液壓振動(dòng)打樁機(jī)設(shè)計(jì)

                 劉軍玉

          （山東理工大學(xué)，山東　淄博　255049）

  摘要：針對(duì)城建、橋梁等各種基礎(chǔ)施工的沉拔樁工作設(shè)計(jì)出了一套完整的液壓振動(dòng)打樁設(shè)備，詳細(xì)闡述了液壓打樁機(jī)的設(shè)計(jì)要求、工作原理以及總體結(jié)構(gòu)。對(duì)液壓打樁機(jī)的液壓馬達(dá)、液壓元件及減震器等關(guān)鍵部位進(jìn)行了選擇和校核。并實(shí)現(xiàn)了打樁機(jī)與某挖掘機(jī)的連接，從而能夠完成對(duì)板樁的夾持、振動(dòng)插拔等工作。設(shè)計(jì)的液壓振動(dòng)打樁機(jī)完全符合設(shè)計(jì)要求。

  關(guān)鍵詞：液壓；振動(dòng)打樁；設(shè)計(jì)

    液壓振動(dòng)打樁機(jī)是一種廣泛用于城市建設(shè)、橋梁、港口等各種基礎(chǔ)施工機(jī)械，它一般與起重或樁架配套使用，適于各類鋼板樁和鋼管樁沉拔作業(yè)，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(yè)。修筑路面施工時(shí)要用打樁機(jī)將樁打進(jìn)泥土中，如果采用靜壓樁，則需要很大的作用力，從而使得打樁機(jī)械過于龐大，給施工造成困難。而振動(dòng)打樁機(jī)可以利用偏心塊的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力來(lái)進(jìn)行打樁。這個(gè)過程克服的泥土阻力很少，只需要較少型的機(jī)械就能解決問題。

    借鑒于國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，我們對(duì)液壓振動(dòng)打樁機(jī)進(jìn)行了研制和開發(fā)。該機(jī)具有貫入力強(qiáng)、噪聲小，沉樁質(zhì)量好，使用方便，適合于各種不同的作業(yè)環(huán)境。操作容易，機(jī)動(dòng)性高，可水下作業(yè)等突出優(yōu)點(diǎn)。

 1. 液壓振動(dòng)打樁機(jī)的設(shè)計(jì)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(guó)外大型機(jī)械壓樁筑路，不僅成本高，操作復(fù)雜，維修也不方便。但是使用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備又難以滿足使用要求，為了解決上述問題，我們?cè)趯?duì)比國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有壓樁機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)之上，對(duì)設(shè)計(jì)提出了以下幾點(diǎn)要求：

（1）打樁形式為激振力打樁，激振力為180KN。

（2）馬達(dá)轉(zhuǎn)速2200r/min，配套油壓力為31MPa。

（3）使用維修方便，適合于多種不同的作業(yè)環(huán)境。設(shè)計(jì)過程中盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件。

  液壓打樁機(jī)的工作原理主要是利用液壓馬達(dá)帶動(dòng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，然后通過一對(duì)齒輪連接作反向的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。在每根軸上裝有兩個(gè)相同的偏心塊，從而使兩軸所產(chǎn)生的橫向離心力相互抵消，而垂直方向的離心和則增加。偏心塊的旋轉(zhuǎn)便帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生上下振動(dòng)。當(dāng)土壤受到強(qiáng)迫振動(dòng)后，其內(nèi)摩擦力減少，強(qiáng)度降低，當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與土壤自振相同時(shí)，土體共振使得樁能夠較輕松地沉入土中。

        2、液壓振動(dòng)打樁機(jī)裝置總體結(jié)構(gòu)的確定

  該裝置由液壓振動(dòng)打樁機(jī)以及延伸臂組成，通過延伸臂與挖掘機(jī)相連接，并利用挖掘機(jī)液壓動(dòng)力帶動(dòng)打樁機(jī)進(jìn)行夾樁、打樁作業(yè)。液壓式振動(dòng)打樁機(jī)主要形式是偏心塊式，由動(dòng)力站和振動(dòng)錘組成，兩者之間通過高壓軟管相連。

  動(dòng)力站由發(fā)動(dòng)機(jī)、主副油泵機(jī)罩和控制系統(tǒng)等組成，主泵主要為振動(dòng)錘的馬達(dá)提供動(dòng)力，副泵一般用于夾樁器夾緊。動(dòng)力站出油口配有快速接頭，以便液壓軟管的拆裝，控制系統(tǒng)配有直接控制和有線遠(yuǎn)程控制。

