海洋液壓沖擊打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

孫遠(yuǎn)韜,駱禮福,秦仙蓉,張 氫,趙 坤

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院,上海 201804)

近年來(lái),海洋石油開(kāi)發(fā)和風(fēng)電等海洋工程的高速發(fā)展，促成了越來(lái)越多的樁基海洋平臺(tái)及近海樁群的建造,樁基的直徑和深度也往更大、更深的方向發(fā)展.目前海洋平臺(tái)中最常用的樁基是開(kāi)口鋼管樁,其排土量小、能承受較大的錘擊力,因此，鋼管樁的施工多采用沖擊力和沉樁效率較高的錘擊法動(dòng)力沉樁[1].由于液壓沖擊打樁錘的沉樁力作用時(shí)間長(zhǎng)、效率高、對(duì)環(huán)境基本沒(méi)有污染,適用于各種土質(zhì)情況和樁基類型,并可以合理調(diào)節(jié)沖擊力,保證沖擊能量最大程度發(fā)揮.相比柴油打樁錘,液壓打樁錘打樁效率有大幅提高,被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電工程、海洋平臺(tái)工程以及跨海大橋等海洋樁基工程項(xiàng)目中.

國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)液壓打樁錘進(jìn)行了各方面研究分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化.1960年,Smith[2]提出了波動(dòng)方程在樁基礎(chǔ)施工中的數(shù)值解法,將整個(gè)錘擊系統(tǒng)離散為許多質(zhì)量單元,用彈簧模擬錘芯、替打以及樁身之間的相互作用關(guān)系,利用數(shù)值方法求解打樁過(guò)程.田樹軍等[3]總結(jié)了液壓沖擊機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn),強(qiáng)調(diào)該種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須以動(dòng)態(tài)仿真為前提,才能保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確以及設(shè)計(jì)產(chǎn)品的良好工作性能.沈景鳳等[4]討論了NH型液壓打樁錘的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并仿真分析液壓系統(tǒng)的工作循環(huán).謝永健等[5]考慮了錘芯、替打、錘墊的相互作用,建立力學(xué)方程和數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)出錘擊力的表達(dá)式.王仕方等[6]將錘芯施加初始速度作為載荷,施加于沖擊沉樁模型,得到樁的位移響應(yīng)與速度響應(yīng)的解析解.

從以上文獻(xiàn)可以看出,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓沖擊打樁錘的研究主要集中在液壓系統(tǒng)或機(jī)械沖擊系統(tǒng)的單個(gè)系統(tǒng)研究上,因此,為了更加真實(shí)準(zhǔn)確地模擬打樁錘系統(tǒng)的沉樁過(guò)程,本文以近海施工的某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘為研究對(duì)象,基于剛體動(dòng)力學(xué)和牛頓碰撞理論以及液壓-氣動(dòng)理論,應(yīng)用AMESim和ADAMS軟件建立了打樁錘的虛擬樣機(jī),進(jìn)行了液壓沖擊打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)的多次沉樁過(guò)程的仿真分析;沉樁過(guò)程仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)沉樁記錄接近,驗(yàn)證了所建立模型仿真分析結(jié)果的合理性,能夠?yàn)楹罄m(xù)打樁錘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

1 打樁錘機(jī)械沖擊系統(tǒng)模型的建立

液壓沖擊打樁錘是利用液壓能提升錘芯,通過(guò)快速泄油使錘芯能夠加速下降,沖擊介質(zhì)使樁體沉入土中而完成沉樁作業(yè),沉樁原理用動(dòng)量定理表達(dá)為

(1)

式中:E為動(dòng)量;v1,v2為錘芯沖擊前后的速度;m為錘芯質(zhì)量;t為沖擊力作用時(shí)間;p為沖擊力.

打樁錘作為沖擊機(jī)械的典型,可將其簡(jiǎn)化為帶彈簧的二元沖擊系統(tǒng)模型,如圖1所示[7].

圖1 帶彈簧的二元沖擊系統(tǒng)的力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of two-dimensional impact system with spring element

對(duì)海洋工程沖擊打樁錘而言,樁底直接接觸土壤,樁側(cè)接觸海水和土壤,工作介質(zhì)情況較為復(fù)雜,但土壤對(duì)樁的作用明顯強(qiáng)于水.因此,為了獲得解析解,簡(jiǎn)化模型,分析時(shí)只考慮土壤的作用,將土壤考慮為塑性介質(zhì),其力學(xué)模型如圖2所示.

