建筑打桩机总体设计（全套CAD图+设计说明书+翻译）
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建筑
打桩机
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滑轨式柴油打桩机设计
摘 要
本文介绍了一种滑轨式柴油打桩机打桩机的工作原理及组成结构，阐述了滑轨式柴油打桩机的设计要点，给出了柴油桩锤具体设计方案，并且介绍滑轨式柴油打桩机的整体结构及部分的计算。打桩机共有三大部分组成：桩架、柴油桩锤、卷扬机。本设计说明书主要介绍了桩架和柴油桩锤的设计过程、液压缸的结构设计、计算、各部件的强度校核。
本设计采用人工进行控制，其突出的特点是：体积小、重量轻、搬运方便，能在恶劣的建筑施工环境中可靠工作，性能价格比高。
该装置具有自动化程度高、操作调节简便、工作可靠、快速、安全的优点，对于提高建筑工程的质量及生产率有着重要的意义。
关键词：滑轨式，柴油，导杆式，打桩机
- 内容简介：
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毕业设计 中 文 翻译 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 齿轮和轴的介绍 摘 要 :在传统机械和现代机械中齿轮和轴的重要地位是不可动摇的。齿轮和轴主要安装在主轴箱来传递力的方向。通过加工制造它们可以分为许多的型号，分别用于许多的场合。所以我们对齿轮和轴的了解和认识必须是多层次多方位的。 关键词 :齿轮；轴 在直齿圆柱齿轮的受 力分析中，是假定各力作用在单一平面的。我们将研究作用力具有三维坐标的齿轮。因此，在斜齿轮的情况下，其齿向是不平行于回转轴线的。而在锥齿轮的情况中各回转轴线互相不平行。像我们要讨论的那样，尚有其他道理需要学习，掌握。 斜齿轮用于传递平行轴之间的运动。倾斜角度每个齿轮都一样，但一个必须右旋斜齿，而另一个必须是左旋斜齿。齿的形状是一 渐 开线螺旋面。如果一张被剪成平行四边形（矩形）的纸张包围在齿 轮圆柱体上，纸上印出齿的角刃边就变成斜线。如果我展开这张纸，在 角刃边上的每一个点就发生一渐开线曲线。 直齿圆柱齿轮轮齿的初始 接触处是跨过整个齿面而伸展开来的线。斜齿轮轮齿的初始接触是一点，当齿进入更多的啮合时，它就变成线。在直齿圆柱齿轮中，接触是平行于回转轴线的。在斜齿轮中，该先是跨过齿面的对角线。它是齿轮逐渐进行啮合并平稳的从一个齿到另一个齿传递运动，那样就使斜齿轮具有高速重载下平稳传递运动的能力。斜齿轮使轴的轴承承受径向和轴向力。当轴向推力变的大了或由于别的原因而产生某些影响时，那就可以使用人字齿轮。双斜齿轮（人字齿轮）是与反向的并排地装在同一轴上的两个斜齿轮等效。他们产生相反的轴向推力作用，这样就消除了轴向推力。当两个或更 多个单向齿斜齿轮被在同一轴上时，齿轮的齿向应作选择，以便产生最小的轴向推力。 交错轴斜齿轮或螺旋齿轮，他们是轴中心线既不相交也不平行。交错轴斜齿轮的齿彼此之间发生点接触，它随着齿轮的磨合而变成线接触。因此他们只能传递小的载荷和主要用于仪器设备中，而且肯定不能推荐在动力传动中使用。交错轴斜齿轮与斜齿轮之间在被安装后互相捏合之前是没有任何区别的。它们是以同样的方法进行制造。一对相啮合的交错轴斜齿轮通常具有同样的齿向，即左旋主动齿轮跟右旋从动齿轮相啮合。在交错轴斜齿设计中，当该齿的斜角相等时所产生滑移速度最小。然 而当该齿的斜角不相等时，如果两个齿轮具有相同齿向的话，大斜角齿轮应用作主动齿轮。 蜗轮与交错轴斜齿轮相似。小齿轮即蜗杆具有较小的齿数，通常是一到四齿，由于它们完全缠绕在节圆柱上，因此它们被称为螺纹齿。与其相配的齿轮叫做蜗轮，蜗轮不是真正的斜齿轮。蜗杆和蜗轮通常是用于向垂直相交轴之间的传动提供大的角速度减速比。蜗轮不是斜齿轮，因为其齿顶面做成中凹形状以适配蜗杆曲率，目的是要形成线接触而不是点接触。然而蜗杆蜗轮传动机构中存在齿间有较大滑移速度的缺点，正像交错轴斜齿轮那样。 蜗杆蜗轮机构有单包围和双包围机构。单 包围机构就是蜗轮包裹着蜗杆的一种机构。当然，如果每个构件各自局部地包围着对方的蜗轮机构就是双包围蜗轮蜗杆机构。着两者之间的重要区别是，在双包围蜗轮组的轮齿间有面接触，而在单包围的蜗轮组的轮齿间有线接触。一个装置中的蜗杆和蜗轮正像交错轴斜齿轮那样具有相同的齿向，但是其斜齿齿角的角度是极不相同的。蜗杆上的齿斜角度通常很大，而蜗轮上的则极小，因此习惯常规定蜗杆的导角，那就是蜗杆齿斜角的余角；也规定了蜗轮上的齿斜角，该两角之和就等于 90 度的轴线交角。 当齿轮要用来传递相交轴之间的运动时，就需要某种形式的锥齿轮。虽然 锥齿轮通常制造成能构成 90 度轴交角，但它们也可产生任何角度的轴交角。轮齿可以铸出，铣制或滚切加工。仅就滚齿而言就可达一级精度。在典型的锥齿轮安装中，其中一个锥齿轮常常装于支承的外侧。这意味着轴的挠曲情况更加明显而使在轮齿接触上具有更大的影响。 另外一个难题，发生在难于预示锥齿轮轮齿上的应力，实际上是由于齿轮被加工成锥状造成的。 直齿锥齿轮易于设计且制造简单，如果他们安装的精密而确定，在运转中会产生良好效果。然而在直齿圆柱齿轮情况下，在节线速度较高时，他们将发出噪音。在这些情况下，螺旋锥齿轮比直齿轮能产生平稳 的多的啮合作用，因此碰到高速运转的场合那是很有用的。当在汽车的各种不同用途中，有一个带偏心轴的类似锥齿轮的机构，那是常常所希望的。这样的齿轮机构叫做准双曲面齿轮机构，因为它们的节面是双曲回转面。这种齿轮之间的轮齿作用是沿着一根直线上产生滚动与滑动相结合的运动并和蜗轮蜗杆的轮齿作用有着更多的共同之处。 轴是一种转动或静止的杆件。通常有圆形横截面。在轴上安装像齿轮，皮带轮，飞轮，曲柄，链轮和其他动力传递零件。轴能够承受弯曲，拉伸，压缩或扭转载荷，这些力相结合时，人们期望找到静强度和疲劳强度作为设计的重要依据。因 为单根轴可以承受静压力，变应力和交变应力，所有的应力作用都是同时发生的。 “ 轴 ” 这个词包含着多种含义，例如心轴和主轴。心轴也是轴，既可以旋转也可以静止的轴，但不承受扭转载荷。短的转动轴常常被称为主轴。 当轴的弯曲或扭转变形必需被限制于很小的范围内时，其尺寸应根据变形来确定，然后进行应力分析。因此，如若轴要做得有足够的刚度以致挠曲不太大，那么合应力符合安全要求那是完全可能的。但决不意味着设计者要保证；它们是安全的，轴几乎总是要进行计算的，知道它们是处在可以接受的允许的极限以内。因之，设计者无论何时，动力传递零 件，如齿轮或皮带轮都应该设置在靠近支持轴承附近。这就减低了弯矩，因而减小变形和弯曲应力。 虽然来自 法在设计轴中难于应用，但它可能用来准确预示实际失效。这样，它是一个检验已经设计好了的轴的或者发现具体轴在运转中发生损坏原因的好方法。进而有着大量的关于设计的问题，其中由于别的考虑例如刚度考虑，尺寸已得到较好的限制。 设计者去查找关于圆角尺寸、热处理、表面光洁度和是否要进行喷丸处理等资料，那真正的唯一的需要是实现所要求的寿命和可靠性。 由于他们的功能相似，将离合器和制动器一起处理。简化摩擦离合器或制动 器的动力学表达式中，各自以角速度 动的两个转动惯量 制动器情况下其中之一可能是零，由于接上离合器或制动器而最终要导致同样的速度。因为两个构件开始以不同速度运转而使打滑发生了，并且在作用过程中能量散失，结果导致温升。在分析这些装置的性能时，我们应注意到作用力，传递的扭矩，散失的能量和温升。所传递的扭矩关系到作用力，摩擦系数和离合器或制动器的几何状况。这是一个静力学问题。这个问题将必须对每个几何机构形状分别进行研究。然而温升与能量损失有关，研究温升可能与制动器或离合器的类型无关。因为几何形 状的重要性是散热表面。各种各样的离合器和制动器可作如下分类： 1轮缘式内膨胀制冻块； 2轮缘式外接触制动块； 3条带式； 4盘型或轴向式； 5圆锥型； 6混合式。 