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南京工业大学优秀毕业设计团队YZY400全液压静力压桩机设计总 结 报 告2005.7本届毕业设计课题为基础施工机械:全液压静力压桩机。我和王东方、洪荣晶、方成刚四位不同专长的老师,设定了九个子课题。设计内容分配如下图所示。其中,静压桩机调平系统,用智能化微机控制原理实现调平以及用CAE进行钢结构强度及应力计算二个子课题为创新课题。桩机的其它结构,也是在将社会同类型桩机结构进行了分析,将不合理的结构进行了改进而设计的。.现在的静压桩机基本上都是使用手动调平，费时费力，调平精度不高，我们提出了一种利用PLC可编程控制器实现自动调平的系统，依靠PLC的计算和逻辑判断功能来指挥支腿液压缸的收缩，从而实现自动调平。自动调平系统具有调平时间短，精度高，效率高，抗干扰能力强等优点。将调平系统应用于静压桩机能节省3个劳动力,且能在桩机工作过程中进行调平,有很好的经济意义和社会意义。当前的桩机大身结构均为经验设计,既不知道哪里应力最大,也不清楚这么样的结构刚度是否满足要求,相当盲目。有的生产厂家为了降低成本,顿位很大的桩机用很薄的钢板焊成大身结构,造成280T的桩机,当工作压力为178T时大身严重开裂。为此，我们用CAE进行钢结构强度及应力计算,使我们设计的桩机结构件不但知道哪里应力大,而且知道应力的分布状态,还知道应力的大小。做到科学合理。为了实现上述两创新课题的需要, 其它的子课题也要与之作相应的结构呼应和结构协调,如调平系统需电液联动,那么,电气控制系统必须提供它需要的24v电压及相应的系统要求并设置各种开关,在机体上还必须安排若干个限位开关;液压系统需安装四只TDV 4/3 EH型电液比例液控多路换向阀及相应的系统要求等等非常规设计。为此整个课题组的大协作共协调的局面就自然形成了。根据答辩情况来看, 总体结构布局是合理的;部件之间的衔接是正确的;设计的自动调平、自动行走及自动转弯均可完善的实现。结构件通过CAE计算, 最大应力在支腿与大身联接处, 这个结论与生产实际中老机型的应用损伤情况是吻合的, 可见, CAE计算方法是正确的。通过CAE计算, 最大应力为33Mpa, 远远小于许用应力。太偏安全, 不经济。要作为生产的产品,理应进一步修改没计, 但同学们毕业时间已到, 很愦憾！这次毕业设计是团队毕业设计, 所以小组所有成员之间的沟通和协商就显得非常重要。在此期间各位小组成员充分发挥了互相协商，互相合作的团队精神，在时间比较紧张的形势下，非常成功的完成了毕业设计的任务。每一个人都付出了艰辛的劳动、流下了辛勤的汗水，同学们通过毕业设计都各有各的丰厚收获, 现抄录几段学生的体会: “这不仅仅是我们四年所学知识的体现，而且，我们在做毕业设计的过程中还学到了工作时的做事方法;很多做人的道理，懂得了无论是以后工作还是做人都要认真负责、踏踏实实、一步一个脚印，毕业设计带给我们的不仅是成功的喜悦，还有和团队一起工作的方法与团队协作的精神； “从毕业设计中，我学到了宝贵的知识，这些知识值得我用一生来珍惜。”1. 静压桩机的概况1.1 静压桩机的总体介绍 YZY400型静压桩机的构造:它由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。1.1.1 长船行走机构 为长船行走机构，它内船体，行走台车与顶升液压缸等组成。液压缸活塞杆球头与船体相联接。缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。1.1.2 支腿平台结构 该部分内底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。球铰的球头与短船行走及回转机构相联。整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。1.1.3 夹持机构与导向压桩架该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。1.1.4 短船行走机构与回转机构 它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构1挂在行走梁上，使整个船体组成体。液压缸的一端与船体铰接另一端与行走梁铰接。工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。顶升液压缸回程，长船离地，短船落 地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。桩机的回转动作是：长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。重复上述动作，可使整机回转到任意角度。1.2静压桩机的优点：1.2.1 在施工时无噪音。适合对噪音有限制的市区作业，尤其是在城市居民区、学校教育区、医院疗养区、重要机关附近施工。1.2.2 施工时无振动。压桩所引起的桩周围土体隆起和水平挤动，比打入桩要小，适用于危房、精密仪器房及江河岸边、地下管道较多的地区施工。1.2.3 静压桩的施工应力比打入桩小，可节约钢材和水泥，降低成本。并可适当提高砼身承载力。1.2.4 压桩力及桩段入土动态能自动记录和显示，桩的承载力比较有保证，对压桩力可以控制，确保工程质量。1.2.5 施工速度快、工效高、工期短。单机每台班可完成1215根桩的施工，送桩入土深度较深且送桩后桩身质量较可靠。