液压冲击式桩锤结构设计.doc

液压冲击式桩锤结构设计1 绪论1.1桩基础施工技术发展趋向 随着改革开放的深入和社会主义市场经济的发展，国家将建筑业列为国民经济的支柱产业。大力发展具有高新技术水平的建筑机械，武装大中型建筑施工队伍，是发展建筑业并使之发挥支柱产业作用的一项战略措施。从建筑工程的造价和施工工期来讲，基础工程占全工程的1/3-1/20在基础工程的各种结构类型中，桩基础又是主要结构形式。与灌注桩相比，预制桩(包括钢筋混凝土桩和钢管桩)具有更高的可靠性和环境适应性。在预制桩的打桩设备中，与柴油锤、空气锤、机械振动锤、液压压桩机等产品相比，液压桩锤具有不排污、振动小、噪声低、能量利用率高、工作过程可控、机动灵活、可适用于潜水打桩和打斜桩，有向大型化和超大型化发展的潜力等综合优势。由于液压桩锤的低公害和高性能，世界各工业发达国家竞相致力于新产品的开发和性能改善的研究工作。荷兰、英国、法国、美国、德国、前苏联、芬兰、韩国、日本、意大利等国都有多家公司从事商品生产。仅日本就有10多家生产公司。然而，直到目前为止，我国尚没有国产液压桩锤定型产品。由于国外同类产品技术复杂，开发周期长、制造成本高，国际市场价格十分昂贵，不适合在我国推广应用。因而，研制开发性能先进、成本低廉、操作方便、工作可靠的国产液压桩锤产品，对十发展我国建筑业，提高我国建筑施工的技术水平，实现基础工程施工作业现代化具有十分重要的意义。1.2液压桩锤的发展趋势及技术现状1.2.1液压桩锤发展趋势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。19世纪20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90cm、长约60m的钢管桩作为桩基础;自20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。1949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50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。20世纪20-30年代己出现沉管混凝土桩，30年代上海修建的一些高层建筑，就曾采用Franki桩和Vbro桩等沉管灌注桩;50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。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合起来进行系统研究。1.2.2国内外液压桩锤的技术现状 国外研制液压桩锤始于20世纪60年代，而且发展速度惊人。1964年荷兰IIBM公司开始研究液压桩锤，1969年研制成功首台样机，经过改进，于1972年推向建筑市场，HBM-18型液压桩锤成为当时世界上最先进的液压打桩锤。此后，其他发达国家先后开始研制工作并取得一定成果，如法国Monta-Bert公司生产的BRII系列产品，日本日立建机公司于1976年购买英国BSP公司的专利技术，于1979年研制成6.5吨液压桩锤，并于80年代末研制出能打斜桩的液压桩锤;根据收集到的资料，国际上有近20家大型建筑机械公司生产上百种定型产品。目前，英国、芬兰、苏联、日本等国家都研究开发了液压锤，其结构尺寸各有所异，小型的锤重5t，大型的锤重8t，大部分厂家产品的锤重为6.5t。由于液压锤有许多优点，所以市场需求日益增加，许多国家正加紧开发研究，其发展动向有以下几个方面： 1.开发研究可打H型桩和板型桩的小型液压锤。 2.开发研究可打倾斜桩的大型液压锤。 3.开发研究在海洋工程中水下打桩的液压锤。 4.开发研究用于桥梁港口施工中的超大型液压锤。5.液压系统的节能以及能量的充分利用的研究。1976年英国BSP公司研制成功锤重10t的液压锤，日立建机(株)公司买进英国BSP公司的专利，于1979年首先在日本成功地试制出液压锤，并进行了工业性试验。之后，日本对减小液压锤的噪声等间题进行了研究，研制出低噪声液压锤。