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液压静力压桩箱设计 I 本科生毕业设计本科生毕业设计 题 目 液压静力压桩箱设计 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 完成时间 液压静力压桩箱设计 II 目目 录录 摘要 I ABSTRACT V 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 1 1 液压静力压桩机的分类 1 1 1 2 液压静力压桩机的工作原理 3 1 1 3 液压静力压桩机的显著特点 7 1 2 液压静力压桩机的发展现状 8 1 3 液压静力压桩机压桩系统的研究与发展现状 9 第二章 夹桩机构的受力分析 12 2 1 夹桩机构的工作原理 12 2 2 夹桩机构的几何特征 12 2 3 夹桩机构的受力分析 13 2 3 1 压桩力作用之前 13 2 3 2 压桩力作用之后 14 2 4夹桩液压系统对桩受力的影响及解决措施 15 第三章液压静力压桩机悬臂强度分析计算 18 3 1液压静力压桩机基本结构 18 3 2 悬臂受力分析及强度校核 18 3 3 建立实体模型 20 3 4 悬臂机身材料和注意事项 21 3 4 1 悬臂机身材料 21 3 4 2 注意事项 21 第四章液压缸的计算及选用 22 4 1液压缸的计算 22 4 2 液压缸的选用 22 第五章压桩箱实体建模 25 5 1普通对顶式夹持机构夹桩原理 25 5 2 夹持机构夹桩钳口实体建模 25 5 3 压桩箱实体建模 26 液压静力压桩箱设计 III 小 结 30 参考文献 31 致 谢 32 液压静力压桩箱设计 IV 摘摘 要要 液压静力压桩机是利用高压油产生的强大静压力 平稳 安静地将预制桩快速压 入地基的一种新型桩工机械 与其它桩工机械相比 液压静力压桩机具有无振动 无 噪音 无污染 安全 快速 经济等特点 其使用日益广泛 为了便于对液压静力压 桩机进行设计和加快压桩进度 减少压桩过程中夹桩机构的应力 变形和静压预制桩 的损伤 提高压桩质量 论文对液压静力压桩机压桩系统的夹桩机构及其夹桩箱体进 行了理论分析 完成的主要工作如下 1 论述液压静力压桩机的结构 工作原理和特点 论述液压静力压桩机压桩系统 国内外研究现状与存在的问题和发展趋势 阐述了课题研究的意义 2 建立液压静力压桩机夹桩机构的实体模型 设置了模型中的主要参数 并转换 成相对应的平面图 总之 对液压静力压桩机压桩系统的夹桩机构及其夹桩箱体进行了分析 计算及 实体建模 关键词关键词 液压静力压桩机 夹桩机构 压桩系统 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 V ABSTRACT Hydraulic static pile driver is a new machine with which pre fabricated piles are hydraulically jacked in accurately into the ground This machine works calmly and placidly using strong static pressure produced by high pressure oil Comparing with other pile machinery the major advantages of the machine include no noise and vibration no pollution safety speed economy and so on More and more hydraulic static pile drivers have being used For being convenient for designing and improving on the machine and quickening the course of pile driving cutting down the stress and displacement of pile clamping mechanism and the damage of pre fabricated piles in the process of pile driving of hydraulic static pile divers improving quality of pile driving the theoretic researches and test evaluation have been carried through on hydraulic system pile clamping mechanism and its pile clamping box of system of pile driving of