雙排傾斜式自動(dòng)打樁機(jī)設(shè)計(jì)與研究

程世峰

(中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 526238)

0 引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的快速提高，也加快了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化日益普及，但農(nóng)業(yè)大棚建造環(huán)節(jié)的機(jī)械設(shè)備相對(duì)較少[1]。在農(nóng)業(yè)大棚建設(shè)中，通常采用工程打樁機(jī)，工程打樁機(jī)采用重錘施工，由于工程打樁機(jī)體積大，對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚間距僅為1.5 m空間相對(duì)較小的施工環(huán)境適用性較差[2]。為此，本文結(jié)合農(nóng)業(yè)大棚打樁機(jī)工作環(huán)境及工作效率，設(shè)計(jì)了雙排傾斜連續(xù)打樁機(jī)，實(shí)現(xiàn)了木樁與地面呈60°傾斜打樁。該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)，可完成連續(xù)雙排打樁，較大程度上提高了打樁效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 雙排傾斜連續(xù)打樁機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 雙排傾斜連續(xù)打樁機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雙排傾斜連續(xù)打樁機(jī)由機(jī)架、打樁機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、物料供給機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)及水箱等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。動(dòng)力系統(tǒng)包括安裝于機(jī)架上方用于驅(qū)動(dòng)打樁機(jī)構(gòu)運(yùn)行的電機(jī)和安裝于機(jī)架下方用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備前移的電機(jī)兩部分；打樁機(jī)構(gòu)為桿件結(jié)構(gòu)，氣缸安裝于撞擊桿上，以滿(mǎn)足連續(xù)打樁需求；氣動(dòng)系統(tǒng)包括控制器、氣泵和氣缸，控制器和氣泵安裝于機(jī)架上方，為氣缸運(yùn)行提供動(dòng)力；物料供給機(jī)構(gòu)由輸送槽及放料器組成，輸送槽用于木樁過(guò)渡及定位；水箱用于施工地面的灑水，以避免揚(yáng)塵，降低木樁入土阻力。

1.2 打樁機(jī)工作原理

打樁時(shí)，將打樁機(jī)移至預(yù)打樁位置，將木樁存放于放料器，木樁經(jīng)輸送槽進(jìn)行過(guò)渡及定位。電機(jī)驅(qū)動(dòng)打樁機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，撞擊桿上下移動(dòng)完成打樁。采用控制器調(diào)節(jié)，使氣缸活塞桿上下移動(dòng)，完成連續(xù)打樁[3]。打樁機(jī)構(gòu)為對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu)，機(jī)架兩側(cè)同時(shí)運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙排打樁。撞擊桿與地面為60°夾角，以滿(mǎn)足木樁與地面的60°傾斜打樁。

圖1 雙排傾斜連續(xù)打樁機(jī)結(jié)構(gòu)

2 雙排傾斜連續(xù)打樁機(jī)設(shè)計(jì)

打樁機(jī)以48 V直流電源驅(qū)動(dòng)打樁機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成60°雙排傾斜打樁。采用壓力表、調(diào)速閥及氣壓輔件等實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動(dòng)控制，完成連續(xù)打樁[4]。

2.1 打樁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

打樁機(jī)可實(shí)現(xiàn)一次將雙排木樁以60°傾斜的方式貫入土地中，在確保打樁機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了打樁效率。打樁機(jī)構(gòu)為桿件結(jié)構(gòu)，將打樁動(dòng)力傳遞與撞擊桿完成打樁[5]，打樁機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿1擺動(dòng)，連桿1擺動(dòng)的同時(shí)豎直桿上下移動(dòng)，同時(shí)連桿2、連桿3、搖桿1和搖桿2運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿4和連桿5動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)撞擊桿1和撞擊桿2沿60°夾角方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撞擊木樁。為了便于直觀表達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)，采用SolidWorks三維建模軟件構(gòu)建的打樁機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型[6]如圖3所示。

2.2 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架用于安裝打樁機(jī)構(gòu)及輔助部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及承載力為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。打樁機(jī)機(jī)架以電動(dòng)三輪車(chē)為設(shè)計(jì)參考，通過(guò)鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備移動(dòng)。機(jī)架下部安裝的電機(jī)為打樁機(jī)移動(dòng)的動(dòng)力源，機(jī)架結(jié)構(gòu)三維模型如圖4所示。

圖2 打樁機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 圖3 打樁機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型 圖4 機(jī)架結(jié)構(gòu)三維模型

2.3 物料供給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

放料器具有較大的木樁存放能力，可自動(dòng)放料，節(jié)省了人力。打樁機(jī)放料器為筒狀結(jié)構(gòu)，其上沿裝有齒輪，通過(guò)兩料筒間的步進(jìn)電機(jī)齒輪與料筒齒輪嚙合[7]驅(qū)動(dòng)兩料筒轉(zhuǎn)動(dòng)，由于自身重力作用，木樁由機(jī)架圓孔輸出，完成自動(dòng)平穩(wěn)出料，其結(jié)構(gòu)三維模型如圖5所示。