分析摩擦离合器和制动器的各种形式都应用一般的同样的程序，下面的步骤是必需的： 1假定或确定摩擦表面上压力分布； 2找出最大压力和任一点处压力之间的关系； 3应用静平衡条件去找寻（ a）作用力；（ b）扭矩； (c)支反力。 混合式离合器包括几个类型，例如强制接触离合器、超载释放保护离合器、超越离合器、磁液离合器等等。 强制接触离合器 由一个变位杆和两个夹爪组成。各种强制接触离合器之间最大的区别与夹爪的设计有关。为了在结合过程中给变换作用予较长时间周期，夹爪可以是棘轮式的，螺旋型或齿型的。有时使用许多齿或夹爪。他们可能在圆周面上加工齿，以便他们以圆柱周向配合来结合或者在配合元件的端面上加工齿来结合。 虽然强制离合器不像摩擦接触离合器用的那么广泛，但它们确实有很重要的运用。离合器需要同步操作。 有些装置例如线性驱动装置或电机操作螺杆驱动器必须运行到一定的限度然后停顿下来。为着这些用途就需要超载释放保护离合器。这些离合器通常用弹簧加载，以使得 在达到预定的力矩时释放。当到达超载点时听到的 “ 喀嚓 ” 声就被认定为是所希望的信号声。 超越离合器或连轴器允许机器的被动构件 “ 空转 ” 或 “ 超越 ” ，因为主动驱动件停顿了或者因为另一个动力源使被动构件增加了速度。这种离合器通常使用装在外套筒和内轴件之间的滚子或滚珠。该内轴件，在它的周边加工了数个平面。驱动作用是靠在套筒和平面之间契入的滚子来获得。因此该离合器与具有一定数量齿的棘轮棘爪机构等效。 磁液离合器或制动器相对来说是一个新的发展，它们具有两平行的磁极板。这些磁极板之间有磁粉混合物润滑。电磁线圈被装入磁路中的某处 。借助激励该线圈，磁液混合物的剪切强度可被精确的控制。这样从充分滑移到完全锁住的任何状态都可以获得。 加工基础 作为产生形状的一种加工方法，机械加工是所有制造过程中最普遍使用的而且是最重要的方法。机械加工过程是一个产生形状的过程，在这过程中，驱动装置使工件上的一些材料以切屑的形式被去除。尽管在某些场合，工件无承受情况下，使用移动式装备来实现加工，但大多数的机械加工是通过既支承工件又支承刀具的装备来完成。 机械加工在知道过程中具备两方面。小批生产低费用。对于铸造、锻造和压力加工，每一个要生产的具体工件形状， 即使是一个零件，几乎都要花费高额的加工费用。靠焊接来产生的结构形状，在很大程度上取决于有效的原材料的形式。一般来说，通过利用贵重设备而又无需特种加工条件下，几乎可以以任何种类原材料开始，借助机械加工把原材料加工成任意所需要的结构形状，只要外部尺寸足够大，那都是可能的。因此对于生产一个零件，甚至当零件结构及要生产的批量大小上按原来都适于用铸造、锻造或者压力加工来生产的，但通常宁可选择机械加工。 严密的精度和良好的表面光洁度，机械加工的第二方面用途是建立在高精度和可能的表面光洁度基础上。许多零件，如果用别的其他方法来生产属于大批量生产的话，那么在机械加工中则是属于低公差且又能满足要求的小批量生产了。另方面，许多零件靠较粗的生产加工工艺提高其一般表面形状，而仅仅是在需要高精度的且选择过的表面才进行机械加工。例如内螺纹，除了机械加工之外，几乎没有别的加工方法能进行加工。又如已锻工件上的小孔加工，也是被锻后紧接着进行机械加工才完成的。 基本的机械加工参数 切削中工件与刀具的基本关系是以以下四个要素来充分 描述的：刀具的几何形状，切削速度，进给速度，和吃刀深度。 切削刀具必须用一种合适的材料来制造，它必须是强固、韧性好、坚硬而且耐磨的。刀具的几何形状 以刀尖平面和刀具角为特征 对于每一种切削工艺都必须是正确的。 切削速度是切削刃通过工件表面的速率，它是以每分钟英寸来表示。为了有效地加工，切削速度高低必须适应特定的工件 刀具配合。一般来说，工件材料越硬，速度越低。 进给速度是刀具切进工件的速度。若工件或刀具作旋转运动，进给量是以每转转过的英寸数目来度量的。当刀具或工件作往复运动时，进给量是以每一行程走过的 英寸数度量的。一般来说，在其他条件相同时，进给量与切削速度成反比。 吃刀深度 以英寸计 是刀具进入工件的距离。它等于旋削中的切屑宽度或者等于线性切削中的切屑的厚度。粗加工比起精加工来，吃刀深度较深。 切削参数的改变对切削温度的影响 金属切削操作中，热是在主变形区和副变形区发生的。这结果导致复杂的温度分布遍及刀具、工件和切屑。图中显示了一组典型等温曲线，从中可以看出：像所能预料的那样，当工件材料在主变形区被切削时，沿着整个切屑的宽度上有着很大的温度梯度，而当在副变形区，切屑被切落时，切屑附近的前刀面上 就有更高的温度。这导致了前刀面和切屑离切削刃很近的地方切削温度较高。 实质上由于在金属切削中所做的全部功能都被转化为热，那就可以预料：被切离金属的单位体积功率消耗曾家的这些因素就将使切削温度升高。这样刀具前角的增加而所有其他参数不变时，将使切离金属的单位体积所耗功率减小，因而切削温度也将降低。当考虑到未变形切屑厚度增加和切削速度，这情形就更是复杂。未变形切屑厚度的增加趋势必导致通过工件的热的总数上产生比例效应，刀具和切屑仍保持着固定的比例，而切削温度变化倾向于降低。然而切削速度的增加，传导到工件上的热的数量 减少而这又增加主变形区中的切屑温升。进而副变形区势必更小，这将在该区内产生升温效应。其他切削参数的变化，实质上对于被切离的单位体积消耗上并没有什么影响，因此实际上对切削温度没有什么作用。因为事实已经表明：切削温度即使有小小的变化对刀具磨损率都将有实质意义的影响作用。这表明如何人从切削参数来确定切削温度那是很合适的。 为着测定高速钢刀具温度的最直接和最精确的方法是 W&T 法，这方法也就是可提供高速钢刀具温度分布的详细信息的方法。该项技术是建立在高速钢刀具截面金相显微测试基础上，目的是要建立显微结构变化与热变化 规律图线关系式。当要加工广泛的工件材料时， 经论述过测定高速钢刀具的切削温度及温度分布的方法。这项技术由于利用电子显微扫描技术已经进一步发展，目的是要研究将已回过火和各种马氏体结构的高速钢再回火引起的微观显微结构变化情况。这项技术亦用于研究高速钢单点车刀和麻花钻的温度分布。 刀具磨损 从已经被处理过的无数脆裂和刃口裂纹的刀具中可知，刀具磨损基本上有三种形式：后刀面磨损，前刀面磨损和 V 型凹口磨损。后刀面磨损既发生在主刀刃上也发生副刀刃上。关于主刀刃，因其担负切除大部金属切屑任务，这就导致增加 切削力和提高切削温度，如果听任而不加以检查处理，那可能导致刀具和工件发生振动且使有效切削的条件可能不再存在。关于副刀刃，那是决定着工件的尺寸和表面光洁度的，后刀面磨损可能造成尺寸不合格的产品而且表面光洁度也差。在大多数实际切削条件下，由于主前刀面先于副前刀面磨损，磨损到达足够大时，刀具将实效，结果是制成不合格零件。 由于刀具表面上的应力分布不均匀，切屑和前刀面之间滑动接触区应力，在滑动接触区的起始处最大，而在接触区的尾部为零，这样磨蚀性磨损在这个区域发生了。这是因为在切削卡住区附近比刀刃附近发生更严重的磨损 ，而刀刃附近因切屑与前刀面失去接触而磨损较轻。这结果离切削刃一定距离处的前刀面上形成麻点凹坑，这些通常被认为是前刀面的磨损。通常情况下，这磨损横断面是圆弧形的。在许多情况中和对于实际的切削状况而言，前刀面磨损比起后刀面磨损要轻，因此后刀面磨损更普遍地作为刀具失效的尺度标志。然而因许多作者已经表示过的那样在增加切削速度情况下，前刀面上的温度比后刀面上的温度升得更快，而且又因任何形式的磨损率实质上是受到温度变化的重大影响。因此前刀面的磨损通常在高速切削时发生的。 刀具的主后刀面磨损带的尾部是跟未加工过的工件表面 相接触，因此后刀面磨损比沿着磨损带末端处更为明显，那是最普通的。这是因为局部效应，这像未加工表面上的已硬化层，这效应是由前面的切削引起的工件硬化造成的。不只是切削，还有像氧化皮，刀刃产生的局部高温也都会引起这种效应。这种局部磨损通常称作为凹坑性磨损，而且偶尔是非常严重的。