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1、摘要 液压打桩锤是用于建筑、桥梁、码头等桩基础施工中打入预制桩的桩工机械。随着科学技术的进步，预制桩施工机械由落锤、汽锤、柴油锤，发展到了液压打桩锤。用液压打桩锤打桩，可以调整撞击应力波波形，减小应力峰值，延长有效作用时间，是一种比较理想的预制桩施工机械，目前在发达国家已被广泛使用，并形成了系列化。本文应用冲击机械系统动力学分析打桩过程中锤体与桩撞击时应力波的产生、传播以及该波对沉桩过程的影响。认为与桩等波阻的细长状锤体能够产生理想的应力波波形;在桩锤重量一定的情况下，可针对不同的地质情况和桩，通过选择不同刚度的桩帽和桩垫与其匹配来提高打桩效率。本文对双缸双作用液压扣一桩锤液压系统的结构和工作
2、原理进行了深入的研究，并在此基础上设计出六吨双缸双作用液压打桩锤的液压系统和电控系统。由于液压打桩锤液压系统是一个复杂的非线性系统，本文采用功率键合图法建立液压打桩锤上行、下降的键合图模型和状态空间方程，通过四阶龙格-库塔法和预估-校正法相结合编制了仿真程序对状态空间方程求解，在Mat lab 6. 5中进行液压系统的动态仿真，获得液压打桩锤运动过程中压力、位移、速度、加速度等随时间变化的曲线图。此曲线图方便了对液压系统动态特性分析，为液压系统的设计和参数优化提供了有益的借鉴。最后，在深入分析双缸双作用液压打桩锤控制系统的功能要求后，采用了以现代计算机技术为基础的新型工业控制装置-PLC可编程
3、控制器，设计出了双缸双作用液压打桩锤的电器控制系统。PLC体积小、功能强、可靠性高、能适应建筑施工机械恶劣的野外环境。通过PLC电控系统可以准确选择不同的上升、下降和保压时间，使得液压打桩锤具有不同的下打高度，从而获得不同的打击末速度，提高了液压打桩锤对不同土壤的适应能力。关键词:双缸双作用液压扫一桩锤;数值仿真; 可编程控制器。ABSTRACT Hydraulic pile hammer is one of the pile driving machines that drive prefabricated piles into the ground in the construction
4、of pile foundation such as construction, bridge, dock, etc. With the development of science and technology ,the prefabricated pile driving machines evolve from block hammer ,steam-hammer ,diesel hammer to hydraulic hammer .Hydraulic pile hammer is one of ideal prefabricated pile driving machines bec
5、ause it can adjust stress waveform ,decrease stress peak value, prolong effectual action when it drives piles .Hydraulic pile hammer is used widely and formed series in developed countries now. Mechanical impact dynamics is used to analyze the production and spread of stress wave when hydraulic pile
6、 hammer blows piles, the stress wave influence the course of driving pile. Slender hammed that is equal to wave resistance of the pile can bring ideal stress waveform. When the hammer weight is constant，efficiency of driving pile can be increased by means of selecting drive cap and cushion pad of di
7、fferent rigidity to match the hammer according to various geological condition and the pile. The structure and principium of hydraulic system of double-acting hydraulic pile hammer with double cylinders is studied in detail in the paper, the hydraulic system and electric control system of six-ton-do