輸送槽安裝于放料器下方，用于將木樁過(guò)渡至所需工位。定位套筒位于輸送槽下部，用以木樁的60°傾斜打樁。定位套筒及輸送槽一方面提高了打樁的安全性，另一方面提升了打樁效果。打樁機(jī)輸送槽三維模型如圖6所示。

圖5 放料器三維模型 圖6 輸送槽三維模型

2.4 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)系統(tǒng)中，壓縮氣體通過(guò)管路及控制閥輸送至執(zhí)行元件，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)空氣壓力能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換[8]。將射流元件與氣動(dòng)邏輯元件組合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息傳遞及邏輯運(yùn)算。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)打樁，在打樁機(jī)撞擊桿上安裝氣壓缸，采用氣泵存儲(chǔ)空氣，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)氣壓控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣缸速度及連續(xù)打樁控制。氣動(dòng)系統(tǒng)中控制器和氣泵及氣缸三維模型如圖7所示。

2.5 人-機(jī)-環(huán)境工程設(shè)計(jì)

打樁機(jī)水箱的設(shè)計(jì)，避免了工作過(guò)程中的揚(yáng)塵，保證了工作環(huán)境的清潔。此外，地面與木樁接觸點(diǎn)的灑水，降低了地面與木樁間的摩擦，減小了打樁機(jī)工作強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 打樁機(jī)受力分析及動(dòng)力設(shè)備選型

3.1 受力分析

針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)的打樁機(jī)載荷為壓縮載荷及周期性振動(dòng)載荷，按載荷構(gòu)成種類(lèi)可分為工作過(guò)程阻力、摩擦力和傳動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷。實(shí)際使用中，木樁貫入土中有傾斜貫入和豎直貫入兩種形式，之后將鐵絲固定于木樁頂端，如圖8所示。

圖7 控制器和氣泵及氣缸三維模型

圖8 木樁傾斜和豎直貫入土中的形式

本文通過(guò)試驗(yàn)分析木樁貫入土中的載荷，經(jīng)測(cè)試將長(zhǎng)50 cm、直徑3 cm的木樁豎直貫入土中，需重量為8.5 kg、高度為1.3 m自由落體重物撞擊，由能量換算可計(jì)算得到所需電機(jī)功率為217 W。而將木樁與地面呈60°夾角貫入土中，經(jīng)分析計(jì)算所需電機(jī)功率為251 W。

3.2 動(dòng)力設(shè)備選擇

3.2.1 打樁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇

根據(jù)將木樁與地面呈60°夾角貫入土中所需電機(jī)功率為251 W，并預(yù)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間功率損耗為500 W，選擇打樁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率為1 100 W可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(特點(diǎn)穩(wěn)定可靠)。綜合以上分析，打樁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選取永磁無(wú)刷直流中置電機(jī)，其額定功率為1 100 W，電壓為48 V，轉(zhuǎn)速為2 800 r/min。

3.2.2 氣缸選擇

由于氣缸應(yīng)用于變載荷場(chǎng)景，選取活塞式氣缸，以滿(mǎn)足負(fù)荷轉(zhuǎn)矩及速度范圍。此外，打樁機(jī)需連續(xù)打樁，因此選用氣缸可伸長(zhǎng)的軸向活塞式氣缸。實(shí)際應(yīng)用中，木樁直徑為30 mm，因此選用氣缸軸徑為50 mm。

3.2.3 放料器步進(jìn)電機(jī)選擇

實(shí)際使用中，兩側(cè)放料器驅(qū)動(dòng)所需扭矩T約為10 Nm，放料器需轉(zhuǎn)動(dòng)18°方可確保木樁由放料器滑出。步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力以最大靜扭矩Tmax表示，由T=(0.3～0.5)Tmax可得Tmax=20 Nm。因此所選步進(jìn)電機(jī)為步進(jìn)角18°的110HS20步進(jìn)電機(jī)，其工作時(shí)每10個(gè)脈沖滑出一個(gè)木樁。

4 結(jié)論

(1) 基于傾斜木樁及豎直木樁受力分析可知，60°傾斜木樁的農(nóng)業(yè)大棚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。所設(shè)計(jì)的打樁機(jī)以60°傾斜角進(jìn)行打樁，提高了打樁質(zhì)量及木樁的穩(wěn)定性，且可實(shí)現(xiàn)同時(shí)雙排打樁，提高了工作效率。

(2) 所設(shè)計(jì)打樁機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，物料輸送實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，提高了打樁效率，降低了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。