尽管凹坑的出现对刀具的切削性质无实质意义的影响，但凹坑常常逐渐变深，如果切削在继续进行的话，那么刀具就存在断裂的危机。 如果任何进行性形式的磨损任由继续发展，最终磨损速率明显地增加而刀具将会有摧毁性失效破坏，即刀具将不能再用作切削，造成工件 报废，那算是好的，严重的可造成机床破坏。对于各种硬质合金刀具和对于各种类型的磨损，在发生严重失效前，就认为已达到刀具的使用寿命周期的终点。然而对于各种高速钢刀具，其磨损是属于非均匀性磨损，已经发现：当其磨损允许连续甚至到严重失效开始，最有意义的是该刀具可以获得重磨使用，当然，在实际上，切削时间远比使用到失效的时间短。以下几种现象之一均是刀具严重失效开始的特征：最普遍的是切削力突然增加，在工件上出现烧损环纹和噪音严重增加等。 自动夹具设计 用做装配设备的传统同步夹具把零件移动到夹具中心上，以确保零件从传送机 上或从设备盘上取出后置于已定位置上。然而在某些应用场合、强制零件移动到中心线上时，可能引起零件或设备破坏。当零件易损而且小小振动可能导致报废时，或当其位置是由机床主轴或模具来具体时，再或者当公差要求很精密时，那宁可让夹具去适应零件位置，而不是相反。为着这些工作任务，美国俄亥俄州 司已经开发了一般性功能数据的非同步西类柔顺性夹具。因为夹具作用力和同步化装置是各自独立的，该同步装置可以用精密的滑移装置来替换而不影响夹具作用力。夹具规格范围是从 5 英镑夹紧力到 6 英寸行程、 400 英寸夹紧力。 现代生产的特征是批量变得越来越小而产品的各种规格变化最大。因此，生产的最后阶段，装配因生产计划、批量和产品设计的变更而显得特别脆弱。这种情形正迫使许多公司更多地致力于广泛的合理化改革和前面提到过情况那样装配自动化。尽管柔性夹具的发展很快落后与柔性运输处理装置的发展，如落后于工业机器人的发展，但仍然试图指望增加夹具的柔顺性。事实上夹具的重要的装置 生产装置的专向投资就加强了使夹具更加柔性化在经济上的支持。 根据它们柔顺性，夹具可以分为：专用夹具、组合夹具、标准夹具、高柔性夹具。柔性夹具 是以它们对不同工件的高适应性和以少更换低费用为特征的。 结构形式可变换的柔性夹具装有可变更结构排列的零件（例如针形颊板，多片式零件和片状颊板），标准工件的非专用夹持或夹紧元件（例如：启动标准夹持夹具和带有可移动元件的夹具配套件），或者装有陶瓷或硬化了的中介物质（如：流动粒子床夹具和热夹具紧夹具）。为了生产，零件要在夹具中被紧固，需要产生夹紧作用，其有几个与夹具柔顺性无关的步骤： 根据被加工的即基础的部分和工作特点，确定工件在夹具中的所需的位置，接着必须选择若干稳定平面的组合，这些稳定平面就构成工件被固定在夹 具中确定位置上的夹持状轮廓结构，均衡所有各力和力矩，而且保证接近工件工作特点。最后，必须计算、调整、组装可拆装的或标准夹具元件的所需位置，以便使工件牢牢地被夹紧在夹具中。依据这样的程序，夹具的轮廓结构和装合的规划和记录过程可以进行自动化控制。 结构造型任务就是要产生若干稳定平面的组合，这样在这些平面上的各夹紧力将使工件和夹具稳定。按惯例，这个任务可用人 机对话即几乎完全自动化的方式来完成。一人 机对话即以自动化方式确定夹具结构造型的优点是可以有组织有规划进行夹具设计，减少所需的设计人员，缩短研究周期和能更好 地配置工作条件。简言之，可成功地达到显著提高夹具生产效率和效益。 在充分准备了构造方案和一批材料情况下，在完成首次组装可以成功实现节约时间达 60%。 因此夹具机构造型过程的目的是产生合适的编程文件。 of t in at to to is we be to of in n of to in a We in in of is to of in of to as we to is on a a of is an If a of in of a 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一）打桩机的发展背景 近年来 ,随着我国国民经济的逐步增强 ,国内各大城市的高层建筑、立交桥、海港码头、铁路公路桥梁等基本建设项目急剧猛增 , 建筑 业迅速发展， 大口径基础桩工程得到广泛应用。 工业与民用建筑大量采用桩基础，打桩施工越来越普遍，桩机的发展越来越快，广泛使用与城市建筑的各种桩基础工程、深基坑支护工程以及防洪工程中的防渗坝工程等各类工业与民用建筑施工。 由于现代化的高层建筑、大型桥梁和港口码头等结构复杂 ,负荷十分巨大 ,对基础的承载能力和防止沉陷方面的要求较高。根据建设部门的资料 ,对高层建筑基础的处理 ,通常是采用箱式、地下连续墙、桩等形式作为基础 1。 二）打桩机的国内外发展历程及发展方向 由于打桩机的液压控制系统及电气控制系统方面已经比较成熟， 国内外打桩机的发展主要体现在控制系统方面，微电子技术的飞速发展，为改进打桩机的性能、提高稳定性、加工效率方面提供了可能 2。想比来讲，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏高技术含量的机型。 在国内外 打桩 机中，按控制系统分类可分为三种：第一种是以继电器为主控元件的传统型 打桩 机，第二种是采用可编程控制器（ 制的 打桩 机，第三种是应用高级微处理器的高性能 打桩 机 3。在英国、美国、瑞典、荷兰等发达国家，各类打桩机设备发展迅速，我国的打桩机主要采用可编程控制器（ 制的液压机，但是与它们还存在 较大差距。所以我们要尽快研制出满足国家需要的高效、低噪声、无污染的打桩机。 国内外打桩机的发展趋势明显，具体体现在： 1、 高速化、智能化、低能耗，提高打桩机的工作效率，降低生产成本。 2、 机电液一体化。充分合理利用机械、液压、电子方面的先进技术，促进这个系统的完善。 3、 自动化、智能化。微电子技术的高速发展为打桩机的自动化、智能化提供了条件，能够对系统实现自动诊断和调整，具有故障预处理功能 4。 液压元件集成化、标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效的防止泄漏和污染，标准化的元件为维修带来方便 6。 三）打桩机 的定义及工作原理 打桩机是利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械。由桩锤、桩架及附属设备等组成。具有贯入力强，噪声小，沉桩质量好，使用方便，适用于各种不同的工作环境，操作容易，机动性高，可水下作业，同时设备还具有广阔的推广应用前景、节约投资、施工速度快、防护效果好等优点，具有较好的社会效益和经济效益 5。 桩锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆（俗称龙门）之间，用提升吊钩吊升。桩架为一钢结构塔架 ,在其后部设有卷扬机 ,用 以 起吊桩和桩锤 9。桩架前面有两根导杆组成的导向架，用以控制打桩方向，使桩按照设计方位准确地贯 入地层。塔架和导向架可以一起偏斜，用以打斜桩。导向架还能沿塔架向下引伸，用以沿堤岸或码头打水下桩。桩架能转动，也能移行。打桩机的基本技术参数是冲击部分重量、冲击动能和冲击频率。桩锤按运动的动力来源可分为落锤、汽锤、柴油锤、液压锤等 13。 桩是竖向 (或微斜 )埋入地层中而向底层岩土深处传递载荷的一种受力杆件 ,钻孔灌注桩则是按成桩方法分类而定义的一种桩型 12。它是一种现场浇注型的钢筋混凝土桩 ,系指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔 ,并在其内放置钢筋笼 ,灌注混凝土而制成的桩 15。 目前，中小型建筑施工进行基础打桩时，常用的方法有 :1、开挖基础槽灌注桩法；2 卷扬机打桩机打孔灌注桩法； 3、静压法打桩机打孔灌注桩法； 4、振动锤击法打预制桩法； 5、螺旋钻打桩机钻孔灌注桩法 16。 