1983年在建筑省建筑技术评价年会上液压锤得到了好评，并很快得到了普及和推广。 日立建机(株)公司使用英国BSP公司专利制造的液压锤型号有HNC-65,HNC-80,NC-125。日立建机(株)公司又研制出能打斜桩的液压锤，其型号为HNC 12 5，锤重12.5t，最大冲击能量15tm，最大倾斜角度为200，适于在海上打钢管桩。 由于液压锤噪声低，无油烟飞散，冲击力大，施工经济性好等优点，逐渐取代了柴油锤，现在使用液压锤打桩较多了。 我国开展液压桩锤研制始于1976年，当时长沙建筑机械研究所和武汉桥梁机械厂合作研制利用氮气缓冲的2吨级液压桩锤，1979年完成样机试制，最终未形成商品生产;1987年东北大学与阜新矿山机械少一合作研制了2吨级1997年江苏东台机械厂研制出2. 5吨级液压桩锤样机。由于一味效仿国外模式，但国外产品对零部件的制造精度要求很高，制造成本高，再有上述国内产品不同程度存在传动效率低、油温高等缺陷，所以直到目前为止，我国尚未形成液压桩锤定型产品。最近上海工程机械厂引进了日本车辆制造株式会社NH-70, NH-100两种型号的液压桩锤技术，从该公司购买散装件，走逐步实现国产化的道路，但由于价格过高，该产品难以为国内施工单位接受。1.3液压锤与柴油锤的比较 1.3.1液压锤的特点打桩锤是建筑基础施工中广泛使用的一种施工机械。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。 (3) 液压锤特点: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，而且育出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小20dB左右。液压锤施工具有很多优点,国外对比试验表明,液压锤的能量传递效率比柴油锤高得多,普通柴油锤其能量传递效率约为3040%,而液压锤则可以达6080%。液压锤施工的噪声也大大低于柴油锤,液压锤打桩时的噪声为8085分贝,而柴油锤的噪声则在100分贝以上。液压锤没有油烟污染,符合环保要求,打击行程和频率可以方便的调节,没有软土地上起动困难的缺点,液压锤打斜桩的角度比柴油锤广泛,贯入度较大。增加一个密封罩,还可用于水下打桩等。1.3.2柴油锤的特点柴油打桩锤是以柴油为燃料，以冲击作用方式进行打桩施工的桩工机械。柴油桩锤实际是一种单缸二冲程自由活塞式内燃机，既是柴油原机，又是打桩工作机。由于柴油锤不需要其他配套的动力机械，具有结构简单，打桩施工方便，桩的承载力高，不受电源限制等优点，在桩工机械中使用最广泛。柴油打桩锤需要有打桩架配套，才能成为打桩机。由于打桩架能适用于其他桩锤，且有多种形式，故将打桩架另列于后。柴油打桩锤按其动作特点可分为导杆式和筒式两种。导杆式桩锤冲击体为气缸，它构造简单，但打桩能量小，只适用于打小型桩。由于它操纵方便，维护容易，仍受到一些小型施工队伍的欢迎，国内仍有少量生产。2 课题概要2.1液压桩锤的选题背景由于落锤、汽锤、柴油锤具有打桩效率低，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，液压打桩锤己成为打桩设备发展的趋势。 我国于80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，国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，而且从实验上给予证明和论证。从实验中了解这种液玉打桩锤的动力学特性，揭示了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。并且对开拓桩锤研究人员的思路也起到一定的作用。另外，自1988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。2001年末，全国高速公路通车总里程达到1. 9万公里，跃居世界第二。