基于液压打桩机的结构设计及其优化分析

黄爽

摘 要：随着我国经济的快速发展，对液压打桩机的需要也与日俱增。文章基于液压打桩机的结构设计分析，以液压打桩机为研究对象，利用三维有限元软件对其进行网格划分和边界约束，这样有效了提高了有限元分析的精度。以有风和满载的工况下，对其强度和稳定性进行数值分析，得到了打桩机整机及重要的应力和位移分布云图，优化打桩机在不同工况下各个构件的应力分布情况，以此验证打桩机的结构设计，为液压打桩机的改良提供一定的参考依据。

关键词：液压打桩机；结构设计；优化分析；网格划分

中图分类号：TU67 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0086-02

Abstract： With the rapid development of economy in our country， the need for hydraulic pile driver is increasing day by day. Based on the structural design and analysis of the hydraulic pile driver， this paper takes the hydraulic pile driver as the research object， makes use of the three-dimensional finite element software to carry on the mesh division and the boundary restraint， thus effectively enhances the finite element analysis accuracy. The strength and stability of the pile driver are numerically analyzed under the conditions of wind and full load. The stress and displacement distribution cloud pictures of the whole pile driver are obtained， and the stress distribution of each component of the pile driver under different working conditions is optimized， in order to verify the structural design of the pile driver and provide a certain reference for the improvement of the hydraulic pile driver.

Keywords： hydraulic pile driver； structural design； optimization analysis； grid division

引言

随着城市的高速发展，在轨道交通、高层建筑、高速路桥、铁路建设等领域都增加了对桩工机械的需求，其中，液压打桩机也不例外，打桩机的广泛使用加快了我国的基础建设[1-2]。液压打桩机是以液压锤为介质进行打桩，而液压锤主要是通过电机驱动的液压泵为其提供动力，在转换过程中，采用液压油的方式来传递动力，使得桩锤进行打桩作业。

在桩工机械的发展和进步过程中，液压打桩锤的种类和功能也不断在增加，其类型有单作用式、双作用式、静压式和振动式等液压打桩锤，其主要根据不同的使用工况来选择[3]。与此同时，也逐渐的取代了过去传统的打桩形式，更好的满足市场的需求。本文基于液压打桩机的结构分析，结合打桩机的发展历史和对现阶段国内外对液压打桩机的需求进行分析，对其工作时的状态进行有限元分析，研究其稳定性和可靠性。

1 液压打桩机的有限元分析

在分析打桩机的结构过程中，由于桩架在打桩作业时，承载着打桩设备和预制桩，以及导向、变幅的作用，因而本文主要以桩架为研究对象。打桩机的桩架结构由板材的焊接、螺栓的相互连接等构成，其桩架结构也是打桩机的重要组成部分，起着该机械设备作业时的大部分负载。由于每一台打桩机的成本比较昂贵，基本上都在几十万元以上，往往是由于机械设备的结构设计不合理、施工方操作没按标准执行，这些都会使得机械设备出现大小不一的故障，甚至发生重大安全事故和人身安全，因此，为了液压打桩机的桩架具有较好的结构和安全性能，需要对其结构进行有限元分析。

通过查阅相关文献和资料，建立打桩机的三维模型，并将其模型导入到有限元软件进行处理和分析，在对结构进行有限元分析之前，需要对模型进行网格划分，就需要对其进行简单的预处理：第一，对于模型中的缺损、重叠和错位的几何面，需要忽略对这些边线的划分，并删除重合的面、线以及线上所包含的多余的点；第二，对于模型中的细小结构，需要合理的划分，如果网格划分过小，直接增加了计算机的计算量和时间，划分出来的单元比较小；如果划分过大，这无法体现出模型的细小结构的特征。因此，在对计算结果影响不大的前提下，对这些几何特征进行相应的删除处理是非常必要；第三，忽略相关的螺纹连接件，比如：螺钉、螺母等，简化网格划分的难度。

为了建立合理而正确的有限元模型，在进行网格划分时，一般都要考虑如下几点因素：第一，网格疏密程度。为了适应结构不同位置处应力分布不同的特点，对于结构的不同部位应该采用大小不同的网格进行划分。在应力变化相对较大的部位需要划分的更为密集，才能真实的反应应力的分布情况，在应力变化比较小的区域，采用一般的单元进行划分即可；第二，网格划分的数量。在理想情况下，三维模型的网格数量越多，就能越反应真实的受力状态，这样得到的计算结果会更加精准，但三维模型的网格数量的增多，会增加计算机的计算量，增加了其运算时间，因此，应结合三维模型的实际情况和计算机的运算大小，选用适当的网格数量。第三，網格划分单元的阶次。网格单元可以分为线性、二次等形式，当然越是高阶次的单元就能更加接近模型的实际受力状态，但同样也需要面临计算机的运算，高阶次的形式，其求解的时间也要增加很多，需要根据不同的结构选取不同的单元阶次，以此反应更为真实的实际情况。第四，网格的质量。网格单元的质量，在网格划分中是比较重要的一环，其求解结果的准确性直接关系到有限元分析的精度，如果网格质量太差，就会导致分析的结果与实际模型的受力状态相差很远，因此，选取合适的网格质量进行分析。

