液压打桩锤主体机械结构及液压系统设计_陈冲.docx

.哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作 T 是在导师的指导下，由作者本人独立完 成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。 除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 Q 经公开发表的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论 文工作的知识产权属丁哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内 容编入有关数据库进行检索，可采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内？ 同时本人保证毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待 解密后适用本声明。 本论文 （ 在授予学位后即可 _授予学位 12个月后口解密后）由哈尔 滨 X 程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字 ): R 期 ： y 年 i 月 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 作者（签字 日 期 ： 月 丨 桕 导师（签字 ): >«1>年？月屮日 分类号： _ 密级 : UDC ： _ 编号 : 工学硕士学位论文 液压打桩锤主体机械结构及液压系统设计 硕士研究生 指导教师 学位级别 学科、专业 所在单位 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 陈冲 张忠林副教授 工学硕士 机械电子工程 机电工程学院 2011年 12月 20日 2012年 3月 8日 哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M. Eng Designing the Mechanical Structure and Hydraulic System of Hydraulic Piling Hammer Candidate: Chen Chong Supervisor: Academic Degree Applied for: Specialty: A.Prof. Zhang Zhonglin Master of Engineering Mechanical & Electronic Engineering Date of Submission: Dec.28,2011 Date of Oral Examination: Mar. 11,2012 University: Harbin Engineering University 摘要 大型港口、深水码头、海上平台等基础设施的建造以及深海能源开采等水下作业 对桩基工程的发展提出了新的要求。液压打桩锤作为桩工机械的关键部分，具有能量 大、效率高、无污染等优势，对我国大型桩工机械的发展以及经济建设起着重要作用。 目前国内使用的大型的水下液压打桩锤，全部依靠国外进口，关键技术领域仍处于初 期阶段，因此对液压打桩锤的研究具有重要意义。 本论文中，为了防止桩锤撞击时锤芯反弹以及避免锤芯与桩基的直接撞击，减小 桩锤撞击过程中的振 动与冲击，避免打桩锤与桩基的损坏，设计了液压打桩锤的减振 缓冲结构，包括减震换装置、悬吊装置以及砧铁缓冲结构。设计了柔性轴套以及法兰 两种连接装置，柔性轴套不仅实现了桩锤撞击的柔性冲击，而且能实现打桩锤打击一 定角度的斜桩；法兰连接则实现打击不同直径桩基的目的。为实现液压打桩锤水下作 业，减小打桩过程中锤芯的阻力，设计了气密封结构。 为增加液压打桩锤的打击能量，提高工作效率，采用双作用原理；并在双作用原 理基础上，计算了蓄能器、液压泵以及阀等主要液压元器件的参数，选择了元器件的 型号。简化了液压打桩锤上升、 下降以及保压三个阶段的打桩过程，在此基础上建立 各个阶段数学模型，并采用 AMESim软件仿真分析了上升及下降阶段中高压蓄能器与 锤芯的运动曲线。分析了锤芯与桩基的撞击理论：应力波及锤芯反弹；依据不同材料， 简化了桩锤撞击的模型，定性分析了桩锤撞击产生的撞击力。 本论文通过对液压打桩锤虚拟样机的主体机械结构的设计，不仅解决了桩锤撞击 产生较大振动的问题，而且使液压打桩锤的适用范围更加广泛；对其液压系统的的设 计及仿真，分析了锤芯运动的特点，通过仿真结果，验证了理论分析的正确性，为下 一步进行液压打桩锤的试验样机研制提供了重要基础。 