桩的长度不受施工机械的限制。1.2.6 适宜于较软土层，尤其是持力层起伏变化大的土层施工。也适宜于覆土层不厚的岩溶地区。这些地区用钻孔桩很难钻进，用冲击桩易卡锤，用打入桩易打碎，只有静力压桩是慢慢地压入并能显示压入阻力，收到了较好的技术经济效果。1.2.7 由于压桩机的工作高度不高，重心底，所以机器的施工操作和保养较为方便，并可避免高空作业中有不安全的因素。桩机作业人员少，劳动强度低，施工文明。整机拆、运、装十分方便。2 . 桩机的调平系统调平的方案，大致可以分为两类：1.基于单片机的自动调平系统。2.基于PLC的自动调平系统。本文主要是考虑到抗干扰和设计的简便，决定采用PLC作为调平系统的计算机。使用PLC，接线方便，易于编程，抗干扰性强。而使用单片机，连线比较复杂，编程较PLC比较繁琐，系统地抗干扰能力较弱。随着计算机技术的飞速发展，会有越来越先进的调平技术和调平原理出现。我们提出了一种利用PLC实现自动调平的系统，依靠PLC的计算和逻辑判断功能来指挥支腿液压缸的收缩，利用TDV 4/3 EH型电液比例液控多路换向阀,实现电液转换;利用倾角传感器传遽机身的水平状态从而实现自动调平。自动调平系统具有调平时间短，精度高，效率高，抗干扰能力强等优点。将调平系统应用于静压桩机具有很好的经济意义和社会意义。 2.1系统参数(1) 系统工作电压：830VDC(2) 液压系统最大流量：100L/min,工作压力：25Mpa. (3) 调平倾斜度范围: 3(4) 双轴传感器调平精度 :0.5 (5) 调平系统支腿安全压力:1525Mpa. (6) 系统适用温度范围：-2050 2.2 静压桩机自动调平系统设计2.2.1 多油缸同步控制系统设计由于静压桩机在工作和行走过程中要保持平台的水平，而平台的升降是由油缸驱动执行的，所以要保证平台的水平就需要驱动平台的多个油缸实现同步控制。多油缸同步控制系统由同步检测子系统、同步控制子系统和电液实现子系统三大子系统组成，确定油缸同步控制方式的步骤如下：根据同步缸数量、行程和同步要求确定同步子系统检测方式（接触式或非接触式）、检测方法(绝对或相对检测法)、检测量(位移量或速度量等)和检测结构(传感器的布置和选择等)；由检测系统确定同步控制子系统中的控制方式(单片机控制,控制或工控机控制等)和控制基准量(检测量的最大值,平均值等)；由同步要求确定电液实现子系统的方式选择(主动补偿式,进油调控式等)；最后确定同步控制子系统的控制策略的选择(模糊控制,控制,模糊-等)。根据液压系统的设计结果可知，本系统选用了四缸同步系统，其同步系统示意图如下图所示。四缸同步系统研究的现状如下:四缸同步系统示意图(1) 采用相对检测法,选定检测基准油缸(下称基准缸),测量出其他三个缸的相对位移误差值。(2) 利用光栅传感器作为检测元件,光栅定尺在基准缸的结构布置较为复杂。(3) 采用的电液实现系统只能对相对位移滞后的缸进行补偿,不具普遍性。(4) 控制策略单一,不具备比较性。基于上述情况，本系统的控制方案初步选定如下：选择四缸中的某一缸作为基准缸，采用倾角传感器测量平台的倾斜程度；将此倾角偏差值送入PLC系统的模拟量输入模块，通过PLC的CPU进行运算得出油缸的同步误差大小；PLC系统根据油缸的同步误差大小调用内部的PID控制子系统实现控制信号调节；调制后的控制信号由PLC模拟量输出模块送到伺服放大板上进行功率放大，最后驱动电液实现子系统，使四缸保持同步。根据上述选定方案可知，本油缸同步系统需要倾角传感器、电液比例液控多路换向阀、PLC等元器件，下面简要介绍这些元器件的选型。2.2.2 油缸同步跟踪系统的建模系统的控制策略已经在上一章进行了介绍，简要的说，就是选取四缸中的某一缸为基准缸，其它三只缸跟踪基准缸随动。下图表示了某缸跟踪基准缸随动示意图，假设左边为基准缸，当右边缸与左边缸不同步时，倾角传感器产生电信号经过变送器送如PLC的A/D处理模块，PLC的CPU对倾角误差进行线性化处理、PID调节后送入PLC的D/A处理模块，D/A调理后的信号经过伺服放大板驱动电液比例阀的阀芯运动，从而调节油缸运动速度的快慢，保持两个油缸的同步。下面给出两缸同步跟踪的数学模型： 某缸跟踪基准缸随动示意图电液比例阀的线圈回路传递函数为电液比例阀的传递函数执行元件（油缸）的传递函数没有弹性负载的四通阀控制油缸简化传递函数为：若忽略信号变送器、A/D模块及D/A模块等环节的时间常数，可得系统的传递函数框图为 同步跟踪系统的传递函数框图为了使整个跟随系统能获得较好的动、静态性能（如良好的阶跃响应特性，斜坡响应特性），系统采用工程调节中广为使用的PID调节器。2.2.3 PID控制原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用PID控制技术。 比例积分微分控制包含比例、积分、微分三部2.2.4 系统硬件设计2.2.4.1 根据调平原理分析控制要求 (1).传感器的布置，见下列图，用三个传感器将四个支腿连接在一起， 腿1通过pid程序和腿2始终保持水平和同时动作， 腿3通过pid程序和腿2始终保持水平和同时动作， 4腿通过pid程序和腿3始终保持水平和同时动作， (2).按下自动开关，系统进行自动调平，并在工作的时候始终保持机体水平，监视整个机体的情况，发生倾斜即进入调平程序。 (3).若四个调平支腿中任何一个支腿碰到下限位开关，自动调平系统停止，整个机体上升，四个换向阀全开，5s后停止上升。进入自动调平程序。 (4).