黄河防洪夯实打桩一体机的设计

2014-12-02赵信峰胡修池

黄河水利职业技术学院学报 2014年3期

李冰，赵信峰，胡修池，宋新

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

0 引言

在现有的施工机械中，夯实机和打桩机是相互独立的两种机械，分别具有夯实和打桩两种作业功能［1］。在黄河防洪抢险工程中，当遇到加固大坝、修整道路和抢修堤防设施等紧急任务时，往往会要求快速实施夯实和打桩两种作业。然而，由于现场路面条件差和施工环境差，施工设备难以进入，造成夯实和打桩两种作业的劳动强度大，工作效率低［2］。

黄河防洪用夯实打桩一体机（专利号：201220007998．4）是在原有液压挖掘机上加装一套夯实打桩机构，其结构简单，操作方便，特别适合防洪和施工条件恶劣的施工环境。笔者探讨了该设备的结构和原理。

1 结构设计

防洪用夯实打桩一体机是安装到液压挖掘机上进行使用的，即拆去液压挖掘机的铲斗，将其安装在相应的位置。该设备主要由机体、液压冲击振动器、夯实锤和桩体夹持机构等组成（如图1所示）。

1．1 机体

机体是用来安装夯实打桩一体机的工作机构，其上设有安装销孔，通过销轴安装在液压挖掘机斗杆上的相应位置（如图1所示）。

1．2 桩体夹持机构

桩体夹持机构由一对液压缸和夹持臂组成。如果夯实打桩一体机是安装在液压挖掘机上使用，还需要增设一套液压系统来驱动和控制左右两个液压缸，实现打桩和夯实两种作业的转换以及桩柱的夹持和松开。

图1 夯实打桩一体机结构图Fig.1 Punning&Piling AIO structure

桩体夹持机构不仅要实现其功用，也要保证其所依附的挖掘机等机器的稳定性和安全性。在进行了参数和结构设计以后，还借助三维设计软件SolidWorks2012进行了运动分析和静态分析。图2和图3是所设计的桩夹持机构两种作业工况的仿真图。图1为其零部件及装配设计仿真情况。

图2 夯实作业（夹持臂松开桩柱）Fig.2 Punning work

图3 打桩作业（夹持臂松开桩体并扶持桩体）Fig.3 Piling work

1．3 液压冲击振动器

液压冲击振动器是夯实打桩一体机冲击振动的动力装置。它利用液压挖掘机提供的高压液压油产生冲击振动，并作用于夯实锤，实现夯实或打桩工作。

按照挖掘机的质量及其液压系统工作压力，可以选择与之匹配的液压冲击振动器，并且能够查知夯实作业时夯实锤的冲击能（包括打击速度和冲击能量）。冲击能计算方法有很多，其中一种简便可行的方法是按式（1）进行计算。

式中：P0为氮气室充气压力，kPa；V0为原始氮气容积，m3；A3为活塞上端面的面积，m2；A1为活塞前腔的有效作用面积，m2；A2为活塞后腔的有效作用面积，m2；P为液压冲击器系统压力，kPa；W 为活塞重力，kN；X为活塞冲程运动中的位移，m。

按该方法计算的前提条件是：假设液压系统的油泵流量足够大；夯实锤在液压冲击器高压回路上安装高压蓄能器，保证液压冲击器在冲击过程能实时地补油，使液压系统压力始终恒等于溢流阀的调定压力，即近似为一个常数。

此设计所用的挖掘机为XE60型液压挖掘机，其整机工作质量约6 t，液压系统工作压力为10～14 MPa。选用与挖掘机匹配的液压冲击振动器的打击速度为 7．11 ～7．74 m／s，冲击能量为 463．5 J～548．7J，满足设计要求。

1．4 夯实锤

夯实锤接受来自液压冲击振动器的冲击振动，进行夯实或打桩作业。它由夯实锤柄和锤头组成（锤柄和锤头直接焊接在一起）。为了增加夯实锤的强度和刚度，在锤柄和锤头连接处，设置4块加强筋板。在锤头上，左右对称的开设了两个槽，为夹持臂加紧桩体留出空间，如图4所示。

图4 锤头结构Fig.4 Hammerhead structure

参考破碎锤的钎杆选材，夯实锤柄和锤头的材料可选用12CrMn、40CrMn和42CrMo。夯实锤柄和锤头的结构尺寸按照桩柱所受最大冲击力确定，也可以参考破碎锤的钎杆尺寸、夯实锤击打的桩柱以及挖掘机的稳定性因素确定。防汛抢险用打桩的作用对象多为木桩，以此为初始条件，建立夯实锤的三维模型，并在Solidworks simulation中，用掉落测试法进行冲击性运算。图5为夯实锤应力云图。

通过对以上结果和数据分析可知：最大应力出现在筋板上，大小为198．227 MPa，小于材料屈服极限221 MPa，故冲击锤强度符合要求。

1.5 夹持臂受力分析

当夹持臂夹住木桩时，其受力情况如图6所示。受力关系如式（2）所示。

图5 夯实锤应力云图Fig.5 Punning hammer stress nephogram

图7 夹持臂三维模型图Fig.7 Clamp arm 3D model

图6 夹持臂受力分析图Fig.6 Clamp arm stress analysis

图8 夹持臂应力云图Fig.8 Clamp arm stress nephogram

按照夹持臂的夹持力为50 kg、N＝490 N，计算结果得： F1＝1 730 N；F2y＝1 723．41 N；F2x＝640．779 N。建立夹持臂的三维模型如图7所示。利用Solidworks进行运算，图8为其应力云图。

通过对以上结果和数据进行分析可知：最大应力出现在中间销孔处，大小为27．46 MPa，小于材料屈服极限207 MPa，故夹持臂强度符合要求。

2 工作原理

2．1 夯实作业

当进行夯实作业时，需要收起桩柱夹持机构的夹持臂。具体的工作过程为：左右两个液压缸下腔进油，液压缸的活塞缩回，使得与活塞相连的两个夹持臂受力，并绕机体向上转动（夹持臂收起），如图2所示。当启动液压冲击振动器时，其冲击振动力作用于夯实锤，使夯实锤产生上下冲击振动，实现夯实作业［3～5］。

2．2 打桩作业

打桩作业时，在对桩体施加冲击振动的同时，还能有效地夹持住桩体，保证作业的可靠性。具体的工作过程为：左右两个液压缸上腔进油，液压缸的活塞伸出，使得与活塞相连的两个夹持臂受力，并绕机体向下转动，夹持住桩体。启动液压冲击振动器，其冲击振动力作用于夯实锤，使夯实锤产生上下冲击振动。夯实锤产生的上下振动冲击力将桩体打入地面，如图3所示。桩柱所受最大冲击力可根据其夯实锤的冲击能量和打击速度，并考虑其工作效率进行确定［6］。