夾樁機構(gòu)的設(shè)計,機構(gòu),設(shè)計 南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院 0112020124 曹剛 1. 緒論 1.1液壓靜力壓樁機的發(fā)展概況 ??? 縱觀液壓靜力壓樁機的發(fā)展過程，大致可將其分為兩個階段：第一階段，從20世紀70年代后期到90年代中期，國內(nèi)先后研制了幾種壓樁機，并逐步形成系列產(chǎn)品進入市場。其中具有代表性的兩個系列產(chǎn)品是武漢市建筑工程機械廠生產(chǎn)的YZY系列液壓靜力壓樁機和利用中南大學(原中南工業(yè)大學)智能機械研究所的專利技術(shù)生產(chǎn)的ZYJ系列液壓靜力壓樁機。在這個階段主要解決了這種樁機的設(shè)計理論基礎(chǔ)、動力配置和系統(tǒng)設(shè)計問題，滿足了靜壓樁的基本功能。但就整體來說，其主要特征是樁機壓樁力不大，實際使用的最大壓樁力不足4000kN，絕大部分的壓樁力為1 600~2400kN；功能單一，主要應用于施工現(xiàn)場預制的截面尺寸為(300 mm X 300 mm)~(400mm X 400mm)的鋼筋混凝土方樁(實心件)的正常中位壓樁，單樁設(shè)計承載力標準值在1400kN以下。而預應力管樁和高強度預應力管樁主要是通過錘擊設(shè)備如柴油錘等進行打入施工。 進入20世紀90年代中期以后，液壓靜力壓樁機進入第二發(fā)展階段。由于1994年底在珠海利用液壓靜力壓樁機將直徑500 mm的預應力管樁壓入強風化巖獲得成功，實現(xiàn)了靜壓樁施工技術(shù)的歷史性突破，從此拓寬了靜壓樁的應用范圍，也使預應力管樁在城市和居民住宅區(qū)內(nèi)的應用找到了一條新路子。一方面，實現(xiàn)了靜壓樁的單樁承載力向大噸位方向的快速發(fā)展，與此同時，市場對大噸位樁機的需求不斷增大，而且要求越來越強烈；另一方面，由于施工范圍的不斷擴大，對樁機功能的要求也日益增多，出現(xiàn)了工程施工中許多必須解決的實際問題。這個階段的樁機品種顯著增加，系列化不斷完善，生產(chǎn)廠家也急劇增多，至今在全國約有30個制造廠。其中湖南山河智能機械股份有限公司的生產(chǎn)能力最大，2003年共生產(chǎn)125臺，占全國年總產(chǎn)量的30%~40%。目前的生產(chǎn)能力達到每月15臺，年生產(chǎn)能力在180臺左右，已形成壓樁力為800~10000kN的完整的產(chǎn)品系列，生產(chǎn)的最大噸位機型為ZYJl000。 1.2靜壓靜力壓樁機的發(fā)展趨勢 隨著靜壓樁施工技術(shù)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識的進一步加強，液壓靜力壓樁機的應用將獲得更廣泛的推廣。同時，液壓靜力壓樁機技術(shù)及產(chǎn)品將由粗放型向功能精細化、操作智能化方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢可歸納如下： ? ? 1.進一步多功能化，產(chǎn)品適應能力進一步加強。在較厚硬隔層地質(zhì)條件下施工時，設(shè)計并配置專用的螺旋鉆，提高壓樁機的穿透能力和對地質(zhì)的適應能力；對大噸位樁機開發(fā)相應的夯實裝置，實現(xiàn)以靜壓替代強夯壓樁管徑可從目前的最大600mm增大到800mm以上。 ?? 2.智能化操作與施工的壓樁機開發(fā)。開發(fā)機身液壓自動調(diào)平系統(tǒng)，壓樁過程計算機自動記錄及承載力在線測試，夾持力自動均衡控制，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化操作。 3.異型樁夾持裝置的刀發(fā)。