四个调平支腿中任何一个支腿碰到上限位开关，自动调平程序停止，整个机体下降，四个换向阀全开，5s后停止下降。进入自动调平程序 (5).按下停止按钮，自动调平程序和手动程序全部停止，换向阀中位。液压回路锁定。 (6).自动调评程序执行过程中，手动调平按钮失效。手动调平程序执行过程中，自动调平按钮失效。 (7).整个机体水平，绿灯亮，机体倾斜，红灯亮 (8).调平误差0.5度以内。 (9).三相电动机的控制，按下电动机启动按钮，继电器1，2吸合，延时8s，继电器2断开，延时2秒，继电器3吸合。按下电动机停止按钮，继电器1，2，3全部断开。(10).按下撤收按钮，四个换向阀全开，当四个支腿碰到各自的下限位开关停止。2.2.4.2 根据控制要求确定用户所需要的输入/输出设备，确定PLC的I/O点数输入设备:1.腿1下限位开关2.腿1上限位开关3.腿2下限位开关4.腿2上限位开关5.腿3下限位开关6.腿3上限位开关7.腿4下限位开关8.腿4上限位开关9.手动控制按钮-腿1伸10.手动控制按钮-腿1缩11.手动控制按钮-腿2伸12.手动控制按钮-腿2缩13.手动控制按钮-腿3伸14.手动控制按钮-腿3缩15.手动控制按钮-腿4伸16.手动控制按钮-腿4缩17.自动控制按钮18.手动控制按钮19.油泵1输入20.油泵2输入21.传感器1输入22.传感器2输入23.传感器3输入输出设备：1.红灯2.绿灯3.油泵1控制（3点）4.油泵2控制（3点）5.伺服阀1左继电器7.伺服阀1右继电器8.伺服阀2左继电器9.伺服阀2右继电器10.伺服阀3左继电器11.伺服阀3右继电器12.伺服阀4左继电器13.伺服阀4右继电器通过以上的统计，该系统总共有23个输入，16个输出。2.2.4.3 选择PLC 该系统总共有数字量输入20点，模拟量输入3点，数字量输出8点，模拟量输入8点CPU选择：选择西门子S7-200 CPU224,详细资料请参阅说明书。扩展模块：数字量扩展数字量输入输出模块EM223（1）EM 223 24V DC 16 输入/16 输出和 EM223 24V DC 16 输入/16 继电器输出 2.2.4.4 分配i/o点，设计I/O连接图 输入腿1下限位开关腿1上限位开关腿2下限位开关腿2上限位开关腿3下限位开关腿3上限位开关腿4下限位开关腿4上限位开关手动控制按钮-腿1伸手动控制按钮-腿1缩手动控制按钮-腿2伸手动控制按钮-腿2缩手动控制按钮-腿3伸手动控制按钮-腿3缩手动控制按钮-腿4伸手动控制按钮-腿4缩I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I2.0I2.1I2.2自动控制按钮手动控制按钮油泵1输入油泵2输入传感器1输入传感器2输入传感器3输入I2.3I2.4I2.5I2.6AIW0AIW2AIW4 输出：红灯绿灯油泵1控制油泵1控制油泵1控制油泵2控制油泵2控制油泵2控制伺服阀1左继电器伺服阀1右继电器伺服阀2左继电器伺服阀2右继电器伺服阀3左继电器伺服阀3右继电器伺服阀4左继电器伺服阀4右继电器Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7AQW0AQW2AQW4AQW6AQW8AQW10AQW12AQW142.2.5 系统软件设计2.2.5.1 根据控制要求编写设计流程见图纸2.2.5.2 根据设计流程编写程序：见附录 3.电器控制系统设计 液压静压桩机采用了液压系统作为动力来进行压桩工作，因此电控系统的主要任务是对液压及其控制系统进行控制。电控系统设计又可分为强电部和弱电两个部分：强电部分主要控制液压站的主电机运转；弱电部分由可编程控制器PLC进行控制，控制内容包括主电机运转指令的给出，调平系统的运行控制等。根据液压系统的设计计算可知，系统的供油回路由两个泵组成，其驱动电机的功率分别为75KW（泵1）、220KW（泵2）。一般地，压桩机工作环境可以提供三相380V电源，所以液压系统的电机采用三相380V普通交流异步电机。三相笼式电机直接起动的控制线路简单，维修工作量小，但在起动时的电流约为额定电流的47倍。对于本系统采用的两台大容量电机，如果采用直接起动会引起电网电压降低，电机转矩减小，甚至起动困难，而且还影响同一供电网中的其它设备，因此采用降压起动，以保证起动时供电母线上的电压降不超过额定电压的10%15%。工程实际中常用的降压起动方法通常有星三角降压起动、定子串电阻降压起动和自耦变压器降压起动等。由于4KW以上的三相笼式异步电动机定子绕组在正常工作时都接成三角形，因此可以采用星三角降压起动。考虑到星形直接起动的电流仍然很大，在星形起动过程中进一步采用自耦变压器进行降压起动。起动时，电源电压加在自耦变压器的一次绕组上，电动机的定子绕组与自耦变压器的二次绕组相连，当电动机的转速接近额定值时，将自耦变压器切除，电动机直接与电源相连，在正常的三角形方式下运行。在电机星三角起动过程中需要进行延时切断，传统电路一般采用时间继电器进行控制，而本系统的弱电控制系统采用了可编程控制器，因此可以直接利用PLC的软件延时继电器来进行控制，从而省去了传统的控制元件，节省了安装空间，也提高了控制的可靠性。另一方面，在星三角转换起动中，为了防止交流接触器同时通电的意外情况发生，系统不仅在PLC中采用了星三角转换互锁，而且在硬件上（交流接触器的辅助触头）也采用了互锁控制，以保证电器系统工作的可靠性。系统的控制电路采用西门子PLC（S7200），控制信号电压为24V，因此系统中增加一个开关电源，以满足各数字量I/O、模拟量I/O以及伺服放大板的需要。