多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的研發(fā)_第1頁
多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的研發(fā)_第2頁
多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的研發(fā)_第3頁
多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的研發(fā)_第4頁
多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的研發(fā)_第5頁
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多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的研發(fā)關(guān)麗杰;武敏敏;趙偉民;都云波【摘要】Inordertosolvetheproblemthatthecommonsilentpilerisinconvenienttofieldsorposition,thedesignplanofmultifunctionalcrawlermountedsilentpilerisputforwardbycombinationofcrawlerchassisandadhesiontypepiledriver.Themainstructuresandtheirinnovationareintroducedandthedesignprincipleandfunctioncharacteristicsareanalyzedconcretely.Meanwhile,themaximumpressureresistanceiscalculatedbytakingthethesoilconditionsinShanghaiasanexample.Finally,thefiniteelementanalysisoftheclampingandpressingmechanismismade.Theanalysisresultsmeettherequirementsandtheresultofstressdistributioncanbethebasisoftheimprovementoftheclampingandpressingmechanism.%為了解決目前市面上常用靜力壓樁機(jī)不方便轉(zhuǎn)場和轉(zhuǎn)位的問題,將履帶底盤與附著式靜力壓樁機(jī)相結(jié)合,提出了多功能履帶式靜力壓樁機(jī)的設(shè)計(jì)方案.介紹了該壓樁機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新點(diǎn),并對夾持壓樁機(jī)構(gòu)和履帶底盤的設(shè)計(jì)原理與功能特點(diǎn)進(jìn)行了具體分析.同時(shí)以上海市土層條件為例計(jì)算了壓樁過程中的最大壓樁阻力,并以此為依據(jù)對夾持壓樁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析,分析結(jié)果符合要求,應(yīng)力分布結(jié)果也為夾持壓樁機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù).【期刊名稱】《東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷),期】2017(043)004【總頁數(shù)】5頁(P547-551)【關(guān)鍵詞】靜力壓樁機(jī);履帶式;夾持壓樁機(jī)構(gòu);有限元分析【作者】關(guān)麗杰;武敏敏;趙偉民;都云波【作者單位】東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318;東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318;東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318;東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040【正文語種】中文【中圖分類】TU753.3隨著現(xiàn)代建筑科學(xué)技術(shù)和施工機(jī)械的不斷發(fā)展,目前已形成4種常用的樁基礎(chǔ)施工方式:錘擊打入法和振動沉入法、靜力壓入法和鉆孔灌注法.