黃河防洪夯實打樁一體機的設(shè)計

李 冰，趙信峰，胡修池，宋 新

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

在現(xiàn)有的施工機械中，夯實機和打樁機是相互獨立的兩種機械，分別具有夯實和打樁兩種作業(yè)功能［1］。在黃河防洪搶險工程中，當(dāng)遇到加固大壩、修整道路和搶修堤防設(shè)施等緊急任務(wù)時，往往會要求快速實施夯實和打樁兩種作業(yè)。然而，由于現(xiàn)場路面條件差和施工環(huán)境差，施工設(shè)備難以進入，造成夯實和打樁兩種作業(yè)的勞動強度大，工作效率低［2］。

黃河防洪用夯實打樁一體機 （專利號：201220007998．4）是在原有液壓挖掘機上加裝一套夯實打樁機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，特別適合防洪和施工條件惡劣的施工環(huán)境。筆者探討了該設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

防洪用夯實打樁一體機是安裝到液壓挖掘機上進行使用的，即拆去液壓挖掘機的鏟斗，將其安裝在相應(yīng)的位置。該設(shè)備主要由機體、液壓沖擊振動器、夯實錘和樁體夾持機構(gòu)等組成（如圖1所示）。

1．1 機體

機體是用來安裝夯實打樁一體機的工作機構(gòu)，其上設(shè)有安裝銷孔，通過銷軸安裝在液壓挖掘機斗桿上的相應(yīng)位置（如圖1所示）。

1．2 樁體夾持機構(gòu)

樁體夾持機構(gòu)由一對液壓缸和夾持臂組成。如果夯實打樁一體機是安裝在液壓挖掘機上使用，還需要增設(shè)一套液壓系統(tǒng)來驅(qū)動和控制左右兩個液壓缸，實現(xiàn)打樁和夯實兩種作業(yè)的轉(zhuǎn)換以及樁柱的夾持和松開。

圖1 夯實打樁一體機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Punning&Piling AIO structure

樁體夾持機構(gòu)不僅要實現(xiàn)其功用，也要保證其所依附的挖掘機等機器的穩(wěn)定性和安全性。在進行了參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計以后，還借助三維設(shè)計軟件SolidWorks2012進行了運動分析和靜態(tài)分析。圖2和圖3是所設(shè)計的樁夾持機構(gòu)兩種作業(yè)工況的仿真圖。圖1為其零部件及裝配設(shè)計仿真情況。

圖2 夯實作業(yè)（夾持臂松開樁柱）Fig.2 Punning work

圖3 打樁作業(yè)（夾持臂松開樁體并扶持樁體）Fig.3 Piling work

1．3 液壓沖擊振動器

液壓沖擊振動器是夯實打樁一體機沖擊振動的動力裝置。它利用液壓挖掘機提供的高壓液壓油產(chǎn)生沖擊振動，并作用于夯實錘，實現(xiàn)夯實或打樁工作。

按照挖掘機的質(zhì)量及其液壓系統(tǒng)工作壓力，可以選擇與之匹配的液壓沖擊振動器，并且能夠查知夯實作業(yè)時夯實錘的沖擊能 （包括打擊速度和沖擊能量）。沖擊能計算方法有很多，其中一種簡便可行的方法是按式（1）進行計算。

式中：P0為氮氣室充氣壓力，kPa；V0為原始氮氣容積，m3；A3為活塞上端面的面積，m2；A1為活塞前腔的有效作用面積，m2；A2為活塞后腔的有效作用面積，m2；P為液壓沖擊器系統(tǒng)壓力，kPa；W 為活塞重力，kN；X為活塞沖程運動中的位移，m。

按該方法計算的前提條件是：假設(shè)液壓系統(tǒng)的油泵流量足夠大；夯實錘在液壓沖擊器高壓回路上安裝高壓蓄能器，保證液壓沖擊器在沖擊過程能實時地補油，使液壓系統(tǒng)壓力始終恒等于溢流閥的調(diào)定壓力，即近似為一個常數(shù)。

此設(shè)計所用的挖掘機為XE60型液壓挖掘機，其整機工作質(zhì)量約6 t，液壓系統(tǒng)工作壓力為10～14 MPa。選用與挖掘機匹配的液壓沖擊振動器的打擊速度為 7．11 ～7．74 m／s，沖擊能量為 463．5 J～548．7J，滿足設(shè)計要求。

1．4 夯實錘

夯實錘接受來自液壓沖擊振動器的沖擊振動，進行夯實或打樁作業(yè)。它由夯實錘柄和錘頭組成（錘柄和錘頭直接焊接在一起）。為了增加夯實錘的強度和剛度，在錘柄和錘頭連接處，設(shè)置4塊加強筋板。在錘頭上，左右對稱的開設(shè)了兩個槽，為夾持臂加緊樁體留出空間，如圖4所示。