关键 词：缓冲减震装置；液压系统设计；数学描述；桩锤撞击理论 Abstract New requirements have been put forward for the development of the pile foundation because of constructing the facilities such as large port, deepwater wharfs, and sea platform and so on, and working underwater, for example, mining source of energy in deep sea. As a key machinery of piling, hydraulic hammer have powerful energy, high efficiency, non-pollution and other advantages, so it plays an important role in the development of large pile machinery and economic construction. At present, domestic large underwater hydraulic piling hammer all depend on import from foreign countries, and the key technology is still at a primary stage, so it is very importing to study the hydraulic piling hammer. In this paper, in order to prevent ram to rebound and to avoid direct hit between ram and pile, reduce vibration and impact and avoid the damage of hammer and pile, the buffer and anti-vibration device of hydraulic piling hammer, including shock absorber ring, suspension unit and anvil, were designed. And two connecting devices which are flexible collar and flange were designed. Flexible collar not only realized the flexibility of the impact between ram and pile, but also enabled hammer to blow oblique pile of certain angle. And flange connection realized the purpose of hydraulic piling hammer hitting different diameter pile. To realize the function of underwater operation, decrease the resistance of the ham during pile hammer works, the gas seal structure was designed. In order to increase the blow energy and improve the working efficiency, double action principle are used in the hydraulic system. Basing on the double action principle, main parameters of accumulator, hydraulic pump and valves have been calculated, and models of the hydraulic components were chose. Hydraulic piling hammer9 s three stages of piling process: rising, falling and pressure maintaining were simplified, and the mathematical model of each stage is established. The high pressure accumulators curves and the ram movement curves in the rise and down of ram were simulated and analyzed. At last, the impact theory of hit between pile and ram: the stress wave and ram rebounding was analyzed. According to different materials, the hit models between ram and pile were simplified and the impact force was qualitatively analyzed. In this paper, according to design the virtual prototyped mechanical