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液压打桩锤冲击能传递与调节装置设计研究毕业论文目录摘要iABSTRACTii第1章 绪论11.1 液压打桩锤概述11.1.1 液压打桩锤的研究历史11.1.2 液压打桩锤的研究现状11.2 液压打桩锤的结构21.3 本课题的来源、要求、意义、研究内容41.3.1 课题的来源41.3.2 课题的要求41.3.3 课题的意义41.3.4 课题的研究内容41.4 本章小结5第2章 打桩锤击系统结构原理与工况分析62.1 液压打桩锤锤本体结构原理62.2 液压打桩锤打桩锤击过程的工况与常见打桩质量问题72.2.1 桩的材料属性72.2.2 土层的材料属性82.2.3 打桩锤的工作环境92.2.4 常见打桩质量问题92.3 液压打桩锤冲击能传递与调节装置需具备的功能和性能102.4 本章小结11第3章 打桩锤击模型设计与计算123.1 液压打桩锤冲击模型的建立123.2 液压打桩锤打桩锤击模型应力波分析143.2.1 直接撞击应力波分析143.2.2 间接撞击应力波分析163.3 液压打桩锤打桩锤击系统动力学分析183.3.1 打桩锤击系统动力学模型建立183.3.2 塑性介质下的系统动力学分析203.3.3 弹性介质下的系统动力学分析213.4 液压打桩锤防反弹设计223.5 打桩锤击系统MATLAB仿真研究233.5.1 液压打桩锤冲击模型的不同桩的仿真优化233.5.2 液压打桩锤冲击模型的相同桩在不同垫层刚度下的仿真优化243.5.3 垫层刚度可调与垫层刚度固定的比较253.6 本章小结26第4章 结构设计与选型274.1 结构设计计算与材料选型274.1.1 缓冲油缸的设计284.1.2 活塞设计304.1.3 打击垫改装设计304.1.4 下机架改装设计314.2 换油油路设计314.3 本章小结33第5章 成本核算与经济性分析345.1 成本核算345.2 经济性分析365.3 本章小结36第6章 全文总结37致谢38参考文献39附录41附录一 仿真代码41附录1 直接撞击仿真代码41附录2 间接撞击仿真代码41附录3 防反弹研究仿真代码42附录4 相同垫层不同桩仿真代码43附录5 同种桩不同垫层刚度下仿真代码44附录二 翻译45英文原文45中文译文52附录三 结构设计图纸57 第1章 绪论第1章 绪论1.1 液压打桩锤概述桩的使用可以追溯到几个世纪以前，最早使用的桩是木桩与竹桩，用来支撑沼泽区附近的房子和作为桥的基桩1。随着人类活动范围的延伸，对桩基础的要求也逐渐提高，传统桩逐渐被替代。19世纪20年代，铸铁板状出现；二战后无缝钢管开始被作为桩材料；20世纪初，钢筋混凝土预制构件出现，随后出现各种钢筋混凝土预制桩。20世纪20-30年代出现沉管灌注桩2。随着建筑业的发展，桩基础的施工方法与施工机械也随之变化。桩的分类基本成型，分为预制桩与就地灌注桩。其中预制桩因为环境适应性好，施工简单，效率高，使用越来越广泛。预制桩基础施工机械主要有柴油锤、振动桩锤、液压静力沉桩机和液压锤，柴油锤与震动桩锤工作时噪声较大，使用受到限制，静力压桩机由于制造成本高，设备庞大，拆装与运输困难，其推广也受到限制。而液压打桩锤因为其制造成本低，体积小，效率高，噪声低，在桩工机械中独树一帜3。1.1.1 液压打桩锤的研究历史液压打桩锤技术起源于60年代，1964年荷兰HBG公司研究发展部开始研究液压打桩锤，1965年试制成功世界上第一台液压打桩锤，1969年制成HBM型液压打桩锤，1976年英国BSP公司研制成功10吨锤重的液压打桩锤。日本日立建机(株)公司买进英国BSP公司的专利于1979年试制成功，并开始投入实际使用，形成HNC系列，NC系列。1983年，液压打桩锤被建设者的“建设技术评定制度”所确认，因此其进一步取得了普及推广4。鉴于液压打桩锤工作噪声较低、打击能量大和工作可控性好等优点，70年代至80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。而我国在进入90年代后，才开始研制液压打桩锤。1.1.2 液压打桩锤的研究现状目前液压打桩锤在国外发达国家已经被广泛使用，并且形成系列化。典型产品有英国的BSP系列、荷兰IHC公司的SC系列、日本车辆公司的NH系列和NHS系列、芬兰JUNTTAN公司的HHK及HHKA系列等5。国内液压打桩锤的研究由于缺少液压系统理论分析资料，产品设计理论与设计方法不成熟，产品设计、制造和试验手段层次较低。