根据上述设计方案可绘制出系统的控制原理图。见毕业设计图纸。3.大身结构的CAE分析3.1大身结构的有限元模型 有限元分析（FEA）是利用数学近似的方法对真实物理现象（几何及载荷工况）进行模拟的一种分析方法，也是目前求解工程问题中最为流行的数值计算方法。其基本思想是将一个连续的求解域离散化，即通过网格划分将求解域分割成彼此用节点互相联系的有限个单元，在单元体内假设近似解的模式，用有限个节点上的未知参量表征单元的特性，将各个单元的关系通过适当方法，建立组成包含节点未知参数的方程组，求解方程组，得出各节点的未知参数，利用插值函数求出近似解，是对真实情况的一种数值近似。本课题应用大型有限元分析软件ANSYS对大身结构进行分析，分析步骤为 如图1所示。图1 ANSYS计算分析过程流程图3.2 三维实体建模与有限元分析模型 有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，因此有限元分析的第一步就是必须针对一个物理原型建立准确的数学模型。有限元模型的来源主要有下面四种方法：在有限元软件的前处理器中进行几何建模，再划分网格得到；从实体建模软件中引入几何模型，经修改模型和划分网格而得到；直接创建节点与网格；引入有限元模型。其中、种方法一般只适合于小型结构分析，然而，现今几乎绝大部分的有限元分析模型都用实体模型建模，对于大型复杂结构、种方法建模比较困难，目前较为流行的方法是，大型结构的有限元模型一般先通过实体建模软件建立，经适当的格式转换成为有限元分析模型。即用数学的方式表达结构的几何形状，在几何模型里面填充节点和单元，还可以在几何模型上方便地施加载荷和约束。但是几何实体模型并不参与有限元分析，所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型的节点或单元上进行求解。三维实体建模与有限元分析的关系如图2所示。图2 三维实体建模与有限元分析的关系YZY400型静压桩机大身结构全部由钢板焊接而成，是复杂的空间箱型体系。根据有限元分析的特点，在建模时进行一些必要的模型简化，即略去一些功能件和非承载件，对于结构上的孔、台阶等尽量简化，对截面特性影响不大的特征予以忽略。图3 YZY400型静压桩机大身结构有限元分析模型根据大身结构的特点，在进入ANSYS软件进行分析之前，首先通过Pro/E实体建模软件构件大身结构的三维实体模型，并将几何模型导入ANSYS软件， 利用ANSYS软件自动网格划分功能，定义单元类型为四面体实体单元（Solid93），划分网格，在支腿支处施加边界约束，在立柱联接板处施加压桩载荷，建立YZY400型静压桩机大身结构有限元分析模型如图3所示。网格划分后生成单元总数为283,271，节点总数为337,125个。3.3大身结构强度分析3.3.1 材料参数参数名数值单位杨氏模量1.96e8千帕密度7.9e-6千克/立方毫米泊松比0.33.3.2 载荷分析在建立正确的车身骨架有限元分析模型的基础上，加载边界条件，并根据实际载荷配置情况，对大身结构进行静强度计算分析。大身结构所受载荷包括自重载荷和压桩时的工作载荷，根据静压桩机的工作特点，并考虑到动载荷的影响，取计算载荷为480000kN。图4 加载后的有限元分析模型由于有限元法中内力或外力均由节点传递，在整体刚度矩阵中的载荷项均为节点载荷。因此，将上述载荷作为集中或均布载荷施加于模型中相应节点上，形成节点载荷，在大身四个支腿处施加约束并求解，进行静态分析。加载后的有限元分析模型如图4所示。3.3.3 计算结果建立有限元分析模型后，进入ANSYS求解器进行静态分析求解。计算结果如图5图8所示。图5 大身结构总体变形云图图5所示为大身结构总体变形云图，由图中可以看出，结构最大变形发生在联接立柱处，变形量约为0.81mm，说明结构刚度条件满足要求。图6所示为大身结构合成应力云图。图7为大身结构底面合成应力云图。图8为大身结构支腿处应力云图。由图8显示出，大身结构最大应力部位在支腿与大身的联接处，这与实际相符（曾有该种类型某型号静压桩机在该处发生断裂）。图6 大身结构合成应力云图最大应力部位最大应力值约为34MPa，说明结构设计偏保守，应进一步改进结构，对结构进行优化，使大身结构受力更加合理。图7 大身结构底面应力云图图8 大身结构支腿处应力云图南京工业大学 机械与动力工程学院 41010224 丁龙建摘 要 这次毕业设计的课题是YZY400全液压静力压桩机的设计,我完成静压桩机压桩机构设计。我首先实地参考，根据压桩机构的主要参数，确定液压缸的型号，然后确定压桩液压缸与立柱的连接方式。最后对连接螺栓和立柱的焊缝强度进行计算校核。 关键词：压桩机 液压缸 校核AbstractThe task of graduate design will design a pile driver of statics YZY400 include hydraulic pressure. I will finish landscape orientation and circumgyrate framework of this pile driver . First of all , I reference tower crane and base tread frameworks parameter , then make sure model number of fluid cylinder , secondly , I make sure all dimension of tread part and chose parts , lastly , I finish to cheak all dimension and intensity. Keywords : pile driver fluid cylinder check 1 绪论压桩机移动平稳、转场方便、施工效率高，因此，压桩机已经占绝对主导地位。