特別是與鋼板樁、工字鋼樁、錐形樁等相適應的夾樁機構(gòu)的開發(fā)。 4.壓樁力大、質(zhì)量輕機型產(chǎn)品的開發(fā)。特別是對于鋼板樁連續(xù)墻施工產(chǎn)品的開發(fā)將是今后靜力壓樁機發(fā)月的新領(lǐng)域。 5.適應于北方寒冷地區(qū)氣溫低、凍土層較厚的樁機產(chǎn)品的開發(fā)。 6.產(chǎn)品向高檔次、高可靠性方向發(fā)展。 1.3靜壓樁機概述 隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，我國在20世紀70年代開始研制生產(chǎn)靜壓樁機。采用靜壓樁機將樁逐段壓入土層中具有如下明顯的優(yōu)點。 1.在施工中無振動、無噪聲、無污染，在城市居住密集區(qū)施工有明顯的優(yōu)越性o 2.油于樁是通過靜力壓入土層，樁沒有受到錘擊樁時所引起的拉伸應力波的沖擊，因 此樁內(nèi)的鋼筋配置和混凝土的強度均可比柴油錘錘擊樁要小，這樣可節(jié)約樁的工程成本。經(jīng)統(tǒng)計，與打擊樁相比，靜壓樁可節(jié)約鋼材47％，水泥12％。 3.采用柴油錘打樁，樁周邊土壤有一定程度的“液化”，因此，樁要經(jīng)過一段時間 “休息”后，才具有真實的承載力，靜壓樁在施工中不會對樁周邊土壤產(chǎn)生較大的干擾，所壓入樁的最終壓力基本上體現(xiàn)了樁的實際承載力，因此施工完成后．根據(jù)壓人過程的壓力曲線可迅速計算出樁的實際承載力。 4.基本上無斷樁。 5.可以直接用靜壓校機對樁進行靜載試驗。 雖然靜壓樁有上述優(yōu)點，但由于靜壓樁機要配有較多的配重，整個機器的拼裝、運輸及工作效率仍然比打擊樁低，所以目前仍不如柴油錘打擊樁與鉆孔樁普及。但隨著城市的發(fā)展，對噪聲及泥漿污染進行越來越嚴格的限制，靜壓樁機必將越來越受到市場的重視。 1.4YZY系列靜壓樁機的構(gòu)造與工作原理 YZY400型靜壓樁機的構(gòu)造: 它由支腿平臺結(jié)構(gòu)、行走機構(gòu)、壓樁架、配重、起重機、操作室等部分組成。 1．支腿平臺結(jié)構(gòu) 該部分內(nèi)底盤、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤的作用是支承導向壓樁架、夾持機構(gòu)、液壓系統(tǒng)裝置和起重機，底盤里面安裝了液壓油箱和操作室，組成了壓樁機的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊，支腿由球鉸裝配在底盤上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長船行走機構(gòu)鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉(zhuǎn)機構(gòu)相聯(lián)。整個樁機通過平臺結(jié)構(gòu)連成一體，直接承受壓樁時的反力。底盤上的支腿在拖運時可以并攏在乎臺邊，工作時打開并通過連桿與平臺形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。 2．長船行走機構(gòu) 為長船行走機構(gòu)，它內(nèi)船體，行走臺車與頂升液壓缸等組成。液壓缸活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過銷鉸與行走臺車相聯(lián)，行走臺車與底盤支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時，頂升液壓缸頂升使長船落地，短船離地，接著長船液壓缸伸縮推動行走臺車，使樁機沿著長船軌道前后移動。頂升液壓缸回程使長船離地，短船落地。