畢業(yè)設(shè)計101液壓打樁錘

雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 1 1 摘要 液壓打樁錘是用于建筑、橋梁、碼頭等樁基礎(chǔ)施工中打入預(yù)制樁的樁工機械。隨著科學技術(shù)的進步，預(yù)制樁施工機械由落錘、汽錘、柴油錘，發(fā)展到了液壓打樁錘。用液壓打樁錘打樁，可以調(diào)整撞擊應(yīng)力波波形，減小應(yīng)力峰值，延長有效作用時間，是一種比較理想的預(yù)制樁施工機械，目前在發(fā)達國家已被廣泛使用，并形成了系列化。本文應(yīng)用沖擊機械系統(tǒng)動力學分析打樁過程中錘體與樁撞擊時應(yīng)力波的產(chǎn)生、傳播以及該波對沉樁過程的影響。認為與樁等波阻的細長狀錘體能夠產(chǎn)生理想的應(yīng)力波波形 ;在樁錘重量一定的情況下 ，可針對不同的地質(zhì)情況和樁，通過選擇不同剛度的樁帽和樁墊與其匹配來提高打樁效率。本文對雙缸雙作用液壓扣一樁錘液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出六噸雙缸雙作用液壓打樁錘的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。由于液壓打樁錘液壓系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，本文采用功率鍵合圖法建立液壓打樁錘上行、下降的鍵合圖模型和狀態(tài)空間方程，通過四階龍格 -庫塔法和預(yù)估 -校正法相 結(jié)合編制了仿真程序?qū)顟B(tài)空間方程求解，在 Mat lab 6. 5 中進行液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真，獲得液壓打樁錘運動過程中壓力、位移、速度、加 速度等隨時間變化的曲線圖。此曲線圖方便了對液壓系統(tǒng)動態(tài)特性分析，為液壓系統(tǒng)的設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化提供了有益的借鑒。最后，在深入分析雙缸雙作用液壓打樁錘控制系統(tǒng)的功能要求后，采用了以現(xiàn)代計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置 -PLC 可編程控制器，設(shè)計出了雙缸雙作用液壓打樁錘的電器控制系統(tǒng)。 PLC 體積小、功能強、可靠性高、能適應(yīng)建筑施工機械惡劣的野外環(huán)境。通過 PLC 電控系統(tǒng)可以準確選擇不同的上升、下降和保壓時間，使得液壓打樁錘具有不同的下打高度，從而獲得不同的打擊末速度，提高了液壓打樁錘對不同土壤的適應(yīng)能力。 關(guān)鍵詞 :雙缸雙作用液壓掃一樁錘 ;數(shù)值仿真 ; 可編程控制器。 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 2 2 ABSTRACT Hydraulic pile hammer is one of the pile driving machines that drive prefabricated piles into the ground in the construction of pile foundation such as construction, bridge, dock, etc. With the development of science and technology ,the prefabricated pile driving machines evolve from block hammer ,steam-hammer ,diesel hammer to hydraulic hammer .Hydraulic pile hammer is one of ideal prefabricated pile driving machines because it can adjust stress waveform ,decrease stress peak value, prolong effectual action when it drives piles .Hydraulic pile hammer is used widely and formed series in developed countries now. Mechanical impact dynamics is used to analyze the production and spread of stress wave when hydraulic pile hammer blows piles, the stress wave influence the course of driving pile. Slender hammed that is equal