8、uble-acting hydraulic pile hammer with double cylinder is designed on the basis of it. Power bond graph is used to established the bond graph model of the lifting and dropping of hydraulic pile hammer and state space equation in the paper for hydraulic pile hammer is perplexing nonlinear system. In
9、order to attain the graph that pressure, position, velocity, acceleration vary with time in the course of driving pile ,simulation procedure solving state space equation is designedon the basis of combining four-order Run ge-Kutta method with predicator-correct or method, dynamic simulation of the h
10、ydraulic system is studied in MATLAB 6.S.It inconvenient to analyze dynamic characteristics of the hydraulic system, beneficial to the design and parameter optimization of the hydraulic system. In the final part of the paper, under detailed analysis of the control characteristics for double-acting h
11、ydraulic pile hammer with double cylinders, control system based on the programmable logic controllers founded on technology of modern compute is designed. PLC has small cubage, strong function, higher liability, ability to adapt abominable field environment of construct machine to face. In order to
12、 improve adaptive ability of hydraulic pile hammer to various soil, various finial velocity and dropping length must be obtained by adjusting time of lifting, dropping and keeping pressure that is accurately selected by the control system of PLC。Words: Double-Acting Hydraulic Pile Hammer With Double
13、 Cylinders; Numerical Simulation; Programmable Logic Controllers 目录摘要.1目录.3第一章.绪论.5 1. 1桩基础简介. .5 1. 2设桩设备.6 1. 2. 1设置打入式预制桩设备.6 1.2.2设置钻孔式就地灌注桩设备.7 1. 3液压打桩锤.7 I. 4国内外发展现状.9 1. 5本课题的研究内容.9第二章.液压打桩锤的动力学分析.10 2. 1一维弹性杆的波动方程.11 2. 2波动方程的数值解.13 2. 3打桩锤与桩撞击的应力波.17 2. 4打桩锤与桩撞击的波动力学分析.20 2. 4. 1塑性介质下的系统动力
14、学分析.22 2. 4. 2弹性介质下的系统动力学分析.23 2. 4. 3锤、桩和桩帽(含桩垫)的匹配.24 2. 5锤体结构的反演设计.24 2. 5. 1桩锤应力波反演设计方法.24 2. 5. 2反演设计是一种现代设计方法.25 2. 5. 3锤体结构的反演设计.25第三章.双缸双作用液压打桩锤液压系统数值仿真.26 3. I计算机仿真及其在液压系统中的应用.26 3.1.1仿真的基本概念.26 3. I. 2仿真系统的分类.27 3. 1. 3仿真技术在液压系统中的应用.28 3. 2动态系统的数学模型. .29 3. 2. 1传递函数.29 3. 2. 2状态空间模型.30 3.