本文所述液压静力压桩机主要是指抱压式液压静力压桩机。20世纪90年代末期以来，旧城改造在土木工程施工过程中，首先要进行的是基础施工。桩基础是建筑施工特别是高层建筑施工中最为常见的基础形式。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。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-静压桩工法。与锤击式打桩相比，静压桩工法由于具有非常明显的环保性，十几年来从广东珠江三角洲开始由南向北得到了迅速推广。液压静力压桩机就是实施静压桩工法的关键施工设备。与锤击式打桩机相比，这种设备施工时具有无震动、无噪声、无油污飞溅等环境污染的特点，施工质量好、使用费用低，同时，静力压桩机也是具有中国特色的环保型桩工机械。液压静力压桩机分为抱压式液压静力压桩机和顶压式液压静力压桩机(对桩顶部施压进行压桩)两种。抱压式液压静力压桩机压桩过程是通过夹持机构抱住桩身侧面，由此产生摩擦传力来实现的；而顶压式液压静力压桩机则是从预制桩的顶端施压，将其压入地基的。由于施压传力方式不同，这两种桩机结构形式、性能特点、适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，它直接影响整机的技术性能及节能效果。而压桩机构是桩机的主要工作装置，是这种压桩机的关键技术，直接影响桩机的压桩能力和成桩质量。其中，抱压式桩机主要由压桩系统和夹桩机构组成，而顶压式桩机主要由压桩系统和桩帽组成。顶压式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，使其工作重心较高、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；而抱压式压桩机结构紧凑、操作简便、工作重心低、造以及基坑开挖后所出现的大量的离障碍物很近的边桩和靠角的角桩，对产品提出了一机多能的要求；同时，静压桩的桩型不断多样化，单桩承载力大幅度提高，特别是高承载力管桩、薄壁管桩的广泛应用和H型钢桩的出现，要求大吨位抱压桩机既要夹持可靠，又不破损桩，这对夹桩技术及相应装置是很大的挑战。这些工程中的实际问题已成为抱压式静力压桩机进一步推广应用的桎梏。传统压桩机普遍只具有压中桩能力，或者虽能压边桩，但其边桩距离较大且不兼有压角桩功能，导致同一工地需多机种作业，给工程管理带来极大不便；同时，夹桩可靠性问题始终没有从根本上得到解决，工程适应能力差，严重制约了静压桩技术的推广。全液压静力压桩机 YZY400 产品型号YZY400额定压桩力(KN)4000YZY系列全液压静力压桩机采用全液压步履行走装置实现纵向、横向、转向及平台升降调整动作，运动灵活可靠。最大压桩力24005000KN,可承压截面350x350600x600mm正方形或直径600mm园柱形混凝土预制桩。尤其适用于空心的园柱形混凝土预制桩。该系列桩机运行时能直接从压力表取得压桩力数据，不用试桩，可计算出单桩承载力。施工无震动、低噪音、无污染，符合国家有关环境保护的法规，适用于大中城市桩基础施工的需要。YZY400液压静力压桩机是一种新型基础施工设备，具有无震动、无噪声、高效节能、压桩速度快、成本质量高等特点，符合环保施工的潮流，代表桩工机械的发展趋势。11其设备性能如下：1.独特设计的液压系统，降低能耗40%，压桩速度提高15%压桩力提高40%2.独创的“边桩、角桩”处理装置，最小边桩距离0.450.7M3.新型步履式行走机构，移动简便，对桩灵活4.精心设计的夹桩机构，夹持牢靠，并大大降低桩身受损，夹持厚可达50MM5.机身宽度同比最小，减小压时的边桩距离6.折装容易，运输方便该机能独立完成吊、压、拔桩作业，不仅可以压方桩也可以压管桩。具有纵横向行走、360度回转、机身调平等功能，全部动作作为液压驱动。其部件均可以公路、铁路运输。该机能通过仪表直接反馈贯桩力，具有其他类型桩工机械不可比的优越性。拥有自主知识产权的新型抱夹混凝土预制管桩段的装置，已不同于传统结构的夹桩器。具有夹桩力大、夹桩面积大，能全浮动自适应吻合于管桩表面，可大大降低管桩破损率，其最大抱夹管桩直径600mm。该装置可抱夹薄壁管桩而不损桩。12、其施工过程的质量管理1.2.1压桩前的准备工作 1. 施工队资质审查 必须对施工队（压桩队伍）的资质材料进行审查与管理，了解施工队的技术力量及压桩水平；审查施工组织设计、施工压桩路线、施工进度计划，评价其可行性；要求施工队每个技术人员，包括施工技术员、焊工、记录员、开机员等都必须具有相应技术资格证和上岗证。 2. 桩机的选择 必须根据具体工程的地质资料和设计的单桩承载力要求，准确地选择压桩机。如果压桩机吨位过小，可能出现桩压不下的情况，因而无法达到设计承载力要求；反之，如果压桩机吨位过大，易发生陷机情况。所以应该会同各有关部门合理地选择桩机，尽量采用超载施工。一般情况下，桩机的压桩力应不小于单桩竖向极限承载力标准值的1.2倍。 3.施工放线与定桩位 由于放线的准确与否直接影响建筑物的位置是否符合“规划”要求，而桩位的准确与否又直接影响着整个工程的结构，因此，这两个工序的重要性不容忽视。