to wave resistance of the pile can bring ideal stress waveform. When the hammer weight is constant， efficiency of driving pile can be increased by means of selecting drive cap and cushion pad of different rigidity to match the hammer according to various geological condition and the pile. The structure and principium of hydraulic system of double-acting hydraulic pile hammer with double cylinders is studied in detail in the paper, the hydraulic system and electric control system of six-ton-double-acting hydraulic pile hammer with double cylinder is designed on the basis of it. Power bond graph is used to established the bond graph model of the lifting and dropping of hydraulic pile hammer and state space equation in the paper for hydraulic pile hammer is perplexing nonlinear system. In order to attain the graph that pressure, position, velocity, acceleration vary with time in the course of driving pile ,simulation procedure solving state space equation is designed on the basis of combining four-order Run ge-Kutta method with predicator-correct or method, dynamic simulation of the hydraulic system is studied in MATLAB 6.S.It inconvenient to analyze dynamic characteristics of the hydraulic system, beneficial to the design and parameter optimization of the hydraulic system. In the final part of the paper, under detailed analysis of the control characteristics for double-acting hydraulic pile hammer with double cylinders, control system based on the programmable logic controllers founded on technology of modern compute is designed. PLC has small cubage, strong function, higher liability, ability to adapt abominable field environment of construct machine to face. In order to improve adaptive ability of hydraulic pile hammer to various soil, various finial velocity and dropping length must be obtained by adjusting time of lifting, dropping and keeping pressure that is accurately selected by the control system of PLC。 Words: Double-Acting Hydraulic Pile Hammer With Double Cylinders; Numerical Simulation; Programmable Logic Controllers 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 3 3 目錄 摘要 .1 目錄 .3 第一章 .緒論 .5 1. 1樁基礎(chǔ)簡介 . .5 1. 2設(shè)樁設(shè)備 .6 1. 