hydraulic static pile driver The main research works are as follows 1 The framework working principle characteristics of hydraulic static pile divers were discussed The current researches developing trends and problems and issues of system of pile driving of hydraulic static pile divers at home and abroad are investigated and summarized At the same time the significance of this research is stressed and expounded 2 The hydraulic system of pile driving under adding force of hydraulic static pile divers was analyzed The simulation results were analyzed and researched In a word the design theories and experimental verification proposed in this dissertation are of both theoretical significance and practical value to design and use of hydraulic static pile drivers KEY WORDS hydraulic static pile driver pile clamping mechanism system of pile driving 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 1 第一章绪论 1 1 引言 在土木工程施工过程中 首先要进行的是基础施工 桩基础是一种广泛应 用的深基础形式 主要应用在深厚的软土层 土质不均匀以及存在振动荷载的 场地上修建各种建筑物的场合 特别应用在建造高层建筑 重型厂房和具有特 殊要求的建筑物的场合 1 桩的种类及其施工方法因上部建筑物或载荷情况不 同而多种多样 桩工机械是用于各种桩基础 地基改良加固 地下挡土连续墙 地下防渗连续墙施工及其它特殊地基基础等工程施工的机械设备 其作用是将 各种桩埋入土中 以提高基础的承载能力 其中 将预制桩完全依靠静载平稳 安静地压入软弱地基 是一种新型的桩基础施工方法 静压法施工 其施工方 法主要有以下几种 2 1 压桩机施工法 2 锚杆静压施工法 3 利用结构物自重提供反力的千斤顶压入施工法 4 压桩架滑轮压入施工法 由于静压桩具有的诸多优点 己被广泛地应用于桩基工程中 静力压桩机是 实施压桩机施工法的工程施工设备 特别适合在软弱地基上施工 3 液压静压 桩法是我国桩基础施工的一种特有方法 它完全依靠液压静载将预制桩平稳 安静地压入地基 在国内得到迅速广应用 并成为一种具有鲜明特色的主要桩 基础施工法 液压静力压桩机是实施该液压静压法的一种关键设备 下面就液 压静压桩的施工机械一液压静力压桩机进行概述 1 1 1 液压静力压桩机的分类 随着人们生活水平提高 环保意识的增强 对生活居住条件的日益改进 为使城市免受废气 粉尘和噪音的污染 很多城市建设己对冲击式打桩施工方 法提出了各种限制 如只准白天施工等 4 甚至为了达到这一目的 而放弃以 简单 可靠 廉价的桩基础作为建筑物的基础 液压静力压桩机的出现和发展 就很好地解决了这个问题 它是一种大型现代建筑机械 是一种利用高压油产 生强大的静压力 平稳 安静地将预制桩快速地压入地基的一种新型的桩工机 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 2 械 全液压静力压桩机的出现是由于人们对居住环境日益重视的必然结果 从压桩机发展历程来看 压桩机施工法的静力压桩机有机械式压桩机 绳索 式压桩机 和液压式压桩机两种 机械式压桩机用机械方式传递力来压桩或拔桩 液压式压桩机使液压缸产生的静压力来压桩或拔桩 其中液压式压桩机按其压桩的部位分为 抱压式 从侧面夹持桩身压桩 如 图 1 1 和 顶压式 从桩顶部压桩 如图 1 2 两种 并开发出了抱压式连续压桩 机 如图 1 3 抱压顶压联合式压桩机 如图 1 4 和抱压振动联合式压桩机等压 桩机 抱压式液压静力压桩机压桩过程是通过夹桩机构 抱 住桩身侧面 由此 产生摩擦力来实现压桩的 而顶压式液压静力压桩机则是从预制桩的顶端施压 将预制桩压入地基中 由于施压传力方式不同 这两种压桩机 图 1 1 抱压式压桩机 图 1 2 顶压式压桩机 