双排倾斜式自动打桩机设计与研究

程世峰

(中国铁建投资集团有限公司，广东 珠海 526238)

0 引言

随着我国科学技术水平的快速提高，也加快了农业机械化的进程，农业生产机械化日益普及，但农业大棚建造环节的机械设备相对较少[1]。在农业大棚建设中，通常采用工程打桩机，工程打桩机采用重锤施工，由于工程打桩机体积大，对于农业大棚间距仅为1.5 m空间相对较小的施工环境适用性较差[2]。为此，本文结合农业大棚打桩机工作环境及工作效率，设计了双排倾斜连续打桩机，实现了木桩与地面呈60°倾斜打桩。该设备具有结构紧凑、体积小的特点，可完成连续双排打桩，较大程度上提高了打桩效率，降低了劳动强度。

1 双排倾斜连续打桩机结构及工作原理

1.1 双排倾斜连续打桩机结构

本文设计的双排倾斜连续打桩机由机架、打桩机构、动力系统、物料供给机构、气动系统及水箱等构成，其结构如图1所示。动力系统包括安装于机架上方用于驱动打桩机构运行的电机和安装于机架下方用于驱动设备前移的电机两部分；打桩机构为杆件结构，气缸安装于撞击杆上，以满足连续打桩需求；气动系统包括控制器、气泵和气缸，控制器和气泵安装于机架上方，为气缸运行提供动力；物料供给机构由输送槽及放料器组成，输送槽用于木桩过渡及定位；水箱用于施工地面的洒水，以避免扬尘，降低木桩入土阻力。

1.2 打桩机工作原理

打桩时，将打桩机移至预打桩位置，将木桩存放于放料器，木桩经输送槽进行过渡及定位。电机驱动打桩机构运转，撞击杆上下移动完成打桩。采用控制器调节，使气缸活塞杆上下移动，完成连续打桩[3]。打桩机构为对称式结构，机架两侧同时运行，进而实现双排打桩。撞击杆与地面为60°夹角，以满足木桩与地面的60°倾斜打桩。

图1 双排倾斜连续打桩机结构

2 双排倾斜连续打桩机设计

打桩机以48 V直流电源驱动打桩机构运转，完成60°双排倾斜打桩。采用压力表、调速阀及气压辅件等实现气缸运动控制，完成连续打桩[4]。

2.1 打桩机构设计

打桩机可实现一次将双排木桩以60°倾斜的方式贯入土地中，在确保打桩机运转稳定性的同时，提高了打桩效率。打桩机构为杆件结构，将打桩动力传递与撞击杆完成打桩[5]，打桩机动力传动结构如图2所示。电机驱动曲柄转动，进而带动连杆1摆动，连杆1摆动的同时竖直杆上下移动，同时连杆2、连杆3、摇杆1和摇杆2运动，带动连杆4和连杆5动作，驱动撞击杆1和撞击杆2沿60°夹角方向往复运动，实现撞击木桩。为了便于直观表达传动系统，采用SolidWorks三维建模软件构建的打桩机传动系统三维模型[6]如图3所示。

2.2 机架设计

机架用于安装打桩机构及辅助部件，其结构强度及承载力为设计重点。打桩机机架以电动三轮车为设计参考，通过链传动实现设备移动。机架下部安装的电机为打桩机移动的动力源，机架结构三维模型如图4所示。

图2 打桩机动力传动结构 图3 打桩机传动系统三维模型 图4 机架结构三维模型

2.3 物料供给机构设计

放料器具有较大的木桩存放能力，可自动放料，节省了人力。打桩机放料器为筒状结构，其上沿装有齿轮，通过两料筒间的步进电机齿轮与料筒齿轮啮合[7]驱动两料筒转动，由于自身重力作用，木桩由机架圆孔输出，完成自动平稳出料，其结构三维模型如图5所示。

输送槽安装于放料器下方，用于将木桩过渡至所需工位。定位套筒位于输送槽下部，用以木桩的60°倾斜打桩。定位套筒及输送槽一方面提高了打桩的安全性，另一方面提升了打桩效果。打桩机输送槽三维模型如图6所示。

图5 放料器三维模型 图6 输送槽三维模型

2.4 气动系统设计

气动系统中，压缩气体通过管路及控制阀输送至执行元件，并驱动执行元件动作，实现空气压力能向机械能的转换[8]。将射流元件与气动逻辑元件组合，实现系统信息传递及逻辑运算。为实现连续打桩，在打桩机撞击杆上安装气压缸，采用气泵存储空气，通过控制器调节实现气压控制，进而实现气缸速度及连续打桩控制。气动系统中控制器和气泵及气缸三维模型如图7所示。

2.5 人-机-环境工程设计

打桩机水箱的设计，避免了工作过程中的扬尘，保证了工作环境的清洁。此外，地面与木桩接触点的洒水，降低了地面与木桩间的摩擦，减小了打桩机工作强度，进而实现了人-机-环境系统的优化设计。

3 打桩机受力分析及动力设备选型

3.1 受力分析

针对农业大棚设计的打桩机载荷为压缩载荷及周期性振动载荷，按载荷构成种类可分为工作过程阻力、摩擦力和传动产生的动载荷。实际使用中，木桩贯入土中有倾斜贯入和竖直贯入两种形式，之后将铁丝固定于木桩顶端，如图8所示。

图7 控制器和气泵及气缸三维模型

图8 木桩倾斜和竖直贯入土中的形式

本文通过试验分析木桩贯入土中的载荷，经测试将长50 cm、直径3 cm的木桩竖直贯入土中，需重量为8.5 kg、高度为1.3 m自由落体重物撞击，由能量换算可计算得到所需电机功率为217 W。而将木桩与地面呈60°夹角贯入土中，经分析计算所需电机功率为251 W。

3.2 动力设备选择

3.2.1 打桩机构驱动电机选择

根据将木桩与地面呈60°夹角贯入土中所需电机功率为251 W，并预计传动机构间功率损耗为500 W，选择打桩机构驱动电机输出功率为1 100 W可满足设计要求(特点稳定可靠)。综合以上分析，打桩机构驱动电机选取永磁无刷直流中置电机，其额定功率为1 100 W，电压为48 V，转速为2 800 r/min。

3.2.2 气缸选择

由于气缸应用于变载荷场景，选取活塞式气缸，以满足负荷转矩及速度范围。此外，打桩机需连续打桩，因此选用气缸可伸长的轴向活塞式气缸。实际应用中，木桩直径为30 mm，因此选用气缸轴径为50 mm。

3.2.3 放料器步进电机选择

实际使用中，两侧放料器驱动所需扭矩T约为10 Nm，放料器需转动18°方可确保木桩由放料器滑出。步进电机负载能力以最大静扭矩Tmax表示，由T=(0.3～0.5)Tmax可得Tmax=20 Nm。因此所选步进电机为步进角18°的110HS20步进电机，其工作时每10个脉冲滑出一个木桩。

4 结论

(1) 基于倾斜木桩及竖直木桩受力分析可知，60°倾斜木桩的农业大棚结构稳定可靠。所设计的打桩机以60°倾斜角进行打桩，提高了打桩质量及木桩的稳定性，且可实现同时双排打桩，提高了工作效率。

(2) 所设计打桩机结构紧凑，物料输送实现了自动化，提高了打桩效率，降低了操作者劳动强度。