2. 1設(shè)置打入式預(yù)制樁設(shè)備 .6 1.2.2設(shè)置鉆孔式就地灌注樁設(shè)備 .7 1. 3液壓打樁錘 .7 I. 4國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .9 1. 5本課題的研究內(nèi)容 .9 第二章 .液壓打樁錘的動力學分析 .10 2. 1一維彈性桿的波動方程 .11 2. 2波動方程的數(shù)值解 .13 2. 3打樁錘與樁撞擊的應(yīng)力波 .17 2. 4打樁錘與樁撞擊的波動力學分析 .20 2. 4. 1塑性介質(zhì)下的系統(tǒng)動力學分析 .22 2. 4. 2彈性介質(zhì)下的系統(tǒng)動力學分析 .23 2. 4. 3錘、樁和樁帽 (含樁墊 )的匹配 .24 2. 5錘體結(jié)構(gòu)的反演設(shè)計 .24 2. 5. 1樁錘應(yīng)力波反演設(shè)計方法 .24 2. 5. 2反演設(shè)計是一種現(xiàn)代設(shè)計方法 .25 2. 5. 3錘體結(jié)構(gòu)的反演設(shè)計 .25 第三章 .雙缸雙作用液壓打樁錘液壓系統(tǒng)數(shù)值仿 真 .26 3. I計算機仿真及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用 .26 3.1.1仿真的基本概念 .26 3. I. 2仿真系統(tǒng)的分類 .27 3. 1. 3仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用 .28 3. 2動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學模型 . .29 3. 2. 1傳遞函數(shù) .29 3. 2. 2狀態(tài)空間模型 .30 3. 2. 3動態(tài)方程組 .30 3. 3液壓打樁錘液壓系統(tǒng) .31 3. 3. 1單作用自由下落式 .31 3.3.2雙作用加速下落式 .31 3. 3. 3雙缸雙作用液壓打樁錘液壓原理 .32 3.3.4液壓系統(tǒng)建模 .33 3. 3.5仿真參數(shù)的確定 .33 3.3.6狀態(tài)方程的求解 .40 3.3.7仿真結(jié)果分析 .43 第四章 .控制系統(tǒng)設(shè)計 .44 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 4 4 4. 1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容 .44 4. 2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 . .45 4. 3雙缸雙作用液壓打樁錘的 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 .46 4. 3. 1雙缸雙作用液壓打樁錘的控制要求 .46 4.3.2雙缸雙作用液壓打樁錘液壓系統(tǒng)的工作原理 . .47 4. 3. 3 PLC選型 .47 4. 3. 4 I /0地址分配 .48 4. 3. 5控制箱面板 .49 4. 3. 6 PLC外部接線圖 . .50 4. 3. 7 PLC系統(tǒng)程 序設(shè)計 .50 第五章 .研究總結(jié)及展望 .54 5. 1研究工作總結(jié) .54 5. 2研究展望 .54 參考文獻 .55 附錄 . 56 致謝 . 57 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 5 5 第一章 . 緒論 在上木建筑中，樁基礎(chǔ)是應(yīng)用比較廣泛的一種基礎(chǔ)類型，也是最古老的基礎(chǔ)之一，它是人類在軟弱地基上建造建筑物的一種創(chuàng)舉。起支撐作用的打入式承載樁是土木工程科學與工藝的最早實例之一。早在新石器時代，人類便通過打入木樁和竹樁在湖泊和沼澤地搭臺作為水上住所，浙江省河姆渡就發(fā)現(xiàn)了這種原始社會遺址。而我國西南許多少數(shù)民族地區(qū)至今仍沿用了這種習慣。隨著人類活動向空間和海洋的延伸，各種高層建筑層出不窮，摩天大樓拔地而起，樁基礎(chǔ)中所用的樁已從傳統(tǒng) 的木樁發(fā)展為鋼筋混凝土樁或鋼樁，樁基礎(chǔ)的施工方法與施工機械也有了巨大的發(fā)展。 1.1 樁基礎(chǔ)簡介 樁基礎(chǔ)是由若干個沉入土中的單樁在其頂部用承臺聯(lián)接起來的一種深基礎(chǔ)。其作用在于穿過弱的壓縮性土層或水，把來自上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞到更硬或更密實且壓縮性較小的土壤或巖石上。它具有承載能力大、抗震性好、沉降量小等特點。