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 3 图 1 3 抱压式连续压桩机 图 1 4 抱压顶压联合式压桩机 结构形式 性能特点 使用范围也有显著不同 其核心是液压系统的设计方法 及其配置 它直接影响压桩机整机的技术性能及节能效果 而压桩机构是压桩 机的主要工作装置 是压桩机的关键技术 直接影响压桩机的压桩能力和成桩 质量 其中 抱压式压桩机主要由压桩系统和吊桩系统组成 而顶压式压桩机 主要由压桩系统和桩帽组成 顶压式压桩机除压桩机构中没有夹桩机构外 一 般不带起重机 但增加了一套卷扬吊桩系统 常规的顶压式压桩机由于其结构 及工作特点 工作重心较高 安全性较差 并且存在压桩力较小 压入桩的垂 直度保障能力差等问题 因而其应用受到限制 按其功能的不同抱压式液压静 力压桩机可分为通型液压静力压桩机和多功能液压静力压桩机 特别是可压边桩 角桩以及薄壁管桩的功能 按压桩机构的布置位置不同可分为中置式液压压桩机 和前置式液压压桩机 由于抱压式压桩机比顶压式压桩机结构紧凑 操作简便 移动平稳 转场方便 施工效率高 所以尽管压桩机最早从 顶压式 开始发 展 抱压式 压桩机仍然占主导地位 振动压桩机在静力压桩机夹桩机构上加装激振装置 并对原有结构作适当 调整 将激振装置与静力压桩机整合为一体 继承了静力压桩机和振动锤的施 工优势 既可单独静力压桩和振动压桩 同时也能组合使用振压施工 利用静 压力和波动效应相结合的方式 提供了便捷有效的施工模式 本文所述液压静 力压桩机是抱压式液压静力压桩机 1 1 2 液压静力压桩机的工作原理 液压静力压桩机 6 是利用高压油产生的强大静压力 平稳 安静地将预制 桩快速压入地基的一种新型桩工机械 已广泛用于我国许多城市 特别是沿海 城市建设和旧城改造的桩基施工 它的工作特性是应用液压传动技术提供的液 压力 通过液压缸将桩段逐渐压入土层中 可压预制混凝土方桩 若改变夹桩 机构形式 可压圆桩 钢桩等 液压静力压桩机的压桩工作机理 静压预制桩主要用于软土地基 当预制桩 在垂直静压力作用下压入土中时 桩周围土体发生急速而激烈的挤压 土中孔 隙水压力急剧上升 土的抗剪强度大大降低 这时桩身很容易往下压 压桩的 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 4 阻力主要来自桩尖向下穿透土体时直接冲剪桩端土体的阻力 压桩阻力并不一 定随桩的入土深度的增加而累计增大 而是随着桩尖处土体的软硬程度等因素 即随着桩尖处土体的抗冲剪阻力大小而波动 这说明此时桩侧摩擦阻力非常小 但这是一种暂时的现象 一旦压桩终止 随着时间的推移 桩周土体中孔隙水 压力逐渐消散 土体发生固结 土的抗剪强度也可随桩侧摩擦力逐渐恢复和提 高 从而使静压预制桩获得较大的承载力 在某些土体固结系数较高的软弱地 基 静压预制桩获得单桩极限承载力可比最终压桩力高出二 三倍 液压静力压桩机静压预制桩的施工 采用分段压入 逐段接长的方法 压 桩过程为 测量定位 压桩机就位 吊桩 喂桩 桩身对中调直 压桩 接桩 再压桩 送桩 终止压桩 截 接 桩头等 液压静力压桩机的结构如图 1 5 所示 包括边桩器 主驾驶室 压桩台 夹桩机构 起重机 升降机械 辅助配重梁 横移回转机构 纵移机构等 以 下介绍液压静力压桩机的主要部分 1 液压静力压桩机的行走装置 液压静力压桩机的行走装置是由横移回转机构 纵移机构组成 液压静力 压桩机行走及对桩位的转向是依靠行走机构及升降机构在平面内作前后 上下 移动来实现 当机身被升降液压缸顶升 横移机构 横向履船 离地 操作纵向 行走液压方向阀 伸缩纵向行走液压缸 推拉纵向行走台车 即可实现液压静 力压桩机纵向行走移动 当操纵升降液压缸液压方向阀 收缩升降液压缸活塞 纵移机构 纵向履船 离地 横移机构 横向履船 着地 操纵横向行走液压方向 阀 伸缩横向行走液压缸 推拉横向行走台车 即可实现液压静力压桩机左右 行走移动 若要机身转向 只要在操作液压静力压桩机左右行走时 使前后两 横向行走方向相反 即可实现机身转向 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 5 1 一边桩器 2 一主驾驶室 3 一压桩台 4 一夹桩机构 5 起重机 6 一升降液 压缸 7 辅助配重梁 8 横移回转机构 9 一纵移机构 图 1 5 液压静力压桩机整体结构示意简图 2 液压静力压桩机的夹桩机构及压桩机构 液压静力压桩机夹桩靠液压缸驱动的夹桩器进行 国内现有的液压静力压 桩机的夹桩器有如下几种型式 一种是由相互独立的 4 个夹头板组成 分设在压 桩机的主立架的 4 根槽钢导轨上 每一个夹头板各与一组使其水平方向位移和 垂直方向位移的液压缸装置相连 压桩时 4 个夹头板从 4 个方向将桩柱夹紧 另一种夹桩器 它的特点是通过增力杠杆使夹紧力增大 还有一种是根据楔形增 力的机械原理而设计出的滑块式液压夹桩器 7 压桩时 压桩机利用自身的工作起重机将预制桩吊起 对准夹桩箱体夹桩 部位 