今后一个时期我国高速公路建设仍将保持高速发展，到2008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2020年，全国公路总里程达到260万至300万公里，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3500万元，到2005年，我国的高速公路将达到2. 5万公里左右。从2002年到2005年，资金需求量达到2100亿元。“十五”期间全国公路建设投资需求约为10000亿元。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自己的液压桩锤产品也起到一定的推动作用。2.2液压桩锤要解决的问题液压锤是一种低工害的建筑机械，在工作过程中不排污、振动小、噪声低，可以实现清洁安静的建筑施工。在人们普遍关注环境污染，内燃锤、振动锤和空气锤由于环境污染而严格限制其使用的情况下，液压锤的市场需求量必将日益增加。 液压锤是全液压驱动的机电一体化产品，容易实现工作过程的自动控制和监测。因此，可以实现依据工作对象(桩结构与地质条件)自动地调解其工作参数(冲击行程、打击频率)，实现理想打击过程。可以随时监测冲力和桩的承载能力，保护桩体免遭损伤，保证全部打入桩有近似相等的承载能力，从而能确保其施工质量。 液压锤比能容量高，锤头可全密封在壳体中。因而易于向大型化和超大型化发展和实用于潜水作业在重型基础工程和水下建筑工程施工中有不可替代的优势。随着海洋开发工程、海底石油开采工程、大型港口和深水码头工程、大型公路、铁路桥梁工程、地下工程和高层建筑工程的迅速发展，液压锤的产品开发有着更加重要的意义。3 液压桩锤系统组成3. 1液压桩锤结构组成一台能够独立作业的打桩机通常由自走式底盘、桩架和桩锤三大部分组成。自走式底盘按行走方式又分为履带式、步履式等形式。其中的桩锤可分为振动锤和冲击锤两大类。按工作介质的不同，冲击锤又可分为落锤、蒸汽锤、空气锤、柴油锤和液压锤等多种类型。液压桩锤又有自由下落冲击式和加速下落冲击式两种型式。本文所研究的液压桩锤属于自由下落冲击式液压桩锤，主要由桩锤主体、液压源、微机测控装置三部分组成。 图3-1打垂直桩工作图 图3-2 打斜桩工作图4 总体设计方案及工作原理新型液压锤在技术方案设计中着重体现出两个主要技术特征: 采用汽车式底盘、前后支腿结构和导轨式桩架支撑整个桩锤主体。锤头中空，内置颗粒金属，用于调节锤头冲击重量。4. 1液压桩锤本体结构组成4.1.1锤体桩锤主体主要包括砧座、锤体、锤头、锤盖、油缸和液控阀组等6个部分组成。同时也包括桩帽、阀组防护罩、柔性悬吊轴、导向悬挂滑轮组和液压管路等附属装置。图4-1液压桩锤的设计结构4.1.2液压油源液压油源主要由液压泵、交流三相异步电机和液压附件等组成。图1-4为液压油源系统原理图。 图4-2 桩锤液压原理图1.油箱 2.油泵 3.溢流阀 4.压力表 5.单向阀 6.液控单向阀7.换向阀 8.压力继电器 9.截止阀 10.蓄能器 11.换向阀12.液压缸 13.桩锤 4. 2打桩工作原理液压系统原理如图1-4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一个过程: 上升过程。(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( 1DT, 2DT)均处于失电状态，液压泵打出的压力油一部分进入蓄能器，一部分通过溢流阀流回油箱。当按下锤运行按钮后，电磁铁2DT得电，换向阀7的左位接通，压力油进入液控单向阀K1, K4的控制油口，使阀K1. K4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K1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，触发高度行程开关，使电磁铁1DT得电，2DT失电，这时换向阀7右位接通，压力油进入液控单向阀K2, K3的控制油口，使阀K2, K3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K3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K2进入上腔，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)。