在一般房屋基礎(chǔ)工程中，樁基主要承受豎向荷載，但在河港、橋梁、高聳塔形建筑、近海鉆采平臺、支護結(jié)構(gòu)以及抗震工程中，樁基還需要承受來自側(cè)向的風力、波浪力、土壓力和地震力等水平荷載。 樁基礎(chǔ)可 按不同的方法分類 :不同類型的樁基具有不同的承載性能，施工時對環(huán)境有不同的影響、因而有不同的造價指標，各適應(yīng)于不同的條件。 (1)按承載性能分類 根據(jù)樁在土壤中受力情況的不同，可分為豎向荷載樁和橫向荷載樁。 1)豎向荷載樁 建筑樁基技術(shù)規(guī)范 (JGJ94-94 )根據(jù)豎向荷載樁樁土相互作用特點，分為四個類型，即摩擦樁、端承摩擦樁、摩擦端承樁和端承樁四種。樁頂作用的豎向荷載 Q由樁側(cè)摩阻力 Q5和樁端阻力 Q;承擔，即 Q+Q5 + Q;或 Qu=Qs。 +Q 式中 U-樁的豎向極限荷載 Qu -樁側(cè)總極限摩阻力 Q Pu-樁端總極限端阻力 摩擦樁是指樁端沒有良好持力層的純摩擦樁，在極限承載力狀態(tài)下，樁頂豎向荷載主要由樁側(cè)阻力承受，即級 L0.9q； 端承樁是指樁端有非常堅硬的持力層，在極限承載力狀態(tài)下，樁頂豎向荷載由樁端阻力承受擦端承樁是介于摩擦樁和端承樁之間的中間樁型。 2)橫向荷載樁，即 0P9Qu;端承摩擦樁和摩擦樁頂 豎向荷載由樁側(cè)摩阻力和樁對摩擦端承樁而言 ,橫向荷載樁分為主動樁和被動樁兩種。樁頂受橫向荷載，樁身軸線偏離初始位置，樁身所受土壓力因樁主動變位而產(chǎn)生，如風力、地震力等作用下的建筑物樁基屬于主動樁。若沿樁身一定范圍內(nèi)承受側(cè)向土壓力，樁身軸線受該土壓力作用而偏離初始位置，如深基坑支擋樁、坡體抗滑樁等屬于被動樁。 (2)按成樁方法分類 按成樁方法的不同，主要可分為預(yù)制樁和灌注樁兩大類。 1)預(yù)制樁 預(yù)制樁可用混凝土、鋼材或木材在工廠或現(xiàn)場制作，然后以錘擊、振動、靜雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 6 6 壓 或旋入等方式就位 。按材料可分為混凝土樁、鋼樁和木樁 ; 2)灌注樁 灌注樁是直接在所設(shè)計樁位處成孔，然后在孔內(nèi)置筋再澆灌混凝土而成?？煞譃槌凉芄嘧?、鉆 (沖 )孔灌注樁和挖孔樁。 3)按成樁對環(huán)境影響分類 按成樁對環(huán)境影響的不同，可分為擠土樁、部分擠土樁、非擠土樁。 1)擠土樁指打入或壓入土中的實體預(yù)制樁、閉口管樁 (鋼管樁或預(yù)應(yīng)力管樁 ) 和沉管灌注樁。這類樁在沉樁過程中，周圍土體受到樁體的擠壓作用，土中超孔隙水壓力增長，土體發(fā)生隆起，對周圍環(huán)境造成嚴重的損害。如相鄰建筑物的變形開裂、市政 管線斷裂，造成水、煤氣的泄漏。在大中城市的建成區(qū)已嚴格限制擠土樁的施工。 2)部分擠土樁指沉管灌注樁、預(yù)鉆孔打入式預(yù)制樁、打入式敞口樁 ;打入敞口樁管時，土可以進入樁管形成土塞，從而減少了擠土作用。打入實體樁時，為了減少擠土作用，可以采取預(yù)鉆孔措施，將部分土取走，也屬于部分擠土樁。 3)非擠土樁指采用干作業(yè)法、泥漿護壁法、套管護壁法的鉆 (沖 )孔、挖孔樁。非擠土樁在成樁的過程中，對周圍的樁間土沒有擠壓作用，不會引起土體中超孔隙水壓力的增長，因而樁的施工不會危及周圍相鄰建筑物的安全。 1.2 設(shè)樁設(shè)備 設(shè)樁機械設(shè)備是從工業(yè)革命后逐漸發(fā)展起來的。特別是二十世紀，人類社會飛速發(fā)展，高大辦公大樓，重型工業(yè)設(shè)備，高爐，以及船塢設(shè)備的發(fā)展都對設(shè)樁設(shè)備提出了更高的要求，與此同時各行各業(yè)新技術(shù)的發(fā)展又為設(shè)樁設(shè)備提供了無限發(fā)展的動力。特別是從 1950至今，在全世界范圍內(nèi)重型基礎(chǔ)工程大量增加，同時，近海油田的開采經(jīng)驗，要求重型基礎(chǔ)工程得到全面發(fā)展，這極大地刺激了設(shè)樁機械設(shè)備的發(fā)展，現(xiàn)在無論樁機的尺寸、高度，還是錘的重量、效率都在增加 ;并且，各種類型的較高容量機械的發(fā)展均伴隨著移動靈活性和操作方便性的更多改進。設(shè)樁 設(shè)備的類型一般可分為 :設(shè)置打入式預(yù)制樁設(shè)備、設(shè)置鉆孔式就地灌注樁設(shè)備。 1. 2. 1 設(shè)置打入式預(yù)制樁設(shè)備 此類設(shè)樁設(shè)備的沉樁方式包括錘擊沉樁、靜力壓樁、振動沉樁和射水沉樁等數(shù)種方式，其中射水沉樁只適用于砂土層中，水的壓力需達到 0. 55-0. 7MPa，必要時可用壓縮空氣替代。 (1) 錘擊沉樁設(shè)備 :包括各種落錘式打樁機、蒸汽打樁錘、柴油打樁錘以及液 壓打樁錘。 1) 落錘式打樁機 落錘式打樁機由卷揚機拉升錘體，然后自由落下，利用自重夯擊樁頂。一般錘重 1 - 30KN，每分鐘錘擊次數(shù)小于 12次，僅能在小規(guī)模工程中使用。