以上各种打桩方法中，开挖基础槽灌注桩法费工费时；卷扬机打桩机打孔灌注桩法施工速度慢、效率低；静压法打桩机打孔灌注桩法桩机由于机身自重大，对施工场地要求较高，不适宜在较狭窄或建筑物较多的地区施工，因此这种打桩机不适用于中小型建筑打桩，适用范围窄；振动锤击法打预制桩法对土层结构和预制桩都有一定要求，适宜在较 软土层中施工，而对于致密的砂层与结构较松散的细砂层或较硬的土层来说，施工难度大，而且容易损伤预制桩，因此适用范围窄；螺旋钻打桩机钻孔灌注桩法和其他几种打桩方法仅能打某一种类型的桩，功能单一 17。 四）打桩机的种类 （ 1）蒸汽锤打桩机。利用高压蒸汽将锤头上举，然后靠锤头自重向下冲击桩头，使 桩沉入地下。（ 2）柴油锤打桩机。利用燃油爆炸，推动活塞，靠爆炸力冲击桩头，使桩沉入地下，适宜打各类预制桩。（ 3）振动锤打桩机。利用桩锤的机械振动力，使桩沉入地下，适用于承载较小的预制混凝土桩、钢板桩等。（ 4）静力压桩机。 利用机械卷扬机或液压系统产生的压力，使桩在持续静压力的作用下压入土中，使用于一般承载力的各类预制桩。 （ 5）低空间落锤式液压自动打桩机。在打桩的现场根据桩位的布局预先用枕木和槽钢铺设一段简易导轨，并将打桩机组装在导轨上，使自动夹紧装置处松开状，然后用人力将整机移至需要打桩的位置由于整机的重量较轻，采用人力就能较轻松地移动，在移动过程中松开的夹紧装置仍能起保护作用，防止整机移动过程中可能出现的倾翻现象，当将打桩机准确地移动到需要打桩的新桩位时，通过液压控制系统，使夹紧装置将打桩机紧紧地固定在导轨上以保证打桩机 能正常工作 18。 五）设计产品特点 本课题所设计的打桩机是滑轨式柴油打桩机， 滑轨式柴油 打桩机的设计相对较简单，制造精度要求较低，因而该打桩机的设计制造周期短、成本低、易于实现标准化、系列化批量生产，故可在建筑部门广泛推广。该机使打桩的过程变得安全、可靠、快捷并自动进行，因而，极大地减轻了工人的劳动强度，改善了工作环境，提高了工作效率。 滑轨式柴油 打桩机 采用 人工 进行控制，其突出的特点是：体积小、重量轻、搬运方便，能在恶劣的建筑施工 环境中可靠工作，性能价格比高。打桩机的桩架部分采用了工字钢、槽钢、角钢等型材利用螺栓进行连接，其行走机构采用导轨式，桩架利用人力就可以轻松的在导轨上移动，便于打桩施工的进行。采用这种行走机构虽然不需要驱动装置，但是铺设导轨需要较长的准备时间，导轨限制了打桩机的活动范围，这是本设计的一个缺点。 参考文献： 1 张忠海 建筑机械 ,2001(3) 2 焦集群 ,王介宁 石油机械 ,1997(7) 3 邓长峰 中国专利： 20074 周林森 ， 唐振科 ， 韩林山 等 便携式防汛抢险打桩机 2002(4) 5 赵志超 ， 原政军 ， 张超 等 车载液压打桩机及导向模板的设计与建模 2006(12) 6 霍晓强 ， 周传立 ， 柯瑾 振动沉拔桩机振动桩锤主要参数的选择及计算 2001(1) 7 李羊林 吴春笃 农机化研究 ,2004(04) 8 吕有界 机电工程技术 ,2007(04) 9 建筑机械使用手册编写组 建筑机械使用手册 (上册 ),1989 10 徐锦康 刘极峰 北京：机械工业出版社， 2000， 175 11 孙靖民 北京：机械工业出版社， 1999， 144 12 汪琪 中国致公出版社， 1998， 103 13 臧海燕 硕士学位论文 ,2005 14 王胜 制 2005 15 程健 打桩机 1997(5) 16 P of an to 993(3) 17 K in 996(4) 18 D 989(1) 毕 业 设 计 开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 一）本课题中存在的问题 本课题的目的是提供一种省工省时、效率高、适用范围广的 滑轨式柴油打桩机 。本设计由滑轨、桩架、柴油桩锤、控制系统组成。其中出现如下一些问题需要考虑和解决： 1、了解打桩机的工作原理； 2、合理设计打桩机上的各个工作系统（滑轨 、桩架、柴油桩锤、控制系统）； 3、如何确定打桩机上的各个部位的具体尺寸（像龙门架的高度），整个打桩机的整体稳定性，及各个关键零件的大小让其符合国标，在强度和刚度上满足打桩机工作时的各项要求 。 二）本课题拟采用的研究手段 1、查阅相关资料，对各种打桩机的工作原理进行深入的理解，为本课题的进一步研究打下良好的基础； 2、运用所学的知识对打桩机的各部分进行设计，用力学的相关知识对各个关键部位进行强度和刚度的计算和校核，使其满足工程上的需要； 3、对每个部位进行深入的研究后，设计出几 种可行的方案，通过对比各种方案的优缺点后对各个部位进行优化设计； 4、在结构设计过程中，主要采用 件绘图和运用 、 进行虚拟装配，最后导入有限元分析软件行分析计算； 5、本课题初步拟采用的技术方案为：该打桩机主要由 枕木、导轨、自动夹紧装置、机架、提锤液压缸、桩锤、自动挂钩机构、滑轮、电动葫芦接近开关、自动打桩滑架、滑架升降液压缸、桩帽、分段式预制水泥桩、液压控制系统等部分组成。 毕 业 设 计 开 题 报 告 指导教师意见 ： 该同学通过查阅大量资料对于适合于建筑使用的打桩机总体结构有了较清晰的认识，对于该题目的研究意义、目的、打桩机国内外发展现状、打桩机种类、原理及特点，进行了归纳总结与阐述。 该生针对低空落锤式打桩机查阅了大量资料，对其结构和特点有了较明确的认识，提出了设计方案和研究方法，目的明确，方案切实可行。 同意开题。 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主任： 年 月 日 I 滑轨式柴油打桩机设计 摘 要 本文介绍了一种 滑轨式柴油打桩机 打桩机的 工作原理及组成结构，阐述了 滑轨式柴油打桩机 的设计要点，给出了 柴油桩锤具体设计方案 ， 并且介绍 滑轨式柴油 打桩机的整体结构及部分的计算。打桩机共有三 大部分组成： 桩架、柴油桩锤、卷扬机 。本设计说明书主要介绍了桩架和柴油桩锤的设计过程、液压缸的结构设计、计算、各部件的强度校核。 本设计 采用 人工 进行控制，其突出的特点是：体积小、重量轻、搬运方便，能在恶劣的建筑施工环境中可靠工作，性能价格比高。 该装置具有自动化程度高、操作调节简便、工作可靠、 快速、安全的优点 ，对于提高建筑工程的质量及生产率有着重要的意义。 关键词 ：滑轨式，柴油，导杆式，打桩机 a of of of of of of of of in a of of of 毕业设计说明书 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 机械设计制造及自动化 指导教师： 年 月 大学 届毕业设计说明书 第 1 页 共 30 页 1 绪 论 . 2 概述 . 2 打桩机的发展背景 . 2 打桩机的定义及工作原理 . 2 打桩机的种类 . 4 打桩机设计的目的及意义 . 5 国内外发展现状及发展趋势 . 6 2 总体方案设计 . 6 设计内容 . 6 打桩机的主要性能和参数 . 7 打桩机的组成及特点 . 7 导杆式柴油打桩机的工作模 型 . 8 滑轨式柴油打桩机的工作原理 . 9 柴油打桩锤的抉择 . 10 抉择柴油锤主要考虑的问题 . 11 柴油锤的型号根据高应变动测法配合测试 . 11 3 施打管桩注重事项 . 11 合理选锤 . 11 打桩收锤标准 . 15 4. 打桩机的总体结构的设计 . 16 桩架的设计 . 17 顶部滑轮组的设计 . 17 柴油桩锤底部的构造设计 . 19 柴油桩锤的气缸的设计 . 20 柴油打桩机顶座结构设计 . 20 柴油桩锤的油泵机构设计 . 21 柴油打桩机的卷扬机的结构设计 . 22 5 大型导杆式柴油打桩机汽缸动应力解析计算 . 22 汽缸将沿危险截面处疲劳断裂 . 23 现代桩锤动力学计算研究现状 . 23 用 解析法计算导杆式柴油打桩锤汽缸动应力 . 24 导杆式柴油打桩锤汽缸动应力解析计算 . 