短船液壓缸動作時，長船船體懸掛在樁機上移動，重復上述動作，樁機即可縱向行走。 3. 短船行走機構(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu) 它由船體、行走梁、回轉(zhuǎn)梁、掛輪機構(gòu)、行走輪、橫船液壓缸、回轉(zhuǎn)軸和滑塊組成?；剞D(zhuǎn)梁兩端與底盤結(jié)構(gòu)鉸接，中間由回轉(zhuǎn)軸與行走梁相聯(lián)。行走梁上裝有行走輪，正好落在船體的軌道上，用焊接在船體上的掛輪機構(gòu)1掛在行走梁上，使整個船體組成—體。液壓缸的一端與船體鉸接．另一端與行走梁鉸接。工作時，頂升液壓缸動作，使長船落地，短船離地．然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動。頂升液壓缸回程，長船離地，短船落 地，短船液壓缸伸縮使樁機通過回轉(zhuǎn)梁與行走梁推動行走輪在船體的軌道上左右移動。上述動作反復交替進行，實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉(zhuǎn)動作是：長船接觸地面，短船離地、兩個短船液壓缸各伸長1/2行程，然后短船接觸地面，長船離地，此時讓兩個短船液壓缸一個伸出—個收縮，于是樁機通過回轉(zhuǎn)軸使回轉(zhuǎn)梁上的滑塊在行走梁上作回轉(zhuǎn)滑動。油缸行程走滿，樁機可轉(zhuǎn)動15度左右，隨后頂升液壓缸讓長船落地，短船離地，兩個短船液壓缸又恢復到1/2行程處，并將行走梁恢復到回轉(zhuǎn)梁平行位置。重復上述動作，可使整機回轉(zhuǎn)到任意角度。 4．夾持機構(gòu)與導向壓樁架 該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面，壓樁液壓缸與導向壓樁架相聯(lián)。壓樁時先將樁吊入夾持器橫梁內(nèi)，夾持液壓缸通過夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運動，使夾持機構(gòu)在導向架內(nèi)上下運動，將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿后松開夾持液壓缸，返回后繼續(xù)上述程序。 1.5本畢業(yè)論文的主要工作 1.5.1設(shè)計主要參數(shù) 1.樁機總重400噸 2.壓樁力480噸（考慮到安全系數(shù)） 3.壓樁速度2m/min 4.夾樁速度0.7m/min 5.回程速度1.4m/min 6.壓樁行程2m 7.最大樁直徑550mm×550mm 8.最小樁直徑300mm×300mm 1.5.2設(shè)計任務 1.夾持油缸的計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.完成圖紙 夾持油缸裝配圖 夾持機座裝配圖 所有夾持部件的各零件圖 橫梁裝配圖 3.夾持機座的計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.夾持油缸的計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 受力分析 圖1 預制樁受摩擦力 2.2機構(gòu)設(shè)計 為獲取更好的活塞桿剛度，取速度比 夾持油缸 油缸內(nèi)徑D 2.3夾持液壓缸的設(shè)計 2.3.1油缸的選擇 采用單活塞桿雙作用液壓缸。液壓油壓力P=25MPa,并采用頭部法蘭安裝方式。 油缸內(nèi)徑×活塞桿直徑×行程=450mm×320mm×500mm 液壓缸作用力 圖2 1.當無桿腔供油時，活塞桿向外伸出 2.當有桿腔供油時，活塞桿向內(nèi)收進 2.3.2液壓缸的輸出速度 1.