操纵夹桩液压缸方向阀 夹桩液压缸将桩夹紧 对正桩位 调整桩身垂 直度 再操纵压桩液压缸方向阀 压桩液压缸向下伸出 把预制桩压入土中 当一个行程完毕后 即可操纵夹桩液压 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 6 缸方向阀使夹桩液压缸松夹回程 松开钳口 再操纵压桩液压缸方向阀 压桩 液压缸向上回程 提升夹桩箱体至最高点 然后再夹紧预制桩 就可持续压桩 重复上述动作 即可实现将预制桩压入至所需要的深度 同时在压入过程中 可利用油压表读出当时的压力值 即可换算出各种地质土层的穿透阻力 3 液压静力压桩机的液压系统 液压静力压桩机液压系统设计方法的选择对于其设计的合理性是至关重要 的 根据负载变化情况和对元件的工作要求不同 液压控制系统的设计方法可 分为恒功率设计 恒流量设计和恒压力设计 由于液压静力压桩机的工作特殊性 目前 实际应用于静力压桩液压系统 设计的方法主要有两种 一种是恒流量设计法 其代表机型主要有国产 YZY 系 列液压静力压桩机和日本桩机 YZY 系列液压静力压桩机是 20 世纪 70 年代在我 国兴起的一种桩基础施工新机械 它采用液压静力将预制桩分段压入土中 压 桩时 反作用力由配重和部分机器自重平衡 液压静力压桩机是具有我国特色的桩基施工机械 其行走 转向 升降 起吊 夹持 压桩等工作全部用液压驱动 另一种是采用的准恒功率设计法 以此来解决以往压桩机功率利用率较低 这 一问题 其代表机型有国产 ZYJ 系列液压静力压桩机 所谓恒流量设计就是使液压动力源的输出流量保持恒定的一种设计方法 在实际的液压静力压桩机液压系统中 在保持系统输出流量不变的条件下 以 设计要求的最大压桩速度所需的流量和最大压桩力时所产生系统油压作为压桩 机压桩系统功率的设计依据 很显然 该压桩系统相对简单 但采用这种设计 方法 要想形成大吨位的压桩机 往往是通过增大压液压缸面积来实现 即采 用多个大压桩液压缸同时供油压桩 这样势必会造成速度放慢 使得压桩速度 和较大压桩力无法同时兼顾 不适应目前对施工速度要快和桩机大吨位这一发 展趋势的要求 准恒功率设计方法是采用主压桩液压缸先工作的方案 一方面可提高低阻 力阶段的工作油压 减少与高阻力阶段油压的差别 另一方面额定流量相同时 由于油压面积减少 占压桩过程绝大部 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 7 分的低阻力阶段的压桩速度可显著提高 而最后让副压桩液压缸参与压桩 此时 的压桩过程称为加力压桩 增大压桩液压缸的油压面积 从而大幅度增加了压 桩力 另外 采用恒功率变流量泵配合主 副压桩液压缸 同样可达到准恒功 率压桩的目的 而且在高阻力阶段的恒功率特性更好 准恒功率设计具有以下优点 由于采用两对压桩液压缸 可以减少液压缸 的规格或降低额定油压 对大型桩机的开发非常有利 另外 与传统设计方法 相比具有明显的优点 传统设计不论在低阻力阶段还是在高阻力阶段 其功率 利用率都很低 而且在高阻力阶段多余的功率都以油液发热的形式消耗掉 而 准恒功率设计开发的压桩机在整个压桩过程中的率利用率都很高 接近于 1 即使在压桩机功率很小的条件下 它比传统设计的压桩速度高 压桩力相同时 压桩力大 压桩速度相同 1 1 3 液压静力压桩机的显著特点 液压静力压桩机与其它施工方法相比具有以下特点 8 1 在施工中具有无振动 无噪音 无污染等特点 是实施城市环境保护法 的一种理想的文明桩工机械 在城市居民区 学校教育区 医院疗养区 宾馆 科研楼 精密车间等区域施工均具有独特的适应性和优越性 2 压桩机采用夹桩机构 夹桩可靠 能保证桩身施工的垂直度 结构先进 合理 不易损坏桩身 能确保桩的施工质量 由于采用夹持压桩 故每节桩段 的施工长度可以不受限制 3 静压桩的施工应力比打入桩小 可降低预制桩的制作成本或适当提高 混凝土桩身承载力 用于液压静力压桩机的混凝土强度 一般能达到起模 吊 运要求即可 故比锤击桩节省钢材和降低混凝土标号 且可消除因锤击而造成 的桩头破损和桩身断裂 从而降低了工程成本 经统计 压桩与打桩相比可节 约钢材 47 节约水泥 12 4 静压桩可避免锤击灌注桩不便调换桩管长度等不利因素 还可避免灌注 桩施工时一般容易发生的混凝土缩颈蜂窝又断桩的缺陷 压桩所引起的桩周土 体隆起和水平位移比打桩要小 也就表明压桩对土体结构的破坏程度和破坏范 围比打桩小得多 适宜于危房 岸边等地区内施工 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 8 5 由于压桩机的工作高度不高 重心低 所以压桩机的施工操作和保养较 为方便 并可避免高空作业中的不安全因素 压桩机作业人员少 劳动强度低 施工文明 整机的拆卸 运输 装配十分方便 6 静压桩适用于岩溶地区施工 而打入式预制桩不适用于岩溶地区 静压 桩的送桩深度比打入桩要深且送桩后桩身质量较可靠 因此尤其适用于多层地 下室的高层建筑 配桩容易 