计算机辅助设计、计算机仿真设计与优化设计等技术在该领域的利用效率较低。国内液压锤市场主要是进口产品, 主要从日本、德国、英国、芬兰和韩国进口，还没有真正意义上开发出自己的液压打桩锤产品。据目前的资料来看，国内能生产液压打桩锤的厂家一般都是通过跟国外知名的一些大公司合作，采用别人的成型技术来组装液压打桩锤或者在国外购置的机器上做些小的改动。如2001年，由国家外国专家局批准的引进俄罗斯新西伯利亚高科技园区国家专有技术，在哈尔滨我国首台高速液压打桩锤试机成功，该打桩机打击频率最小为50-58次/min，最大为210次/min，具有多种使用功能，能打震拔桩、钢管桩、混凝土桩，也能打横向桩或斜面打桩3。中港第一航务工程局购置了一台荷兰IHC公司首次生产的SC-250液压打桩锤，调试过程中不断发现问题，后经修理调试使得该锤技术性能改善，打桩效率提高9。另外一些高校和企业已经进行过相关的尝试，如中南大学和湖南长河机械有限公司联合研发的ZCY系列气-液联合控制打桩锤6，东北大学与阜新矿山机械厂共同开发研制的CY20型液压冲击式桩锤7，吉林大学与一汽共同研发的CY100型液压桩锤8，上海理工大学和同济大学、太原重型机械学院、吉林工业大学等开发的DY25A等轻型液压打桩锤。液压打桩锤是以液压能为动力，举起锤体，然后快速泄油或同时反向供油，锤体加速下降，锤击桩帽并将桩体沉入土壤中来实现沉桩作业。它体现了传统的打桩技术(落锤)和现代控制理论(液压传动)的有机结合。在过去的几十年来，各国学者对液压打桩锤系统的运动规律进行了不懈的探索，按照人们在研究液压打桩锤时所采用的方法可以把研究液压打桩锤系统的方法分为数学解析法、数值仿真法、实验研究法三大类。数学解析法抓住液压打桩锤运动的主要因素，忽略次要因素，对打桩锤作一些必要的假设，将活塞受力状态进行简化，得出用数学模型表示的运动规律，这种模型揭示液压打桩锤的运动规律直接明了，有确切的数学表达式，可以方便地求解解析解，但由于这类方法忽略了一些实际存在的因素，故它只是粗线条地描述打桩锤的运动规律。朱合华等10针对桩锤、桩帽、锤垫、桩垫组成的锤击系统,提出一种新的解析模型。该模型分别用不同的集中质量块表示桩锤、桩帽，用一并联的弹簧、阻尼器表示锤垫，用一弹簧表示桩垫，同时用一阻尼器表示桩，建立平衡方程，利用拉普拉斯变换推导出锤击力的解析解。根据锤击力的解析解,采用优化设计技术，调整参数，使桩顶锤击力的解析解与实测桩顶应力波的差值最小，得出合理的垫层材料的参数，供工程实践参考。胡均平等11对一种新型气液联合液压打桩锤的动态过程进行了仿真研究。王涛12在其硕士论文中着眼于由锤体、锤垫、桩帽、桩垫和桩组成的冲击机构，分析影响最大冲击力、冲击效率和冲击噪声等三种评价指标的各种因素，并对它们进行优化得到最佳参数。I.V.Mezentsev等13通过建立液压打桩锤的系统模型，指出了影响其效率的设计因素，并通过计算机仿真技术计算出设计因素对其效率的影响程度，从系统效率出发对液压锤性能进行了研究。周立运等14通过实验比较了松木和石棉垫层及碟簧桩帽在刚性基础上的锤击力波形特点。1.2 液压打桩锤的结构目前使用的液压打桩锤形式多样，但基本结构大致相似，一般由本体机械部分、液压系统及电力控制系统构成。图1-1为湖南长河机械有限公司生产的ZCY系列液压打桩锤总体结构示意图。1、液压打桩锤本体本体机械部分由起吊装置、导向装置、液压装置保护罩、锤体、壳体、桩帽及缓冲垫等组成。（1）起吊装置主要由滑轮架、滑轮组与钢丝绳组成，通过桩架顶部的滑轮组与卷扬机相连。利用卷扬机的动力，液压锤可在打桩架的导向装置中上下滑动。（2）导向装置与壳体和桩帽相连，与导向架滑道相配合，锤可沿导向架上下滑动。（3）液压装置保护罩用来保护液压锤上部的液压元件、液压油管和电气装置。另外，液压装置保护罩还可作配重用。当锤体下落打击桩帽时，桩帽对锤体有一个向上的反力，这个反力会使锤体和液压缸发生不规则的抖动或向上反弹，这种干扰会影响液压系统正常的工作循环，同时对桩、桩架造成不良影响。液压装置保护罩的质量起到类似配重的作用，可以缓解和减少其不规则的抖动或反弹，从而提高整体工作性能。（4）锤体是沉桩的主要工作部分，锤体的动能通过打击力传递装置传递给桩，实现桩的贯入下沉。（5）壳体把上部的液压装置保护罩和下壳体连接起来，在它的外侧安装着导向装置、无触点开关、液压油管和控制电缆的夹板等。锤体上下运动锤击沉桩的全过程均在壳体内完成，壳体板较厚，除去有足够的强度与刚度之外，还有一定的隔音作用。(6)打桩时桩帽套在钢板桩或混凝土预制桩的顶部，除去导向作用外，与缓冲垫一起既保护桩头不受到破坏，也使锤体及液压缸的冲击荷载大为减少。