外伸時速度 2.內(nèi)縮時速度 2.3.3液壓缸作用時間 1.活塞桿伸出時 2.活塞桿縮入時 2.3.4液壓缸的儲油量 2.3.5液壓缸的輸出功率 2.4.液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算 2.4.1油缸壁厚的計算 按中等壁厚計算 2.4.2缸體外徑計算 2.4.3油口直徑的計算 2.4.4缸底厚度計算 2.4.5缸頭厚度計算 采用螺栓聯(lián)接端部法蘭 圖3 2.5.液壓缸的聯(lián)接計算 2.5.1缸蓋聯(lián)接計算 焊接聯(lián)接計算 液壓缸缸底采用對焊時，焊縫的拉應力為 圖4 2.5.2缸體與缸蓋采用螺釘聯(lián)接時 圖5 2.5.3活塞與活塞桿采用螺紋聯(lián)接 活塞桿要求調(diào)質(zhì)+高頻淬火，為了提高耐磨性和防銹蝕，表面需鍍鉻（鉻層厚為0.05mm～0.08mm）并拋光。 2.5.4銷軸聯(lián)接計算 選用45鋼 2.5.5液壓缸的阻力 油缸的簡圖如下： 圖6 缸筒內(nèi)表面需研磨和滾壓，外表面可不加工，為了不損傷活塞和缸蓋上的密封圈，缸筒在入口處和有密封圈的孔槽口均做成15度坡口。 3.夾持機座的計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1夾頭設(shè)計并驗算 3.1.1夾頭抱樁面為300mm×500mm(方樁) 3.1.2夾頭抱樁面 假設(shè)上述兩種類型的夾頭最薄處厚度均為50mm ,球頭座厚度為50mm，這樣能很好的與夾頭相配合。由于夾頭在壓樁和停止工作時都要與機架相抵以支持橫梁，所以該夾頭設(shè)計為端部開有梯形槽。 4. 強度校核 4.1.螺栓強度校核 4.2推力軸強度校核 計算簡圖： 圖7 圖8 圖9 由上兩圖可知需要校核C面 4.3推力軸軸套強度校核 圖10 4.4夾板焊接的強度校核 焊縫只受壓力作用 4.5橫梁內(nèi)部豎板的焊縫強度校核 4.6按強度條件驗算活塞桿直徑 球頭強度校核同上 因為球頭直徑與活塞桿直徑相同，這樣便于機械加工。 4.7活塞桿端部連接螺紋的強度計算 4.8支撐板螺釘強度校核 4.9縱向彎曲極限力的計算 液壓缸受縱向力以后產(chǎn)生軸向彎曲，當縱向力達到極限力以后，缸產(chǎn)生縱向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限的力與缸的安裝方式，活塞桿直徑及行程有關(guān)。 圖11 4.10縱向彎曲強度計算 5. 橫梁箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 該橫梁采用箱體結(jié)構(gòu)，壁厚為30mm，箱蓋與箱體之間采用10個M30螺栓聯(lián)接。根據(jù)壓樁油缸端部法蘭尺寸，確定箱體長3000mm,寬1200mm。為防止磨損過大，加以襯套，厚度為50mm。 夾樁液壓缸缸筒一端通過端部法蘭與橫梁內(nèi)部筋板聯(lián)接?；钊麠U一端通過球座與夾頭圓柱的球頭聯(lián)接。 6.其余主要零件的的設(shè)計 6.1滾輪 橫梁上的滾輪由于主要起導向作用，故要求不高，但考慮到夾樁過程中會有偏心，箱體中心線與夾頭中心線不重合，產(chǎn)生偏心力矩。故選用《機械設(shè)計手冊》中，在滾輪欄中選擇圖示滾輪。滾輪材料按手冊要求采用65錳。 圖12 另為了使?jié)L輪能有微調(diào)功能，采用偏心襯套故滾輪內(nèi)孔孔徑選用Φ250mm。 6.2滾輪軸 滾輪軸徑大小的選擇，一方面與滾輪的孔徑相配合，另一方面，滾輪軸起加固橫梁箱體支撐偏心彎矩，故軸徑為Φ180mm。材料選用45鋼，另為了防止軸向竄位，故設(shè)計中止動槽。 6.3滾輪襯套與偏心襯套 在設(shè)計此零件時，我們?yōu)楸M量使兩個零件的工藝相同，所以采用相近的形狀。