除鉆孔灌注法是以灌注樁為工作對象外,其余3種都是以預(yù)制樁為工作對象.預(yù)制樁施工可以避免灌注過程中的斷樁、縮頸、露筋和夾泥等現(xiàn)象,樁身質(zhì)量容易保證,因此使用較為廣泛.預(yù)制樁施工時(shí),錘擊打入法和振動沉入法會在一定程度上破壞地基,并伴生振動、沖擊、噪音等環(huán)境公害等問題,隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高,在一些城市這兩種方法已經(jīng)被禁止使用[1].而靜力壓樁法是采用靜載荷將預(yù)制樁安靜且平穩(wěn)地壓入土中的一種基礎(chǔ)施工方法,可有效地彌補(bǔ)其余兩種預(yù)制樁施工方法的不足,越來越受到現(xiàn)代社會的認(rèn)可.目前,國內(nèi)研發(fā)和使用較多的是步履式靜力壓樁機(jī),研究方向也從粗放式向精細(xì)化發(fā)展.西方國家由于人口密度較小及地質(zhì)環(huán)境等原因,對靜力壓樁機(jī)的使用較少,雖然近年來也有一些靜壓樁施工案例,但并未像我國一樣形成靜壓樁施工工法,能夠代表國外靜力壓樁機(jī)發(fā)展水平的是日本研發(fā)的附著式靜力壓樁機(jī).附著式靜力壓樁機(jī)需要配置起重機(jī)、動力車等配套設(shè)施,而步履式靜力壓樁機(jī)需要很多配重,機(jī)身沉重,也只能滿足一般工況的壓樁工作,不能進(jìn)行圍堰、水上等特殊工況的施工.所以這兩種靜力壓樁機(jī)轉(zhuǎn)場和轉(zhuǎn)位都不方便,施工效率受到嚴(yán)重影響.為了適應(yīng)新形勢發(fā)展,解決以上壓樁機(jī)存在的問題,本文研究將附著式壓樁機(jī)與步履式壓樁機(jī)進(jìn)行結(jié)合,并首次使用履帶底盤作為靜力壓樁機(jī)的行走機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了多功能履帶式靜力壓樁機(jī).多功能履帶式靜力壓樁機(jī)主要由5部分組成:夾持壓樁機(jī)構(gòu)、起重機(jī)構(gòu)、駕駛室及其升降機(jī)構(gòu)、履帶底盤和動力系統(tǒng),如圖1所示.1?1夾持壓樁機(jī)構(gòu)夾持壓樁機(jī)構(gòu)由放置在履帶底盤上的支座或是已經(jīng)打入地下的幾根樁支撐.壓樁機(jī)站在支撐上面,由起重機(jī)構(gòu)為壓樁機(jī)吊入新樁,壓樁機(jī)的夾樁頭夾緊新樁并壓樁.在完成一個(gè)壓樁行程后,松開夾樁頭,將其提升至上位,然后再次夾緊樁,進(jìn)行下一行程的壓樁工作[2].若是在平地上工作,可以在把預(yù)制樁壓到預(yù)定深度后,使履帶底盤前進(jìn)一個(gè)樁位,開始進(jìn)行下一個(gè)樁的壓拔工作;若是在履帶底盤無法行駛的環(huán)境工作,如水上、傾斜的路堤或狹窄受限制的地方等,可以在壓入半根樁時(shí),夾樁頭夾緊,松開腳爪,機(jī)身抬高離開支座或樁身,壓樁機(jī)床身間的液壓缸把床身向前拉一個(gè)樁位距離,再降低床身,夾緊腳爪,把剩余的半根樁壓入土壤,之后松開夾樁頭,把夾樁頭提升至上位,等待起重機(jī)構(gòu)的下一次吊樁.參考附著式靜力壓樁機(jī),再根據(jù)履帶底盤特點(diǎn)對該機(jī)構(gòu)做出適當(dāng)調(diào)整,使壓樁機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊.但由于履帶式靜力壓樁機(jī)可以脫離底盤工作,所以能夠適應(yīng)水上等特殊工況,相比步履式靜力壓樁機(jī),其能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能.多功能履帶式靜力壓樁機(jī)不但可以壓拔預(yù)制樁,對H型鋼樁和其他異型鋼樁也適用.