structure and hydraulic system of hydraulic piling hammer, not only the problem of great vibration produced during ram and pile hitting has been solved, but also hydraulic piling hammers applicable scope was more extensive. Basing on the design and simulation of hydraulic system, the characteristics of the ram movement were analyzed. According to the simulation results, the theoretical analysis was verified to be correct, and it provided important basis for hydraulic piling hammer experimental prototype in the next step. Key words: Buffer and Anti-vibration Device; Hydraulic System Designing; Mathematical Description; Impact Theory 目录 m 1胃 f者 i仑 . 1 1.1课题背景及意义 . 1 1丄 1课题背景 . 1 1丄 2课题意义 . 1 1.2打桩锤分类 . 2 1.2.1蒸汽锤 . 2 1.2.2柴油锤 . 3 1.2.3振动锤 . 3 1.2.4液压锤 . 4 1.3国内外研究现状及发展趋势 . 5 1.3.1国内现状 . 5 1.3.2国外现状 . 7 1.3.3发展趋势 . 11 1.4课题研究内容及重点 . 11 1.4.1课题研究内容 . 11 1.4.2课题重难点 . 12 第 2章液压打桩锤机械结构设计 . 13 2.1机械本体结构总体方案 . 13 2丄 1总体方案实现 . 13 2.1.2机械总体结构 . 13 2.2减震缓冲结构 . 14 2.2.1减震环 . 14 2.2.2悬吊装置 . 16 2.2.3桩 -锤缓冲结构 . 17 2.3连接装置 . 18 2.3.1柔性连接轴套 . 18 2.3.2法兰连接 . 19 2.4密封方式 . 19 2.4.1液压打桩锤密封原理 . 20 2.4.2液压打桩锤气密封结构 . 20 2.5本章小结 . 21 第 3章液压锤液压系统设计 . 22 3.1液压系统总体方案 . 22 3丄 1液压系统设计要求及内容 . 22 3丄 2 If乍方式选择 . 23 3.1.3缓冲吸振 . 24 3.2液压打桩锤液压系统 . 25 3.2.1液压打桩锤工作原理 . 25 3.2.2主要液压元件功能 . 26 3.3液压打桩锤液压系统参数计算 . 26 3.3.1参数设定 . 26 3.3.2系统主要参数计算 . 27 3.3.3主要元件选择 . 34 3.4本章小结 . 35 第 4章液压打粧锤打桩过程数学描述及仿真 . 36 4.1液压打桩锤打桩过程数学描述 . 36 4.1.1上升阶段 . 36 4.1.2下降阶段 . 41 4.1.3保压阶段 . 46 4.2液压系统运动学仿真 . 46 4.2.1仿真方法 . 47 4.2.2仿真参数确定 . 49 4.2.3仿真结果及分析 . 49 4.3 本章 . 53 第 5草打桩过程中桩 -锤撞击分析 . 54 5.1撞击理论 . 54 5.1.1桩 -锤撞击应力波分析 . 54 5丄 2锤芯反弹分析 . 57 5.2桩 -锤撞击受力分析 . 59 5.2.1撞击数学模 S . 60 5.2.2撞击力定性计算 . 62 5.3本章吉 . 65 结论 . 66 参考； $：献 . 67 St i射 . 71 1.1课题背景及意义 1.1.1课题背景 第 1 章绪论 在社会经济快速的发展的今天，土地使用面积逐渐减小，而人们对住房、工厂等 需求越来越大，因此，对建筑地基的开发逐渐由硬质土地转到沙滩等软地基上。此外， 修建海上平台、大型港口、深水码头、尤其是深海作业也都对工程作业的发展提出了 新的课题。在今后一段时间内，我国将大力发展高效清洁的海上风力发电，因此对海 上支撑平台的需求大量增加。以往风力发电的基础大多数采用群桩，但群桩作业时间 长、费用高。目前，口本以及欧洲等许多发达国家正在修建的风力发电基础都已经改 为单桩技术。单桩技术主要特点是利用液压打桩锤或振动锤将管径 5 6m、 壁厚 100 mm左右的大钢管打入海底 1。另一方面，经济发展对石油、天然气等能源的依赖作用 逐渐增大，而海底蕴藏了丰富的石油及天然气等，因此石油等能源的开采由内陆转到 海上成为满足石油需求的一个重要方向。海上石油开采平台的导管架、张力腿平台 （ T LP)、 单点系泊系统 （ SPM)、 深吃水立柱式平台 （ SPAR)等海上装置的安装固定，都 需要大型的液压锤。因此大型液压打桩锤在我国的经济建设中发挥的作用越来越重要 2 1.1.2课题意义 现阶段，我国桩工机械主要采用的是柴油锤，但柴油锤具有许多缺点，例如噪声 大、油烟飞散等，对环境带来污染。