圖2 塑性土壤介質(zhì)的力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of plastic soil medium

塑性土壤介質(zhì)下,當(dāng)α<0.25時(shí),樁的位移響應(yīng)為

(3)

當(dāng)α>0.25時(shí),樁的位移響應(yīng)為

(4)

式中:k為彈簧剛度,N/m;Z為樁體的波阻,(N·s)/m.

(5)

式中:ρ為樁體的材料密度,kg/m3;A為樁截面面積,m2;c為材料的縱波波速,m/s.

(6)

式中:E為樁體材料的楊氏彈性模量,Pa.

本文以某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘為研究對(duì)象,應(yīng)用ADAMS軟件建立了打樁錘的機(jī)械沖擊系統(tǒng)的實(shí)體模型(見(jiàn)圖3),主要包括打樁錘殼體、緩沖墊、錘芯、替打、鋼樁以及土阻力模型.

圖3 打樁錘機(jī)械沖擊系統(tǒng)的實(shí)體模型Fig.3 Solid model of mechanical impact system for pile driving hammer

本文所研究的打樁錘實(shí)際打樁地位于江蘇如東風(fēng)電場(chǎng),在某次風(fēng)機(jī)安裝項(xiàng)目中,該打樁錘一共在近海灘涂上打樁20根.根據(jù)用戶打樁記錄,樁半徑R0=2.6 m,全長(zhǎng)L0=49.8 m,利用ADAMS模擬樁被打入土下35 m、土上高度14.8 m位置的沉樁過(guò)程.根據(jù)土壤取樣,本文將土壤簡(jiǎn)化為塑性材料,在沖擊系統(tǒng)模型中用阻尼器表示,阻尼大小與土壤性質(zhì)、樁的半徑有關(guān)[8-9],等效阻尼大小Cs為

(7)

式中:ρs為土壤密度,kg/m3;Gs為土壤剪切模量,Pa;半徑R0=2.6 m;土壤密度ρs=2.1×103kg/m3;土壤剪切模量Gs=91.3 MPa;阻尼大小定義為Cs≈7×107(N·s)/m.

沖擊打樁錘模型的碰撞為非旋轉(zhuǎn)體金屬材料間的碰撞,參照相關(guān)資料和推薦值[10-11],剛度系數(shù)義為K=1×109N/m,碰撞指數(shù)定義為λ=1.5,最大阻尼系數(shù)定義為Cmax=1×107(N·s)/m,侵入深度定義為Δy0=0.1 mm.

2 打樁錘液壓系統(tǒng)模型的建立

2.1 打樁錘液壓系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化與建立

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、溢流閥、換向閥、高低壓蓄能器、油缸以及管路等組成.打樁錘液壓系統(tǒng)應(yīng)保證錘芯運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定,確保打樁錘的工作穩(wěn)定可靠.根據(jù)實(shí)際所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng),建立液壓系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化與調(diào)整:① 大流量液壓系統(tǒng)需要泵組才能完成供油,仿真模型中將泵組簡(jiǎn)化為兩個(gè)液壓泵并聯(lián);② 忽略液壓系統(tǒng)中的冷卻、過(guò)濾、安全控制等輔助油路及元器件;③ 將錘芯簡(jiǎn)化為40 t的質(zhì)量塊,與活塞桿直接相連.基于AMESim軟件中的元件均可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞、兼容多種軟件接口的特點(diǎn),本文選取AMESim軟件建立打樁錘液壓系統(tǒng)的仿真模型,基于液壓-氣動(dòng)理論構(gòu)建打樁錘的液壓系統(tǒng)模型，如圖4所示.

圖4 40 t錘重液壓沖擊打樁錘液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of hydraulic system of hydraulic impact piling hammer weighing 40 t

2.2 主要液壓元件的特性

2.2.1液壓油

作為液壓介質(zhì),液壓油通過(guò)自身的液壓能傳力,同時(shí)有系統(tǒng)潤(rùn)滑、防銹防腐、冷卻等作用,對(duì)于整個(gè)液壓系統(tǒng)的性能表現(xiàn)有關(guān)鍵性作用.對(duì)于液壓沖擊打樁錘,液壓系統(tǒng)工作壓力較高,打樁頻率較高,油快速反復(fù)流動(dòng),因此,對(duì)液壓油的抗磨性能要求較高.仿真模型根據(jù)工程實(shí)際選用型號(hào)為L(zhǎng)-HM68的液壓油,該型號(hào)的液壓油黏度較高,抗磨性能較好,適宜較高的工作壓力.液壓油部分參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 液壓油參數(shù)設(shè)定表Tab.1 Parameters of hydraulic oil to be set

2.2.2馬達(dá)

在此液壓仿真模型中,選用與液壓泵匹配的恒轉(zhuǎn)速馬達(dá),轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 500 r/min.

