履帶樁架整體穩(wěn)定性分析

孫文，姜超

（方圓集團(tuán)有限公司，山東 海陽(yáng)265100）

1 前言

JZL系列電動(dòng)履帶式樁架是樁工機(jī)械的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于城市建筑的各種樁基礎(chǔ)工程、鐵路交通基礎(chǔ)工程、深基坑支護(hù)工程和防洪工程中的防滲壩工程等各類(lèi)民用與工業(yè)建筑施工中。樁架用來(lái)懸掛樁錘、吊樁就位、沉樁導(dǎo)向以及安裝各種成孔裝置，為成孔裝置導(dǎo)向。樁架按移動(dòng)方式分為：履帶式、輪胎式、軌道式、步履式等。由于履帶式樁架集中了目前國(guó)內(nèi)外兩大類(lèi)型樁架——自行式履帶樁架和步履式樁架的優(yōu)點(diǎn)：既具有履帶式樁架的機(jī)動(dòng)能力與施工效率，又具備步履式樁架的安全穩(wěn)定性和低廉的價(jià)格特點(diǎn)。全電力驅(qū)動(dòng)，大大降低了產(chǎn)品故障率，噪音低，利于環(huán)保。因此履帶式樁架使用方便、應(yīng)用廣泛、發(fā)展較快。我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)復(fù)雜，加之新型基礎(chǔ)施工工法的增多，以及樁工機(jī)械單件小批量的特點(diǎn)，這就要求廠家能快速有效地開(kāi)發(fā)出各種型號(hào)的樁工機(jī)械，以滿(mǎn)足用戶(hù)需求。實(shí)際施工中經(jīng)常有用戶(hù)對(duì)所需樁架加高立柱而其它參數(shù)不變。這時(shí)，我們?cè)谠袠都艿幕A(chǔ)上改造，需要計(jì)算校核其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、起架穩(wěn)定性和起架能力。起架裝置是為樁架自身立架所用，由起架拉繩、起架拉桿、起架卷?yè)P(yáng)機(jī)等組成。當(dāng)立柱加長(zhǎng)后，為了保證其壓桿穩(wěn)定，一般應(yīng)將斜撐上鉸點(diǎn)上移，即加長(zhǎng)斜撐長(zhǎng)度，但這樣就會(huì)加大立柱、斜撐和頂部滑輪組的反力矩，可能造成整機(jī)起架時(shí)穩(wěn)定性和起架卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)起架能力的不足。因此，應(yīng)重新校核此時(shí)起架的穩(wěn)定性和起架能力，以下以JZL120 A履帶、三點(diǎn)支撐式樁架為例，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和Solidworks三維設(shè)計(jì)兩種方法分析其整體穩(wěn)定性，并進(jìn)行對(duì)比。

圖1 JZL樁架結(jié)構(gòu)圖

2 計(jì)算方法求解中心位置

首先，我們將樁架中所有零部件通過(guò)計(jì)算，將其重量、重心坐標(biāo)輸入Excel表格，以回轉(zhuǎn)支承圓心正投到水平面為坐標(biāo)原點(diǎn)；前后方向（司機(jī)室朝向立柱方向）為Y軸正方向；樁架左右方向定為X軸，以左為負(fù)，右為正；垂直方向定為Z軸，水平面以上為正（以下所有計(jì)算載荷表均與此同）。

2．1 起架工況

起架時(shí)前擺腿在最前位置，距回轉(zhuǎn)中心4．4m。由計(jì)算表格可得：

穩(wěn)定力矩總和為：

∑M穩(wěn)＝4081406 N·m

傾翻力矩總和為：

∑M傾＝3664064 N·m

穩(wěn)定力矩超傾翻力矩為：

（4081406－3664064）÷3664064×100%

＝11．4%＞10%

結(jié)論：起架安全。

圖2 JZL 樁架起架圖

表1 JZL120A起架穩(wěn)定性計(jì)算載荷表（水平0°）

表2 JZL120A起架穩(wěn)定性計(jì)算載荷表（水平0°）（少2m節(jié)，減3t配重）

以上為配重估計(jì)值，如果起架不安全，則加大配重，也可以根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)反推配重重量。同理如果用戶(hù)需要的樁架立柱高度矮一節(jié)（2m），配重估計(jì)減少一塊2500kg，達(dá)不到穩(wěn)定性要求，可以重新快速計(jì)算配重重量。

2．2 工作工況

以最大拔樁力（800k N）狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，以前擺腿為支點(diǎn)風(fēng)從后向前吹，前擺腿到回轉(zhuǎn)支撐的距離3．5m，鉆桿中心到前擺腿的距離1．2m，輔助裝置總重5000kg，安全系數(shù)取1．2，則：