25 结 论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 31 大学 届毕业设计说明书 第 2 页 共 30 页 1 绪 论 概述 本 设计 介绍了一种 滑轨式柴油打桩机 的工作原理及组成结构，阐述了 该种打桩机 的设计要点，给出了 滑轨式柴油打桩机 的工作原理图及 主要零件的结构图 ，并且介绍滑轨式柴油打桩机 的设计过程及主要部分的计算。滑轨式柴油打桩机的主要功能就是完成打桩施工。滑轨式柴油打桩机正是能够完成各种要求的打桩机。打桩机共有四大部分组成：滑轨、桩架、柴油桩锤、控制系统 1。本设计说明书主要介绍了 滑轨式柴油打桩机 的设计过程、桩锤的结构设计、计算、各 部件的强度校核。 为实现打桩机组装和拆卸的方便 ，其桩架本身是由槽钢和角钢等型材用螺栓连接而成，为了使它移动方便采用了由槽钢和枕木组成的简单 滑轨 机构，防止整机在移动时倾覆 ， 设计了两个夹紧液压缸可以实现整机在导轨上的自动夹紧与松开。另外为了实现不同高度的打桩要求，本打桩机可以实现对桩锤和打桩机滑架的任意调整 。 打桩机的发展背景 近年来 ,随着我国国民经济的逐步增强 ,国内各大城市的高层建筑、立交桥、海港码头、铁路公路桥梁等基本建设项目急剧猛增 , 建筑业迅速发展，大口径基础桩工程得到广泛应用。工业与民用建筑 大量采用桩基础，打桩施工越来越普遍，桩机的发展越来越快，广泛使用与城市建筑的各种桩基础工程、深基坑支护工程以及防洪工程中的防渗坝工程等各类工业与民用建筑施工 3。由于现代化的高层建筑、大型桥梁和港口码头等结构复杂 ,负荷十分巨大 ,对基础的承载能力和防止沉陷方面的要求较高。根据建设部门的资料 ,对高层建筑基础的处理 ,通常是采用箱式、地下连续墙、桩等形式作为基础。 打桩机的定义及工作原理 打桩机是利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械。由桩锤、桩架及附属设备等组成。 具有贯入力强，噪声小，沉桩质量好，使用方便， 适用于各种不同的工作环境，操作容易，机动性高，可水下作业，同时设备还具有广阔的推广应用前景、节约投资、施工速度快、防护效果好等优点，具有较好的社会效益和经济效益 5。 桩锤依附在桩架前部两根平行的竖直导杆（俗称龙门）之间，用提升吊钩吊 大学 届毕业设计说明书 第 3 页 共 30 页 升。桩架为一钢结构塔架 ,在其后部设有卷扬机 ,用 以 起吊桩和桩锤 11。桩架前面有两根导杆组成的导向架，用以控制打桩方向，使桩按照设计方位准确地贯入地层。塔架和导向架可以一起偏斜，用以打斜桩。导向架还能沿塔架向下引伸，用以沿堤岸或码头打水下桩。桩架能转动，也能移行。打桩机的基本 技术参数是冲击部分重量、冲击动能和冲击频率。桩锤按运动的动力来源可分为落锤、汽锤、柴油锤、液压锤等。 桩是竖向 (或微斜 )埋入地层中而向底层岩土深处传递载荷的一种受力杆件 ,钻孔灌注桩则是按成桩方法分类而定义的一种桩型。它是一种现场浇注型的钢筋混凝土桩 ,系指在工程现场通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中形成桩孔 ,并在其内放置钢筋笼 ,灌注混凝土而制成的桩。 目前，中小型建筑施工进行基础打桩时，常用的方法有 :1、开挖基础槽灌注桩法 ;2 卷扬机打桩机打孔灌注桩法 ;3、静压法打桩机打孔灌注桩法 ;4、振动锤击法 打预制桩法 ;5、螺旋钻打桩机钻孔灌注桩法 9。 下面对每一种打桩方法分别作简要介绍 : 1、开挖基础槽灌注桩法 此种方法需先放基础线，然后按线挖至所需深度，其后用三花土 (白灰与土的体积比为的混合物 )填充且用电夯夯实，最后进行灌注。 2、卷扬机打桩机打孔灌注桩法 卷扬机打桩机由卷扬机、钢绳、滑轮组、三角架、钢桩体等组成，打桩时需先把前端为尖锥形状的钢桩体定位在设计坐标上，再由卷扬机通过钢绳、滑轮组将其拉至一定高度，然后迅速放下，利用钢桩体自身产生的重力势能，使钢桩体沉入土中打出一定深度的桩孔，控制卷扬机将其拉 出地面并挖出钢桩体内的土重复进行前一次的操作，经过反复多次操作将桩孔锤击至设计深度，最后用混凝土灌注桩孔。 3、静压法打桩机打孔灌注桩法 此种方法采用专用的夹桩机构和控制系统将桩体夹住，由夹桩箱直接将压力传给钳口，通过油缸驱动将桩体缓缓沉入土中，直至设计深度，然后用混凝土灌注桩孔。 4、振动锤击法打预制桩法 大学 届毕业设计说明书 第 4 页 共 30 页 此种方法操作时先将预制桩吊起就位，再检查其垂直度，然后放下振动锤，使预制桩在振动锤的锤击下慢慢沉人土中，直至设计深度，最后用混凝土灌注桩孔。 5、螺旋钻打桩机钻孔灌注桩法 此种方法在施工时先将螺旋钻杆 及钻机头由卷扬机通过钢绳、滑轮组吊起就位，检查其垂直度后缓缓将其放下，通过钻杆与钻机头的自重和螺旋钻的轴向压力，使螺旋钻杆慢慢钻入土中，直至钻到设计深度，然后由卷扬机将其拉出地面，再用混凝土进行灌注。 以上各种打桩方法中，开挖基础槽灌注桩法费工费时 ;卷扬机打桩机打孔灌注桩法施工速度慢、效率低 ;静压法打桩机打孔灌注桩法桩机由于机身自重大，对施工场地要求较高，不适宜在较狭窄或建筑物较多的地区施工，因此这种打桩机不适用于中小型建筑打桩，适用范围窄 ;振动锤击法打预制桩法对土层结构和预制桩都有一定要求，适宜在较软土层 中施工，而对于致密的砂层与结构较松散的细砂层或较硬的土层来说，施工难度大，而且容易损伤预制桩，因此适用范围窄 ;螺旋钻打桩机钻孔灌注桩法和其他几种打桩方法仅能打某一种类型的桩，功能单一 3。 打桩机的种类 （ 1）蒸汽锤打桩机。桩锤由锤头和锤座组成，以蒸汽或压缩空气为动力，有单动汽锤和双动汽锤两种。单动汽锤以柱塞或汽缸作为锤头，蒸汽驱动锤头上升，而后任其沿锤座的导杆下落而打桩。双动汽锤一般是由加重的柱塞作为锤头，以汽缸作为锤座，蒸汽驱动锤头上升，再驱动锤头向下冲击打桩。上下往复的速度快 ,频率高 ,使桩 贯入地层时发生振动，可以减少摩擦阻力，打桩效果好。双向不等作用力的差动汽锤，其锤座重量轻，有效冲击重量可相对增大，性能更好。汽锤的进排汽旋阀的换向可由人工控制，也可由装在锤头一侧并随锤头升降的凸缘操纵杆自动控制，两种方式都可以调节汽锤的冲击行程。 （ 2）柴油锤打桩机。主体也是由汽缸和柱塞组成，其工作原理和单缸二冲程柴油机相似，利用喷入汽缸燃烧室内的雾化柴油受高压高温后燃爆所产生的强大压力驱动锤头工作。柴油锤按其构造形式分导杆式和筒式。导杆式柴油锤以柱塞为锤座压在桩帽上，以汽缸为锤头沿两根导杆升降。打桩时，先 将桩吊到桩架龙 大学 届毕业设计说明书 第 5 页 共 30 页 门中就位，再将柴油锤搁在桩顶，降下吊钩将汽缸吊起，又脱开吊钩让汽缸下落套入柱塞，将封闭在汽缸内的空气进行压缩，汽缸继续下落，直到缸体外的压销推压锤座上燃油泵的摇杆时，燃油泵就将油雾喷入缸内，油雾遇到燃点以上的高温气体，当即发生燃爆，爆发力向下冲击使桩下沉，向上顶推，使汽缸回升，待汽缸重新沿导杆坠落时，又开始第二次冲击循环。筒式柴油锤以汽缸作为锤座，并直接用加长了的缸筒内壁导向，省去了两根导杆，柱塞是锤头，可在汽缸中上下运动。打桩时，将锤座下部的桩帽压在桩顶上，用吊钩提升柱塞，然后脱钩往下冲击， 压缩封闭在汽缸中的空气。 并进行喷油、 爆发、冲击、换气等工作过程。柴油锤的工作是靠压燃柴油来启动的，因此必须保证汽缸内的封闭气体达到一定的压缩比，有时在软土地层上打桩时 ,往往由于反作用力过小 ,压缩量不够而无法引燃起爆，就需要用吊钩多次吊起锤头脱钩冲击，才能起动。柴油锤的锤座上附有燃油喷射泵、油箱、冷却水箱及桩帽。柱塞和缸筒之间的活动间隙用弹性柱塞环密封。 （ 3）振动锤打桩机。利用桩锤的机械振动力，使桩沉入地下，适用于承载较小的预制混凝土桩、钢板桩等。 （ 4）静力压桩机。 利用机械卷扬机或液压系统产生的压力 ，使桩在持续静压力的作用下压入土中，使用于一般承载力的各类预制桩。 （ 5）低空间落锤式液压自动打桩机。