其優(yōu)點是構(gòu)造簡單、費用低廉。缺點是生產(chǎn)率低、貫入能量小、對樁損傷大。 2)蒸汽打樁錘 蒸汽打樁錘利用蒸汽的壓力將錘體上舉，然后由錘的自重向下沖擊樁頂。可以打水下樁、斜樁，甚至水平樁，對樁損傷小 ;工作性能不受土層軟、硬和工作時間長短限制。但需要配備一套鍋爐設(shè)備，效率低、使用不方便。 3)柴油打樁錘 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 7 7 柴油打樁錘是利用柴油燃燒時釋放的能量提升錘體的。柴油錘自帶動力、使用方便、能耗低、生產(chǎn)效率高、能根據(jù)沉樁阻力的大小自動調(diào)節(jié)沖擊力等 優(yōu)點 ;缺點是噪聲大、廢氣污染重、在軟土及低溫條件下啟動困難、不能長時間持續(xù)工作。因受自重、公害及性能的制約，難以向超大型方向發(fā)展。 4)液壓打樁錘 液壓打樁錘是近幾十年來發(fā)展起來的一種較理想的打樁錘。它利用液壓能驅(qū)動錘體升降。其優(yōu)點是可根據(jù)土質(zhì)情況及樁材質(zhì)的強度，合理選擇沖擊力，以保證沖擊能量的充分發(fā)揮而不損害樁身 :在打樁過程中，同時可獲得沖擊力和貫入度指標，因而可有效地確定樁是否已進入預(yù)定的土層上，并能直觀地知道樁的允許承載力 ;液壓打樁錘適合打斜樁作業(yè)及水下樁基施工，液壓打樁錘不存在軟土起 動困難的問 題，而且能適應(yīng)各種氣候下的施工作業(yè) ;沉樁力作用時間長，有效貫入能量大 ;液壓打樁錘的公害較小，基本上無廢氣污染，沖擊時的噪音要比其它樁錘低 20dB左右，因而能適應(yīng)城市樁基礎(chǔ)的施工作業(yè)。但其不足之處是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格貴。 (2)靜力壓樁機 :靜力壓樁機是利用靜壓力將預(yù)制樁壓入土中的一種沉樁工藝。它與普通的打樁機相比，可以消除噪聲，避免振動的騷擾與危害且節(jié)約材料。適用于對防震有要求的部門和城市居住密集區(qū)施工。但靜力壓樁機要配有較多的配重，施工時整機的拼裝、移動及工作效率仍比打擊式樁機低。 (3)振動樁錘 :預(yù)制樁除了采用打樁和壓樁之外，還有振動沉樁。振動樁錘是根據(jù)共振原理或振動沖擊理論發(fā)展起來的，它利用振動能量沉樁和拔樁。振動沉樁適用于沙質(zhì)粘土、砂土和軟土地區(qū)的沉樁施工，不宜在礫石和密實的粘土中使用。 1.2.2 設(shè)置鉆孔式就地灌注樁設(shè)備 此類設(shè)樁設(shè)備包括以下幾種 :動力螺旋鉆、振動鉆孔機、逆循環(huán)鉆孔機和三角架式鉆孔機。 (1)動力螺旋鉆。動力驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)式螺旋鉆孔機適用于在粘性土中設(shè)置鉆孔樁。 (2)振動鉆孔機。為了打入襯管，并在灌注混凝土時拔出它們，把振動器和螺旋鉆 孔機一起使用。 (3)逆循環(huán)鉆孔機。該鉆孔機在多種土壤條件下 (包括軟質(zhì)巖石在內(nèi) )，能快速鉆進，而鉆入粒狀土中最為有效。 (4)三腳架式鉆孔機。三腳架式鉆孔機特別適宜在低空間或通道狹隘的條件下工作。 1.3 液壓打樁錘 隨著液壓技術(shù)的發(fā)展與逐步成熟，加之傳統(tǒng)使用的柴油錘噪聲大、效率低，污染重等原因，在基礎(chǔ)施工中受到限制， 20世紀 70年代，各國先后開發(fā)了液壓打樁錘以適用建筑行業(yè)的新需要。經(jīng)過 30 多年的改進與發(fā)展，目前液壓打樁錘已成為建筑施工中一種不可缺少的大型樁工機械，并 越來越受到重視。 (1)液壓打樁錘工作原理 液壓打樁錘以液壓能為動力，舉起錘體后快速泄油，或同時反向供油，使錘體加速下降，撞擊緩沖墊及樁帽，利用錘體沖擊時動量變化所產(chǎn)生的巨大沖擊力，克服土壤對樁的阻力，將樁沉入土中。液壓打樁錘正被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)建筑、民用建筑、道路、橋梁以及水中樁基施工 (加上防水保護罩，可在水面以下進行雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 8 8 作業(yè) )。同時液壓錘通過樁帽這一緩沖裝置，直接將能量傳給樁體，一般不需要特別的夾樁裝置，因 此 可不受限制地對 各種形狀的鋼板樁，混林土預(yù)制樁，木樁等沉樁 業(yè)。另外，液壓錘還可以相當方 便地進行陸上與水上的斜樁作業(yè)，比其它樁錘有獨到的優(yōu)越性。 (2)液壓打樁錘基本組成 目前使用的液壓打樁錘形式多樣，但基本結(jié)構(gòu)大致相似，一般由本體機械部分、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。 1） 液壓打樁錘本體 (本體機械部分 ) 本體機械部分由起吊裝置、導(dǎo)向裝置、液壓裝置保護罩、錘體、殼體、樁帽及緩沖墊等組成。