對于不同形狀的樁,只需要更換履帶底盤上的支座和壓樁機(jī)構(gòu)即可.不同樁型對應(yīng)支座及壓樁機(jī)構(gòu)示例如圖2所示.多功能履帶式靜力壓樁機(jī)還可以根據(jù)土層條件的不同,配合螺旋鉆等機(jī)構(gòu)進(jìn)行中掘法以及鉆孔法施工[3].1?2駕駛室及其升降機(jī)構(gòu)駕駛室升降是通過一個(gè)平行四連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的,該機(jī)構(gòu)利用平行四邊形在變形過程中兩組對邊始終分別保持平行的原理,使得無論駕駛室如何升降,始終保持水平狀態(tài)[4].相對于市面上現(xiàn)有步履式靜力壓樁機(jī)的固定駕駛室,這一改進(jìn)可使工作人員清楚地觀察壓樁情況,正確地進(jìn)行操作.駕駛室及其升降機(jī)構(gòu)也坐落在與壓樁機(jī)構(gòu)連接的平臺上,以保證其跟隨壓樁機(jī)構(gòu)工作.1?3履帶底盤履帶底盤是該壓樁機(jī)的行走裝置,與步履式底盤相比,其結(jié)構(gòu)輕便,運(yùn)行靈活,爬坡能力強(qiáng),能夠較快速地在復(fù)雜工地情況下安全行駛.履帶式壓樁機(jī)轉(zhuǎn)場時(shí)也不需像步履式壓樁機(jī)一樣將配重等結(jié)構(gòu)全部拆下分別運(yùn)輸,所以很大程度上提高了壓樁機(jī)的轉(zhuǎn)場便捷性.履帶底盤除可作為行走裝置外,還具有支承作用,在其上添加平臺后,可將起重機(jī)構(gòu)、駕駛室和動力系統(tǒng)連接在平臺上,保證其行動統(tǒng)一性.履帶式壓樁機(jī)與附著式壓樁機(jī)相比較,前者結(jié)構(gòu)更加緊湊,轉(zhuǎn)位更加靈活.為了適應(yīng)更多工況,參考履帶底盤的擴(kuò)履方式和步履式底盤的橫向平移方式,對履帶底盤進(jìn)行改造,使履帶底盤除了可以前進(jìn)和后退外,還可以通過6個(gè)支腿的相互配合實(shí)現(xiàn)橫向移動功能,以解決圍堰樁施工的難題.改造后的履帶底盤橫向平移過程原理如圖3所示.由圖3可知:當(dāng)履帶底盤開始橫向向右平移時(shí),左邊兩個(gè)支腿和中間兩個(gè)支腿伸出,履帶離地,支架右梁伸長,履帶右移;接著支腿全部收回,支架左梁伸長;然后右邊兩個(gè)支腿和中間兩個(gè)支腿伸出,履帶左移,支架前后左梁收縮;最后,將支腿全部收回,實(shí)現(xiàn)了履帶底盤的向右平移.1.4起重機(jī)構(gòu)及動力系統(tǒng)起重機(jī)構(gòu)的作用是吊起樁,并對壓樁機(jī)構(gòu)進(jìn)行喂樁?起重機(jī)構(gòu)通過一個(gè)回轉(zhuǎn)支承連接在一個(gè)平臺上,這個(gè)平臺與壓樁機(jī)構(gòu)連接.回轉(zhuǎn)支承使得起重機(jī)構(gòu)能在水平平面內(nèi)進(jìn)行回轉(zhuǎn)和自由作業(yè),其坐落在與壓樁機(jī)構(gòu)連接的平臺上,使起重機(jī)構(gòu)能夠跟隨壓樁機(jī)構(gòu)脫離履帶底盤,并在水上、傾斜的路堤或狹窄受限制的地方進(jìn)行工作.作為一部分配重的動力系統(tǒng)和起重機(jī)構(gòu)分別放置在平臺前后兩端,保證了整機(jī)的穩(wěn)定性.靜力壓入法通常應(yīng)用于高壓縮性黏土層或砂性較輕的軟黏土地基,在土質(zhì)松軟的南方地區(qū)較多使用該方法.因此,以上海地區(qū)為例對壓樁力進(jìn)行初步估算,上海地區(qū)各土層壓樁阻力值如表1所示.壓樁過程中,樁要克服包括慣性力在內(nèi)的土阻力及其他阻力,而土阻力又包括樁側(cè)摩擦阻力和樁尖阻力.壓樁阻力可通過式(1)進(jìn)行估算.式中:F為壓樁阻力(kN);C為樁截面周長(m);hi為i層土層高度(m);fi為i層單位面積樁側(cè)摩擦阻力(kPa);qt為t層單位面積樁端阻力(kPa);S為樁尖截面積(m2).假設(shè)將截面尺寸為350mmx350mm的方樁壓入到第7層,由式(1)可知,當(dāng)樁被壓至最下端時(shí),所受到的壓樁阻力最大,將表1中數(shù)據(jù)代入后得出最大壓樁阻力為907.79kN.