  振動(dòng)打樁機(jī)主要包括振動(dòng)器、懸掛裝置、夾樁器等。振動(dòng)器是振動(dòng)打樁機(jī)的關(guān)鍵部件，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)成對(duì)偏心塊旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)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(rùn)滑方式，頻率較高時(shí)則采用循環(huán)油壓潤(rùn)滑方式。振動(dòng)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(dòng)器傳遞給樁架的振動(dòng)，且噪音較小。振動(dòng)器的下部連接體為夾樁器，根據(jù)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(jī)構(gòu)如圖1所示。
            
         3、關(guān)鍵部件的選擇與計(jì)算

    3.1 主要性能參數(shù)的確定

（1）液壓馬達(dá)的輸出功率

  輸出功率取決于振動(dòng)器上液壓馬達(dá)的需要，振動(dòng)器所產(chǎn)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

    式中：G—偏心塊重量　　　　　r—偏心塊重心到旋轉(zhuǎn)中心的距離。

（3）振動(dòng)速度，即每分鐘振動(dòng)次數(shù)，一般可無(wú)級(jí)調(diào)速。

（4）激振力
        

（5）振動(dòng)加速度
      

  振動(dòng)加速度一般為重力加速度的倍數(shù)，數(shù)值在10~30g之間。

     3.2 液壓系統(tǒng)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
       

（2）液壓馬達(dá)的選擇

  振動(dòng)打樁所需激振力為180KN，取單位激振力功率為2KW，所以所需功率為：

  需要的轉(zhuǎn)矩為：
      T=9550xP/n=156(N.m)

  根據(jù)上述所需功率和轉(zhuǎn)矩，所選馬達(dá)型號(hào)為A6V55MA

      3.3 減振器的設(shè)計(jì)和校核

（1）減振器的設(shè)計(jì)要求

  根據(jù)使用環(huán)境和條件選用合適的橡膠；注意橡膠與金屬的粘接強(qiáng)度，避免粘接面外的應(yīng)力集中；應(yīng)避免隔振器長(zhǎng)期在受拉狀態(tài)工作。

  對(duì)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(dāng)?shù)膲嚎s，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(zhuǎn)換成熱能，而橡膠是熱的不良導(dǎo)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(jié)構(gòu)上應(yīng)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?yàn)楦粽衿髂軐⒉糠帜芰哭D(zhuǎn)換成熱能，降低了振動(dòng)能量，達(dá)到減振目的。為了避免振動(dòng)對(duì)使用人員和機(jī)器的影響以及對(duì)周圍的噪聲污染，在振動(dòng)部分與斗桿的連接處必須裝有減振器，其隔振效果是評(píng)價(jià)機(jī)器性能的重要指標(biāo)。

  減振器采用的減振系統(tǒng)主要有三種：鋼質(zhì)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(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而得到了最廣泛的應(yīng)用。

（2）橡膠減振器的優(yōu)缺點(diǎn)

   與其它減振器相比，橡膠減振器（圖2）的優(yōu)點(diǎn)如下：橡膠減振器材料的內(nèi)摩擦大，因而阻力大。當(dāng)工作頻率W通過共振區(qū)時(shí)，比較安全。橡膠減振器吸收高頻振動(dòng)的能力高。橡膠材料的彈性模量Z比金屬小得多在工作時(shí)允許較大的變形。橡膠減振器的剛度與硬度有關(guān)，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(lái)獲得不同的剛度。橡膠減振器的質(zhì)量輕，安裝形式可根據(jù)需要確定，便于拆卸。
             

  橡膠減振器有以下缺點(diǎn)：耐高、低溫性能差。耐日照性能差。耐油性能差。使用壽命低，長(zhǎng)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

  設(shè)計(jì)選用剪切型橡膠彈簧，共需8個(gè)。

  使用丁腈橡膠NBR，其
      
     

     
   打樁機(jī)工作時(shí)，每個(gè)減振塊上承受的減振力F：

  據(jù)此得知，設(shè)計(jì)的橡膠減振塊符合要求。

       4、結(jié)束語(yǔ)

   該設(shè)計(jì)成果經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，效果良好。該成果的研制成功是港口等土方工程施工技術(shù)的一個(gè)創(chuàng)新，具有能夠與現(xiàn)有設(shè)備配套、節(jié)約投資、施工速度快、防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)備具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。