偏心襯套中有油杯孔道使?jié)L輪與襯套接觸面保持潤滑，而滾輪襯套中有與滾輪軸相配的油孔道，偏心襯套還起滾輪外擋圈的作用，防止?jié)L輪軸向竄位。襯套與軸用M16螺釘聯(lián)接。為使拆裝方便，偏心襯套亦便于調(diào)心。 圖13 6.4錐銷鎖緊擋圈 查《機械設(shè)計手冊》，按不同的軸徑選用GB錐銷鎖緊擋圈，并選擇相應的錐銷。《機械設(shè)計手冊》中有詳述。 7.油缸主要零件結(jié)構(gòu)、材料和技術(shù)要求 7.1缸體 7.1.1缸體底部連接形式 缸體底部與缸體的連接用焊接形式 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、使用廣泛 缺點：缸體焊后可能變形，并且內(nèi)徑不易加工（主要用于柱塞式液壓缸） 7.1.2缸體材料 選用35鋼無縫鋼管 35鋼有較好的塑性和適當?shù)膹姸龋附有阅芎?，但焊前要預熱，焊后回火處理。粗加工后調(diào)質(zhì)使硬度達到HB241～HB285。 7.1.3內(nèi)徑的加工粗糙度取=0.2～0.4，缸筒內(nèi)徑都需要進行衍磨，為提高壽命，防止腐蝕，缸體內(nèi)表面可以鍍鉻，鍍鉻厚度應為0.05mm～0.08mm。鍍鉻在缸體內(nèi)表面進行衍磨或拋光。 7.2缸蓋 缸蓋為活塞桿導向套自身 7.2.1缸蓋與端部連接形式：螺釘連接 優(yōu)點：安裝時端部進入缸體較深，密封性能好 缺點：結(jié)構(gòu)不夠緊湊，重量大 7.2.2缸蓋材料 液壓缸缸蓋為活塞桿導向套時，用HT250，并在其工作表面熔進黃銅、青銅或其他耐磨材料。 7.2.3缸蓋外形鑄造而成 圖14 7.3活塞 7.3.1活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu) 圖15 7.3.2螺紋聯(lián)結(jié) 7.3.3活塞材料常用耐磨鑄鐵HT200 7.3.4活塞結(jié)構(gòu) 圖16 7.4.活塞桿 7.4.1端部結(jié)構(gòu) 圖17 7.4.2活塞桿材料 材料選用45鋼，45鋼強度較高、韌性中等、粗加工后調(diào)質(zhì)硬度至HB229～HB285。再高頻淬火硬度至HRC45～HRC55 7.4.3活塞桿工作表面粗糙度不大于=0.04，要鍍鉻、拋光。 8.液壓缸各部件的密封和防塵 8.1.活塞與缸體的密封 8.1.1活塞與缸體的密封結(jié)構(gòu) 8.1.2型孔用密封圈耐高溫，耐磨性好，低溫性能好，材料為聚氨脂，公稱直徑=450mm查《機械設(shè)計手冊》型密封圈溝槽形式如圖 8.1.3孔用型密封圈破壞原因之一，是在工作壓力作用下，密封圈被擠入間隙內(nèi)，經(jīng)過多次往復運動，密封圈端部被逐步撕裂，時間越長破壞越嚴重，造成密封圈早期失效，為防止這一現(xiàn)象，應盡量選擇小的間隙及適當?shù)哪z料硬度。 圖18 圖19 8.2活塞桿的密封 8.2.1活塞桿的密封結(jié)構(gòu) 圖20 8.2.2型密封圈 型密封圈的結(jié)構(gòu)特點是截面小，結(jié)構(gòu)簡單，截面的長寬比有兩倍以上，因而密封圈在溝槽中不會翻滾，密封圈的內(nèi)外唇具有不同的高度，短唇與密封面接觸。這種結(jié)構(gòu)無論在高壓、低壓或快速運動中，均有良好的密封性。缺點是耐熱性較差，一般只能在80攝氏度下長期工作。材質(zhì)是聚氨脂，公稱直徑 8.2.3防塵圈 防塵圈是適用于安裝在往復運動液壓缸活塞桿導向套上，起防塵以及密封作用的防塵密封圈，防塵圈有A、B、C三種。在此選A型，起消除活塞桿外露部分粘附的塵土，保證油液清潔，應用于油壓、水壓和空壓機械的防塵。材料為橡膠，使用溫度，在用礦物油時為-35～100攝氏度；在用水、氣時為70攝氏度。 