在打桩的现场根据桩位的布局预先用枕木和槽钢铺设一段简易导轨，并将打桩机组装在导轨上，使自动夹紧装置处松开状，然后用人力将整机移至需要打桩的位置由于整机的重量较轻，采用人力就能较轻松地移动，在移动过程中松开的夹紧装置仍能起保护作用，防止整机移动过程中可能出现的倾翻现象，当将打桩机准确地移动到需要打桩的新桩位时，通过液压控制系统，使夹紧装置将打桩机紧紧地固定在导轨上以保证打桩机能正常工作 4。 打桩 机设计的目的及意义 柴油锤桩架采用滑轨式移动，自动化程度高，可自行装卸车，自由行走，可 360度全回转，配有最好最大的四条液压油缸支腿，在恶劣的施工环境中展现其独特的有事，增加施工时的整机稳定性，可整机进行转运。塔架为可折叠式箱型立柱，法兰连接方式，塔架采用独有的两块高强度锰板并且用大型折弯机折弯 大学 届毕业设计说明书 第 6 页 共 30 页 技术制造而成，同时立柱内部加焊加强筋固定，增加立柱抗扭抗弯性 6。 国内外发展现状及发展趋势 由于打桩机的液压控制系统及电气控制系统方面已经比较成熟，国内外打桩机的发展主要体现在控 制系统方面，微电子技术的飞速发展，为改进打桩机的性能、提高稳定性、加工效率方面提供了可能。想比来讲，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏高技术含量的机型。 在国内外 打桩 机中，按控制系统分类可分为三种：第一种是以继电器为主控元件的传统型 打桩 机，第二种是采用可编程控制器（ 制的 打桩 机，第三种是应用高级微处理器的高性能 打桩 机。在英国、美国、瑞典、荷兰等发达国家，各类打桩机设备发展迅速，我国的打桩机主要采用可编程控制器（ 制的液压机，但是与它们还存在较大差距。所以我们要尽快研制出满足国家需要 的高效、低噪声、无污染的打桩机。 国内外打桩机的发展趋势明显，具体体现在： 1、 高速化、智能化、低能耗，提高打桩机的工作效率，降低生产成本。 2、 机电液一体化。充分合理利用机械、液压、电子方面的先进技术，促进这个系统的完善。 3、 自动化、智能化。微电子技术的高速发展为打桩机的自动化、智能化提供了条件，能够对系统实现自动诊断和调整，具有故障预处理功能。 4、 液压元件集成化、标准化。集成的液压系统减少了管路连接，有效的防止泄漏和污染，标准化的元件为维修带来方便 7。 2 总体方案设计 设计内容 本次设计主要任务有 机械结构、 主要零部件 的设计。 打桩机的桩架部分要求能够承受一定的载荷与冲击，满足强度和刚度的同时还应该节省材料，降低生产成本，提高其经济效益。 柴油锤爆发力强，锤击能量大，工效高，锤击作用时间比自由落锤作用时间长，因此锤击应力相对低一些，冲击体冲击距离（落距）随沉桩阻力的大小而 自动 调整，比拟适合于管桩的施打。 大学 届毕业设计说明书 第 7 页 共 30 页 为了使打桩机操纵简单可靠，减轻工人的劳动强度，本打桩机的电气控制系统采用 足打桩机自动打桩的要求，提高工作效率。 目前打桩机有多种形式，其行走机构分履带式、轮胎式、轨道式等多种结构，为了满足高效率、打桩方便、便于拆卸等要求，其行走机构选用轨道式。 打桩机的主要性能和参数 1、 桩锤重量 2700、锤头重量 1200、汽缸直径 988 4、冲程 2010、压缩比 1:15 6、最大提升高度 17900、最大锤击能力 、每分钟锤击 次数 55 9、油泵的柱塞直径 1200、柱塞的最大行程 1、油箱容量 30L 12、油料消耗量 2kg/h 13、机体外形尺寸 长 10551 2300 36100打桩机的组成及特点 柴油锤打桩机特点如下： 1该柴油打桩机油耗低 ,灵敏可靠地层愈硬 ,桩锤跳的愈高广泛使用于水泥管桩、木桩、金属桩、混凝土预制桩、灌注桩、夯扩桩、灰土挤密桩等桩种施工，适用性非常广泛，性价比极高 ，一机多用； 2柴油锤桩架为两条液压变幅油缸支撑，可自行起落主架，行走、回转、对位准确、可靠，施工效率高，劳动强度低，另有两根高强度的斜撑杆，保持塔架的绝对稳定。 3桩机采用装卸与运输安装相结合的方式，整体性强，场地转移方便，费 大学 届毕业设计说明书 第 8 页 共 30 页 用低，适合野外施工，可免去租吊机的费用。 4整机的电气、液压、操纵、监视仪表均集中在司机室内，司钻人员操作简单方便，视野开阔。 滑轨式柴油打桩机示意图如下： 杆式柴油打桩机的工作模型 柴油打桩机的重锤由气缸、活塞等若干部 件组成，气缸与活塞间有柴油与空气的混合物。在重锤与桩碰撞的过程中，通过压缩使混合物燃烧，产生高温高压气体，从而使桩向下运动，锤向上运动。现把柴油打桩机和打桩过程简化如下： 大学 届毕业设计说明书 第 9 页 共 30 页 柴油打桩机重锤的质量为 m，锤在桩帽以上高度为 图 1）从静止开始沿竖直轨道自由落下，打在质量为 M（包括桩帽）的钢筋混凝土桩上。同时，柴油燃烧，产生猛烈推力，锤和桩分离，这一过程的时间极短。随后，桩在泥土中向下移动一距离 l。已知锤反跳后到达最高点时，锤与已停下的桩帽之间的距离也为 h（如图 2）。已知 m 103M 103h l 力加速度 g 10m/合物的质量不计。设桩向下移动的过程中泥土对桩的作用力 此力的大小。 滑轨式柴油打桩机的工作原理 柴油打桩机的柴油桩锤的工作原理与普通的二行程的柴油内燃机相似，所不同的于柴油内燃机的，在柴油机中汽缸是固定的，活塞在汽缸中的运动；但在柴油桩锤中则恰恰相反，运动的是汽缸而不是活塞。 滑轨式柴油打桩机工作原理示意图 锤m 锤m 桩M 桩M h h 反跳后的最高位置 l 桩帽 泥土 图 1 图 2 大学 届毕业设计说明书 第 10 页 共 30 页 柴油打桩机的工作过程是这样的：当我们扯动吊锤挂钩脱钩臂而使气缸沿导杆落到活塞上时 ，活塞头上与汽缸底之间就积存了相当量的空气，随着气缸的继续下落，这部分空气开始被压缩，空气的温度因受压缩而急剧上升，在平均压缩比 15:1时，空气温度已经升得很高 (约 400同时，汽缸外的压销压使油泵的柱塞下行，柴油途径油管而从喷油嘴喷入燃烧室内，碰着温度很高的空气，立刻开始燃烧爆发，推使汽缸上升。这时，汽缸里的反作废气也就自行排除。同时，由于爆发气体抛上汽缸时产生的反作用力，把活塞推向下面，这个力量经过活塞传到活塞底部、桩帽，而最后打到桩上，使桩木受压深入土中 5。 上升的汽缸再升到相当 高度后，上升的动能消失，汽缸又因自身的重量而再行下落，自动的进入下一个循环，重复打桩机的工作。 柴油打桩锤的抉择 柴油锤爆发力强，锤击能量大，工效高，锤击作用时间比自由落锤作用时间长，因此锤击应力相对低一些，冲击体冲击距离（落距）随沉桩阻力的大小而 自动 调整，比拟适合于管桩的施打。柴油锤是利用芯（上活塞或冲击体）往复运动进行锤击打桩；一般供油油门分 4档， 1档最小， 4档最大，打桩时 一般启用 23档，操作者轻易把握，捶击能量也比拟容易估算 15。 1打桩锤的抉择是个复杂的问题，需要考虑多方面的因素。衡量打桩锤抉择的合理性，主要标记是： 2. 能保证装的承载力满意 设计 要求； %左右，最多不超过 3%； 0400 击 ； 500击以内，最多不超过 20002500击。 国外有实验结果表明： 28 天强度为 49混凝土，当锤击压应力为混凝土强度的 75%（ 37，锤击 819次破坏；当锤击应力为混凝土强度的 45%57%（ 2228时锤击 2400次破坏；当锤击应力为 35%50%（ 1724，锤击 2670次破坏；当锤击应力为 27%33%（ 1316，锤击 3400 次破坏。实际打桩时，一般要求打桩压盈利控制在混凝土极限强度的 50%以内，锤击 1500 大学 届毕业设计说明书 第 11 页 共 30 页 次 左右不会发生疲惫破坏，超过 2500 次就有可能发生疲劳破坏，所以打桩时锤击次数不宜超过 2000（ 2500（ ）次。同样的理由，对最后贯入度控制值也不能认为越小越好。贯入度定的太小，锤击数必然增多，还会降低柴油锤的使用寿命。实践表明：达到设计承载力的最后贯入度控制值为 20400击时，桩锤的抉择是比拟理想的。