穩(wěn)定力矩總和為：

傾翻力矩總和為：

∑M傾＝∑M拔＋∑M風(fēng)＋∑M輔

＝（800000×1．2＋252751．75＋50000×7）×1．2

圖3 JZL120樁架工作圖

＝1602330．9 N·m

穩(wěn)定力矩－傾翻力矩＞0

結(jié)論：工作狀態(tài)安全。

2．3 優(yōu)缺點(diǎn)

從以上計(jì)算過(guò)程可以清楚地看到：只要重量、重心位置確定好后，各種工況、各個(gè)位置的平衡力矩，包括起架的卷?yè)P(yáng)機(jī)力，工作位置時(shí)的前傾3°、后傾5°等極限位置均可以輕而易舉計(jì)算出來(lái)；但是對(duì)于像底盤(pán)、平臺(tái)、立柱等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，卷?yè)P(yáng)機(jī)、電器等部件，履帶、液壓缸、電機(jī)等外購(gòu)件，要計(jì)算出重心位置并非易事，重量的計(jì)算也需要費(fèi)很大的時(shí)間和精力，一旦材料、工藝、結(jié)構(gòu)，或立柱的長(zhǎng)度等改進(jìn)又要重新計(jì)算，不能做到快速、準(zhǔn)確反應(yīng)，不能及時(shí)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

表3 JZL120A工作載荷表

3 利用Solidworks三維方法求解

Solidworks是一款包括機(jī)械設(shè)計(jì)、工程分析等功能非常強(qiáng)大的三維軟件，以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

我們用Solidworks可以快速地建模，方便修改。模型建好裝配在一起，通過(guò)工具欄里的質(zhì)量特性，可以準(zhǔn)確知道樁架的重量、重心位置，根本不需要整體穩(wěn)定性計(jì)算，根據(jù)重心位置確定配重的精確重量。

從圖4可以清楚看到：樁架在起架工況重心坐標(biāo)超出前支腿位置，需要增加配重。從質(zhì)量特性中的重 心 坐 標(biāo)：x＝ －7628．77，y＝455．13，z＝－70．62，前支腿位置：x＝－6408，重心位置明顯超過(guò)前支腿，配重重量輕，需逐漸增加配重直至重心位置在前支腿與回轉(zhuǎn)支撐之間為止。

圖4 Solidworks起架工況

圖5 Solidworks工作工況

4 誤差處理

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，我們將JZL120樁架全部稱(chēng)重，稱(chēng)重總重量與Solidworks三維設(shè)計(jì)、Excel計(jì)算的重量誤差分別為6．1%和10．3%。這主要是由于金屬材料的板厚（或壁厚）誤差和焊縫重量沒(méi)有計(jì)算在內(nèi)造成，Solidworks沒(méi)有添加焊縫。彌補(bǔ)辦法應(yīng)根據(jù) GB／T 709－2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》執(zhí)行。

樁機(jī)上用的最多的鋼板為8～15mm，所以根據(jù)金屬材料入庫(kù)稱(chēng)重和理論計(jì)算的誤差平均值按照4%計(jì)算；焊縫重量按照每月生產(chǎn)樁機(jī)臺(tái)數(shù)×每種樁機(jī)的重量＝總重，再用每月焊絲用量÷總重＝焊縫重量／噸產(chǎn)品，統(tǒng)計(jì)后得到焊縫重為鋼結(jié)構(gòu)總重量的約1～1．5%，按照1．5%計(jì)算。這樣Solidworks誤差應(yīng)為6．1%－4%＋1．5%＝3．6%，計(jì)算方法誤差應(yīng)為10．3%－4%＋1．5%＝7．8%。計(jì)算方法配重沒(méi)有修正，而Solidworks三維方法的配重可以修正至5%以?xún)?nèi)，每種工況可以快速、準(zhǔn)確調(diào)整。

表4 鋼板厚度允許偏差（B類(lèi)）

5 結(jié)論

一旦Solidworks三維模型建立，起架工況、工作工況整機(jī)穩(wěn)定性一目了然。我們可以利用它進(jìn)行重要部位、重要零件的受力分析，從而做到快速、準(zhǔn)確、安全地設(shè)計(jì)，又可以大大節(jié)約成本。

［1］張莉，陳建業(yè)，張希恒，等．步履式樁架起架裝置分析計(jì)算［J］．建筑機(jī)械化，2006（10）．

［2］（美）DS Solidworks公司著．陳超祥，葉修梓，主編．Solidworks工程圖教程［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．