项目技术管理人员应该对已定好的轴线位进行复核，根据建筑物与结构桩位图逐位校核，发现不符合要求的及时纠正。 4.桩尖、桩身质量检查 首先必须对桩尖进行查验、测量，按照管桩有关规范对于桩尖的构造要求和设计图纸要求，对所有到场的桩尖进行测量，不满足设计和管桩规范要求的，责令其更换；对所有到场的管桩进行仔细认真地查验，测量管桩的外径、壁厚、桩身、长度、桩身弯曲度等有关尺寸，并详细记录。特别是管壁厚不够很容易把桩夹碎。同时应对桩身外观质量进行仔细地查验，检查桩身是否粘皮麻面、内外表面是否露筋、表面是否有裂缝、是否断头脱头、桩套箍是否凹陷、表面砼是否坍落等情况，不符合管理桩规范要求的，责令厂家退回。 1.2.2压桩施工过程的质量管理 1.底桩（第一节入土的桩）的定点 虽然在放线与定桩位时已经核查过，但是经验不足或技术水平不高的施工技术人员往往在放底桩时偏离原定的桩位，从而导致成桩的偏位。建议在每个桩位处用石灰或贝灰以原定的桩心为圆心、以该桩的桩径为直径画一圆圈，压底桩时以此圆圈为准，控制桩不偏离该圆圈，使成桩的偏位尽可能减小。 2.桩身垂直度的控制 由于静压管桩桩机驾驶室内一般会悬挂一吊有重锤的绳线，由开机员以此线为准控制桩一个方向的垂直度，因而另一个向的垂直度必须另外控制，方法就是在垂直于桩与此绳线连接的地方（即另一正交方向）另设一吊重锤的绳线（视线要通透），以这两条绳线来控制桩的垂直度。当桩在两个方向都已经垂直的情况下方允许压桩，而且在压桩过程中要经常检查桩身垂直度。 3.接桩及焊缝控制 接桩前，应保证上下两节桩的顺直，而且两桩桩心的错位偏差不宜大于2mm（宜设置接桩导向箍）。管桩施工中主要采用爆接接桩法，在焊接前应该把两节桩的端头板用钢刷清刷干净，直至坡口露出金属光泽，而且应该保证上节桩已经垂直后方能焊接46点，焊接层数不少于2层，每层焊渣必须清理干净，保证焊缝连续饱满，自然冷却约810分钟（严禁用水冷却或焊完即压），防止高温的焊缝遇水变脆而被压坏。 4.压桩过程的施工记录 为了便于控制，终止压桩，必须详细记录压桩过程的压力与桩入土深度，了解桩尖入持力层深度是否满足设计要求以及桩穿过各土层时的压力值。 5.终压（即终止压桩）标准及终压的控制 终压标准应该以质监部门、设计单位、施工单位、建设单位、勘察单位及监理单位等有关部门在试桩会议中根据试桩的实际情况确定的标准为准则。一般情况下，除保证桩长及桩类入持力层深度应该满足设计要求外，还要控制终压值Q的大小。虽然终压值Q与单桩竖向承载力标准值Rk是两个不同的概念，但终压值Q与单桩竖向承载力标准值Rk存在着某种比例关系，这有待于日后的工程实践与理论研究。笔者认为这种比例关系与工程地质构造情况关系较大，同时与桩的长度以及所选的持力层关系也不可忽视，总结潮汕地区近几年静压管桩的工程实践经验，终压值Q可以按以下原则来控制： （1）当桩端持力层为粘土、粉质粘土时，主要控制桩端达到的设计深度，终压值RQ（0.61.3）Rk。 （2）当桩端持力层为标贯击数较低、中密以下的粉细砂时，以控制桩端入持力层深度为主，终压值作参考，Q=(1.62.0) Rk。（3）当桩端持力层为标贯击数较高，中密以上的中粗砂、砾砂时，以控制终压值为主，Q=(1.82.5) Rk，长桩取低值，短桩取高值；击数低取低值，击数高取高值。 1.2.3桩头填芯的质量控制 由于桩与上部结构的连接主要通过桩的承台，因此桩头嵌入承台的长度不宜太短，有关管桩技术规范规定不宜小于10cm。从日本桩基的典型震害实例调查中可知，有不少是由于桩嵌入承台长度不足，抗拔不够，因此在地震设防区有必要把桩嵌入承台的垂度加长，且桩头的插筋长度也应加长及增加配筋量，桩头填芯砼的强度等级应满足规范要求和设计要求。这一环节的重要性显而易见，工程有关技术管理人员应该加强这一环节的质量控制。 1.3成桩的质量检查 1.桩身垂直度可以用垂球吊线的办法来量测，对不符合规范要求，应及时报送设计单位，由设计单位提出补强修改意见。对于配置封口桩尖的工程桩，桩身质量的检查可以直观检查，即将低压电灯泡沉入桩内腔检查，正常情况下，内腔应该是不进土和水的。若桩内腔完整干燥，说明桩身基本完好、焊接质量完好、桩类无损坏，这种情况下可不采取其他方法另行检查；反之，应该采取其他方法另行检查。目前潮汕地区主要依据有关规范规定，按桩总数的一定比例采取小应变动测的检测方法，对桩身的完整性进行检测。 2.桩顶标高及偏位情况的检查 基础开挖后，应对桩顶标高及桩的偏位情况进行测量，并把记录资料完整地整理一份报送设计单位，由设计单位提出方案，解决那些桩顶标高低于设计标高以及桩偏位超过规范要求的情况。而对于那些桩顶标高高于设计标高的情况，施工单位应用电锯法截去多余的桩段，而不应该用人工敲打的办法把多余的桩段敲掉，那样很容易把成桩敲伤。 3.单桩竖向承载力的检测 目前主要采用静荷载试验的方法来检测成桩的单桩竖向承载力，由设计单位、质监部门、施工单位、建设单位及监理单位等有关部门举行点桩会议，先取较具代表性的桩进行静荷载试验。静荷载检测时一般用慢速维持荷载法，并要求工程有关技术管理人员进行现场监督，详细记录最终沉降量和残余沉降量等。特别要注意检测桩机在进场、退场及移动过程中不要碰撞到任何工程桩。 1.4常见质量问题分析与处理 1.桩倾斜 插桩初压即有较大幅度的桩端走位和倾斜。碰到此种情况，很可能在地面下不远处有障碍物。处理的措施主要是在压桩施工前将地面下旧建筑物基础、块石等障碍物年底清理干净。 2.