达到时间继电器设定时间后，电磁铁1DT失电，2DT得电，进入下一个工作循环。在此过程中液压泵给蓄能器蓄能。5 液压桩锤参数的设计与计算5.1液压桩锤总体设计主参数（1）锤体重量：2t；（2）最大锤体冲程：1800mm；（3）液压系统压力：35MPa；（4）冲击频率：45crp；（5）液压锤总重量：5t；冲击能量的确定锤体的重量为 G=mg (5-1)在锤体下落的过程中，冲击能量的大小主要由锤体的重量和行程来决定，另外液压锤的有效作用时间还包括锤体与桩垫接触时的重力引起的静压力，所以锤头最终的冲击能量为： Q=GHK=196001.81.8=63504J锤体的重量G=mg=20009.8 =19600 N式中m为锤体的质量g为重力加速度要使桩锤可以顺利工作则要求液压系统提供的动力能够支撑起锤体的全部重力，即 PAGPA (5-2)式中P为液压系统的压力P为氮气储藏室储存的氮气的压力A为活塞与活塞杆的面积差A为气体氮气储藏室的活塞面积由压强公式P=可推得锤体的重力与塞杆面积差的关系为A=A=AA=560 式中A为活塞的面积A为活塞杆的面积 A=R 图5-1实际运动的过程中存在液压回油的阻力、活塞与缸壁的摩擦阻力,所以实际应用的半径之差要大于理论的求解值，根据下表液压缸内径及活塞杆外径尺寸系列选取活塞直径与活塞杆的直径为=100=80=A-A=(R-R)=3.14（）=2826所以A 符合。5.2液压缸的设计计算设计液压缸的基本原始资料是液压缸负载值、负载运动速度、行程值、液压缸的结构形式及安装要求等，液压缸的设计计算主要是确定液压缸的结构尺寸，确定液压缸的使用压力和流量，并对液压缸的零部件进行强度校核和性能验算等。5.2.1主要参数的确定 液压缸的工作压力液压缸的输出力F是由工作压力p和活塞的有效面积A决定，而液压缸的输出速度是由输入液压缸的流量q和活塞的有效面积A来确定，即 F=pA (5-3) (5-4)由以上两式可见，当液压缸的输出力F一定时，若缸的工作压力p取得大，则活塞有效面积A减小，液压缸的结构就紧凑，但液压元件的性能及密封要求也相应提高；若液压缸的工作压力p取得小，则活塞有效面积A就越大，缸的结构尺寸增加，要使工作机构得到同样的速度，就要求有较大的流量q，此时，将使有关的液压泵、阀等液压元件的规格要求相应增大，这就可能导致整个液压传动系统的结构庞大。因此，确定液压缸的工作压力p时，要根据设备的工作要求、元件的制造水平等因素综合考虑，有时后者更为重要。对于不同用途的液压设备，由工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可采用类比法或通过试验来确定。5.2.2缸筒的内径工程上，计算缸筒内径D时，通常有三种方法。（1）根据需要的液压缸的理论输出力F和系统选定的供油压力p来计算缸筒内径D，计算公式如下： (5-5)式中 F液压缸的理论输出力（N） p供油压力（Mpa）液压缸的理论输出力F，可按下式确定： (5-6)式中 F活塞杆的实际作用力，可取估算负载值的最大值； 负载率，一般取0.50.7液压缸的总效率, 取=0.8F=19600N=40833Nmm（2）根据执行机构的速度和选定的液压泵流量来计算液压缸的内径，计算公式如下： (5-7)式中 q进入液压缸的流量()液压缸的输出速度()比较以上两式计算的液压缸内径D的大小，取大值并圆整到标准值（3）根据估算的执行机构的推力和拉力、系统选定的压力，参照常用标准液压缸理论推力和拉力表来选定液压缸内径D=100。5.2.3活塞杆直径活塞杆直径d的计算方法通常有三种。