图1-1 ZCY系列液压打桩锤总体结构示意图2、液压系统液压打桩锤的液压系统主要由液压泵、溢流阀、卸荷阀、换向阀（逻辑阀）、蓄能器、执行元件以及管路等组成。3、电器控制系统液压打桩锤一般采用PLC控制，控制方法有手动与自动打桩两种状态，桩锤下落高度的控制主要有时间设定方式和位置设定方式。1.3 本课题的来源、要求、意义、研究内容1.3.1 课题的来源本论文的课题是根据中南大学与湖南长河机械有限公司合作共同开发的ZCY70型氮爆式液压打桩锤项目，在该课题的研究中选出一子课题：液压打桩锤冲击能传递与调节装置设计研究。1.3.2 课题的要求本课题的要求如下：（1）研究液压打桩锤冲击能传递与调节装置的工况要求；（2）根据工况要求确定液压打桩锤冲击能传递与调节装置需具备的功能和性能；（3）根据功能和性能要求进行液压打桩锤冲击能传递与调节装置的原理和结构设计；（4）针对液压打桩锤冲击能传递与调节装置的性能参数要求进行各部件的具体参数设计和强度计算；（5）成本核算与经济性分析；（6）按毕业设计要求绘制总图及部分零部件图。1.3.3 课题的意义液压打桩锤冲击能的调节与传递装置对打桩过程中产生的最大打击力、打桩锤击系统效率有很大影响。一般的打桩锤中，该装置的垫层采用橡胶垫或者胶木板作为缓冲材料，能够起到一定的储存冲击能、减弱最大打击力、减少桩损坏的作用。但是，在打桩过程中，桩锤垫层桩土层组成的系统，处在一个动态匹配的过程中，一般打桩锤中，垫层刚度确定后不易调节，不能适用于不同波阻的桩，系统效率较低。本论文所研究的主要方向是在桩不损坏的情况下，使打桩过程效率最大化。本文采用的方法是利用液压油代替橡胶垫与胶木板作为缓冲垫层，油液密封受压时，油液可视为弹簧，调节油液液柱承压面积与液柱高度的比，可任意调节其等效的弹簧的刚度。不同的桩有其对应的垫层最佳匹配刚度，打桩之前调节垫层刚度达到匹配值，可使打桩锤击系统效率大大提高。1.3.4 课题的研究内容本文主要的研究的是液压打桩锤打桩锤击系统工作过程的动态仿真，通过对打桩锤击系统的应力波分析，动力学分析，仿真研究确定打击力调节与传递装置的最佳匹配刚度，最终设计出一种的合理的用液压油代替一般垫层的冲击能传递与调节装置，并对垫层刚度可调的情况作相应研究。1.4 本章小结本章首先对液压打桩锤历史、现状做了简要描述，分析了国内外对液压打桩锤的研究状况。然后简要说明了液压打桩锤的结构与各部分作用，最后确定了论文的研究意义与研究内容，确定研究目标为一种采用液压油作为缓冲垫层的冲击能传递与调节装置。59中南大学本科生毕业论文（设计） 第2章 打桩锤击系统结构原理与工况分析第2章 打桩锤击系统结构原理与工况分析2.1 液压打桩锤锤本体结构原理液压打桩锤有液压打桩锤本体、液压源、操作控制盘等组成。液压打桩锤打桩锤本体部分是液压打桩锤研究的核心部分，液压打桩锤本体结构包括打桩锤驱动装置和打击力传递装置。整体结构如图2-1所示。图2-1 液压打桩锤工作原理图1、油缸 2、桩锤 3、打击垫 4、回弹缓冲垫 5、缓冲垫层6、桩帽 7、桩 8、打击力传递装置 9、打桩锤驱动装置液压打桩锤的锤驱动装置主要由桩锤、液压缸、液压控制阀、端板等组成。锤驱动装置对冲击能的转换效率与冲击应力有重大影响，国内外主要文献对此研究较多，主要分析液压系统与锤头部分对桩锤性能的影响。如中南大学与湖南长河机械有限公司研发的ZCY系列氮爆式液压打桩锤7，利用氮气爆炸时产生的冲击能与锤的重力势能提高打桩过程中的冲击力。日本车辆公司开发的双作用液压打桩锤NH型液压锤16，利用蓄能器在桩锤上升时蓄能，桩锤下降时快速释放能量，同等条件下，比单作用液压锤产生的冲击力大很多，并且动态性优良可控性好。对桩锤的设计研究也有相关资料可依据：如吉林大学与一汽大众有限公司共同研发的CY100型液压桩锤8。液压桩锤的锤头是中空的，内部容腔填充有颗粒金属，填充系数小于1。当锤头加速下落时，颗粒金属为自由下落，从而落后于锤头呈现“浮起”状态。当锤头与锤垫接触后减速，进而由撞击形成反弹趋势时，颗粒金属陆续落下，可有效地减缓锤头的振动。此外，颗粒金属的应用延长了冲击过程，有效地增加一次冲击下的贯入量，从而可显著提高冲击过程的能量转换率。另外，从波动力学理论出发，朱萍玉、杨襄壁等对冲锤进行了反演设计17，得出一种椭圆锥形桩锤，新加坡南洋理工大学根据设计结果对冲锤进行线性化处理后加工出了冲锤，并进行了试验，得到较为满意的试验结果。冲击能的传递与调节装置在结构上一般由打击锤垫、铁砧、桩帽和桩垫组成，在低噪声要求的环境中还包括隔音装置。