桩尖达不互设计深度 静压管桩施工时，若发生个别桩长达不到设计深度，其原因可能是： （1）桩尖碰到了局部的较厚夹层或其他硬层。 （2）中断沉桩时间过长。由于设备故障或其他特殊原因，致使沉桩过程突然中断，若延续时间过长，沉桩阻力增加，使桩无法沉到设计深度。（3）接桩时，桩尖停留在硬土层内，若时间拖长，很可能不能继续沉桩。发生管桩沉不下去时，应冷静分析原因，找出对策才能继续施工，切不要盲目加大压桩力强行沉桩。 3.基坑开挖不当引起大面积群桩倾斜 挖土引起其桩的倾斜，直接起因是挖土方法不当，将基坑挖得太深或将挖出的土堆放在基坑边坡附近，因而产生侧向压力；加上淤泥本身的流动性以及土体中未消散的超孔隙水压力乘机向开挖方向释放，加剧了淤泥向开挖方向流动，而管桩对水平力的抵抗能力小，于是随着土体的位移而向开挖方向倾斜，造成桩顶大量位移。发生这样的事故先要进行调查分析，弄清哪些桩报废，哪些桩还可以用，哪些桩应折减其承载力，然后根据实际情况进行补桩。为防止此类工程事故的发生，应严禁边压桩边开挖；开挖宜在基桩全部完成并至少隔15天后进行，挖土宜逐层均匀进行，桩周土体高差不宜超过1m；注意保持基坑围护结构或边坡土体的稳定；基坑顶部周边不得堆土或堆放其他重物等。 4.桩身上浮 当工程桩较短或桩较密集时较容易发生桩身上浮的情况，此时采取复压是一较有效的被救措施。所谓复压指的是已经压好的桩再进行静压的一种措施。 1.5静压管桩施工过程的安全管理 必须根据安全管理的有关规定建立健全项目的各有关管理制度，在项目内部落实安全管理责任制，建立考核制度，实施奖罚措施，以及前面已提的桩机资质及特种作业上岗证等必须齐全。除此之外，还必须注意以下几个事项： 1.起重机作业前，应对转动部位进行润滑，检查部件紧固程度，钢丝绳是否磨损。 2.起重臂下严禁站人，重物停在空中时驾驶员不得离开操作室。3.起重范围不得超过起重性能规定的指标，起重机吊桩进入夹持机构，压桩开始之前，必须在起重机、卷扬机构放松起吊的钢丝绳、吊钩脱离后方可压桩，以免拉断钢丝绳和拉弯起重机吊臂。4.接桩时焊接用的各种气瓶应作标识，气瓶要距离明火点10m以上，气瓶间距必须大于5m，气瓶必须加防震圈和防护帽，气瓶使用和存放时严禁平放或倒放。 5.停止作业时，短履需运行到桩机中间位置，停落在平整地面上，其余油缸回程缩进。切断电源，操作人员方可离开桩机。 6.施工完毕的桩的桩头上面要加盖，以防行人或杂物等掉陷。2.设 计 任 务2.1设计依据城市环境要求越来越高，故原来的柴油桩锤等桩机已经不适用现代城市建设的要求，一种无震动，无噪音的桩机：静压桩机在现代城市建设和改造中发挥了很大的作用。静压桩机的工作原理是在压桩的过程中，以桩机本身的重量作为反作用力以克服压桩过程中桩侧的摩擦力和桩尖反力，而将桩体压入土体之中。所以静力压桩机在施工时没有燥音，没有震动，没有空气污染。因此用静力压桩机施工，被称为“无震动静力压桩法”。用静力压桩机施工，不仅具有以上优点，而且静力压桩机施工对桩身产生的应力减小，可以减少混凝土预制桩的钢筋用量，这对降低工程造价具有一定的意义。所以自从静力压桩机诞生以来，已经被广泛运用到软土地区的工业与民用建筑，港湾码头，水工围堰，地铁等工程的桩基础施工。但是，静力压桩机也有其一定的弱点，如与冲击式打桩机相比，其效率较低，对土地的适应性也有一定局限，一般只使用于软弱地基和一些流体状态的黏土或亚黏土地基上的施工。2.2设计要求 本设计是完成一种桩基础施工的设备，采用液压静力将预制桩分段压入土中，完成吊桩，压桩的施工作业。 它由机身，压桩及夹桩机构，起重及升降机构，纵向移动机构，横向移动机构，液压及电器控制系统组成。2.3 设计任务说明： 本部分由压桩油缸和立柱组成。预压桩力（400吨）选定压桩液压缸，根据其尺寸设计立柱，经过选材，计算和校核。在设计的过程中，要进行总体考虑，与机身，液压系统，夹桩机构，行走机构互相联系。中间要顾及工艺要求如粗糙度，焊接，锻造工艺等，然后写出说明书并以图纸和设计计算书方式表达自己的设计意图。2.3.1本毕业论文的主要参数1.桩机总重400吨2.压桩力480吨（考虑到安全系数）3.压桩速度2m/min5.回程速度6m/min6.压桩行程2m7.最大桩直径550mm550mm8.最小桩直径300mm300mm3. 压桩液压缸的设计已知：YZDY全液压压桩机压桩力400 吨，采用四个液压缸压桩，预压桩力 为400400考虑到安全问题，以每个压桩液压缸的压桩力为120吨 牛 设额定压力为P=25Mp A=N/P=1.2/25=0.048=48000 所以缸体内径D= 选用250mm 则活塞杆直径为180mm,缸体外径为299mm. 采用端部法兰连接，速度比为 活塞杆直径为d=D =176.8mm 选用180mm 查机械设计手册选定压桩液压缸 为HSG*01-250/180AH-EE具体参数见下表：缸体内径（mm)250耳环厚度（mm)缸径外径（mm)299耳环外径（mm)活塞杆直径（mm)180液压缸型号HSG*01-250/180AH-EE3.1液压缸材料及参数 液压缸所采用的材料均为45钢，其力学性能如下： 工作中有冲击，取 规定稳定安全系数为3.2活塞杆强度活塞杆强度满足要求3.3压桩液压缸的稳定性计算液压缸活塞杆受到的压力为：N=牛活塞杆横截面的惯性半径I=d/4=22因为活塞杆的固定方式为两端固定，所以压杆的长度系数U所以细长比因为由参考书目查得优质碳钢的a和b分别是： 可见活塞杆的柔度由直线公式求出临界应力为： 临界压力是： 活塞杆的工作安全系数为： 所以活塞杆满足稳定性要求。