液壓振動打樁機設計

    摘要: 針對城建、橋梁等各種基礎施工的沉拔樁工作設計出了一套完整的液壓振動打樁設備, 詳細闡述了液壓打樁機的設計要求、工作原理以及總體結構。對液壓打樁機的液壓馬達、液壓元件及減震器等關鍵部件進行了選擇和校核。并實現了打樁機與某型挖掘機的連接, 從而能夠完成對板樁的夾持、振動插拔等工作。設計的液壓振動打樁機完全符合設計要求。
    關鍵詞: 液壓打樁機; 振動打樁

        液壓振動打樁機是一種廣泛用于城市建設、橋梁、港口等各種基礎施工工程的沉拔樁施工機械, 它一般與起重機或樁架配套使用, 適于各類鋼板樁和鋼管樁的沉拔作業, 亦可用于混凝土灌注樁、石灰樁、沙樁等多種類型的地基處理作業, 修筑路面施工時要用打樁機將樁打泥土中, 如果采用靜壓樁, 則需要很大的力, 從而使得打樁機械過于龐大, 給施工造成困難。而振動打樁機可以利用偏心塊的旋轉產生的離心力來進行打樁, 這個過程克服的泥土阻力很小, 只需要較小型的機械就能解決問題。

        借鑒于國內外的先進技術, 結合我國實際情況,我們對液壓振動打樁機進行了研制和開發。該機具有貫入力強, 噪聲小, 沉樁質量好, 使用方便, 適合于各種不同的作業環境, 操作容易, 機動性高, 可水下作業等突出優點。

    1 液壓振動打樁機的設計要求及工作原理

        在低地或是沼澤濕地等地形下筑路, 如果采用國外大型機械壓樁筑路不僅成本高, 操作復雜, 維修也不方便, 但是使用國內現有機械設備又難以滿足使用要求, 為了解決上述問題, 我們在對比國內外現有壓樁機械設備的基礎之上, 對設計提出了以下幾點要求:
    ( 1) 打樁形式為激振力打樁, 激振力為180kN。
    ( 2) 馬達轉速2200r /min, 配套油壓為31MPa。
    ( 3) 使用維修方便, 適合多種不同的作業環境,設計過程中盡量使用標準件。

        液壓振動打樁機的工作原理主要是利用液壓馬達帶動主動軸旋轉, 然后通過一對齒輪連接作反向的同步轉動, 在每根軸上裝有兩個相同的偏心塊, 從而使兩軸所產生的橫向離心力相互抵消, 而垂直方向的離心力則增加。偏心塊的旋轉便帶動整個系統產生上下振動, 當土壤受到強迫振動后, 其內摩擦力減小, 強度降低, 當強迫振動頻率與土壤自振頻率相同時, 土體共振使得樁能夠較輕松地沉入土中。

    2 液壓振動打樁機裝置總體結構的確定

        該裝置由液壓振動打樁機以及延伸臂組成, 通過延伸臂與挖掘機相連接, 并利用挖掘機液壓動力帶動打樁機進行夾樁、打樁作業。液壓式振動樁機主要形式是偏心塊式, 由動力站和振動錘組成, 兩者之間通過高壓軟管相連。

        動力站由發動機、主副油泵機罩和控制系統等組成, 主泵主要為振動錘的馬達提供動力, 副泵一般用于夾樁器夾緊, 動力站出油口配有快速接頭, 以便液壓軟管的拆裝, 控制系統配有直接控制和有線遠程控制。

       振動打樁機主要包括振動器、懸掛裝置、夾樁器等。振動器是振動打樁機的關鍵部件, 由液壓馬達驅動, 通過齒輪傳動, 帶動成對偏心塊旋轉, 從而產生激振力。偏心塊安裝在齒輪軸上, 齒輪和軸承一般采用油浴潤滑方式, 頻率較高時則采用循環油壓力潤滑方式。振動器的上部連接體為彈性懸掛, 多為橡膠彈簧減振, 可有效地減少振動器傳遞給樁架的振動, 且噪音較小。振動器的下部連接體為夾樁器, 根據樁的不同類型, 可配置單夾頭、雙夾頭、多夾頭夾樁器等具體機構如圖1 所示。