為了使該壓樁機(jī)適應(yīng)更多土質(zhì)條件,取壓樁力為1500kN.克服壓樁阻力的動力源是壓樁力,但它不是直接作用于樁,而是通過夾樁頭與樁之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的,摩擦力由夾樁力產(chǎn)生,兩者之間關(guān)系如式(2)所示.式中:Ff為夾樁頭與樁之間的摩擦力;Fj為夾樁力;p為摩擦因數(shù),一般取0.35.由于摩擦力等于壓樁力1500kN,代入式(2)可得夾樁力為4285.71kN,取整為4300kN.通過查閱相關(guān)工程實(shí)例,設(shè)定壓樁速度、壓樁行程、橫向平移行程等參數(shù).多功能履帶式靜力壓樁機(jī)主要性能參數(shù)如表2所示.本文選取方樁為施工對象,設(shè)計(jì)夾持壓樁機(jī)構(gòu)如圖4所示,其主要結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)臺、底座、壓樁滑塊和夾樁鉗4部分.底座通過腳爪固定在履帶底盤或者已經(jīng)壓入的方樁上,為壓樁工作提供反力;旋轉(zhuǎn)臺可以在底座上轉(zhuǎn)動,以實(shí)現(xiàn)拐角處施工;兩個(gè)壓樁油缸通過壓樁滑塊來提供壓拔樁力;夾樁鉗夾緊方樁,在保證夾緊力不會對樁造成破壞的條件下將樁向下壓.下面對夾持壓樁機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析.夾持壓樁機(jī)構(gòu)是壓樁執(zhí)行機(jī)構(gòu),其設(shè)計(jì)好壞直接關(guān)系到該靜力壓樁機(jī)能否成功完成壓拔樁工作,所以著重對其進(jìn)行分析.綜合考慮現(xiàn)場需要及生產(chǎn)成本,夾持壓樁機(jī)構(gòu)中除銷軸類零件材料為45鋼外,其余零件材料均選低等結(jié)構(gòu)鋼Q345b[5].采用三維建模軟件對夾持壓樁機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析.把腳爪與履帶式底盤的接觸面和夾樁頭與樁的接觸面設(shè)定為固定面,在液壓缸連接處加1500kN壓樁力.夾持壓樁機(jī)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型如圖5所示.在壓樁狀態(tài)下,夾持壓樁機(jī)構(gòu)有限元仿真結(jié)果如圖6和7所示.由圖6和7可知,夾持壓樁機(jī)構(gòu)夾緊樁在向下壓的過程中最大應(yīng)力為190.936MPa,小于材料許用應(yīng)力345MPa,最大位移為1.271mm,也處于允許范圍內(nèi),所以該夾持壓樁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際要求.本文設(shè)計(jì)的多功能履帶式靜力壓樁機(jī),不僅綜合了步履式靜力壓樁機(jī)和附著式靜力壓樁機(jī)的優(yōu)點(diǎn),而且解決了壓樁機(jī)轉(zhuǎn)場和轉(zhuǎn)位不便的問題,有效提高了工作效率,擁有更加廣闊的發(fā)展前景.多功能履帶式靜力壓樁機(jī)可利用配置的起重機(jī)和附著式樁架,滿足定位樁的施工,也可滿足中掘樁等多種樁基施工作業(yè)的需求.【相關(guān)文獻(xiàn)】YAMASHITAH,HIRATAH,KINOSHITAM.ChallengesinthepastandforthefutureofdesignandinstallationtechnologiesonsteelpipepilesinJapan[J].DobokuGakkaiRonbunshuuF,2010,66(3):34-36.周衛(wèi)兵.基于樁反作用力的環(huán)保型可行走多功能靜力壓樁機(jī)[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,2011.劉振東,趙文欣,趙偉民.樁架的起架油缸鉸座的分析計(jì)算[J].科學(xué)技術(shù)與工

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