（1）根据速度比的要求来计算活塞杆直径d 式中 D缸筒内径速度比 = (5-8)式中 活塞杆缩入时的速度活塞杆伸出时的速度（2）根据强度要求来计算活塞杆直径d当活塞杆在稳定状态下仅承受轴向载荷时，活塞杆直径d按抗拉、抗压强度计算如下： (5-9)式中 F液压缸的输出力活塞杆材料的许用应力(Pa)，当活塞杆为碳钢时，=100120Mpa如果活塞杆受到较大的弯曲作用时，活塞杆直径则应按压弯联合强度计算，此时， (5-10) 式中 活塞杆的应力F液压缸输出力A活塞杆截面积，对于实心活塞杆，；d活塞杆直径活塞杆最大挠度W活塞杆截面的抗弯模量，对于实心活塞杆，式中 活塞杆材料的屈服强度n安全系数，一般n1.4（3）如无速度比要求，可以根据估算的执行机构的推力和拉力、系统选定的压力，参照常用标准液压缸理论推力和拉力表来选定活塞杆直径d；也可以按经验公式d=（）D初步选定活塞杆直径d。d=100=34设计活塞杆直径时，无论采用哪一种方法，都要按活塞杆直径尺寸系列圆整成标准值。5.2.4液压缸的行程液压缸行程s，主要依据执行机构的运动要求而定。但为简化工艺、降低成本、增加产品通用性，应尽量采用标准系列值。液压缸行程系列表1-2液压缸活塞行程第一系列（mm）2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表1-3液压缸活塞行程第二系列 （mm）406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表1-4液压缸活塞行程第三系列（mm）240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800当活塞行程4000mm时，按GB3211980优先数和优先数列中R10数系选用，如不能满足要求时，允许按R40数系选用。设计要求活塞的行程为1800，所以要选择第二行程系列的液压缸5.2.5缸筒5.2.5.1主要技术要求（1） 有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不会产生永久性变形。（2） 有足够的刚度，能承受活塞侧向力和装置的反作用力，而不至于产生弯曲。（3） 内表面在活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作，且磨损极少，几何精度高，确保活塞密封。（4） 某些焊接式结构的缸筒，焊接在法兰或管接头后，不应产生裂纹或有过大的变形。（5） 在采用铸铁缸筒时，其组织应紧密无渗漏现象。5.2.5.2结构形式通常根据缸筒与缸盖的连接形式来选用缸筒结构，不同的连接形式具有不同的优点和缺点，要根据额定工作压力、用途、使用环境等因素合理选用缸筒结构。5.2.6缸筒计算5.2.6.1缸筒厚度 计算 (5-11)式中 缸筒材料强度要求的最小值, =10缸筒外径公差余量腐蚀余量的计算可以有以下几种情况：当时，按薄壁缸筒计算：当=0.080.3时，按中等壁厚缸筒计算：当时，按厚壁缸筒计算：对于塑性材料 式中 D缸筒内径缸筒内最高工作压力，当工作压力p16Mpa时,；所以=1.2535=43.75Mpa材料的许用应力；=式中 缸筒材料的抗拉强度，锰钢钢管=420 Mpan安全系数，属于静载荷取n=3=0.1=140 Mpa选择公式为实际上，当0.2时，缸筒材料使用不够经济，应改用高屈服强度的材料。缸筒外径 =1305.2.6.2缸筒厚度验算对缸筒壁厚要作以下四方面的验算额定工作压力p应低于一定极限值，以保证工作安全。 (5-12)或 =35.72 Mpa为避免塑性变形，额定工作压力应满足式中 p缸筒发生完全塑性变形的压力式中 缸筒材料屈服强度，锰钢钢管取=250 Mpa缸筒外径D缸筒内径额定工作压力=22.927.52 Mpa缸筒径向变形量应在允许范围内，不得超过密封圈的允许范围。式中 缸筒径向变形量缸筒耐压试验压力E缸筒材料弹性模量材料泊松比，钢材=0.3缸筒的爆裂压力应远远大于耐压测验压力。式中 缸筒材料的抗拉强度, =420 Mpa=2.3420lg=110.07 Mpa 缸筒底部厚度平型缸底当缸底为平面且无油孔时，缸底壁厚h为式中D缸筒直径最大工作压力缸底材料的许用应力，其选用方法与缸筒厚度计算相同, =140 Mpah缸底厚度 =72.17mm当缸底为平面且有油孔时，缸底厚度h为式中 d缸底油孔直径5.2.6.3缸筒加工工艺要求1）缸筒内径采用H8，H9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈密封时，取0.10.4，当活塞采用活塞环密封时，取0.20.4，且均需珩磨。