圖4 錘頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Hammerhead structure

參考破碎錘的釬桿選材，夯實錘柄和錘頭的材料可選用12CrMn、40CrMn和42CrMo。夯實錘柄和錘頭的結(jié)構(gòu)尺寸按照樁柱所受最大沖擊力確定，也可以參考破碎錘的釬桿尺寸、夯實錘擊打的樁柱以及挖掘機的穩(wěn)定性因素確定。防汛搶險用打樁的作用對象多為木樁，以此為初始條件，建立夯實錘的三維模型，并在Solidworks simulation中，用掉落測試法進行沖擊性運算。圖5為夯實錘應(yīng)力云圖。

通過對以上結(jié)果和數(shù)據(jù)分析可知：最大應(yīng)力出現(xiàn)在筋板上，大小為198．227 MPa，小于材料屈服極限221 MPa，故沖擊錘強度符合要求。

1.5 夾持臂受力分析

當(dāng)夾持臂夾住木樁時，其受力情況如圖6所示。受力關(guān)系如式（2）所示。

圖5 夯實錘應(yīng)力云圖Fig.5 Punning hammer stress nephogram

圖7 夾持臂三維模型圖Fig.7 Clamp arm 3D model

圖6 夾持臂受力分析圖Fig.6 Clamp arm stress analysis

圖8 夾持臂應(yīng)力云圖Fig.8 Clamp arm stress nephogram

按照夾持臂的夾持力為50 kg、N＝490 N，計算結(jié)果得： F1＝1 730 N；F2y＝1 723．41 N；F2x＝640．779 N。建立夾持臂的三維模型如圖7所示。利用Solidworks進行運算，圖8為其應(yīng)力云圖。

通過對以上結(jié)果和數(shù)據(jù)進行分析可知：最大應(yīng)力出現(xiàn)在中間銷孔處，大小為27．46 MPa，小于材料屈服極限207 MPa，故夾持臂強度符合要求。

2 工作原理

2．1 夯實作業(yè)

當(dāng)進行夯實作業(yè)時，需要收起樁柱夾持機構(gòu)的夾持臂。具體的工作過程為：左右兩個液壓缸下腔進油，液壓缸的活塞縮回，使得與活塞相連的兩個夾持臂受力，并繞機體向上轉(zhuǎn)動（夾持臂收起），如圖2所示。當(dāng)啟動液壓沖擊振動器時，其沖擊振動力作用于夯實錘，使夯實錘產(chǎn)生上下沖擊振動，實現(xiàn)夯實作業(yè)［3～5］。

2．2 打樁作業(yè)

打樁作業(yè)時，在對樁體施加沖擊振動的同時，還能有效地夾持住樁體，保證作業(yè)的可靠性。具體的工作過程為：左右兩個液壓缸上腔進油，液壓缸的活塞伸出，使得與活塞相連的兩個夾持臂受力，并繞機體向下轉(zhuǎn)動，夾持住樁體。啟動液壓沖擊振動器，其沖擊振動力作用于夯實錘，使夯實錘產(chǎn)生上下沖擊振動。夯實錘產(chǎn)生的上下振動沖擊力將樁體打入地面，如圖3所示。樁柱所受最大沖擊力可根據(jù)其夯實錘的沖擊能量和打擊速度，并考慮其工作效率進行確定［6］。

3 結(jié)語

（1）夯實打樁一體機是在液壓挖掘機的基礎(chǔ)上，加裝一套夯實打樁機構(gòu)而成，集夯實、打樁為一體。

（2）該機安裝到液壓挖掘機（也可以安裝到裝載機或挖掘裝載機）上使用，做到一機多用。

（3）液壓挖掘機多是履帶式行走方式、通過性好，其工作裝置可以整周回轉(zhuǎn)，動臂、斗桿活動范圍大。所以，該機能夠在泥濘、松軟等施工條件差的環(huán)境進行作業(yè)，并且克服了人工打樁作業(yè)方式中樁高不能過高的缺點，有利于在防洪搶險施工中實現(xiàn)夯實和打樁作業(yè)機械化。

（4）樣機試驗測試基本上達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。即夯實打樁作業(yè)安全系數(shù)高、作業(yè)效率高、操作簡便。

防汛搶險歷來是我們國家的大事情，防汛搶險用夯實打樁一體機解決了人工打夯和打樁工作中操作危險、費工費力的大問題，提高人們對防汛險情的搶護力度和對自然災(zāi)害的抵抗能力。

［1］張玉川．進口液壓挖掘機國產(chǎn)化改造［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，1999：22－23．

［2］中國水利水電總公司．工程機械使用手冊［M］．北京：中國水利水電出版社，1998：55－58．

［3］葉德游．液壓破碎錘的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用［J］．流體傳動與控制， 2007（03）：32－34．

［4］周志鴻，高麗穩(wěn)，許同東，等．液壓破碎錘的型號及選型研究［J］．工程機械， 2004（06）：66－68．

［5］楊國平，柴睿．液壓破碎沖擊能的計算方法［J］．建筑機械，2009（01）：88－90．

［6］徐攸在，劉興滿．樁的動測新技術(shù)［M］．北京：建筑工業(yè)出版社，1999：40-42．