     


    3 關鍵部件的選擇與計算

    3.1 主要性能參數的確定

    ( 1) 液壓馬達的輸出功率
       輸出功率取決于振動器上液壓馬達的需要, 振動器所產生的激振力足以能夠克服土壤阻力, 一般每10kN 激振力需要約2kW功率。
    ( 2) 偏心力矩
       M=Gr ( 1)
    式中: G—偏心塊質量;
    r—偏心塊重心到旋轉中心的距離。
    ( 3) 振動速度, 即每分鐘振動次數, 一般可無級調速。
    ( 4) 激振力

          振動加速度一般為重力加速度的倍數, 數值在10~30g 之間。
    3.2 液壓系統主要部件的選擇
    ( 1) 換向閥、壓力繼電器、液控單向閥的選擇見表1。


     

    根據上述所需功率和轉矩, 所選馬達型號為A6V55MA

    3.3 減振器的設計和校核
    ( 1) 減振器的設計要求
        根據使用環境和條件選用合適的橡膠; 注意橡膠與金屬的粘接強度, 避免粘接面外的應力集中; 應避免隔振器長期在受拉狀態工作。

        對于剪切變形的隔振器, 為了提高壽命, 通常在垂直剪切方向給予適當的壓縮, 壓縮方向剛度變硬, 剪切方向剛度變軟; 由于有阻尼就要消耗能量,這部分消耗的能量轉換成熱能, 而橡膠是熱的不良導體, 為防止溫升過高影響橡膠隔振器的性能。第一, 橡膠隔振器不宜做得過大; 其次, 從結構上應采取易干散熱的措施或選用生熱較少的天然橡膠材料。正因為橡膠隔振器能將部分能量轉換成熱能, 降低了振動能量, 達到減振目的。為了避免振動對使用人員和機器的影響以及對周圍的噪聲污染, 在振動部分與斗桿的連接處必須裝有減振器, 其隔振效果是評價機器性能的重要指標。減振器采用的減振系統主要有三種: 鋼質螺旋彈簧減振器、空氣組合彈簧減振器、橡膠減振器。由于橡膠減振器工作性能平穩, 結構簡單和價格低廉等優點, 而得到了最廣泛的應用。

    ( 2) 橡膠減振器的優缺點
        與其它減振器相比, 橡膠減振器( 圖2) 的優點如下: 橡膠減振器材料的內摩擦大, 因而阻尼大。當工作頻率W通過共振區時, 比較安全。橡膠減振器吸收高頻振動的能力高。橡膠材料的彈性模量Z 比金屬小得多, 在工作時允許較大的變形。橡膠減振器中的剛度與硬度有關, 可以在不改變橡膠減振器外形尺寸的情況下, 通過改變橡膠材料的硬度來獲得不同的剛度。橡膠減振器的質量輕, 安裝形式可根據需要確定, 便于拆卸。



     

    橡膠減振器有以下缺點: 耐高、低溫性能差。耐日照性能差。耐油性能差。使用壽命低, 長期使用后彈性降低, 減振性能變差。

    ( 3) 橡膠減振器材料的確定
        橡膠減振器的材料有兩種: 一種是天然橡膠, 另一種是丁晴橡膠。由于丁晴橡膠具有良好的耐油性和較大的阻尼等優點, 是良好的制造減振器的材料。目前, 在振動機械的減振器制造方面得到了廣泛的應用, 經比較我們選用了丁晴橡膠作為減振器的材料。設計選用剪切型橡膠彈簧, 共需8 個。

    4 結束語
        該設計成果經現場檢驗, 效果良好。該成果的研制成功是港口等土方工程施工技術的一個創新, 具有能夠與現有設備配套、節約投資、施工速度快、防護效果好等優點, 該設備具有廣闊的推廣應用前景。



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