15、2. 3动态方程组.30 3. 3液压打桩锤液压系统.31 3. 3. 1单作用自由下落式.31 3.3.2双作用加速下落式.31 3. 3. 3双缸双作用液压打桩锤液压原理.32 3.3.4液压系统建模.33 3. 3.5仿真参数的确定.33 3.3.6状态方程的求解.40 3.3.7仿真结果分析.43第四章.控制系统设计.44 4. 1 PLC控制系统设计的基本内容.44 4. 2 PLC控制系统设计步骤. .45 4. 3双缸双作用液压打桩锤的PLC控制系统设计.46 4. 3. 1双缸双作用液压打桩锤的控制要求.46 4.3.2双缸双作用液压打桩锤液压系统的工作原理. .47 4. 3
16、. 3 PLC选型.47 4. 3. 4 I /0地址分配.48 4. 3. 5控制箱面板.49 4. 3. 6 PLC外部接线图. .50 4. 3. 7 PLC系统程序设计.50第五章.研究总结及展望.54 5. 1研究工作总结.54 5. 2研究展望.54参考文献.55附录. 56致谢. 57第一章. 绪论在上木建筑中，桩基础是应用比较广泛的一种基础类型，也是最古老的基础之一，它是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创举。起支撑作用的打入式承载桩是土木工程科学与工艺的最早实例之一。早在新石器时代，人类便通过打入木桩和竹桩在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，浙江省河姆渡就发现了这种原始社会遗址。而
17、我国西南许多少数民族地区至今仍沿用了这种习惯。随着人类活动向空间和海洋的延伸，各种高层建筑层出不穷，摩天大楼拔地而起，桩基础中所用的桩已从传统的木桩发展为钢筋混凝土桩或钢桩，桩基础的施工方法与施工机械也有了巨大的发展。1.1 桩基础简介 桩基础是由若干个沉入土中的单桩在其顶部用承台联接起来的一种深基础。其作用在于穿过弱的压缩性土层或水，把来自上部结构的荷载传递到更硬或更密实且压缩性较小的土壤或岩石上。它具有承载能力大、抗震性好、沉降量小等特点。在一般房屋基础工程中，桩基主要承受竖向荷载，但在河港、桥梁、高耸塔形建筑、近海钻采平台、支护结构以及抗震工程中，桩基还需要承受来自侧向的风力、波浪力、土
18、压力和地震力等水平荷载。 桩基础可按不同的方法分类:不同类型的桩基具有不同的承载性能，施工时对环境有不同的影响、因而有不同的造价指标，各适应于不同的条件。 (1)按承载性能分类 根据桩在土壤中受力情况的不同，可分为竖向荷载桩和横向荷载桩。 1)竖向荷载桩 建筑桩基技术规范(JGJ94-94 )根据竖向荷载桩桩土相互作用特点，分为四个类型，即摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩和端承桩四种。桩顶作用的竖向荷载Q由桩侧摩阻力Q5和桩端阻力Q;承担，即 Q+Q5 + Q;或Qu=Qs。+Q 式中U-桩的竖向极限荷载 Qu -桩侧总极限摩阻力 Q Pu-桩端总极限端阻力 摩擦桩是指桩端没有良好持力层的纯摩擦
19、桩，在极限承载力状态下，桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受，即级L0.9q；端承桩是指桩端有非常坚硬的持力层，在极限承载力状态下，桩顶竖向荷载由桩端阻力承受擦端承桩是介于摩擦桩和端承桩之间的中间桩型。 2)横向荷载桩，即0P9Qu;端承摩擦桩和摩擦桩顶竖向荷载由桩侧摩阻力和桩对摩擦端承桩而言,横向荷载桩分为主动桩和被动桩两种。桩顶受横向荷载，桩身轴线偏离初始位置，桩身所受土压力因桩主动变位而产生，如风力、地震力等作用下的建筑物桩基属于主动桩。若沿桩身一定范围内承受侧向土压力，桩身轴线受该土压力作用而偏离初始位置，如深基坑支挡桩、坡体抗滑桩等属于被动桩。 (2)按成桩方法分类 按成桩方法的不同，主要
20、可分为预制桩和灌注桩两大类。 1)预制桩 预制桩可用混凝土、钢材或木材在工厂或现场制作，然后以锤击、振动、静压或旋入等方式就位。按材料可分为混凝土桩、钢桩和木桩; 2)灌注桩 灌注桩是直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内置筋再浇灌混凝土而成。可分为沉管灌注桩、钻(冲)孔灌注桩和挖孔桩。 3)按成桩对环境影响分类 按成桩对环境影响的不同，可分为挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩。 1)挤土桩指打入或压入土中的实体预制桩、闭口管桩(钢管桩或预应力管桩)和沉管灌注桩。这类桩在沉桩过程中，周围土体受到桩体的挤压作用，土中超孔隙水压力增长，土体发生隆起，对周围环境造成严重的损害。如相邻建筑物的变形开裂、市政管线