目前国内外对冲击能的传递与转换装置的研究有限，参考资料非常有限。装置安装在液压打桩锤的桩锤与桩之间，作用是将冲锤的冲击能通过转化传递到桩上，实现桩的沉降。对该装置的设计国内外普遍采用的方法是安装锤垫与桩垫，通过改变材料来实现垫层与整个打桩锤击系统的最佳匹配。锤垫在桩锤与铁砧之间,桩垫在桩帽与桩之间，可防止金属的直接撞击,降低噪声的强度，调节冲击应力。垫层材料一般选用多层橡胶垫或者胶木板，作用相当于弹簧，可调节冲击应力，此时影响打桩锤性能好坏的主要因素是垫层的总刚度。缺点是垫层刚度设计好之后，刚度基本为一恒定值，不可调，难以适应不同桩的需求。对冲击力、冲击效率、冲击噪声等的调节有限。另外, 对噪声的控制，普遍采用隔音材料做成的锤罩将桩锤和冲击力传递装置封闭起来, 可有效地防止噪声引起的公害。2.2 液压打桩锤打桩锤击过程的工况与常见打桩质量问题液压打桩锤可以按桩锤的吨位来分为3类: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10吨之间的为中型液压打桩锤;桩锤重量超过10吨的为大型液压打桩锤，最大桩锤重量可达40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200mmx200mm (或直径小于200mm)；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。本文所研究的是中型液压锤，湖南长河机械有限公司ZCY70型氮爆式液压打桩锤，桩锤重量7吨，适用桩型为PHC桩与钢板桩。2.2.1 桩的材料属性以PHC混凝土预制桩为例。混凝土的变形一般可分为两类：一类是在载荷作用下产生的受力变形；一类是由于温度和干湿度变化而引起的体积变形。打桩锤击系统中，混凝土桩的变形属于第一类。混凝土在周期性加载下的应力应变曲线如下：图2-2 混凝土试件的应力应变曲线图2-3 混凝土试件变形特征根据曲线图2-3可以将混凝土的变形过程分成3个阶段：（1）弹性变形阶段（o-c段）。这一段的特点主要是：试件变形所引起的应力与应变呈线性，即满足胡克定律=E，变形时完全弹性的；变形是可逆的。一般在打桩的过程中，桩体都处在这个阶段。（2）弹塑性变形阶段（c-a段）。当应力随载荷增大到大于c时，这时的变形特点是：应力与应变呈现非线性关系，应变随载荷增大而增大，且比应力 的增大快。即，曲线上任一点的斜率Et都比弹性模量E要小，且随着的增大，Et 变小；变形包括弹性部分和塑性部分。载荷完全卸除后，试件的变形不能完全恢复，即变形不可逆。加载时应力应变曲线沿着o-c-d曲线进行，卸载时，沿着d-g线变化。（3）完全塑性变形阶段（a点之后的一段）。当应力 随载荷增大到接近a时，试件表面开始出现于加载方向平行的裂缝，试件破坏，变形不能恢复。从上述实验结论中可知，混凝土是一种弹塑性材料。混凝土凝结过程中，由于水泥胶块的收缩，使得骨料和水泥胶块的结合面上形成局部的界面裂缝。当应力小于弹性极限c 时，混凝土的应变主要取决于骨料和水泥胶块中的结晶体组成的骨架的弹性变形，而结合面裂缝的影响还不明显，所以应力应变呈线性关系。当应力逐步增大后，一方面由于水泥胶块中的凝胶体的粘性局部流动，更主要是局部界面裂缝的扩展和延伸，使得应变增大得比应力要快，造成塑性变形。在打桩的瞬间，一般预制桩都处在弹性阶段。2.2.2 土层的材料属性桩体处在土层中，桩侧有土层粘结挤压作用，对于未达到基岩的情况下，桩底端也被土层弹性支承。当桩顶端受到激振力作用时，桩侧土和桩底土就会产生粘滞阻力作用和支承阻力作用，桩的震动响应特性和承载力受此影响。图2-4 某工程的地层剖面图实验研究表明，土样的变形也存在弹塑性阶段，也是一种弹塑性材料，只是土的弹性范围比较窄。土层受压开始时，为弹性阶段，变形与压力呈线性关系；载荷加强，土层进入弹塑性变形阶段，既有弹性变形，又有塑性变形；载荷继续加强，土层进入塑性滑移阶段，土层剪切破坏，丧失承载能力。如图2-4所示，打桩工作的土层力学性能复杂，不同地区，不同深度的土质有相当大的区别。不同土类的变形模量值见表2-1。表2-1不同土类的变形模量土的类型变形模量（KN/m2）泥炭100-500塑性粘土500-4000硬塑粘土4000-8000软塑粘土8000-15000松砂10000-20000粗实砂50000-80000粗实沙砾、砾石100000-200000软岩石、硬岩石5000000-100000000由表2-1可知，不同土层的体积模量有很大差异，打桩过程中，随着桩入土深度的改变，桩的受力情况也会改变。