2.2.3液壓泵組

液壓仿真模型中,將泵組簡(jiǎn)化為兩流量泵,轉(zhuǎn)速與馬達(dá)匹配,總排量為2 400 mL/r.

2.2.4液壓缸

液壓系統(tǒng)的液壓缸為單向活塞液壓缸,液壓缸空腔與密閉的氮?dú)馐蚁噙B.

2.2.5液壓管道

在液壓錘的提升和快速下降過(guò)程中,要求液壓油可以快速地供給和排泄.液壓系統(tǒng)中設(shè)置3個(gè)泄油口和泄油通道,參考打樁錘施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),泄油管選用直徑為50 mm的大直徑油管.

3 打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

3.1 打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型的搭建

針對(duì)本文所研究的某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘,在機(jī)械沖擊系統(tǒng)仿真模型與液壓系統(tǒng)仿真模型之間建立數(shù)據(jù)交流接口,實(shí)現(xiàn)了打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析.建立機(jī)-液聯(lián)合仿真模型關(guān)鍵的步驟，就是定義液壓系統(tǒng)仿真模型與機(jī)械沖擊系統(tǒng)仿真模型之間的數(shù)據(jù)交換接口,即需要定義兩系統(tǒng)聯(lián)合仿真時(shí)的輸入變量與輸出變量[12-13].針對(duì)液壓沖擊打樁錘,期望液壓系統(tǒng)輸出對(duì)機(jī)械沖擊系統(tǒng)中錘芯的作用力,同時(shí)機(jī)械沖擊系統(tǒng)反饋錘芯的速度和位移至液壓系統(tǒng),通過(guò)對(duì)錘芯的控制完成機(jī)-液系統(tǒng)的耦合,兩者聯(lián)合關(guān)系如圖5所示.

圖5 機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互Fig.5 Data exchange between mechanical system and hydraulic system

進(jìn)行打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析之前,在ADAMS中定義機(jī)械沖擊系統(tǒng)的輸入變量為錘芯的作用力F,輸出變量為錘芯的位移u與速度v,錘芯的位移u即為式(3)或式(4)所得樁體的位移響應(yīng),錘芯的速度v即為樁位移響應(yīng)對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù).利用ADAMS/controls模塊導(dǎo)出錘芯的位移u與速度v作為數(shù)據(jù)交換文件,通過(guò)數(shù)據(jù)接口模塊在AMESim軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù),與液壓系統(tǒng)模型連接,從而建立打樁錘的整個(gè)機(jī)-液系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型.

在液壓打樁錘的整機(jī)仿真模型中,液壓系統(tǒng)模型并沒(méi)有發(fā)生較大變動(dòng),機(jī)械沖擊系統(tǒng)作為一個(gè)模塊嵌入在液壓系統(tǒng)中,即將ADAMS中機(jī)械沖擊系統(tǒng)模型所得到的錘芯位移和速度響應(yīng)，作為液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件液壓缸的輸入量;而AMESim軟件中液壓系統(tǒng)仿真得到執(zhí)行元件液壓缸活塞的作用力F，作為ADAMS中機(jī)械沖擊系統(tǒng)的輸入變量,即錘芯的作用力F.如此循壞往復(fù),實(shí)現(xiàn)打樁錘沉樁過(guò)程的仿真計(jì)算.

在進(jìn)行打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)聯(lián)合仿真計(jì)算時(shí),首先對(duì)控制閥生成循環(huán)信號(hào)控制信號(hào).液壓打樁錘的打樁頻率為38 次/min,單次打樁循環(huán)中,在1.1 s的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)提升閥,關(guān)閉下降閥,即打樁時(shí)提升打樁錘的過(guò)程;然后在0.4 s的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉提升閥,打開(kāi)下降閥,錘芯將快速下落并保壓,即打樁錘保壓沉樁的過(guò)程.

定義聯(lián)合仿真模型的時(shí)間為10 s,采樣頻率為100 Hz,共計(jì)算1 000步,模擬6次完整的沉樁過(guò)程.

3.2 打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)整機(jī)打樁性能分析

經(jīng)AMESim和ADAMS軟件聯(lián)合仿真后，即可得到液壓沖擊打樁錘的機(jī)-液系統(tǒng)聯(lián)合仿真的計(jì)算結(jié)果,取錘芯向上運(yùn)動(dòng)為正方向,錘芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖6所示.