一般来说，假如最后贯入度控制值超过 600击就能达到设计承载力的要求说明选用的柴油锤过大 17。 抉择柴油锤主要考虑的问题 ； 性和布桩状况来抉择锤型； 0%。 根据各地经验，每个型号的柴油锤，其最大的成桩能力（单桩竖向极限承载力）约为 100 倍的型号数（ 如 油锤，最多可打继承承载力 4500以要打设极限承载力为 400000先可排除 35柴油锤，只有 40以上的柴油锤可以考虑选用。但 上的柴油锤型号是多种的，有 62）、 ，此时有的工程师凭经验按锤重与桩重的比例来进一步选锤：一般土质情况下，柴油锤冲击体重量与成桩桩重之比可取 软土较厚，可取 估计 500厚 100 的管桩入土深度肯达 32m，则桩重约为 m 32m=106锤重应 06=5360或 16。 油锤的型号根据高应变动测法配合测试 法 初步选定柴油锤型号作为试打桩时采用的柴油锤； 高应变动测法配合测试，获得各种需要的打桩 信息 ，如最大的锤击压应力、拉应力、每米沉桩锤击数、总锤击数、单桩竖向极限承载力、达到极限承载力时的贯入度、桩尖持力层及进入持力层深度等； 根据本节上例标记， 分析 初选打桩锤是否合理，必要时可适当调整 18。 3 施打管桩注重事项 理选锤 大学 届毕业设计说明书 第 12 页 共 30 页 1. 要重视桩帽及垫层的设置 桩帽的结构、尺寸以及垫层的厚薄、软硬，对打桩施工的顺利与否、工程质量的好坏关系十分密切，必须引起高度重视。 桩帽应有足够的强度、刚度和耐打性。桩帽宜做成圆筒型，套桩头用的筒体深度宜为 3540径应比管桩外径大 23为套筒深度太浅，桩帽容易从桩头处脱离；套筒深度太深，若 桩身或桩帽稍有倾斜，套筒下沿口的铁板会磕伤桩头处的混凝土。若套筒与管桩之间的空隙太小，套筒套入装头比拟困难，特殊是当套筒套入桩头后，只要桩身有一点倾斜，桩头处混凝土就容易被挤坏；若套筒与管桩的间隙太大，桩帽中央与桩身中心不易重合，打桩时容易发生偏心锤击。所以桩帽的结构、尺寸做得是否合理，对打桩质量的影响较大。 桩帽的垫层有“桩垫”和“锤垫”之分：“锤垫”设在桩帽的上部，与柴油锤的下冲击体接触，其保护柴油锤和桩头的作用，“锤垫”一般用坚纹硬木或盘圆层叠的钢丝绳制作，厚度宜取 1520桩垫”设在 桩帽的下部套筒里面，与管桩桩顶面相接触，一般是用麻袋、硬纸板、水泥纸袋、胶合板凳 材料 制作。桩垫厚度应均匀，软硬相宜，经锤击压实后的厚度不宜小于 12厚适宜的桩垫，可以延长锤击作用时间，降低锤击应力，起到保护桩头的作用。由于柴油锤冲击力大，桩垫很容易被打碎，所以在打桩期间应常常检查，及时更换补充。有些打桩操作工人，在桩帽中不放垫层，或者只放一层薄薄的垫层，结果桩头被打烂；有些工地，垫 层长期不更换，垫层结块变形，高低不平，失去弹性，庄头也很容易被打坏。 多数是直桩。施打直桩时，要求桩身在施打过程中自始至 . 要自始至终保持桩身垂直，力戒打偏 终保持铅锤状态，这不仅是为了保证成桩的垂直度，也是防止管桩受偏心锤击而被击碎的一条重要施工控制措施，因此打桩时桩锤、桩帽和桩身中心线应重合，也就是说三体中心线保持在同一铅垂线上，如有偏差应随时纠正，特别是 第一 节管桩的垂直度偏差对整根桩的成桩质量起着重要作用，故要十分重视第一节桩的插设 工作 。规范规定，预制桩的成桩垂直度偏差不得大于 1%，而第一节底桩的垂直度偏差不得大于 说明第一节底桩锤制度控制要严格，一般来说，第一节底桩沉入土中的垂直度偏差小，整根桩的垂直度偏差也不会太大，同时， 大学 届毕业设计说明书 第 13 页 共 30 页 打桩的破损率也会减小，因为桩身一倾斜，桩顶端面与打桩锤的接触面就减少，应力集中，锤击偏心。预 制方桩桩身倾斜，多数情况下，桩顶与打桩锤的接触点成一条线，而预应力管桩桩身倾斜，桩顶与打桩锤的接触仅仅是一个点，所以桩身倾斜时打桩，管桩比方桩更容易被打坏。 3. 要保证管桩接头的焊接质量 接头质量好坏关系得到整根桩质量的好坏，从我国各地生产的管桩 产品 来看，几乎全是电焊接桩。电焊接桩时，可用手工电弧焊或粉芯焊丝自保护板自动焊，目前我国极大多数工地的管桩焊接采用手工电弧焊。 选用焊条直径应能满足焊透坡口根部的要求，焊接坡口根部时应选用 余部分可选用 4 5焊条。焊接时电流强度应与所用的焊机和焊条向匹配，施焊应对称，分层、均匀、连续进行，焊缝应连续饱满。若在大风天和雨天施工，应有可靠的防风、防雨措施。在冬季 0以下天气中施工，应采取防风和预热措施，预热可用氧乙炔火焰均匀烘烤的方法，使母材温度达到 36以上才进行施焊。焊接后应进行外观检查，焊缝不得有凹痕、咬边、焊瘤、夹渣、裂缝等表明缺陷。焊接结束后，焊缝应自然冷却后，才能继续打桩，自然冷却时间一般不宜少于 8分钟，严 禁用水冷却或焊好即打，这是因为焊好即打，高温的焊缝遇到地下水会冒白烟，犹如淬火一样，焊缝容易变脆而被打裂。当管桩较密集且桩街头有较大裂缝时，打桩引起的土体上涌，有可能将桩接头拉断，造成严峻的质量事故 11。 4. 在较厚的粘土、粉质粘土层中施打多节管桩，每根桩宜连续施打，一次性完成。 因为这类土层中打桩，桩周土体迅速破坏，空隙水压力剧烈上升，土的抗剪强度大大降低，桩身的贯入相称容易，但若中间停歇下来，土中空隙水压力逐渐消散，桩周土体发生固结，停歇时间越久，固结力越大，再想要打动这根桩，需要 增加更多锤击次数，有的甚至桩身打不动而先将桩头或接头打烂。有些施工单位在打多节管桩的大面积群桩时，喜欢采用大流水施工作业法，即先将几十根甚至上百根群桩的底桩（第一节桩）插好并打至地面，然后再一起将第二节桩接上去，再将第二节桩打至地面，再一起接上第三节，如此反复直至全部桩打至持力层。这种大流水作业法的长处是施工速度快，缺点是每一根桩不是一次性施打完成，每节桩之间的施打间歇时间较长，在固结力较大的粘土、粉质粘土层中，容 大学 届毕业设计说明书 第 14 页 共 30 页 易将桩头或接头打烂。此法另一个缺点是配桩固定，不能随地质条件的变化而及时调整配桩长度，浪费较大 。 20世纪 80年代中期，华南某管桩工程，设计采用 550 管桩，根据地质勘察资料，强风化岩层顶面埋深约 30m，强风化岩上面厚30可塑或硬塑的粘土、粉质粘土，施工单位采用三节 10用大流水施工法，第一节第二节都是采用 45 型柴油锤施打，沉桩较为顺利，但打第三节桩时，设计采用 60 型柴油锤施打并收锤，由于当时租用 60型柴油锤较为困难，中间停歇整整一个月，结果用 60型柴油锤施打第三节桩时 40%以上的桩头或接头被打坏，造成重大施工质量事故。当然，为适当提高打桩速度，可以采用流水打桩施工作 业法，但需在本台班内将这批流水作业的桩全部打至持力层。 5. 承载力较大的摩擦端承桩，送桩深度一般不宜超过 2m 管桩收锤后桩头（顶）高出地面是一种浪费。施工人员在收锤之前的打桩过程中，借助送桩器将桩头（顶）沉至地面以下的工序和方法，叫送桩。根据广东地区的施工经验，承载力较大的摩擦端承桩，送桩深度一般不宜超过 2米，否则桩头容易被打碎，桩顶偏位也较大。打桩至送桩宜连续进行，即打即送，因为间歇时间一长，桩周土体固结，送桩送不下去，也很容易将桩头击碎。由于送桩奇是套在桩头上，与桩头的连结时非刚性的，锤击能量 在这里的传递是不顺畅的，损失较大，所以，同一大小的冲击能量，直接作用在桩头上，测出的贯入度要打一些，装上送桩器后测出的贯入度要小一些，故送桩收锤贯入度应比不送桩收锤贯入度要小一些。据不少施工单位的经验，在一般工程地质条件下送桩，收锤贯入度可按比不送桩贯入度小 5 要保证送桩质量，合理设置送桩器的结构构造至关重要。送桩器宜做成圆筒型，并应有足够的强度，、刚度和耐打性。送桩强度应满足送桩深度的要求。送桩器上下端面应平整，且与送桩器中心轴相垂直，如果上下端面与中心轴线不垂直，容易产生偏心锤击，将 桩头击碎。送桩时，送桩器轴线必须与桩中心线一致，不得在晃动的情况下进行锤击。