2）缸筒内径D的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值可按8级精度选取 图5-2 缸筒工艺3）缸筒端面T的垂直度公差值可按7级精度选取4）当缸筒与缸头采用螺纹联接时，螺纹应选取6级精度的普通螺纹。5）当缸筒带有耳环或销轴时，孔径D或轴径的中心线对缸筒内孔轴线的垂直度公差值应按9级精度选取。6）为了防止腐蚀和提高寿命，缸筒内表面应镀以厚度为3040的铬层，镀后进行珩磨或抛光。 5.2.7活塞1）结构形式活塞根据密封装置型式来选用其结构形式，而密封装置则按工作压力、环境温度、介质等条件来选定。2）活塞与活塞杆的联接形式：采用螺纹联接3）加工要求(1) 活塞的宽度尺寸，可根据密封结构形式来确定。 图5-3活塞(2) 活塞外径d对内孔D的径向圆跳动公差值，按7、8级精度选取。(3) 端面对内孔D轴线的垂直度公差值按7级精度选取。(4) 外径d的圆柱度公差值，按9、10、11级精度选取。5.2.8活塞杆5.2.8.1内端部结构形式及尺寸活塞与活塞杆为螺纹联接时，螺纹退刀槽处为活塞杆的危险截面，其拉应力为 (5-13)其切应力为 (5-14)合成应力为 (5-15)式中 F液压缸的输出拉力为F=系统工作压力D缸筒内径d活塞杆直径K螺纹拧紧系数，静载荷时取K=1.251.5，动载时取K=2.54螺纹摩擦系数，一般取=0.12活塞杆材料的许用应力，为=活塞杆材料的屈服强度安全系数=11.70=10=3.94 =546.1 Mpa5.2.8.2强度及稳定性验算活塞杆全部伸出时，活塞杆顶端至液压缸支撑点之间的距离称为计算长度l，其值与安装形式有关根据计算长度l与活塞杆杆径d的不同比值，对活塞杆进行不同项目的验算（1）时，属于短行程活塞缸，主要验算拉压强度： (5-16)式中 F活塞缸的最大推力活塞杆直径安全系数，n=24活塞杆材料的屈服极限（2）时，必须进行活塞杆的稳定性校核，尤其当活塞杆受轴向压缩载荷时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作，即 (5-17)式中 活塞杆失稳临界负载安全系数，取=24=22.510所以要进行活塞杆的稳定性校核活塞杆失稳临界负载的值。与活塞杆材料性质、截面形状、直径、计算长度、液压缸的安装方式、负载是否偏心等因素有关。无偏心载荷时的稳定性校核对于无偏心载荷的细长活塞杆，的计算采用等截面法计算当细长比时，可按欧拉公式计算： (5-18)式中 临界负载末端系数，取=2（一端固定一端铰支）E活塞杆材料的弹性模量，钢材E=2.110PaJ活塞杆截面的转动惯量对实心杆=2009600式中活塞杆直径活塞杆计算长度柔性系数，取=80当时，用戈登兰金公式计算：式中 材料强度实验值，取=560MPa实验系数，取a= 符合稳定性要求3）加工要求（1） 热处理：粗加工后，调质到硬度为229285HBS。必要时，再经高频淬火，硬度4555HRC。（2） 表面处理：活塞杆表面须镀铬，厚1525，也有的要求达3050，防腐要求特别高的则要求先镀一层软铬或镍，后镀硬铬，镀后抛光，用于低负载和良好环境条件的液压缸，活塞杆可不作表面处理。（3） 活塞杆d和d的圆度公差值，按9、10、11级精度选取。（4） 活塞杆d的圆柱度公差值，按8级精度选取。（5） 活塞杆d和d的径向圆跳动公差值为0.01。（6） 端面T的垂直度公差值，应按7级精度选取。（7） 活塞杆上的螺纹，一般按6级精度加工；如果负载较小、机械振动较小时，允许按7、8级精度加工。（8） 活塞杆上有联接销孔时，该孔径应按11级精度加工。销孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。