施工桩长不受施工机械的限制 静压桩的桩端持力 层可取中密一密实的砂性土 硬塑 坚硬的粘性土 全风化岩层及强化岩层 比 灌注桩 人工挖孔桩的持力层浅 因此工程费用比这些桩低 压桩力 4000KN 以 上压桩机可穿透 5 6 米厚的中密 密实砂层 旧式的压桩机要求桩中心到旧建筑 物的间距大于 4 0 米 现在的前置式液 压压桩机的压边桩装置则几乎可靠着 旧建筑物的墙旁进行压桩作业 大大提高压桩机的适应性 7 液压静力压桩机的压桩力能自动记录和显示 成桩质量和桩的承载力比 较有保证 施工速度快 工效高 工期短 正常情况下 每台班可完成 8 15 根 桩 场地整洁 自动化程度高 8 压桩机系列有不同的吨位 具有对桩基础施工较大范围的适应能力 由于液压静力压桩机所具有的压桩质量好 速度快 造价低和无环境污染 的优点 再加上有些城市打桩施工受到严格的限制 采用静压桩施工的工程在 大幅度上升 因此静压桩法的应用前景非常广泛 1 2 液压静力压桩机的发展现状 静压施工法在我国始于 20 世纪 80 年代后期 其机理是 借助专用设备 利 用专用机架自重和配重或者结构物自重 通过压梁 压柱 夹持器等构件将整 个桩架自重和配重或构件的反力施加在桩顶或桩身上 桩在自重和静压力的作 用下逐渐被压入地基中 静压预制桩的施工 一般情况下都采用分段压入 逐 段接长的方法 随着工程建设的大规模发展 人们对桩基施工的要求也越来越 高 特别是 20 世纪 80 年代中后期 其中由于城市环境保护的需要 噪声低 污染少 振动小的施工方法越来越引起人们的重视 由于建筑机械生产厂家的 努力 压桩机已实现系列化 既可以压预制方桩 也可以压预应力管桩 鉴于 此 国内建筑行业对静力压桩法施工产生了浓厚的兴趣 在 20 世纪 90 年代初 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 9 期 开始大力推广使用静压施工法 纵观液压静力压桩机的发展过程 大致可将其分为两个阶段 第一阶段 从 上世纪 70 年代后期到 90 年代中期 国内先后研制了几种压桩机 并逐步形成 系列产品进入市场 其中具有代表性的两个系列产品是武汉市建筑工程机械厂 生产的 YZY 系列液压静力压桩机和利用中南大学 原中南工业大学 智能机械研 究所的专利技术生产的 ZYJ 系列液压静力压桩机 在这个阶段主要解决了这种 压桩机的设计理论基础 动力配置和系统设计问题 满足了静压桩的基本功能 但就整体来说 其主要特征是压桩机压桩力不大 实际使用的最大压桩力不足 4000KN 绝大部分的压桩力为 1600 2400KN 功能单一 主要应用于施工现场预 制的截面尺寸为 300mmX300mm 400mmX400mm 的钢筋混凝土方桩 实心件 的正 常中位压桩 单桩设计承载力标准值在 1400KN 以下 而预应力管桩和高强度预 应力管桩主要是通过锤击设备如柴油锤等进行打入施工 进入 20 世纪 90 年代中期以后 液压静力压桩机进入第二发展阶段 由于 1994 年底在珠海利用液压静力压桩机将直径 500 的预应力管桩压入强风化岩获 得成功 实现了静压施工技术的历史性突破 从此拓宽了静压桩的应用范围 也使预应力管桩在城市和居民住宅区内的应用找到了一条新路子 一方面 实 现了静压桩的单桩承载力向大吨位方向的快速发展 与此同时 市场对大吨位 桩机的需求不断增大 而且要求越来越强烈 另一方面 由于施工范围的不断扩 大 对压桩机功能的要求也日益增多 出现了工程施工中许多必须解决的实际 问题 这个阶段的压桩机品种显著增加 系列化不断完善 生产厂家也急剧增 多 至今在全国约有 30 个制造厂 其中湖南山河智能机械股份有限公司的生产 能力最大 己形成压桩力为 800 12000KN 的完整的产品系列 生产的最大吨位 机型为 ZYJ1200a 市场占有率逐年上升 产品远销香港 越南 缅甸等国家和地 区 液压静力压桩机与其它建筑机械类似 虽已实现了系列化 但其操作仍然 停留在凭经验 手工操作为主的施工方式 劳动生产率无法进一步提高 虽然同 其它打桩机相比己有了巨大的进步 桩机的行走 横移 调平 吊桩 夹桩 压桩 桩机的拆卸 安装等基本上都需要手工操作 因此 就整体而言 目前压 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 10 桩机的自动化程度较低 操作人员的劳动程度较大 静压桩在国外的应用规模虽不及中国 但应用历史较长 在日本 有些公 司使用静力桩法已近三十年 日本有一种液压静力压桩机是利用己施工桩提供 反力来施压后面的桩 多用在海岸工程中 1 3 液压静力压桩机压桩系统的研究与发展现状 压桩系统是液压静力压桩机的重要组成部分 是液压静力压桩机的关键部 件 压桩系由压桩机构 夹桩机构 压桩液压系统和夹桩液压系统等组成 夹 桩机构是液压静力压桩机压桩系统的重要部件之一 夹桩箱体是夹桩机构的重要 部件之一 随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强 