各部分作用如下 :(1)起吊裝置主要由滑輪架、滑輪組與鋼絲繩組成，通過樁架頂部的滑輪組與卷揚機相連。利用卷揚機的動力，液壓錘可在打樁架的導(dǎo)向裝置中上下滑動。 (2)用螺栓將導(dǎo)向裝置 與殼體和樁帽相連，使其與導(dǎo)向架的滑道相配合，錘可沿導(dǎo)向架上下滑動。 (3)液壓裝置保護罩用來保護液壓錘上部的液壓元件、液壓油管和電氣裝置。由于液壓錘的工況復(fù)雜、使用環(huán)境惡劣，難免會發(fā)生這樣或那樣的碰撞，因此液壓裝置必須有可靠的保護。液壓裝置保護罩還有一個重要的作用，即作配重用。當錘體下落打擊樁帽時，樁帽對錘體有一個向上的反力，這個反力會使錘體和液壓缸發(fā)生不規(guī)則的抖動或向上反彈，這種干擾會影響液壓系統(tǒng)正常的工作循環(huán)，同時對樁、樁架造成不良影響。液壓裝置保護罩的質(zhì)量起到類似配重的作用，可以緩解和減少其不規(guī)則的抖動 或反彈，從而提高整體工作性能。 (4)錘體是沉樁的主要工作部分。液壓錘通過錘體下降打擊樁帽，將能量傳給樁，實現(xiàn)樁的貫入下沉。 (5)殼體把上部的液壓裝置保護罩和下殼體連接起來，在它的外側(cè)安裝著導(dǎo)向裝置、無觸點開關(guān)、液壓油管和控制電纜的夾板等。錘體上下運動錘擊沉樁的全過程均在殼體內(nèi)完成，殼體板較厚，除去有足夠的強度與剛度之外，還有一定的隔音作用。 (6)打樁時樁帽套在鋼板樁或混凝土預(yù)制樁的頂部，除去導(dǎo)向作用外，與緩沖墊一起既保護樁頭不受到破壞，也使錘體及液壓缸的沖擊荷載大為減少。 錘本體包括驅(qū)動裝置和打擊力 傳遞裝置。錘驅(qū)動裝置主要由樁錘、液壓缸、液壓控制閥等組成 :打擊力傳遞裝置主要由樁與樁錘之間的緩沖墊、樁帽等組成，在低噪聲要求的環(huán)境中還有隔音裝置。 2)液壓系統(tǒng) 液壓打樁錘的液壓系統(tǒng)主要由液壓泵 (定量泵或變量泵 )、溢流閥、卸荷閥、換向閥 (邏輯閥 )、蓄能器、執(zhí)行元件以及管路等組成。 3)電器控制系統(tǒng) 液壓打樁錘一般采用先進的可編程邏輯控制器 (即 PLC)控制?？刂品绞接惺謩雍妥詣哟驑秲煞N狀態(tài)，樁錘下落高度的控制主要有時間設(shè)定方式和位置設(shè)定方式兩種類型。本課題采用時間設(shè)定方式。 C3)液壓打樁錘的分類 根據(jù)樁錘的下落方式可將液壓打樁錘分為單作用下落式和雙作用下落式兩種類型。單作用方式即樁錘在自重的作用下以接近自由落體方式下落，如英國BSP 公司的 HH357-9 型錘、日立公司生產(chǎn)的 HNC 型錘、美國 HPSI 公司的Mode1650 - 3505型錘等 ;雙作用下落方式即樁錘在自重和外力共同作用下以大于自由落體的加速度下落，因此，在相同行程、相同錘重時產(chǎn)生的打擊力比單作用下落方式大得多，如日本車輛公司的 NH型錘、荷蘭 IHC公司的 SC型錘、芬蘭Junttan公司的 HHKA 系列液壓錘等。 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 9 9 1.4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 自從荷蘭在 1965年研制出液壓打樁錘以來， 80年代以后，液壓打樁錘便很快在英國、芬蘭、日本、美國等國家得到迅速發(fā)展。以下列舉國外主要液壓錘生產(chǎn)廠家及其液壓錘特點。 芬蘭的永騰公司是最早生產(chǎn)打樁設(shè)備的專業(yè)廠家之一。它主要生產(chǎn)兩個系列(CHHK, HHK-A), 20余種不同型號的液壓錘，都是采用單作用自由下落式液壓系統(tǒng)。兩個系列最主要的區(qū)別是 HHK-A系列采用了液壓輔助落體的措施，來消除阻力的影響，真正實現(xiàn)自由落體。所以 HHK-A 系列與 HHK 系列相比，以相同的結(jié)構(gòu)參 數(shù)可產(chǎn)生相對較高的沖擊能量。 英國的 BSP國際基礎(chǔ)有限公司也早在 70年代開始系列生產(chǎn)液壓錘，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品也采用單作用自由下落式工作原理，但其液壓系統(tǒng)象永騰公司的HHK-A 系列一樣，采取特別的增壓措施消除阻力的影響，真正實現(xiàn)無阻力自由下落，提高了沖擊的能量。 荷蘭 IHC 公司是世界上最大的挖泥船制造廠商，其強大的機械制造能力使其生產(chǎn)的液壓錘享譽世界。其生產(chǎn)的液壓錘與眾不同，采用了獨特的雙作用下落式工作原理。錘頭在提升的過程中同時壓縮活塞上方的氣體，上升到行程頂端時，供油閥關(guān)閉，回油閥打開。在下 沖程中，活塞上方的壓縮氣體的附加能量作用在錘頭上，和重力一起使錘頭產(chǎn)生大于 9. 8m/s的加速度，這樣以較短的行程可以獲得較大的能量，但因要求具有良好的密封性使其制造成本相應(yīng)地提高了很多。 