2.2.3 打桩锤的工作环境我们国家幅员辽阔，各地地质水文条件千差万别，在地基基础工程施工过程中，桩工机械会遇到地面表土、回填土、砂土、粘土、砂砾石土、孤石、岩槽等复杂地质条件。打桩锤作业是户外作业，为地基基础工程建设施工的一部分。地基基础工程施工工程造价高，施工工期长。野外施工要求桩锤能做到不损坏桩的情况下打桩效率尽可能大，确保工程质量、工期，降低工人劳动强度；在城市施工，民用建筑的地基基础工程施工时，还要要求桩工机械噪声尽可能小，工作时噪声不影响民众生活。2.2.4 常见打桩质量问题打桩中常发生的质量问题有：桩头破碎。桩身折断。桩身裂缝。多节桩破坏脱开。桩位偏移等。其中桩头破碎所占比重最大，事故最频繁。1、桩头破碎：对混凝土桩来说，因为强大的锤击力，桩头大约一公尺长度范围内的混凝土受到压缩和拉伸。当桩顶端不平整，桩身不直，或主钢筋不齐的情况下, 会引起更大的不规则的集中应力。当锤击偏心时，混凝土的拉应力急剧增大，一旦超过了混凝土的抗拉强度，桩头就要发生裂缝继而破碎。同样，如果选锤不当，插桩不直，桩帽不平，桩垫厚度不足等，也会导致桩头破碎。2、桩身裂缝和打断：除去操作失误引起的桩身意外碰撞损坏。桩顶受到冲击时，桩身产生震动，振动波会快速下传（一般传递速度为3500m/s），瞬时又以压应力和拉应力波向上反射，反射波的强度取决于锤重，锤击速度，缓冲垫层，桩材料，土质条件等。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，桩身就产生裂缝，如继续撞击，就会导致断桩。如下几种情况易断桩。 软土层中打桩，桩在入土初始阶段，桩尖土层阻力小，锤击太重，贯入度大，桩身常会产生裂缝，且一般发生在桩的上半段。 硬土层中打桩，桩入土不深，地面上自由长度长，桩尖土层阻力大，贯入度小，桩身产生强烈震动，弯曲方向反复变化，极易断桩。 桩帽卡桩太紧，产生扭转开裂。 重锤高速打击后，桩应力值增大等。以上几点质量问题均与打桩锤设计有关，由此可知道选择合适的打桩锤参数对打桩质量有重要影响。2.3 液压打桩锤冲击能传递与调节装置需具备的功能和性能本文所做的研究的目的主要是在桩不损坏的情况下尽可能提高打桩锤的打击效率。根据以上打桩的工况与打桩质量问题产生的原因，可归纳出液压打桩锤需满足的性能：（1）由桩的材料属性可知，桩的破坏形式是脆性破坏，其作用是承受静压，抗压能力强。但是在打桩锤击过程中，桩所承受的载荷为动载荷，而且载荷频率大。一旦冲击力达到桩的脆性破坏峰值，桩瞬间破坏，所以必须调节冲击力，使传递到桩上的冲击力小于桩能够承受的最大动载荷。（2）桩锤打击桩的频率很高，1秒钟打击一次，打桩过程的冲击力近似于脉冲波，为了达到更高效率，必须尽可能延长有效作用时间。另外桩的打击力太小也会影响打击效率，所以要求冲击能传递与调节装置的调节作用适中。（3）由土层的属性分析，打桩过程中，桩进入土层的深度较大，桩经过的土层会随着贯入深度而改变。为了达到打桩锤击过程的效率最大，桩锤、打击力传递装置的垫层、桩、土层之间的刚度必须达到一种合理匹配。土层改变时，其它部分不变，系统效率会降低，所以设计时要求垫层刚度能够适应在土层刚度变化的情况下不影响系统的效率，或者垫层刚度可调。（4）当桩打入硬土层时，桩遇到的阻力大增，此时可能会产生桩锤的反弹，桩锤反弹可能会损坏液压元件，所以要求打击力传递装置能够起到一定的防反弹作用。（5）根据液压打桩锤的工作环境来分析，打桩锤都是户外作业，环境恶劣。另外，液压打桩锤是为了能够适应城区工作而设计的，所以，噪声要小。要求打击力传递装置设计中垫层的设计采用消音效果好的材料。（6）根据打桩过程中常见的质量问题来分析，桩头易裂，桩身可能会被打断。针对这些问题，要求打击力传递装置能够起到一定的防空打作用，减少桩损坏造成的损失。2.4 本章小结本章首先分析介绍了液压打桩锤的锤本体结构组成与工作原理，总结了国内外对锤体驱动装置与打击力传递装置在的相关研究。然后分析了液压打桩锤打桩锤击系统中的桩与土层的材料属性，打桩锤打桩锤击过程中产生的质量问题及其产生原因，确定了打桩锤的工况。最后通过分析工况要求确定了打桩锤冲击能传递与调节装置的结构与性能。中南大学本科生毕业论文（设计） 第3章 打桩锤击模型设计与计算第3章 打桩锤击模型设计与计算3.1 液压打桩锤冲击模型的建立针对桩锤、桩帽、锤垫、桩垫组成的锤击系统，曾经有很多人提出过很多模型。