另外柴油锤还存在制造难度较大、维修困难等缺 点。因此逐渐淘汰柴油锤，采用其他先进打桩锤成为必然。 柴油锤传递能量的效率比液压锤低得多，液压锤传递效率可达 60%-80%，而普通 柴油锤为 30%-40%，而柴油锤产生的噪声远高于液压锤产生的噪声，且液压锤工作时 不产生油烟，不存在污染环境等缺点 3_4。 我国使用的大型液压打桩锤都是从国外引进的，虽然通过消化吸收，液压锤技术 取得了很大发展，但在关键技术领域仍然依赖国外技术。国外引进的液压锤不仅价格 高，且维修维护困难。结合目前的技术以及市场需求，国内有资金、技术等的相关单 位应该进行开发研究，因此大型液压打桩锤的研究与开发，对大型桩工机械的发展与 应用起着关键作用。本课题是水下液压打桩锤虚拟样机及液压系统设计，在德国现有 的最先进打桩锤的基础上，进行虚拟样机设计以及液压系统设计，为后续试验样机的 研制提供了理论与技术支持，进一步工程样机的研制提供重要保 证 5。 1 1.2打粧捶分类 打桩锤主要作用是将桩基打入地基中，其按照不同的工作作用原理可分为：蒸汽 锤、柴油锤、振动锤、液压锤等几种形式。 1.2.1蒸汽锤 蒸汽锤的工作动力来源高温蒸汽或空气的压缩，其适用于打混凝土预制桩、钢管 桩以及斜桩等各种桩基；当其工作方式为压缩空气时，可在水下作业。 按照蒸汽对桩锤的作用方式不同，蒸汽锤分为单动式蒸汽锤和双动式蒸汽锤两种。 1、单动式蒸汽锤 单动式蒸汽锤工作时，依靠蒸汽的压力提升锤芯，当锤芯到达一定高度后，蒸汽 排出，压力突降，桩锤在自重作用下落下冲击桩头进行打桩。如图 1.1所示。 图 1.1活塞冲击式单动蒸汽锤结构 2、双动式蒸汽锤 双动式蒸汽锤（如图 1.2)同样采用蒸汽作为动力，锤芯的升起和降落都是通过蒸 汽压力来实现的。由于蒸汽压力的作用，速度加快，并使桩振荡，可适 a减少桩的摩 擦阻力而增加沉桩速度。其冲击力还可通过改变蒸汽压力来调节，故打桩频率和生产 率都得到提高，这是双动式蒸汽锤的最大优点。 2 1.2.2柴油锤 工作原理类似二冲程发动机，是一个单缸二冲程自由活塞式发动机，它利用活塞 和汽缸的相对往复运动使柴油在燃烧室内燃烧，发出能量而使桩锤得到提升，然后在 具有势能之后自由落下打击桩体。柴油锤起动时需要外力，起动后便可连续打桩，柴 油锤结构示意图如图 1.3所示。 图 1. 3柴油锤 不同的作业环境需要选择不同类型的柴油锤，柴油锤不适用于在过硬或过软土层 中打桩。轻型柴油锤适用于木桩、钢板桩的场合；重型柴油锤则适用于钢筋混凝土桩、 钢管桩的场合。 1.2.3振动锤 振动锤工 作原理是桩锤在外界动力下使桩锤产生高频振动，从而使桩基和桩基周 围的阻力大大减小，桩基在自重或稍加压力的作用下贯入土中 6。 振动锤按工作原理不同分为柔式振动锤、刚式振动锤和冲击式振动锤 7。 3 1、 柔式振动锤 柔式振动锤的特点是电机与振动器用减振弹簧隔开，电机不参加振动，但其自重 仍然通过弹簧作用在桩上，能加大桩的下沉力度。电机使用条件较安全，不易损坏。 但其结构复杂，未广泛采用。 2、 刚式振动锤 刚式振动锤的主要特点是电机和振动器为刚性联接，其打粧效果好。电机在工作 时参加振动，其振动体系的质量増加，使振动幅减小而降低了功效，且因电机不避振 而易损坏，必须应用耐振电动机。 3、 冲击式振动锤 冲击式振动锤的特点是一方面振动器产生的振动依靠过渡装置作用在粧基上的， 避免了直接的传递；另一方面使桩受到连续冲击，提高了工作效率。一般用于黏性土 和坚硬土层上的打桩和拔桩。其缺点是冲击时噪音较大，电机工作时因承受冲击而易 损坏。 1.2.4液压锤 液压打桩锤采用液压油为工作介质，依靠液压能是锤芯上升到一定高度，然后快 速泄油或同时反向供油使锤头快速下落，打击桩体 89。液压锤工作原理如图 1.4所示。 液压打粧锤具有冲击频率高、冲技能量大、公害少等优点。工作时，在撞击接触 面能够产生理想的应力波波形，对于预制桩的打桩效果较好。但构造复杂，造价高， 使用、维修要求高。 适用范围：适用于各类土层和桩形；具有良好的打斜桩的能力；适用于精度要求 高的大型桩基础工程。 2 - 5 一 6 图 1.4液压锤工作原理 1 一高压蓄能器； 2 活塞； 3 低压蓄能器； 4一锤芯 ; 5一减震环； 6 砧铁； 7 粧套 4 1.3国内外研究现状及发展趋势 由于热容积和效率的限制，理论上讲最大的柴油锤的冲击锤芯质量也只能达到 15 吨，不能满足大型预制桩的施工要求。为了寻求柴油打桩锤的升级替代产品，各国都 在研究新的打桩设备和施工工艺，液压打桩锤就是在这种形势下发展起来的。 在最近两届的 bauma国际工程机械展览会上，其展出的桩锤品种逐渐增多，但是 电动锤几乎不见，而液压锤成为了打桩设备的代表，其品种越来越多，功能越来越齐 全 K丨 。 1.3.1国内现状 解放前，我国没有生产和制造打桩锤的能力。上世纪 50年代初期，我国使用的桩 工机械都是旧中国遗留下来的，包括各种蒸汽锤和落锤，这些打桩锤不仅体积质量大， 而且效率很低。一五期间，国家着手吸收消化国外各种型号的蒸汽锤，这个时期是我 国打桩锤发展的初期。 60年代初期，开始大力发展桩工机械行业和建造打桩锤专业研 究室，此时间成为我国自行研制桩工机械的发展时期。