（9） 活塞杆工作表面的粗糙度一般为0.4，要求高时=0.10.2；活塞杆的直线度公差值为。5.3液压泵的选择工作过程中活塞提起过程中油缸内的蓄油量为 V=(R-R)H (5-19)下落后油缸内存油体积 V=（RR）h=3.14（）1800=39.0 根据设计参数中液压系统的压力来确定液压泵的规格，由于液压系统压力为35Mpa，冲击频率45crp所以每个工作过程的周期为T=1.3s在锤体下落的过程中，以重力加速度下落的时间为t=s活塞杆末端的速度为=9.80.61=5.98m/s所以活塞杆的平均速度为=m/s所以液压泵的供油时间为t=0.7s所以选择液压泵的流量为q=/s所以选择液压泵的种类为A2F200型柱塞泵(闭式系统)5.4管路的选择管道的内径d和壁厚的计算公式: d=2 (5-20) = (5-21)式中 为允许流速，推荐值：吸油管0.51.5 ms，回油管1.52 ms，压力油管2.55 ms，控制油管取23 ms，橡胶软管应小于4 ms；q为液压泵的流量（ms）；n为安全系数，对于钢管，p7Mpa时,n=8；7Mpap17.57Mpa时,n=6；p17.57Mpa时,n=4；管道材料的抗拉强度；所以d=2=0.031m=31=3.1所以根据下表选择钢管的类型为： 公称通径32； 钢管外径42； 管连接螺纹M332；管子壁厚5； 对卡套式管接头用管，采用高级精度冷拔钢管；焊接式管接头用管，采用普通级精度的钢管。管接头选择焊接式铰接管接头，型号为公称通径32； 钢管外径42；d=M422；d=42.8； 图5-4钢管d=78；l=17；L=82；L=34；L=30；轴用弹簧挡圈选择GB894.2-86 60螺栓 GB5781-86 M1255 密封套螺母 GB41-85 M12密封套螺栓 GB5781-86 M1025 法兰盘螺母 GB41-85 M42 气杆螺母5.5蓄能器的选择及计算(5-22)图5-5气囊式 图5-6活塞式 图5-8弹簧式 图5-7油瓶式 图5-8重锤式5.5.1蓄能用蓄能器参数的确定：5.5.1.1蓄能器充气压力的p确定(1) 蓄能用（包括做辅助动力源、补偿泄露保持恒压、作液压空气弹簧等）蓄能器充气压力的p确定（蓄能器充气压力，应根据不同的条件选择不同的计算公式）1） 使蓄能器的总容积V最小，单位容积储存能量最大时（绝热过程时）p=0.47p=0.4735=16.45Mpa蓄能器的重量最小时p=（0.650.75）p=0.735=24.5Mpa式中 p最高工作压力(p=35Mpa)2） 在保护胶囊，延长其使用寿命的条件下折合形气囊 p（0.80.85）p波纹形气囊 p（0.60.65）p隔膜式 p0.25p p0.3p活塞式 p（0.80.9）p式中 p最低工作压力（做液体补充装置或做热膨胀补偿时，同样取p= p）在锤头自由下落的过程中，泵不再给液压缸供油，此时的系统工作压力最小，所以p=7.1Mpa（2）作热膨胀补偿用的蓄能器充气压力p的确定作热膨胀补偿用的蓄能器充气压力p等于液压系统回路中的最低工作压力，即p= p=7.1 Mpa（3）作液体补偿装置用的蓄能器充气压力p的确定这种蓄能器的充气压力应等于蓄能器设置点的最低工作压力p，即p= p=7.1 Mpa（4）作消除脉动降低噪声用的蓄能器的充气压力p的确定这种蓄能器的充气压力应等于蓄能器设置点的最低压力p，或等于蓄能器设置点脉动的平均压力值p=的60%，即p= p=35 Mpa或 p=0.6 p=60%=12.6（5）作吸收液压冲击用的蓄能器的充气压力p的确定这种蓄能器的充气压力应等于蓄能器设置点的最低工作压力p，即p= p=7.1 Mpa在液压锤的操作过程中，蓄能器的作用是在锤头起升的过程中给缸提供辅助的油液，即作为辅助动力源使用，所以选用的蓄能器的冲气压力为p= p=7.1 Mpa5.5.1.2蓄能器总容积V的确定蓄能器的总容积即充气容积V（对活塞式蓄能器而言，V是指气腔容积和液腔容积之和）。（1） 液压泵的流量 q=60K (5-23)式中 在一个工作周期中各液压机构耗油量之总和（=5.1L）；K泄露系数，一般取K=1.2；T系统工作周期q=60K =液压泵既可选一台，也可以选数台，但其总流量应等于一个工作循环内的平均流量。