Smith18提出将整个打桩系统抽象为许多分离单元，桩、桩帽、锤垫与桩垫以及桩身部分的弹性均由无质量的弹簧模拟，而各部分质量则由不可压缩的刚性质量块代表；Deek Randolph19提出由桩锤、锤垫和直接置于桩顶的桩帽组成锤击模型，并分别考虑锤垫材料的弹性、粘弹性；W. A. Take等20基于桩锤、锤垫、桩帽、桩垫组成的锤击系统，用集中质量代替桩锤、桩垫、用弹簧表示锤垫和桩垫，建立解析模型；朱合华等10提出，考虑桩锤、锤垫、桩帽、桩垫的共同作用，锤垫的粘弹性。桩垫的弹性，分别用不同的集中质量块代替锤垫、桩帽，用一个并联的弹簧、阻尼器代替锤垫，用弹簧代替桩垫，且阻尼器代替桩。王涛12在其硕士论文中，比较了以上几种模型的优缺点与难易程度，得到了一种较优的模型，本文所采用的模型如下：此模型由锤体、锤垫、桩垫和桩组成，系统锤击模型见图3-1。图3-1 系统锤击模型模型考虑了锤体的质量mh、桩帽质量ma和桩的质量mr，将锤垫与桩垫分别看成是一种弹性系数为kh、ka的弹性材料，将桩周粘性阻尼、桩端粘性阻尼、桩的弹性和桩端弹性用一个弹性系数为kr的弹簧和阻尼系数为cr的阻尼器并联表示。本模型忽略了锤垫与桩垫的阻尼系数。根据谢永华等21的研究发现，桩顶锤击力受垫层材料的刚度影响较大，受垫层材料的粘滞阻力影响非常小。此模型的运动微分方程如下：mhuh+khuh-ua=0 maua+kaua-ur+khua-uh=0mrur+krur+crur+kaur-ua=0 （3-1）式中：mh桩锤质量，单位kgma桩帽质量，单位kgmr桩质量，单位kguh桩锤位移，单位mua桩帽位移，单位mur桩顶位移，单位mkh锤垫的弹性系数，单位N/mka桩垫的弹性系数，单位N/mkr桩端的弹性系数，单位N/mcr桩端与桩侧的阻尼初始条件：桩锤撞击桩的瞬间，桩锤的速度为V0，桩垫及桩帽速度、加速度均为0，利用拉普拉斯变换得Urs=khV0/mamrS6+a5S5+a4S4+a3S3+a2S2+a1S+a0 （3-2）式中：a5=crmamhmra4=mamhka+kr+makh+mhkh+mhkhmrmamhmra3=makh+mhka+mhkhcrmamhmra2=makhka+makhkr+mhkakr+mhkhka+mhkhkr+mrkakhmamhmra1=kakhcrmamhmra0=kakhkrmamhmr为求出公式（3-2）的逆变换，先求解下列方程的根：S6+a5S5+a4S4+a3S3+a2S2+a1S+a0=0 （3-3）公式（3 -3）的根主要有以下几种情况：（1）六个相异实根G，H，J，K，L，M则微分方程的通解形式为Urt=AeGt+BeHt+CeJt+DeKt+EeLt+FeMt （3-4）（2）一对复数根GjH，和四个相异的实根J，K，L，M则微分方程的通解形式为Urt=AeGtcos(Ht)+BeHtsin(Ht)+CeJt+DeKt+EeLt+FeMt （3-5）（3）两对复数根GjH，JjK 和两个相异的实根L，M则微分方程的通解形式为 Urt=AeGtcosHt+BeHtsinHt+CeJtcosKt+DeKtsinKt+EeLt+FeMt （3-6） （4）三对复数根GjH，JjK，LjM 则微分方程的通解形式为Urt=AeGtcosHt+BeHtsinHt+CeJtcosKt+DeKtsin(Kt)+EeLtcos(Mt)+FeMtsin(Mt) （3-7）式中的A,B,C,D,E,F可根据初始条件进行求解。则桩顶的冲击力Ft=mrur+krur+crur （3-8）3.2 液压打桩锤打桩锤击模型应力波分析桩工机械的研究，最早的是以古典碰撞理论为基础。古典碰撞理论将两相撞的物体视为刚体而不考虑其结构形状，只做整体运动而不考虑其内部应力，根据古典碰撞理论推导出来的速度、动能损失和效率只取决于相撞物体的质量和恢复系数，与其结构无关。虽然有关公式在完善，但是仍无法弥补古典碰撞理论的缺陷。在冲击机械中，相撞的部件，在撞击方向尺寸比横向尺寸大得多，将其简化为质点很不合理，大量的理论与实践表明，冲击机械中的碰撞问题只有应力波动理论才能获得满意的解释。冲击机械系统波动力学模型一般由弹性杆、弹簧、刚体、阻尼器等四个元件组成。弹性杆是冲击机械系统力学模型的核心元件，可根据模型中所包含的独立弹性杆的件数将常见冲击机械系统分为一元、二元、三元冲击系统。一元冲击系统包含一件弹性杆，如锻锤，由一弹性杆和刚体组成。二元冲击系统包含二件弹性杆，一般由活塞、中介物和杆组成。三元冲击系统包含三件弹性杆，如筒式柴油打桩锤，由上活塞、下活塞、桩帽和桩组成。液压打桩锤属于二元冲击系统，力学模型可以简化为桩锤、弹簧和桩。液压打桩锤的打桩锤击过程实质上是应力波产生和传播过程，桩锤撞击锤垫与桩垫，冲击力通过垫层的传递与调节，传递到桩上。