近年來，國內(nèi)的一些建筑施工單位開始從國外進口液壓打樁錘，而國內(nèi)制造廠一也開始引進液壓打樁錘技術(shù)進行試驗、生產(chǎn)和技術(shù)開發(fā)。隨著基礎(chǔ)建設(shè)在我國的不斷發(fā)展，液壓打樁錘具有比較廣闊的應(yīng)用前景。但目前我國液壓打樁錘仍處于發(fā)展階段，技術(shù)和性能均不太完善。 1.5 本課題的研究內(nèi)容 本課題主要對雙缸雙作用液壓打樁錘進行 波動力學分析、液壓系統(tǒng)建模與數(shù)值仿真以及控制系統(tǒng)設(shè)計。各部分主要內(nèi)容如下 : (1)液壓打樁錘的波動力學分析 液壓打樁錘是利用沖擊原理進行工作的。由于錘體和樁在撞擊方向上的尺寸(軸向尺寸 )比橫向尺寸要大的多，將它們簡化為質(zhì)點運用古典碰撞理論進行分析顯然是不合適的。本文運用沖擊機械動力學中的二元沖擊系統(tǒng)波動力學模型來模擬錘體、樁帽、樁之間的相互作用過程。找出三者之間的最佳匹配關(guān)系，用以指導(dǎo)液壓錘的設(shè)計工作。 (2)液壓系統(tǒng)建模與數(shù)值仿真 液壓打樁錘是由液壓泵、蓄能器、液壓缸和樁錘等組 成的綜合性復(fù)雜系統(tǒng)。在充分消化吸收國外先進液壓打樁錘工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計出六噸雙缸雙作用液壓打樁錘。由于液壓打樁錘在工作過程中，無論是錘體的上升還是下降，都是一個變加速過程，液壓系統(tǒng)中各個參數(shù)的變化很大，如果采用古典控制理論中的傳遞函數(shù)分析法，將會給液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的研究帶來難以克服的困難。本課題采用現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)空間分析法研究液壓打樁錘液壓系統(tǒng)的動態(tài)過程。即通過功率鍵合圖建立液壓系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程，運用數(shù)值仿真中的四階龍格庫塔法和預(yù)估一校正法相結(jié)合建立仿真程序，在 Matlab6.5中編制 M-file進行仿真。 (3)控制系統(tǒng)設(shè)計 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 10 10 液壓打樁錘的工作環(huán)境比較惡劣，設(shè)計出性能可靠的控制系統(tǒng)是保證液壓打樁錘正常工作的必要條件之一?？删幊炭刂破?(PLC)是近年來發(fā)展起來的一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的新型控制器。它具有體積小、 功能強、靈活通用、維護方便、高可靠性和較強的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力等一系列優(yōu)點。所以本課題中液壓打樁錘的控制系統(tǒng)采用可編程控制器。 第二章 . 液壓打樁錘的動力學分析 撞擊是人類最早利用的自然現(xiàn)象之一。從遠古時代的石器打制到現(xiàn)代工業(yè)文明中的鍛造 沖擊，從微觀粒子的相互碰撞到宏觀天體的相互撞擊，無一不是撞擊現(xiàn)象的客觀表現(xiàn)。撞擊是物體的運動狀態(tài)發(fā)生急劇變化的一種現(xiàn)象，其基本特征在于物體間動量的傳遞是在極短的時間內(nèi)進行的，并伴隨著產(chǎn)生了極大的作用力作用于撞擊物體上。 根據(jù)撞擊原理設(shè)計的機械，能產(chǎn)生峰值極大的力脈沖，具有輸出能量密度大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，特別適宜于要求實現(xiàn)工作對象的位移、變形和破壞等作業(yè)，因而在土木工程、制造工業(yè)和礦業(yè)工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 沖擊機械是一類特殊的機械，它是以應(yīng)力波的形式進行能量傳遞的。這就決定了它不能象處 理一般機械一樣，應(yīng)用靜力學、運動學和剛體運動學去闡述其工作原理。沖擊機械原理屬于彈性體動力學問題。彈性體動力學內(nèi)容可分為兩個主要部分 :機械振動和機械波傳播。這是因為研究系統(tǒng)中是振動還是波動取決于機械系統(tǒng)的零部件構(gòu)形、約束條件和載荷條件。在一般的機械系統(tǒng)中，所研究對象在受力方向的幾何尺寸相對其它方向的尺寸并沒有太大的差異，故可不考慮波動過程而直接作為振動問題來分析，更為簡單可行。沖擊機械中有桿形部件，因而必須考慮波動過程。 沖擊機械動力學的研究可追溯到十九世紀， Bossiness和 Saint-Tenant最早開始用應(yīng)力波傳播的概念來處理撞擊問題，他們分別討論了重塊對直桿的撞擊和兩桿對撞問題。 