液压静力压 桩机的应用将获得广泛的推广 液压静力压桩机压桩系统也在不断发展 其发 展趋势可归纳如下 1 准恒功率技术 根据实际压桩过程低阻力阶段时间较长而且要求有较高的压桩速度 高阻 力阶段速度较低且要求有较高的压桩力 对应为高压桩油压 的特点和要求 利 用变量泵或恒功率泵低压大流量 高压小流量的变量特性 使压桩过程两个阶 段的功率消耗基本一致 从而达到压桩过程的准恒功率匹配 压桩系统利用两 对压桩液压缸先后参与压桩 即低阻力阶段由一对桩液压缸进行压桩 适应低 阻力高速度的要求 到了高阻力阶段另一对压桩液压缸同时参与压桩 此时的压 桩过程称为加力压桩 以适应低速度高压桩力的要求 压桩系统分阶段接近于 恒功率运转 解决了传统液压静力压桩机功率利用率低 液压系统可靠性及使 用寿命差的问题 2 多点均压式夹桩技术 在圆周方向均布的若干个夹桩液压缸分上下两层轴向布置 分别通过与之 相连的锥形块驱动对应的钳口同时向中心收缩 对桩进行夹持 由于锥面的增 力作用 多瓣钳口从多个方向可靠地夹紧预制桩 钳口的分布数量可以根据实 际需要任意确定 以适应管桩的不规则性 由于锲形块的自锁作用 避免了普通型夹桩机构因夹持液压缸及系统元件 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 11 的泄漏可能引起的夹桩打滑甚至座机现象的发生 提高了夹桩机构的安全可靠 性 尽管其结构较复杂 但具有定心效果好 桩周夹持均匀 安全可靠的特点 有效地解决了夹桩时桩身破损以及大吨位压桩打滑的难题 即使用于薄壁管桩 或压桩力超过 700KN 时 也不会发生桩破损的情况 3 异型桩夹持装置的开发 特别是与钢板桩 工字钢桩 锥形桩等相适应的夹桩机构的开发 湖南山 河智能机械股份有限公司以中南大学为技术依托 针对上述问题 开发生产了 高性能液压静力压桩机 并获得了 2003 年国家科技进步二等奖 该机的准恒功 率设计理沦及其实施方案和 多点均压式管桩夹桩技术 二项核心技术获得了 国家专利 是目前静力压桩机在工程施工中既能实现高效节能 又可解决实际 问题 提高施工质量的最实用技术 本设计是液压静力压桩箱的设计 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 12 第二章 夹桩机构的受力分析 2 1 夹桩机构的工作原理 图 2 1 为普通对顶式夹桩机构的结构 其工作原理为 夹桩液压缸活塞杆伸 出时 带动与它连接在一起的锥形楔块沿轴向推进 锥形楔块的内锥面迫使多 瓣结构的钳口同时作径向运动 使复位弹簧压缩并向中心收缩 使多瓣钳口从 多个方向可靠地夹紧静压预制桩 夹桩液压缸活塞杆缩回时 锥形楔块的内锥 面离开多瓣钳口的外锥面 多瓣结构的钳口在复位弹簧的作用下复位 内径增 大 便于夹桩机构的上移和静压预制桩的放入 压桩时 压桩液压缸产生的压 桩力通过夹桩箱体作用在夹桩钳口上 以整机的重量作为反力 预制桩在压桩 力和夹桩摩擦力作用下克服土壤的阻力而被压入土壤里 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 13 图 2 1 普通对顶式夹桩机构原理图 2 2 夹桩机构的几何特征 上述是夹桩机构在理想状态下的工作情况 根据图一的结构特点 进一步 分析夹桩力 压桩力和重力之间的关系可知 夹桩机构既要保证工作过程中桩 和钳口均不受损坏 又要保证每个桩与重力方向的平行度 则结构必须满足以 下几何条件 1 压桩过程中的理想中心线 B 与重力 N 的平行度 2 在同一中心线上的一对夹桩液压缸的轴线的同轴度 3 夹桩液压缸中心线 M M 与预制桩理想中心线 B 之间的制度 18 4 原著表面圆度及误差范围 5 钳口夹紧后 钳口表面与桩表面吻合程度 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 14 6 钳口夹桩面 E E 两相邻钳口夹桩面的制度 1 4 7 对于双层夹口 上下两层固定钳口的夹桩面必须在同一面 8 上下两层液压缸中心线的平行度 9 足够的有效夹桩面积 2 3 夹桩机构的受力分析 2 3 1 夹桩力作用之前 如果不施加压桩力 9 则当夹桩液压缸将桩夹牢后 钳口横截面受力如图 图 2 2 所示 图 2 2 令 A K H B 式中 A 钳口与桩有效接触面积 H 钳口与桩贴合面的总高 B 钳口与桩贴合面的总宽 K 接触系数 根据夹桩系统力作用原理 摩擦力与正压力的关系及材料力学中应力的求 法 可得 式中 只夹桩不压桩时钳口 j 表面压应力 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 15 夹桩液压缸单缸作用力 j F 整机最大压桩力yG 夹桩液压缸布置层数 1 n U 钳口与桩的静摩擦系数 根据现场经验取 u 0 25 0 35 设计时 根据预制桩的许用应力 利用安全系数法来校核钳口的受力 以此来检验钳口面积是否合理 