8.3導向套和缸體的密封 8.3.1導向套和缸體密封的結(jié)構(gòu) 圖21 8.3.2 O型密封圈 O型密封圈具有良好的密封性，是一種壓縮性密封片，同時又具有自封能力，故使用范圍廣。使用不同材料的O型密封圈可分別滿足各種介質(zhì)和運動條件的要求，O型密封圈形狀簡單，制造容易，價格低廉，使用方便。材料為聚四氟乙烯，因工作壓力大于10MPa，所以用擋圈。查《機械設(shè)計手冊》，其溝槽如下： 圖22 8.3.3擋圈 孔用：擋圈公稱直徑D=420mm 材料為聚四氟乙烯 硬度HB90 軸用：擋圈公稱直徑d=280mm 材料為聚四氟乙烯 硬度HB90 8.4 標準件的選擇 8.4.1油孔：GB2878-81 M60×2 內(nèi)螺紋 缸體底部、端部各一 8.4.2密封圈 型密封圈：孔用 JB/ZQ4264-86 Φ450 活塞與缸體之間二個 軸用 JB/ZQ4265-86 Φ320 導向套與活塞桿之間一個 O型密封圈： ZBJ2002-80 S220-D 導向套與活塞桿之間一個 8.4.3防塵圈：GB/0708.3-89 Φ320 導向套與活塞桿之間一個 8.4.5擋圈: GB894.1-86 Φ320 軸用擋圈 GB893.1-86 Φ450 孔用擋圈 9.總結(jié)與展望 YZY400全液壓靜力壓樁機的夾持機構(gòu)，尺寸基本合理，機構(gòu)強度滿足相應要求，根據(jù)給定的主要參數(shù)，參考相關(guān)計算，設(shè)計的夾樁液壓缸比較科學經(jīng)濟，大量采用焊接工藝，夾持部分的結(jié)構(gòu)更簡單，節(jié)省材料。采用偏心襯套調(diào)整滾輪，進而調(diào)整橫梁的垂直度，從而保證壓樁的垂直度。 10.致謝 在大學四年期間，始終得到了院各位老師的悉心指導和親切關(guān)懷。老師嚴謹?shù)膶W術(shù)態(tài)度和誨人不倦的高尚師德，學生將奉為終生楷模，謹此表示最誠摯的敬意和衷心的感謝。 本論文是在導師悉心指導下完成的。同時在項目研發(fā)期間得到了南京工業(yè)大學機械學院鄭鳳琴老師的指導和幫助。老師淵博的學識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和不倦的求索精神，都使我受益匪淺。在此老師致謝。 同時需要感謝的還有和我同組的其他同學，感謝他們在我項目遇到困難時給予我的幫助和鼓勵，正是在同學們的熱情鼓勵和支持下，項目才能得以順利完成。在此向各位同學表示深深的謝意。 參考文獻 ［1］楊位光編：《地基及基礎(chǔ)》，北京，中國建筑工業(yè)出版社，1998 ［2］徐灝編：《機械設(shè)計手冊》，北京，機械工業(yè)出版社，1991` ［3］戈曉嵐、王特典編：《工程材料》，南京，東南大學出版社，2000 ［4］袁國定編：《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)》，南京，東南大學出版社，2000 ［5］何紅媛編：《材料成形技術(shù)基礎(chǔ)》，南京，東南大學出版社，2000 ［6］中國焊接學會等編：《焊接手冊》，北京，機械工業(yè)出版社，1998 ［7］王赫、鄭鳳琴等編：《樁基礎(chǔ)工程施工與組織管理》，北京，建筑工業(yè)出版社，1997 ［8］蔡春源主編：《新編機械設(shè)計手冊》，遼寧，遼寧科技出版社，1993 ［9］楊智信主編：《高層建筑施工手冊》，北京，機械工業(yè)出版社，1992 ［10］胡炎村等編：《機械基礎(chǔ)及建筑機械》，武漢，武漢工業(yè)大學出版社，1989 ［11］劉古岷、王渝、胡國慶等編：《樁工機械》，北京，機械工業(yè)出版社，2001 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