时时间继电器得电，时间 继电器的设定时间由保压时间确定( 保压时间可通过打桩频率、桩锤上升下降时间计算得到) a 达至时间继电器设定时间后，电磁铁i d t 失电，2 d t 得电，进入下个工作循环。在此过程中 液压泵给蓄能器蓄能。 2 1 2 辅助元件的说明 ( 1 ) 换向阀1 1 ：换向阀1 1 在该系统中的作用是给蓄能器卸荷。当液压打桩锤处于非工作状态 长时间不使用或需要给蓄能器检修时，按下蓄能器卸荷按钮，使电磁铁3 d t 得电，蓄能器内的 压力油通过换向阀1 1 回至u 油箱。 ( 2 ) 压力继电器8 ：桩锤上升过程中当液控单向阀1 ( 4 发生故障不能正常打开时，液f 垂泵打出 的压力油进 液压缸下腔，而液压缸腔的油液不能排出，咀致液压缸e 腔压力逐渐升高，达 到压力继电器8 设定压力时，压力继电器发出电信号，使电磁铁2 d t 失电，换向阀7 处于中位， 泵停止运行，同时发出报警。等待对阀k 4 进行维修、更换后重新投入工作。 ( 3 ) 单向阀5 ：防止压力油倒流进入液压泵和溢流阀，对液压泵和溢流阀起保护作用。 l 档、2 档、3 档、4 档、5 档五个档位是用一个选择开关来选择其中某一个档位。五个档 位上安装五个接近开关，用于控制液压缸行程上极限位置，上极限位置的不同，也就决定了液 压缸行程的不同。设置五个档位可以根据不同的工况选择不同的液压缸行程，得到不同的下打 冲击力。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 液压系统设计计算 2 2 1 技术要求 液压锤实验装置主要为了验证新型液压回路的性能，在实验上研究其下打过程中力学特 性，看其是否与理论上相符。介于以上目的，再结合实际情况，我们制定了以下技术要求： ( 1 ) 桩锤质量：m = 5 0 k g ( 2 ) 最大冲击能量：e m 。= 3 3 0j ( 3 ) 最大行程：i - i 一= 4 0 0 n l l n ( 4 ) 打击频率：牟1 3 h z ，周期：t = 3s 2 22 参数选择、计算 ( 1 ) 液压缸内径d 和活塞杆直径d 的选择 根据强度设计准则初步确定活塞杆直径d 。 上升瞬间活塞杆所承受的最大冲击拉力为： f l 2 f e + f f + f f + f 。 ( 2 1 ) 式中：f e 哕 负载力，吒= m g ； f r 回油阻力； f 卜摩擦阻力； f 广一喷性力，e = 争。等，v 为过渡过程f 时间内的速度变化值，取经验 公式f ：0 5 。垒。 怛j 油阻力f f 和摩探l 咀力f r 用液雎缸机械效翠i il 代替。 其中： = 华p 】 式中：【仃 活塞杆材料的许用应力。 由公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 可得： d 肚堡型 1 l r h 疗p 】 1 0 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 代入数据得： d 4 x ( 5 0 x 9 8 + 0 5 x ，5 0 ) 。4 9 3r 眦 0 9 万3 0 1 0 。 根据国家标准g b i r 2 3 4 8 - - 1 9 9 3 ( 等效于i s 0 3 3 2 0 - - 1 9 8 7 ) 规定的液压缸活塞杆外径( 杆径) 见表2 1 ，初步确定d = 2 5 m m 。 表2 1 液压缸活塞杆外径( 杆径) 尺寸系列( m ) 45681 01 2 1 41 61 82 0 2 22 52 83 23 64 04 55 05 66 3 7 08 09 01 0 01 1 01 2 51 4 01 6 0 1 8 02 0 0 2 2 02 5 02 8 03 2 03 6 0 确定液压缸内径d 。 桩锤上升时，液压缸应具有足够的举升力要求，即： a 只m g + a l 鼻- i - e + 一 ( 2 4 ) 式中：a 液压缸有杆腔工作面积； a l 液压缸无杆腔工作面积； p 2 有杆腔压力，取系统压力值，p 2 = p ； p l 回油压力，取回油路上的闭压压力p 0 ，p l = p o 。 将式( 2 4 ) 整理得： d j4 ( m g + e ) d 2 p 1 r h 丌( p r ) 尸一r ( 2 5 ) 系统压力p 取为o 8 1 0 6 p a ，闭压压力p 0 根据经验及实际情况取为0 , 0 2 x1 d 6 p a 。把数据代入 ( 2 5 ) 式得： d 4 x ( 5 0 9 8 + 0 5 5 0 ) 0 0 2 5 0 8 x 1 0 0 0 9 l f 0 8 0 0 2 ) 1 0 6f 0 8 0 0 2 ) 1 0 6 3 9 6 9t r i m 根据国家标准g b i i 2 3 4 8 - - 1 9 9 3 ( 等效于i s 0 3 3 2 0 1 9 8 7 ) 规定的液压缸缸筒内径( 缸径) 尺寸系列见表2 2 ，对计算出的d 值进行圆整，取d = 4 0 m m 。 