2 3 2 夹桩力作用之后 压桩力作用后 钳口和桩的受力发生了变化 图图 2 3 是钳口纵向截面受 力图 图 2 3 此时钳口表面受两个力 一个是夹桩液压缸的作用力 沿 X 方向 它使 j F 得桩对钳口表面产生均布作用力 另一个是夹桩箱传递给钳口的压桩力 它Fy 使得桩对钳口产生非均不作用力 这个力在钳口底部最大 顶部最小 诺将钳 口和桩视为理想刚体吗 即接触面不存在塑性变形 则可假设钳口沿 Y 向受力 为线性分布 令 P y k Y b 3 式 3 中 P y 为钳口沿 Y 向所受力 k b 分别为线性方程的 P y 的系数 以钳口顶部 A 为支点 建立钳口受力平衡方程如下 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 16 式 6 中 S 为钳口所受压桩力相对 A 点的力臂 FyjF 为钳口受到的摩擦力 Y 为纵向变量 根据 4 6 式 可得钳口沿纵向受力分布函数为 不难看出 钳口底部 B 点压力最大 该处受力 P B 为 式 9 几十压桩力作用之后 钳口表面底部所受的力的增量 称为附Fy 加正压力 2 4 夹桩液压系统对桩受力的影响及解决措施 一 问题分析 由于圆柱是空心的 其抗挤压和抗剪切能力比较差 夹桩力可能使桩产生 裂纹进而破裂 图 2 4 是液压缸不同步引起夹破桩的典型结构 图 2 4 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 17 图中 钳口 J J J 均为活动钳口 即由液压缸驱动 J 为固定钳 1234 口 即夹桩基准 假设 J 离汇油管出 入口最近 由于管道压力损失的影响 1 J 速度最大 J 速度最小 在 J J 还末将桩家主之前 J 已将桩向前推了一 13241 定的距离 然后 在背压作用下 桩继续在运动速度各异的四个方向的钳口之 间被挤压而错位 直到夹桩压力达到最大 此时圆柱的中心线偏离了固定钳口 的夹桩基准线 也即是四个方向的钳口夹桩面没有处于同一圆柱面上 故夹桩 面不可能与桩的表面吻合 因而很容易造成桩局部受压过大而被夹破 二 解决措施 改进之后的结构以及油液流程图如图 2 5 所示 图 2 5 1 采用圆弧自动调心式钳口 12 在夹桩液压缸与钳口之间增加弧形自动 调心块 钳口可在水平内摆动 这样可以保证钳口夹桩面在夹桩力作用下自动 和桩表面吻合 减少局部受力不均 由于自动调心块不需太厚 故附加正压力 增加不大 2 将固定钳口安放于夹桩箱中离汇油管总进口最远的那个位置 为简化视 图 图 6 表示了进入液压缸大腔的油液流程线路 A 为汇油管总入口 A A A 分别为三个位置的夹桩液压缸大腔入口 从图示油液流程长短可知 123 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 18 J 运行速度最快 J 次之 J 最小 在桩被完全夹紧之前 J 产生的力最大 1231 J 次之 J 最小 因而 在夹桩之前 J 产生的夹桩力不足以将桩从和固定钳 232 口 J 之间推动 从而实现了以固定钳口为基准 个钳口完全贴合于桩表面进行 4 夹桩的理想状态 完全排除了因偏心造成的桩局部受力过大的情况 第三章第三章液压静力压桩机悬臂强度分析液压静力压桩机悬臂强度分析 3 1液压静力压桩机基本结构 液压静力压桩机的基本结构如图 3 1 所示 主要由悬臂梁 配重 悬臂 机 身 短船和长船等组成 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 19 3 1 液压静力压桩机的基本结构 3 2 悬臂受力分析及强度校核 液压静力压桩机在实际工作中 因地质条件和路面情况等因素的不同 13 液压静力压桩机在短船悬空 长船着地支撑且均匀受力这一典型工况下 其悬臂 可视为简支梁 受力情况如图 3 2 所示 图 3 2 短船悬空 长船着地支撑且均匀受力时悬臂梁受力示意图 图 3 3 短船悬空 长船着地支撑且均匀受力时悬臂梁剪力图 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 20 图 3 4 短船悬空 长船着地支撑且均匀受力时悬臂梁弯矩图 其危险截面可能在 D 处 而 D 截面的结构尺寸及形状分别如图 3 4 所示 通过分析计算可知 图中 A 悬臂的外端点 B 横梁与悬臂接触的几何中心 Fb 横梁和配重在悬臂上的压力 C 支腿油缸的支撑点 图中 A 悬臂的外端点 B 横梁与悬臂接触的几何中心 Fb 横梁和配重在悬臂上的压力 C 支腿油缸 的支撑点 Fc 支腿油缸的支撑反力 D 悬臂与机身的连接点 解除该点的约 束 可用机身连接点对悬臂的约束反力 Rd 和 Md 来代替 MT 横梁及配重对该悬 臂产生的扭矩 根据液压静力压桩机设计的资料及工作要求 我们利用材料力学知识对悬臂 进行分析与计算 可得 Rd Fb 6 4 107 7 N MD 154 10 Nmm MT 207 4 10 Nmm 