Hopkins on父子設(shè)計的傳播縱波的壓桿試驗裝置，至今仍被稱為霍布金遜桿 (SHPB)。到了二十世紀三十年代，才有人將波動力學研究應(yīng)用在諸如沖擊鑿巖機和鍛錘機械上。 Lessens 在蒸汽鍛錘上進行測試工作，開創(chuàng)了沖擊機械應(yīng)力波狽 (試的先河，他證實了在錘桿中不但有壓應(yīng)力，而且還有與壓應(yīng)力等幅的拉應(yīng)力。且拉、壓應(yīng)力在錘桿中沿縱向反復(fù)傳播。這一結(jié)論動搖了在沖擊部件中只受壓應(yīng)力的傳統(tǒng)觀點。但由于受測試條件、手段以及計算技術(shù)的 限制，直到二十世紀五十年代初，沖擊機械系統(tǒng)的波動力學研究也未引起工程界的足夠關(guān)注，沖擊機械系統(tǒng)的分析和設(shè)計仍停留在牛頓碰撞理論的水平上。在五十年代末隨著電子示波器和電子計算機的普及和應(yīng)用以及基于電子計算機的各種計算方法的不斷完善，使得科學地對撞擊問題中的波動方程進行進一步分析和求解成為可能。沖擊機械系統(tǒng)波動力學研究開始引起各國學者的濃厚興趣。在六十年代至七十年代期間，沖擊機械系統(tǒng)動力學研究主要采用理論分析和實驗研究相結(jié)合的方法，在有關(guān)應(yīng)力波的產(chǎn)生、傳播和耗散，各沖擊部件動態(tài)特性、沖擊機械與工作介質(zhì)相互作用機 理等方面均取得了 許多積極的成果。進入八十年代后，沖擊機械系統(tǒng)的動力學研究主要集中在數(shù)值模擬計算，以及沖擊件疲勞強度分析與設(shè)計方面。各國學者在先前的理論與實驗研究所獲得的數(shù)學模型基礎(chǔ)上，研制了多種雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 11 11 數(shù)值模擬程序，從而使沖擊機械系統(tǒng)動力學的研究更加貼近實際的沖擊機械。 液壓打樁錘就是沖擊機械在土木工程中應(yīng)用的實例之一。其工作原理是 :錘體在重力和液壓力作用下加速向下運動，通過中介物一緩沖墊和樁帽間接撞擊工作對象一樁，利用撞擊產(chǎn)生的沖擊力克服樁周圍土壤阻力，使其下沉，然后錘體在液壓力的作用下作回程運動，如此往復(fù)，直至 將樁打入預(yù)定的深度為止。 2. 1一維彈性桿的波動方程 圖 2.1所示為一等截面直桿，下面討論它沿縱向的運動。首先作兩點假設(shè) :(1)在運動過程中，直桿的每個橫截面始終保持為平面 ;(2)截面上的應(yīng)力分布是均勻的。 對任一長度為 d x的微元受力情況如圖。根據(jù)牛頓第二定律，有 式中 p一一桿的材料密度 (kglms ) ; A 桿的截面積 (m Z); u一一軸向位移 (m); t一一時間 (s); F一一單位截面積上的作用力 (N); f一一單位長度桿之周邊粘性阻尼系數(shù) X一一 x方向的重力 (N) 由 Hooker定律得 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 12 12 這就是一維彈性桿標準波動方程。表 2.1列出了常見材料的物理波參數(shù)。 又由 u的單值連續(xù)條件可得 : 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 13 13 由上可見波動傳播的物理量既可以是運動學參數(shù)，如位移、速度，也可以是其它物理量，如應(yīng)力、應(yīng)變和作用力。以上波動方程都是基于等截面假設(shè)推導(dǎo)出來的，當桿是變截面時，方程形式就有所不同。為了求解方便，常采用含有速度V和作用力 F兩個未知函數(shù)的一階偏微分方程組，且與僅含一個未知函數(shù)的二階偏微分方程等價。 將式 (2.3)對 t求偏導(dǎo)，可得 : 上述只是一種近似處 理，因為在推導(dǎo)過程中假定了應(yīng)力波通過時，橫截面仍保持平面，截面上的應(yīng)力分布是均勻的。事實上，在彈性桿的縱向伸長和縮短的同時，必定伴隨著橫向收縮和膨脹，這個橫向運動使彈性桿截面上分布的應(yīng)力不均勻，橫截面變歪曲了。但是，當彈性桿中的應(yīng)力波波長比桿的橫向尺寸大 10 倍以上時橫向運動是可以忽略的。這也是應(yīng)用一維波動方程研究沖擊機械系統(tǒng)的前提條件。 2. 2波動方程的數(shù)值解 雙缸雙作用液壓打樁錘研究與開發(fā) 14 14 波動方程有兩種求解方法，即波動法和振動法。波動法能給出桿中各處任何時刻清晰的波形，而振動解是由級數(shù)形式給出的，取有限項，不能反映真實波形。在沖擊機械系統(tǒng)動力學的研究中，一般只能采用波動法，而不宜采用振動疊加法。 波動方程的通解，首先由 D Lambert得到 稱 Z為彈性桿的波阻，它表征了桿對波動的傳送能力。 由以上分析可知，波動方程的通解由兩個行波疊加而成。這兩個波均以不變的波速。沿 x軸傳播，但傳播方向相反。一般將沿 x軸正向傳播的波尸稱為順波，而將沿、軸負向