对整个打桩机的重要构建的网格划分如下：第一部分，立柱单节总成。立柱由各个立柱单节依靠螺栓连接而成，并与回转平台、斜支撑等结构相连。在进行网格划分时，爬梯对分析的影响很小，在几何处理过程中作删除处理，不进行网格划分。在立柱单节圆筒与法兰连接处等地方，采用了一定数量的三角形单元进行过度。对于相同的单节立柱，进行单元的复制和镜像等处理，节省网格划分的时间。第二部分，回转平台总成。回转平台结构主要由薄壁钢材焊接而成，包括回转前平台、回转后平台、法兰、回转支承凸台、斜支撑梁和回转减速机架等部分。回转平台在总体上是对称结构，划分网格时先划分对称的一半，镜像后得到整体模型，在前后回转平台法兰连接处、法兰本身结构等位置采用了较少的三角形单元进行过度。其立柱和回转平台的网格模型如图1所示。

经过分析，打桩机经过有限元模型可以得到，打桩机的网格划分模型，在其过程也需要严格的保证网格划分的质量，以此完成打桩机整机的网格划分。

2 打桩机桩架有限元分析

在实际运行中，其打桩机的工况相对复杂，非常有必要对打桩机的整体结构进行强度验证分析。通过对打桩机的模拟施加载荷和对边界条件进行约束，最后通过有限元分析，以此得到结构的变形和应力分布，并对结果进行分析。

本文以有风荷和满载的条件下分析其强度，如果满足此工况条件，那必然也满足其他的工况。用三维软件模拟打桩机桩架在有风荷作用下进行打桩工作的状态，以施加载荷和风速25m/s的条件进行模拟分析，并考虑模型的自重，得到打桩机的应力和应变云图。

通过分析，其最大应力和应变都符合材料的屈服强度，液压打桩架的应力和应变的最大值都处于该结构的安全应力的范围内，可以判断其结构设计和所选材料符合液压打桩机的性能要求，故，在有风和满载的情况下，液压打桩机的设计符合要求。

虽然应力和应变符合要求，依然可以对其进行简单的优化，提高其性能和结构的稳定性，通过对整机的结构施加外界激励频率，以此分析结构设计的稳定性和安全性，尽早地察觉设计的缺陷，及时对缺陷进行修改，验证设计的正确性，提高产品的设计质量和缩短研发周期。通过对整机的回转平台的结构进行模态分析，对回转平台结构自由状态下的模态进行求解，计算得到的前四阶的模态振型。

通过液压打桩机的模态分析，分析得到实验结果：回转平台前四阶非刚体模态的固有频率及相应振型，应用模态分析方法对回转平台结构进行分析评价，具体原则如下：

（1）结构的低阶固有频率值应高于外界激励频率，包

括回转支承齿轮啮合频率、路面激励频率以及其他动力产生的振动频率等，以避免结构发生共振。

（2）结构振型应尽量光滑，避免有突变。

（3）由于打桩机由各个部件组成，风振和重载对整机的作用会对各组成部分产生一定影响，需要考虑风振及桩锤工作时振动的影响，结构的固有频率应高于风振频率。

3 结束语

通过分析液压打桩机的结构分析，分析了传统打桩机的不足和缺陷，不断的优化和发展，使得液压打桩机更加具有稳定性。本文利用有限元软件对其整机进行有限元分析和模态分析，得到应力分析云图和应变云图以及模态结果，验证该机型是否符合设计的要求，这样有效的提高了打桩机的强度和稳定性，为液压打桩机的发展提供一定的参考文献和数据。

参考文献：

[1]朱恩泽，施光林.液压打桩机国内外发展综述[J].流体传动与控制，2016（06）：5-11.

[2]李利，刘潇冬，施旭峰.雙排倾斜式自动打桩机的设计研究[J].机械设计与制造，2018（04）：140-142+146.

[3]陈忠孝，韩锦波，李雪艳，等.面向灌注桩施工的冲孔打桩机远程控制及通信[J].西安工业大学学报，2017，37（02）：163-167.