根据受力特点和力学原理分析 可知其危险截面可能在 D 处 而 D 截面的结 构尺寸及形状如图 3 5 所示 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 21 图 3 5 D 截面示意图 所以有 根据第三强度理论 即最大剪应力理论 有 因此 在此工况下 D 截面处的剪应力和正应力小于许用值 因此是安全的 3 3 建立实体模型 利用 SolidWorks 建立悬臂和机身连接的实体模型 14 如图 3 6 所示 根 据研究问题的性质 在建立实体模 型的过程中 对一些非接触配合的凸台进行了 省略 悬臂端面的限位条也省略 机身用一框架结构代替 省略了长船和短船 4 个支腿 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 22 图 3 6 悬臂和机身连接的实体模型 3 4悬臂机身材料和注意事项 3 4 1 悬臂机身材料 悬臂机身材料定义材料为普通碳素结构钢 Q235 密度为 7 8t m3 弹性模 量为 2 06 10MPa 泊松比为 0 3 Q235 刚的哈碳量低 焊接性能好 塑性 棱形好 有一定的强度 3 4 2 注意事项 1 材料力学的模型是一简支梁这与实际情况是不符合的 2 材料力学计算中 把机身与悬臂机构当成一个整体 忽略了它们之间 的联接 这样 计算中的受力情况与实际受力情况是不完全一致的 3 根据悬臂受力的最大区域与最大值点 对悬臂结构可以进行如下改善 一 是对悬臂旋转座的应力较大区域焊接加强筋板 二是对悬臂与机身连接的销轴进 行强化处理 或者将销轴用力学性能更好的材料来制作 以提高其承载能力 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 23 第四章 液压缸的计算及选用 4 1 液压缸的计算 本文所设计的静力压桩机是 420 吨的 夹桩机构采用对顶式的夹桩 采用 8 个液压油缸夹持 要使设备正常工作 则夹桩力必须大于等于 420 吨的力 则有 420t 8 摩擦系数 f 安全因数 n 经查相关手册 摩擦系数 f 取 f 0 35 安全因数 n 取 n 1 2 1 8KN 3 10 根据计算结果每个液压油缸要承担 1 8 KN 的力 3 10 4 2 液压缸的选用 液压缸有多种分类形式 按照作用方式可分为单作用和双作用方式两种 15 单作用油缸只能使活塞或柱塞作单方向运动 即压力油只能通向液压油缸的一 腔 而反方向只能是通过外力来实现 双作用式液压缸 两个方向的运动都是 靠压力油来实现的 然而双作用缸又分为单活塞杆液压缸和双活塞杆液压缸 所谓的有杆腔进油和无杆腔进油 是在双作用单活塞式液压缸的基础上讲的 双活塞杆式液压缸两端都有活塞杆也可以说都是有杆腔 当液压缸缸筒没有 活塞杆的一端进油时 即无杆腔进油 有活塞杆的一端回油 活塞杆会从缸筒 内伸出 当有活塞杆一端进油 即有杆腔进油 无活塞杆一端回油 活塞杆会 向缸筒内缩回 根据设备的需要和设计的原则 本设备选用双作用无杆腔进油的液压油缸 油缸示意图见图 4 1 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 24 图 4 1 根据液压相关知识则有 液压缸的推进速度为 V 2 4 1 D Q A Q 其中 Q 输入的总流量 效率 A 压缸的面积 压缸的直径 液压缸的推力为 F 2211 APAP 其中 有杆腔的面积 有杆腔的压力 无杆腔的面积 无杆腔的压 1 A 1 P 2 A 2 p 力 为容积效率 的油直接回油箱 则有 0 故有 2 p 2 p F 11 AP 1 1 P F A 查相关手册 0 9 取 20MPa 经计算得 127 38CM 由推 1 P 1 A 2 1 A 2 4 1 D 出直径 D 为 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 25 D 112 86mm 4 1 A 根据计算结果和结合国家标准 设备采用双作用无杆腔进油的 缸内径为 125mm 的液压油缸 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 877764463 26 第五章 压桩箱实体建模 5 1 普通对顶式夹持机构夹桩原理 抱压式静压预制桩的工作原理如图5 1 所示 夹桩液压缸4 推动四块夹桩 钳口2 抱紧 预制管桩1 使之与夹桩箱体3 连成一个整体 然后在压桩液压 缸的两个对称的推力Py 作用下 依靠夹桩钳口与预制桩表面的摩擦力将预制桩 压入地下 图中N 是地基对桩的反力 夹桩机构理想的工作状态是 夹桩钳口 的夹桩表面与预制桩表面100 接触 抱紧受力均匀 实际中这是不可能的 因 此夹桩机构的性能直接影响到压桩的质量和施工效率 它是压桩机的关键部件 图5 1普通对顶式夹持机构夹持原理图 5 2夹持机构夹桩钳口实体建模 液压静力压桩箱设计 需要图纸及其他附件请与我联系 QQ 8777