表2 2 液压缸缸筒内径( 缸径) 尺寸系列( 咖) 81 01 21 62 02 53 24 05 06 3 8 0 ( 9 0 ) 1 0 0 ( 1 1 0 、 1 2 5 ( 1 4 0 ) 1 6 0 ( 1 8 0 ) 2 0 0 ( 2 2 0 ) 2 5 0 ( 2 8 0 1 3 2 0 ( 3 6 0 ) 4 0 0 ( 4 s o ) 5 0 0 注：括号内尺寸为非优先适用者 西安建筑科技大学硕士学位论文 国家标准g 踟2 3 4 9 一1 9 8 0 ( 等效于i s 0 4 3 9 3 - - 1 9 7 8 ) 规定的液压缸活塞行陧系列见表2 3 。 表2 3液压缸活塞系列( i i i i i ) ( 1 ) 液压缸活塞行程系列 2 55 08 01 0 01 2 51 6 02 0 02 5 03 2 04 0 0 5 0 0 6 3 08 0 0l o o o1 2 5 01 6 0 02 0 0 02 5 0 03 2 0 04 0 0 0 ( 2 ) 液压缸活塞行程系列 4 06 39 01 1 01 4 01 8 02 2 02 8 03 6 04 5 0 5 5 07 0 09 0 0l l o o1 4 0 01 8 0 02 2 0 02 8 0 03 6 0 0 ( 3 ) 液压缸活塞行程系列 2 4 02 6 0 3 0 03 4 03 8 04 2 04 8 05 3 0 6 0 06 5 0 7 5 08 5 09 5 01 0 5 01 2 0 01 3 0 015 0 01 7 0 0 1 9 0 02 1 0 0 2 4 0 02 6 0 03 0 0 03 4 0 03 8 0 0 注：1 液压缸活塞行程参数依优先次序按表( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 崦用。 2 活塞行程大于4 0 0 0 m l 时，按g b t 3 2 1 - - 1 9 8 0 优先数和优先数系中r i o 数系选用，如不能满足 要求时，允许按r 4 0 数系选用。 ( 2 ) 计算各腔、缸杆面积 4 ，一z d 2 z x ( 0 0 4 ) 2 ：o 1 2 5 7 1 0 2 2 ) 44 、。 a，：堑一zx(0025)2 o 0 4 9 l x l 0 2 ( 川2 ) 44 。 a = a 1 一a 2 = 0 0 7 6 6 x 1 0 2 沏2 ) 式中：a 2 _ 掖压缸活塞杆面积。 ( 3 ) 上升过程中计算系统压力p 根据上升过程系统必须克服外负载力，有式： p 上4 唧i f f 0 代入数据解得：p p o 9 9 x 1 0 6 ( 4 ) 下打过程中计算系统压力pt 首先计算下打末速度v ，由动能定义有 1 2 ( 2 6 ) 西安建筑科技大学硕士学位论文 e 。= 妄聊v 2 ( 2 7 ) 代入数据得v - j 等= f f 2 x 3 3 0 = 3 6 3 ( 础) 然后计算下打加速度8 v = a - f 。 ( 2 8 ) h 一= 妻- f 。2 ( 2 9 ) 上两式中：f 加速下打过程中桩锤完成行程h 。n , n 的时间。 由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 代入数据得： d ：塑1 6 4 7f m 5 2 1 2 上乙。2 x 0 4 、 。 最后计算系统压力pt 。 在下面的计算中近似认为系统压力p ，等于液压缸匕、下腔的压力。对液压缸活塞进行受力 分析可得： p 下4 2 + m g = ，h 口 ( 2 1 0 ) 代入黼得：斥= 掣= 筹乩s s 枷6 只 综合上述( 3 ) 和( 4 ) 的计算结果取系统工作压力p 为1 m p a 。 ( 5 ) 液压泵压力p p 的确定 液压泵额定压力包括系统压力、进油侧压力损失等静态特性，以及系统过渡过程内压力超 调量等动态压力因素，即： 耳( 1 十m ，) ( 尸+ 只) ( 2 1 1 ) 式中：只进油侧的压力损失，包括管路中沿程压力损失和局部损失、管路中压力油 重力产生的压力： m 。系统压力超调量，本系统中取泵额定压力的1 1 1 2 倍。 一般计算中常采用下面简化公式： p v = ( 1 2 1 3 ) p ( 2 1 2 ) 代入系统工作压力值得：p p = 1 2 1 _ 3m p a 。 取液压泵压力p p 为1 2 5m p a 。 ( 6 ) 确定系统所需流量 根据桩锤打击频率、桩锤的最大行程和液压缸结构可以确定液压泵的流量。由于蓄能器具 有储存液压油和均衡系统流量的作用，故根据系统平均流量来确定泵的流量。 西安建筑科技大学硕士学位论文 液压泵需输出的理论流量( h 的确定。 首先计算个工作周期中四个阶段( 增压过程、提锤过程、下打过程、保压过程) 液压缸 需要的液压油体积( 各参数意义见图2 2 所示) 。 a 提锤过程液压缸的有杆腔需要压力油 的体积为： k = 4 巩。 ( 2 1 3 ) b 下打过程液压缸的无杆腔需要泵和蓄 能器补充的油液体积为： t = a 乙。 ( 2 1 4 ) c 保压过程液压缸不需要输入油量，液 压泵输出的液压油全部提供给蓄能器。 由此整理得，个工作周