以下分析比较桩锤直接与桩撞击和间接与桩撞击产生的应力波，说明将液压打桩锤打桩锤击模型看作一元系统与二元系统的区别。3.2.1 直接撞击应力波分析图 3-2 桩锤与桩直接撞击示意图桩锤与桩的直接撞击问题可以表述为：一个长为Lh的等截面锤以速度Vo撞击一半无限长的静止均匀杆，桩锤与杆的接触面光滑平行，同时全面紧密接触，图3-2所示为桩锤与桩直接撞击示意图。桩锤与桩撞击后，在撞击面产生扰动，分别向桩锤和桩传出两道压缩波，冲锤内的压缩波在自由端反射成拉伸波，当t=th=2Lh/c （式中，Lh是桩锤的长度，c是应力波在桩锤中的传播速度）时，反射波回撞击面，这时桩锤中的应力为零，质点速度为V=(Zh-Zr)/(Zh+Zr) （式中，Zh 、Zr分别为桩锤与桩的波阻）。桩锤视为等截面体，锤与桩撞击的应力波波形如下：F=ZrZhZh+ZrV0 0tthZrZhZh+ZrZh-ZrZh+ZrV0 tht2th ZrZhZh+Zr（Zh-ZrZh+Zr）nV0 ntht(n+1)th （3-9）式中：Zh桩锤的波阻,单位kg/sZr桩的波阻,单位kg/sV0桩锤撞击初速度,单位m/s考虑到桩锤端部面积较大，其波阻比桩波阻大得多，将锤视为刚体，有 Zh, Ah 由公式（3-9）有limZhth0Ft=limZhth0ZrZhZh+Zr(Zh-ZrZh+Zr) t/th V0 =ZrV0e-(Zr/mh)t （3-10） 式中：mh桩锤的质量,单位kgth冲击力波形的一个周期,单位s故直接撞击力波函数为F(t)=ZrV0e-(Zr/mh)t （3-11）应力波波形特征分析如下：冲锤与杆撞击产生的应力波波形取决于桩锤与桩的波阻比，冲锤与杆的波阻比小时，冲锤与杆撞击产生的应力波形为矩形，应力波持续时间T=th，波阻比越大，应力波形越接近指数衰减波。液压打桩锤打桩锤击模型中，桩锤的波阻比桩的波阻大得多。为方便计算，将桩锤视为刚体。常见材料的物理波参数见表3-1。表3-1 常见材料的物理波常数材料种类参数名称钢铅铝花岗岩混凝土液压油空气弹性模量（GPa）2101207046301.5密度（kg/m3）795090802960272024009201.3纵波波速（m/s） 513036705090405035001276340以外径300mm的PHC桩为例，将参数代入公式（3-9）,（3-11）中，利用MATLAB编程，代码见附录1，绘制曲线图3-3 直接撞击应力波形图。从图中可以看出，等截面冲锤直接撞击产生的应力波形的形状是阶梯状递减，刚性冲锤应力波形曲线是指数衰减波。当桩锤与桩的波阻比很大时，等截面冲锤撞击可以看成是刚性锤撞击。显然，ZCY系列液压打桩锤桩锤的波阻比PHC桩的波阻大很多，研究时桩锤可以看作是刚性锤。图3-3 直接撞击冲击力波形3.2.2 间接撞击应力波分析图3-4 桩锤与桩间接撞击示意图为了改变桩所受的冲击力，保护桩，提高系统寿命，液压打桩锤通过锤垫、桩垫等中介部件与桩发生撞击。研究中，一般以线形弹簧来模拟中介部分的力学行为。图3-4所示，为桩锤与桩间接撞击的示意图。打桩锤击系统中，锤垫与桩垫的看作弹簧处理，分析以上模型根据牛顿定律F=-mhdVhdt （3-12）弹簧方程有dFdt=KVh-Vr （3-13）半无限长杆假设有Vr=FZr （3-14）式中： K缓冲垫刚度，单位N/mVh桩锤的撞击瞬时速度，单位m/smh桩锤质量，单位kgVr桩的撞击瞬时速度，单位m/sZr桩的波阻，单位kg/s初始条件：t=0时，F=0， Vr=0，Vh=V0，整理上式得1KdFdt+1ZrF+1mhFdt=V0 （3-15）经拉普拉斯变换得FS=V0s2K+sZr+1mh （3-16）令1=K2Zr，2=1-4Zr2mhK，对上式进行拉普拉斯逆变换，根据2值的不同，有以下三种结果形式：1、当4Zr2mhK 时，2为虚数，令=4Zr2mhK-1 则2=jFt=2ZrV0e-1tsin1t （3-20）当t=11tan-1时，Ft达到最大值。应力波形特征分析：取外径为300mm的PHC桩，间接撞击垫层刚度很关键。根据王涛的仿真研究12，垫层总刚度取K=6.71108N/m时，桩的贯入度最大，所以试取垫层总刚度K=6.71107N/m6.71109N/m，步长取8107N/m，进行核算，将其余参数代入公式（3-17）至（3-20），利用MATLAB作图，代码见附录2，得到相应刚度下的曲线图，见图3-5。图3-5 冲锤间接撞击波形图从图中可以看出，间接撞击最大冲击力比直接撞击小，对保护桩起到重要作用；冲锤间接撞击有效作用时间比直接撞击有效作用时间长，撞击效率高；随着垫层刚度增大最大冲击力增大，有效作用时间减小；由此可以看出，合理选择刚度对打桩锤击系统的效率影响很大。