送桩器下端面应设置排气孔，排气孔孔径不宜小于管桩内径的十分之一，目的是使管桩内腔的空气与大气相通，送桩作业时，便于管桩内腔中的水分和空气外溢，否则管桩容易产生竖向劈裂裂缝。送桩器应与管桩外径相匹配。适用于管桩的送桩器下端部有两种形式：套筒式和插梢式。套 大学 届毕业设计说明书 第 15 页 共 30 页 筒式送桩器下端的套筒深度宜取 2530径应比管桩内径小 23则送桩时容易损坏桩头混凝土。送桩作业时，送桩器与管桩桩头之间应设置 12层麻袋或硬纸板作衬垫。 当桩 为摩擦桩或以摩擦为主的端承摩擦桩且桩端持力层顶面埋深标高基本一致时，送桩深度可超过 2m12。 打桩收锤标准 收锤标准即终止打桩的控制指标，对打桩工程质量起着至关重要的作用。收锤标准定得恰当，管桩承载力可满足设计要求，打桩的破损率较低甚至为零；收锤标准定得不恰当，将造成工程质量事故。 试打桩应在正式开工前进行。当地质条件复杂、持力层起伏较大时，试打桩数量可适当增多。试打桩的规格、长度及地质条件应有代表性，应选在工程地质钻探孔四周，施打条件应与工程桩一致 。通过试打桩，可以了解管桩的可打性，验证选锤的合理性，在保证承载力设计值的前提下提出比拟适合实际的可操作的收锤标准。用高应变动测仪器设备配合柴油锤打桩机进行现场试打桩，可以尽快地确定比拟合理的收锤标准。实践证实，当相同地质条件的动静对比资料积累较多且有经验时，用高应变动测法测出的管桩承载力可以满足工程需要，而且省时省费用。 2在试打桩中采用高应变动测仪器设备配合测试时，其基本操作程序如下： （ 1）按地质资料提供的预估桩长加长 34m 作试打桩的配桩长度，使用与正式打工程桩同一型号的柴油锤并按 常规施工法进行试打，作好打桩施工记录。 （ 2）当桩尖接近持力层时暂停锤击，在桩头处装上传感器，启动打桩分析仪的同时，重新开锤施打。 （ 3）用实测曲线拟合法判断桩的承载力。当打桩分析仪显示器显示瞬时阻力值为 R/出桩的入土深度，测绘出收锤回弹曲线，量出最后贯入度和桩土弹性压缩量 录每米沉桩锤击数，以及最后一米沉桩锤击数。根据地质资料分析桩尖进入持力层深度。高应变动测仪在测出承载力的同时，还应测出桩身最大压应力值。 为 单桩竖向承载力设计值； 桩侧阻端阻综合抗力分项系数，取 大学 届毕业设计说明书 第 16 页 共 30 页 当地经验确定，一般取粘性土 a=性土 a= （ 4）经过 24 小时后进行复打，复打初时若打桩分析仪显示器显示瞬时阻力值为 ，不用继续复打，说明这根试打的桩已达到收锤要求，按程序（ 3）要求初打时得到的收锤指标可作为正式打过程桩的收锤标准。 （ 5）当程序（ 4）中显示的瞬时阻力值小于 ，说明 a 值估算有误，则需继续锤击，调小 复（ 3） （ 4）直到满足为止。 此时应按程序（ 5）要求复打时得到的收锤指标作为正式打工程桩的收锤标准。 （ 6）整个场地的试打桩全部打完以后，进行综合分析：如果场地较小，地质较均匀，可提出统一的收锤控制指标；如果场地较大，地质条件多变，可根据不同区域、不同桩长规格提出不同的收锤控制指标。 现行基桩高应变动力检测规程规定，当检测预制桩承载力时，从设桩到检测（或复打）的最小休止时间，砂士七天，非饱和粘土十五天。试打桩因为时间紧，一般只休息 24 小时可进行复打，应该说休止时间不足，测出的桩承载力还有增大的可能，这部分增大的承载力可作为 安全 储备，或作为检测误差的补偿。 利）打桩公式估算最后贯入度控制值 香港、澳门及广东部分地区施打预应力管桩，常利用 利）打桩公式估算最后贯入度控制值有较长的应用时间，已积累了一定的经验。采用锤击法沉桩时，当打桩锤锤击桩头时，就产生一个沿桩身向下传播的压缩应力波，应力波的最大强度主要取决于桩锤的锤击速度，而锤击速度与锤的落距平方根成正比，。为了防止桩受 锤击时产生过大的冲击应力而使桩头打烂击碎，过去在抉择自由落锤打桩时，一般遵循“重锤低击”的原则来进行选锤。其实柴油锤也需遵循“重锤低击”的选锤原则。 近几年生产的柴油锤，供油油门分为四档。若选锤合理，柴油锤运作时，油门一般只开二档，最多开三档，这样桩不易被打碎，锤也不易损坏。如果要一直开到四档才能将桩沉到设计持力层，那么按“重锤低击”的原则，不如抉择一个大一级的柴油锤采用开 23 档油门的运作法来打桩，其效果要好的多 19。 柴油打桩机的三个组成部分是桩架、柴油桩锤、卷扬机。柴油打桩 机的桩架 大学 届毕业设计说明书 第 17 页 共 30 页 全部安装在滑轨上，以便使桩架在工作时能方便灵巧地加以移动。 架的设计 桩架包括龙门、龙门顶架、滑轨和撑杆、支柱三脚架四部分组成。 目前，在人们使用的液压打桩机的一侧固定安装有立柱，立柱为整体结构，立柱的下部与液压打桩机的机体连接；中上部通过立柱斜支杆连接在液压打桩机上，立柱斜支杆通过销轴与立柱上的销轴孔铰接，立柱为两根平行的槽形钢轨道，在平行的槽形钢轨道上连接有液压锤滑板，液压锤滑板可以在槽形钢轨道上运行。 龙门是用槽铁制成的，中间以铁板相连，当起吊桩锤和桩子时，龙门承受垂直压力。 当柴油打桩机工作时，龙门即使桩锤上下滑动的导杆。 龙门顶架上安装有滑轮组。主要是负责举桩、升降柴油桩锤、和使用卷扬机。 桩架底座呈三角形由槽铁构成，下面装有为支撑而设的四个支撑柱。 撑杆、支柱和三脚架都是采用钢管制成的，以螺栓与龙门和底座相连接。 部滑轮组的设计 一，滑轮的主要作用是导向和支撑，以改变钢丝绳的走向，从而改变所传递拉力的方向。也可用来平衡钢丝绳分支的拉力、或者组成滑轮组达到省力或增速的目的。根据滑轮的轴线是否运动，有定滑轮和动滑轮之分。只利用滑轮的转动来均匀钢丝绳拉力的滑 轮叫做均匀滑轮。根据制造方法，滑轮有铸造滑轮、焊接滑轮、热轧滑轮等。 （ 1）铸造滑轮，有铸铁和铸钢两类。承受负荷不大的小尺寸滑轮（ D350一般制成实体的滑轮，其材料为 铁滑轮工艺性好，廉价；承受负荷大的大尺寸滑轮一般采用球铁（如 铸钢（如 ），铸成带筋、孔和带轮辐的结构。这种滑轮具有较高的强度和冲击韧性。 大学 届毕业设计说明书 第 18 页 共 30 页 （ 2）焊接滑轮，目前多数焊接滑轮是先将钢板压制成绳槽形状，由数快压制成形的钢板拼成一个整圆后再与辐板焊 接而成。另一种是轧制绳槽钢焊接滑轮，先由热轧机轧制出各种规格的条状绳槽钢，然后将其卷制成圆环形，再与辐板，轮毂焊接制成滑轮。这种滑轮的结构简单，强度高，抗冲击能力好，材料利用率高，重量轻，特别是轧制绳槽钢滑轮，绳槽几何精度高，硬度适中，可提高钢丝绳使用寿命。 （ 3）热轧滑轮是国外八十年代中期出现的一种新型滑轮。热轧滑轮是旋转的圆形钢板上用火焰将其边缘加热，然后使用特殊的工艺将钢板外缘直接轧制成滑轮的绳槽，和轮毂焊接制成滑轮。热轧滑轮重量轻、强度好、精度高、绳槽表面硬度较高。热轧滑轮已在我国港口机械中大量 使用，已有系列产品。 （ 4）带尼龙绳槽衬垫双辐板压制滑轮，这种滑轮的两片幅板采用 4普通碳素钢钢板压制成型，并用胀铆和过盈配合工艺使之与滑轮轮毂连成一体而成，滑轮轮缘绳槽装有可拆卸的绳槽衬垫。其优点自重轻，绳槽耐磨性好，无噪音。 滑轮组按其作用可分为省力滑轮组和增速滑轮组。 省力滑轮组如图 3，通过它可以用较小的驱动力产生很大的提升力，即用较小的力吊起较重的货物。它是起重机中最常见的滑轮组。 增速滑轮组如图 4，它可以使被驱动的货载获得高于驱动部件的速度，驱动部件以较小的行程，可使被驱动的货载得到较 大的行程。增速滑轮组主要用于液压今儿气力驱动的起升机构中，如叉车的起升机构。 滑轮组根据构造又分为单联滑轮组和双联滑轮组。 单联滑轮组如图 5中，钢丝绳的一端固定，而另一端绕入卷筒，结构简单、质量轻，但当卷筒卷入或放出钢丝绳时，钢丝绳沿卷筒轴向移动，货物作垂直运动的同时还伴随有水平运动，用于桥式起重机时，会使货重载荷在两主梁上分配不均匀，给装卸、安装作业的操作带来不便。因此单联滑轮组多用于臂架类型的起重机如图 6。 双联滑轮组 7 中，我们
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