至 70年代，我国先后自行研制 成功并批量生产了筒式柴油打桩锤、轨道式三支点打桩架、沉拔桩锤等产品。 80年代 伴随着我国经济的发展以来，桩工行业进入了快速发展阶段，在引进、吸收、转化国 外先进技术的基础上，实现了打桩锤的成套开发研制， 打桩锤技术取得了长足的进步 但大型液压锤全部为国外产品，没有自主研制生产能力 11。 1、模锻锤 模锻锤在我国发展较快，技术也较成熟，出现了许多专业生产制造企业，代表企 业为北京宁远兴达技术开发有限公司。该公司的模锻锤主要包括模锻及自由锻两种型 号，它们都是采用全液压驱动的电液锤，具有轻击快打的特点 12。 如图 1.5所示为 2吨全液压模锻锤。它属于程控全液压模锻锤，由一套机械操纵 系统（手控或脚踏 ） 控制，实现打击、回程、慢上、慢下、任意位置悬锤、不同行程 不同频次连续打击。可以和单杆排油打液气模锻锤一样 实现各种锤锻工艺，用于蒸空 模锻锤的改造和液气驱动模锻锤的换代升级。 5 图 1.5 2吨全液压模锻锤 2、柴油锤 目前国内技术最成熟、应用最普遍的为柴油锤，国内筒式柴油锤生产厂家有较多， 主要包括上海工程机械厂、广东力源液压机械有限公司等。导杆式柴油锤的主要生产 厂有江苏东达、巨力、巨威、抚顺 6409等。其中，上海工程机械厂从德国德尔马克引 进主要技术，大批量研制了 D160、 D220系列柴油锤， D系列柴油锤质量好，已在上 海洋山港、杭州湾大桥、东海大桥以及风电建设等成功应用。 D220型筒式柴油打桩锤的上活塞的重量为 22吨，每次打击能量为 733KNm， 是 目前世界上打击能量最大的筒式柴油打桩锤。该筒式柴油打桩锤总体参 数合理，有合 适的压缩比、独特的燃烧室结构和换气方式，具有打击能量大、油耗省、污染小、故 障率低、维修方便和使用寿命长等特点，其主要技术性能指标达到或接近国际技术最 先进柴油锤的水平。适用于大型混凝土预制桩、钢管桩、 PC桩等类型的基础施工作业， 能充分满足海上石油平台、深水港码头、跨海铁路和跨海大桥等国家级大型工程的建 设要求 13。 D220型筒式柴油打桩锤如图 1.6所示。 图 1.6D220筒式柴油锤 6 1.3.2国外现状 液压打桩锤相对于柴油锤，具有明显的优势，因此目前在欧洲和亚洲的一些发达 国家和地区，如德国、芬兰、日本等，已广泛采用液压打粧锤进行施工作业，柴油锤 等其它形式的打桩锤逐渐退出了舞台。 1、 英国 BSP公司 BSP液压桩锤的优越性： (1) 适用于各种工法，任何桩型； (2) 冲程和冲击频率及液压流量可以实现无级调节，操作简单； (3) 简单方便控制锤击能量和粧受压力，以防止损桩； (4) 锤芯重量可分块自由组合，以适应多种作业需要。 目前 BSP公司主要产品型号为 CG型和 SL型两种型号，分别如图 1.7与图 1.8所 不。 (1) CG型液压锤 CGI80 1800 (1.5m Da) BOO (2.0m Da) $20 (2.4m Da) Speo Drwe Op for concrete Piles up to 1.2m Dia for Lse m feacSers- L Piles to 0.9m Dia for 图 1.7 CG型液压锤结构 CG型液压锤最大特点是桩套的可 替换，采用不同的桩套，能打击各种不同直径 的桩基，因此具有广泛的适用性 14。 (2) SL型液压锤 不同的地基要求及施工环境的影响，会要求采用不同形状的桩基，一般打桩锤只 能打击特定形状的桩基，会导致打桩的局限性。英国 BSP公司 SL型液压锤的诞生解 决了这一问题，采用不同型号的桩套，可实现打击 V型、 H型、 S型等不同形状桩基 15 7 2、荷兰 IHC公司 图 1. 9 S-2300型液压锤结构 IHC型号液压锤主要由蓄能器、砧铁、减震环、锤芯、锤外套等组成。如图 1.9 所示的S-2300型号液压锤，其主要参数如下： 锤芯质量 OT = 115t;最大打击能量五 max =2300KNm; 打击频率 / = 35次 /min;液压油流量为 0 =4000L/min。 IHC型液压锤的动力源可以实现更换，能够依据不同作业要求选择不同的液压泵 站，提供合适驱动能量，提高了工作效率，节约成本。 8 3、 芬兰 JUNTTAN公司 永腾公司于 1979年第一个将全液压打桩机的概念引入生产，面向世界桩工机械设 备市场的需求，利用现代高新技术不断开发新产品。 JUNTTAN公司的产品以高质量， 高效率，高可靠性，易操作和领先的综合技术性能著称于世界。 JUNTTAN公司最主要产品之一为 HHKA系列液压锤，如图 1.10所示，其具有如 下优点： (1) HHKA液压锤采用特别设计的桩帽和粧架，工作过程中降低了粧锤振动，减 小了其冲击噪声，且无尾气排出，无污染。 (2) HHKA液压锤工作时采用双作用原理 ，一 方面锤芯自重提供打击力，另一方 面液压系统采用差动回路，提供液压油压力，大大提高了液压打桩锤的打击能量。 (3) HHKA液压锤根据土质条件以及桩基特点等作业要求，其打击能量和打击频 率可以无级调节，应用于多种作业环境 16。 图 1. 10 HHKA型液压锤 4、 德国 MENCK公司 自从 1868年开始从事打桩事业，已经有 142年的历史，为海洋石油，天然气开采， 风力电场，桥梁与海湾工程等领域提供专业化的液压打