圖6 整機(jī)模型中錘芯位移曲線與速度曲線Fig.6 Hammer displacement and velocity curves in the whole machine model

分析圖6錘芯的位移曲線可以發(fā)現(xiàn):隨著打樁工作周期的不斷循環(huán),錘芯有逐漸向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),表明錘芯在樁的反復(fù)捶打下,樁逐漸下沉.同時(shí),錘芯剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)第一次錘擊樁時(shí),錘芯向下存在一個(gè)較大的貫入度,約0.02 m,這是因?yàn)樵跈C(jī)械系統(tǒng)建模時(shí),錘芯與替打之間本身存在0.01 m的空隙.

圖7為兩個(gè)剛體接觸面(錘-替打和替打-樁)上接觸力的比較,Fz表示z方向(豎直方向)的接觸力.其中,CONTACT_1表示替打-樁的接觸力,CONTACT_2表示錘-替打的接觸力.

圖7 錘-替打與替打-樁的接觸力Fig.7 Contact forces of hammer-anvil and anvil-pile

由圖7可以看出:錘-替打上的接觸力遠(yuǎn)大于替打-樁的接觸力,說(shuō)明在緩沖元件替打的作用下,錘芯碰撞受力的峰值明顯減弱,同時(shí)拉長(zhǎng)錘擊作用時(shí)間,從而有效避免沖擊系統(tǒng)中各元件在沉樁時(shí)被破壞,強(qiáng)化了沉樁效果,提高打樁效率.

圖8表示連續(xù)打樁過(guò)程中樁的位移,可以用此表征沉樁的貫入度,從而衡量打樁效果.

圖8 整機(jī)模型中樁的位移曲線Fig.8 Displacement curve of pile in the whole machine model

由圖8可見(jiàn)：在不斷錘擊的作用下,樁漸漸向下運(yùn)動(dòng),位移曲線呈階梯狀,這與定義土壤為塑性介質(zhì)的特性相吻合.每次沉樁位移在4.2 mm,即樁的貫入度為每錘4.2 mm.

圖9為如東風(fēng)電場(chǎng)1號(hào)樁打樁時(shí)，每錘貫入度的實(shí)際施工記錄.隨著樁的不斷下沉,平均每錘打擊的貫入度也是不斷變化的.由于土層分布的不均勻性,土壤的貫入度有較為明顯的波動(dòng),但從整體趨勢(shì)上看,隨著樁不斷被打擊下沉,每一錘的貫入度漸漸下降并逐漸趨于平穩(wěn),在樁深35 m的時(shí)候,每一錘的平均貫入度在5 mm左右.

圖9 如東風(fēng)電場(chǎng)1號(hào)樁打樁施工記錄Fig.9 Construction record of No.1 pile driving in Rudong Wind Farm

對(duì)比打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)聯(lián)合仿真的沉樁過(guò)程與實(shí)際沉樁記錄,仿真沉樁每樁貫入度4.2 mm，與實(shí)際樁深35 m時(shí)的每樁貫入度5 mm的沉樁記錄相吻合,驗(yàn)證了系統(tǒng)建模和分析的準(zhǔn)確性.而由于實(shí)際沉樁過(guò)程中土層分布的不均勻性、沉樁打擊力的非恒定性以及仿真模型的建模誤差,仿真結(jié)果和實(shí)際沉樁難免會(huì)存在一定的偏差,但是整體來(lái)說(shuō),仿真結(jié)果與實(shí)際沉樁結(jié)果接近,驗(yàn)證了所建立模型仿真分析結(jié)果的合理性,能夠?yàn)楹罄m(xù)打樁錘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).

4 結(jié)語(yǔ)

本文以近海施工的液壓沖擊打樁錘為研究對(duì)象,基于剛體動(dòng)力學(xué)和牛頓碰撞理論以及液壓-氣動(dòng)理論,建立了某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘的液壓系統(tǒng)仿真模型和機(jī)械沖擊系統(tǒng)模型,并通過(guò)AMESim和ADAMS軟件建立了打樁錘的虛擬樣機(jī),完成了液壓沖擊打樁錘機(jī)-液系統(tǒng)的多次沉樁過(guò)程的仿真分析,沉樁仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)沉樁記錄接近,驗(yàn)證了所建立模型仿真分析的準(zhǔn)確性.此外,對(duì)比分析了打樁錘打樁過(guò)程時(shí)間歷程上錘-替打的接觸力與替打-樁的接觸力,沖擊緩沖元件替打可以明顯減小錘芯碰撞受力的峰值,同時(shí)拉長(zhǎng)錘擊作用時(shí)間,從而有效避免沖擊系統(tǒng)中各元件在沉樁沖擊時(shí)被破壞,強(qiáng)化了沉樁效果,提高打樁效率,能夠?yàn)楹罄m(xù)打樁錘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).