超出平均流量的部分，就是要蓄能器供给的流量，q的部分是液压泵供给蓄能器储存的流量。（2）蓄能器有效工作容积的计算= 式中 系统最大耗油量（m） 系统泄漏系数，一般取=1.2泵站总供油量t泵的工作时间（3）蓄能器总容积V的计算 根据波义耳定律：pV=pV=pV式中 p充气压力p最低工作压力p最高工作压力，相对的气体容积分别为V、V、V等熵系数，绝热过程=1.4（对氮气或空气），则=0.715蓄能器工作在绝热过程时，其总容积为V=式中 V有效工作容积，V=VV5.5.1.3蓄能器有效工作容积V的计算绝热过程蓄能器有效工作容积为 V=pV (5-24)5.5.1.4蓄能器最低工作压力（p）、最高工作压力(p)的计算作为辅助动力源来说，蓄能器的最低工作压力应满足p=式中 最远液压机构的最大工作压力蓄能器到最远液压机构的压力损失之和从延长皮囊式蓄能器的使用寿命考虑，则p3pp越低于极限压力3p，皮囊寿命越长，提高p虽然可以增加蓄能器的有效排油量，但势必使泵站的工作压力提高，相应功率损耗也加大，因此p应小于系统所选泵的额定压力。 作辅助动力源的蓄能器，为使其在输出有效工作容积过程中液压机构的压力相对稳定些，一般推荐p=（0.60.85）p5.5.1.5其他用途蓄能器参数的确定液体补充装置用的蓄能器总体积V的计算（1）有效容积（蓄能器的有效供液容积）V的确定 计算时应根据系统的实际需要补充的液体量来确定有效容积，若作为液压缸的补充装置的蓄能器，即有 (5-25)式中 D和d分别为活塞和活塞杆的直径 S活塞的行程 （2）总容积V的计算当蓄能器工作在绝热过程中 (5-26)当蓄能器工作在等温的过程中 5.5.1.6偿泄漏用的蓄能器总容积V的计算 补偿系统泄漏的蓄能器所需的有效容积应为系统中所有元件的泄漏量的总和V，即蓄能器工作过程中，压力是变化的，而泄漏与压力大小有关，所以元件泄漏量也是变化的。我们在计算是取平均泄漏量Q，用蓄能器工作压力的平均值计算。p、p分别为蓄能器最低和最高绝对压力。（2）蓄能器总容积V的计算补偿泄漏的工作过程较长，其总容积按下式计算：5.5.1.7热膨胀补偿用蓄能器总容积V的计算（1）有效容积的计算当油温度由 上升到 时，封闭回路中液体膨胀而增加的容积即为蓄能器必须吸收的液体容积，即式中 封闭回路中油液的总容积系统的初始温度系统的最高温度a管材线膨胀系数液体体积膨胀系数（2）蓄能器总容积V的计算蓄能器工作为绝热过程时式中 等熵系数，一般取=1.4蓄能器工作为等温过程时5.5.1.8吸收液压冲击用蓄能器总容积V的计算为吸收液压冲击，蓄能器的总容积V应按下式计算 (5-27)式中 油液的密度L产生冲击波的管长q阀门关闭前管内的流量A管道通流面积实际运用中，一般用下面的经验公式计算。只有当计算出V为正值时，才有安装蓄能器的必要。式中 t阀由全开到全关所用时间5.5.1.9消除脉动、降低噪声用的蓄能器总容量V的计算液压系统中压力脉动是由流量脉动引起的，在一个脉动周期内，瞬间流量高出平均流量的部分被蓄能器吸收，而瞬间流量低于平均流量时，蓄能器又将其吸收的容积全部释放出来， (5-28)或 式中 压力脉动系数，实际运用中，对蓄能器用来消除柱塞泵的脉动，则可用下式直接算出蓄能器的总容积：式中 q泵的单缸排量K系数，不同型号的泵其系数不同5.6螺栓的设计、校核计算：5.6.1液压锤的上、下箱体的连接螺栓在缸壁与活塞杆选择20个螺栓连接、即z=20，采用对称布置的结构初选螺栓为M165.6.1.1螺栓的受力分析在桩锤工作的过程当中，锤体总是要保持在垂直的方向上，因此连接螺栓的主要作用是固定上下箱体，所以M16螺栓所承受的主要作用力是沿轴向的拉力，静止时即为整个桩锤的重力，因此F=49 kN由于工作过程中的冲击很大，所以实际承受的轴向力较大取F=60 kN单个螺栓所受的轴向力为F= kN=3 kN螺栓所承受的轴向工作载荷为F= F=3000N各螺栓所需要的预紧力为 F (5-29)式中 F各螺栓所需要的预紧力K防滑系数，取K=1.2F为作用于螺栓的轴向力结合面间的摩擦系数，取=0