具体结构见图： 3.4压桩液压缸的流量计算压桩时的速度缸的内径 活塞杆的直径 则 =47。62L/min回程时 =141.77L/min 4.导向压桩小车的设计说明：该导向压桩小车用于横梁在机架上运动时起导向和减缓磨檫的作用。故此，采用销轴，滚轮，挡圈，衬套等结构与底座通过螺栓和横粱连接。具体结构见下图。 5. 压桩液压缸周围与横梁连接螺栓的计算校核5.1校核法兰盘与立柱上盖的连接螺栓采用12个螺栓，金属垫片1）计算每个螺栓承受的最大工作载荷2）确定螺栓的公称直径取螺栓的材料为35钢，查表得 设所用螺栓的公称直径为首先用简化计算法算螺栓直径。查表得安全系数故简化计算时螺栓的许用拉伸应力为查表得满足要求符合原假设故选用M32螺栓3）计算每个螺栓所受的总拉力4）校核最大应力 故最大应力校核通过。5）校核应力幅查手册得安全系数螺纹有效应力集中系数（因为螺栓材料为35号钢，查表得抗拉强度则通过。5.2压桩液压缸螺栓的选用液压缸的体积为： 所以采用6个螺栓，金属垫片1）计算每个螺栓承受的最大工作载荷2）确定螺栓的公称直径取螺栓的材料为35钢，查表得 设所用螺栓的公称直径为首先用简化计算法算螺栓直径。查表得安全系数查表得满足要求符合原假设故选用M12螺栓3）计算每个螺栓所受的总拉力4）校核最大应力 故最大应力校核通过。5）校核应力幅查手册得安全系数螺纹有效应力集中系数（因为螺栓材料为35号钢，查表得抗拉强度则通过。5.3校核立柱上盖与立柱的连接螺栓采用24个螺栓，金属垫片1）计算每个螺栓承受的最大工作载荷因为每个立柱下为两个液压缸，所以：2）确定螺栓的公称直径取螺栓的材料为35钢，查表得 设所用螺栓的公称直径为首先用简化计算法算螺栓直径。查表得安全系数故简化计算时螺栓的许用拉伸应力为查表得满足要求符合原假设故选用M32螺栓3）计算每个螺栓所受的总拉力4）校核最大应力 故最大应力校核通过。5）校核应力幅查手册得安全系数螺纹有效应力集中系数（因为螺栓材料为35号钢，查表得抗拉强度则通过。5.4校核球头座上连接螺栓。拟每个球头座上采用8个螺栓，金属垫片1）计算每个螺栓承受的最大工作载荷因为每个立柱下为两个液压缸，所以：2）确定螺栓的公称直径取螺栓的材料为35钢，查表得 设所用螺栓的公称直径为首先用简化计算法算螺栓直径。查表得安全系数故简化计算时螺栓的许用拉伸应力为查表得满足要求符合原假设故选用M36螺栓3）计算每个螺栓所受的总拉力4）校核最大应力 故最大应力校核通过。5）校核应力幅查手册得安全系数螺纹有效应力集中系数（因为螺栓材料为35号钢，查表得抗拉强度则通过。6 立柱的设计6.1立柱的受力分析6.2立柱的设计取30号钢因为所以共四根立柱，取每一个立柱的截面为6.3立柱的重量6.3.1四根立柱，每根重6.3.2根横杆（每面各12根），每根重6.3.3根加强板，每根重所以6.4立柱与横梁连接的螺栓校核。采用24个螺栓，金属垫片1）计算每个螺栓承受的最大工作载荷因为每个立柱下为两个液压缸，所以：2）确定螺栓的公称直径取螺栓的材料为35钢，查表得 设所用螺栓的公称直径为首先用简化计算法算螺栓直径。查表得安全系数故简化计算时螺栓的许用拉伸应力为查表得满足要求符合原假设故选用M32螺栓3）计算每个螺栓所受的总拉力4）校核最大应力 故最大应力校核通过。5）校核应力幅查手册得安全系数螺纹有效应力集中系数（因为螺栓材料为35号钢，查表得抗拉强度则通过。7立柱上盖的焊缝校核说明：焊缝应平整，美观，焊缝质量按等级执行。不应该有虚焊，脱焊及溶渣等缺陷。焊缝除注明以外，均为双面角焊缝71加强筋与主板间的焊缝校核焊缝只受拉力作用，最大压桩力为采用手工电弧焊，本焊缝采用角焊缝焊缝长度为l=250mm 厚度为根据机械设计手册 因为选用E5003型焊条 所以焊缝校核成功。72主板与支承法兰间的焊缝校核焊缝只受拉力作用，最大压桩力为采用手工电弧焊，本焊缝采用角焊缝焊缝长度为l=580mm 厚度为根据机械设计手册 因为选用E5003型焊条 所以焊缝校核成功。73槽钢与上下面板之间焊缝的校核 两条焊缝受压力，最大压力为 所以每条焊缝承受的压力为 采用手工电弧焊，本焊缝采用角焊缝焊缝长度为l=320mm 厚度为根据机械设计手册 因为选用E5003型焊条 所以焊缝校核成功。8.总结与展望在土木建筑中，桩基础是最常用的基础形式。随着现代建筑业的飞速发展，桩基础已从木桩逐渐发展为钢筋混凝土桩或钢桩。桩基础的施工方法与施工机械也有了巨大的发展。桩的类型大体上可分为两大类：预制桩和就地灌注桩。预制桩有预应力钢筋混凝土方桩、管桩、钢管桩、H型钢桩等。主要采用锤击的方法将其打人土壤中。最早采用的打击方法是坠锤，此后是蒸汽锤。在20世纪50年代，最大的蒸汽锤为6t，可用来锤击550mm的预应力钢筋混凝土管桩。20世纪60年代南京长江大桥建设时，使用了6t和8t的蒸汽锤。随着柴油锤的日臻成熟与推广使用，蒸汽锤已基本被淘汰。近几十年来国外柴油锤与振动桩锤有了长足的发展。目前国内使用的大型进口柴油锤主要有德国德马克、日本三菱和神钢的产品。上海工程机械厂自1992年与德马克公司合作生产D10型10t柴油锤，将国产柴油锤的级别与质量提到了一个新的高度。与进口柴油锤相比，国产柴油锤的质量较差，主要反映在活塞环材质及热处理工艺和气缸材质方面，因此国产柴油锤的返修率较高，实际利用率较低。在武汉大桥建设时期，我国试制了苏制B型振动桩锤，成为当时激振力最大的振动桩锤。20世纪60年代，为南京长江大桥3.6m预应力混凝土管柱下沉，又研制了大型振动桩锤中250型。激振力可达2500kN。此后许多