3.3 液压打桩锤打桩锤击系统动力学分析液压打桩锤打桩锤击系统打桩过程，桩锤的冲击能通过垫层、桩传递到土层，土层接收能量后破坏，于是桩打进土层中。打桩锤击模型相当于二元冲击系统模型。3.3.1 打桩锤击系统动力学模型建立为便于分析，将打桩锤击系统作如下假设：（1）桩长度足够长，以保证撞击的入射波不受反射波的影响，入射波波形不变地传播到桩与工作介质的交界面。图3-6桩冲击系统力学模型（2）只考虑冲击机械的第一次入射波作用过程，忽略反射波在桩的撞击端发生再反射形成的第二次入射波。（3）忽略冲击系统中各部件的重力影响。（4）假定桩与工作介质的作用力全部集中在桩的工作端，并用统一的方程描述：F=Kju+Jpdudt+Fp， dudt0 （3-21）式中：Kj介质的加载刚度，单位N/mJp介质的粘性系数Fp介质的塑性极限阻力，单位Nu桩的贯入度，单位m当Kj=0时，为粘塑性模型，当Fp=0 时，为粘弹性模型。根据波动力学方程：F=P+Q （3-22）dudt=1ZrP-Q （3-23）式中：P入射波（顺波）,单位NQ反射波（逆波）,单位NZr桩的波阻,单位kg/s由公式（3-21）（3-23）得到冲击系统的动力学方程：Kju+Jp+Zrdudt=2P-Fp （3-24）初始条件为：t=0，u=0对于打桩锤击系统而言，桩进入土层的过程中，桩会贯穿几种土层，所以其工作介质既有塑性介质，又有弹性介质。介质的粘性对打桩过程的效率影响很小，忽略不计。当Kj=0，Jp=0 时，为塑性模型，代入公式（3-24）中有：Zrdudt=2P-Fp （3-25）当Fp=0 ，Jp=0 时，为弹性模型，代入式3-24中有：Kju+Zrdudt=2P （3-26）3.3.2 塑性介质下的系统动力学分析桩打入软土层时，土层易破坏，发生塑性变形，工作介质看作塑性介质分析。桩锤看作刚性锤，分析如下：桩产生的入射波由前节求出P=Ft，代入式（3-25），有：当4Zr2mhK 时，ut=8ZrV0K21-e-1t2sin12t+2cos12t-FpZrt （3-28）系统效率=Fpu012mhV02 （3-29）式中：ut桩的贯入度，单位mu0 最大贯入度，单位mZr桩的波阻，单位kg/smh桩锤质量，单位KgV0桩锤撞击初速度，单位m/sK锤垫与桩垫总刚度，单位N/mFp介质的塑性极限阻力，单位N1=K2Zr，2=1-4Zr2mhK取无量纲系数=Zr2(mhK) ,系统匹配系数=Fp(ZrV0)，经分析发现系统效率只取决于和，他们之间的关系如图3-7所示22。当=0.5，=0.49时，系统效率最大max=0.91,当=0.252.5，=0.250.5的范围时系统能获得大于0.8的效率。由此反演推算即可得出缓冲垫层需达到的总刚度K值范围与工作介质的塑性极限阻力Fp，由与各自的关系式可得出总刚度K=Zr2(mh)，工作介质塑性阻力Fp=ZrV0。图3-7 塑性介质下的二元冲击系统等效率线根据上图的分析，计算为使效率达到0.8，垫层刚度必须满足的范围，以及相应的土层的塑性阻力，列表如下。表3-2 塑性介质下匹配刚度PHC桩外径(mm)桩波阻(kg/s)塑性介质下最优刚度(N/m)工作介质塑性阻力(N)3005.611051.791071.791087.71105 1.541064009.961055.671075.671081.371062.741065001.581061.431081.431092.171064.351065501.651061.561081.561092.271064.541066002.261062.921082.921093.111066.221063.3.3 弹性介质下的系统动力学分析对于弹性介质，其结论有：当4Zr2mhK 时，ut=4+1ZrV0e-1t2+222sin12t-cos12t+e-1t （3-31）式中：=2Kj(K-1)系统效率=Kju02mhV02 （3-32）式中：Kj介质的加载刚度，单位N/m取无量纲系数=Zr2(mhK) ,系统匹配系数=Zr2(mhKj),经分析发现系统效率只取决于和，他们之间的关系如图3-8所示22，当=0.81，=1.7时，系统效率最大max=0.72，当=0.252，=12.5的范围时系统能获得大于0.6的效率。由此反演推算即可得出缓冲垫层需达到的总刚度K值范围。图3-8 弹性介质下的二元冲击系统的等效率线根据以上分析，弹性介质下的垫层刚度如表3-3弹性介