21、断裂，造成水、煤气的泄漏。在大中城市的建成区已严格限制挤土桩的施工。 2)部分挤土桩指沉管灌注桩、预钻孔打入式预制桩、打入式敞口桩;打入敞口桩管时，土可以进入桩管形成土塞，从而减少了挤土作用。打入实体桩时，为了减少挤土作用，可以采取预钻孔措施，将部分土取走，也属于部分挤土桩。 3)非挤土桩指采用干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法的钻(冲)孔、挖孔桩。非挤土桩在成桩的过程中，对周围的桩间土没有挤压作用，不会引起土体中超孔隙水压力的增长，因而桩的施工不会危及周围相邻建筑物的安全。1.2 设桩设备设桩机械设备是从工业革命后逐渐发展起来的。特别是二十世纪，人类社会飞速发展，高大办公大楼，重型工业设备，高
22、炉，以及船坞设备的发展都对设桩设备提出了更高的要求，与此同时各行各业新技术的发展又为设桩设备提供了无限发展的动力。特别是从1950至今，在全世界范围内重型基础工程大量增加，同时，近海油田的开采经验，要求重型基础工程得到全面发展，这极大地刺激了设桩机械设备的发展，现在无论桩机的尺寸、高度，还是锤的重量、效率都在增加;并且，各种类型的较高容量机械的发展均伴随着移动灵活性和操作方便性的更多改进。设桩设备的类型一般可分为:设置打入式预制桩设备、设置钻孔式就地灌注桩设备。1. 2. 1 设置打入式预制桩设备 此类设桩设备的沉桩方式包括锤击沉桩、静力压桩、振动沉桩和射水沉桩等数种方式，其中射水沉桩只适用于
23、砂土层中，水的压力需达到0. 55-0. 7MPa，必要时可用压缩空气替代。 (1) 锤击沉桩设备:包括各种落锤式打桩机、蒸汽打桩锤、柴油打桩锤以及液压打桩锤。 1) 落锤式打桩机 落锤式打桩机由卷扬机拉升锤体，然后自由落下，利用自重夯击桩顶。一般锤重1 - 30KN，每分钟锤击次数小于12次，仅能在小规模工程中使用。其优点是构造简单、费用低廉。缺点是生产率低、贯入能量小、对桩损伤大。 2)蒸汽打桩锤 蒸汽打桩锤利用蒸汽的压力将锤体上举，然后由锤的自重向下冲击桩顶。可以打水下桩、斜桩，甚至水平桩，对桩损伤小;工作性能不受土层软、硬和工作时间长短限制。但需要配备一套锅炉设备，效率低、使用不方便。
24、 3)柴油打桩锤 柴油打桩锤是利用柴油燃烧时释放的能量提升锤体的。柴油锤自带动力、使用方便、能耗低、生产效率高、能根据沉桩阻力的大小自动调节冲击力等优点;缺点是噪声大、废气污染重、在软土及低温条件下启动困难、不能长时间持续工作。因受自重、公害及性能的制约，难以向超大型方向发展。 4)液压打桩锤 液压打桩锤是近几十年来发展起来的一种较理想的打桩锤。它利用液压能驱动锤体升降。其优点是可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的充分发挥而不损害桩身:在打桩过程中，同时可获得冲击力和贯入度指标，因而可有效地确定桩是否已进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力;液压打桩锤适合打斜
25、桩作业及水下桩基施工，液压打桩锤不存在软土起动困难的问题，而且能适应各种气候下的施工作业;沉桩力作用时间长，有效贯入能量大;液压打桩锤的公害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩锤低20dB左右，因而能适应城市桩基础的施工作业。但其不足之处是结构复杂、价格贵。 (2)静力压桩机:静力压桩机是利用静压力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。它与普通的打桩机相比，可以消除噪声，避免振动的骚扰与危害且节约材料。适用于对防震有要求的部门和城市居住密集区施工。但静力压桩机要配有较多的配重，施工时整机的拼装、移动及工作效率仍比打击式桩机低。 (3)振动桩锤:预制桩除了采用打桩和压桩之外，还有振动沉桩。振
26、动桩锤是根据共振原理或振动冲击理论发展起来的，它利用振动能量沉桩和拔桩。振动沉桩适用于沙质粘土、砂土和软土地区的沉桩施工，不宜在砾石和密实的粘土中使用。1.2.2 设置钻孔式就地灌注桩设备 此类设桩设备包括以下几种:动力螺旋钻、振动钻孔机、逆循环钻孔机和三角架式钻孔机。 (1)动力螺旋钻。动力驱动的旋转式螺旋钻孔机适用于在粘性土中设置钻孔桩。 (2)振动钻孔机。为了打入衬管，并在灌注混凝土时拔出它们，把振动器和螺旋钻孔机一起使用。 (3)逆循环钻孔机。该钻孔机在多种土壤条件下(包括软质岩石在内)，能快速钻进，而钻入粒状土中最为有效。 (4)三脚架式钻孔机。三脚架式钻孔机特别适宜在低空间或通道狭
27、隘的条件下工作。1.3 液压打桩锤 随着液压技术的发展与逐步成熟，加之传统使用的柴油锤噪声大、效率低，污染重等原因，在基础施工中受到限制，20世纪70年代，各国先后开发了液压打桩锤以适用建筑行业的新需要。经过30多年的改进与发展，目前液压打桩锤已成为建筑施工中一种不可缺少的大型桩工机械，并越来越受到重视。 (1)液压打桩锤工作原理 液压打桩锤以液压能为动力，举起锤体后快速泄油，或同时反向供油，使锤体加速下降，撞击缓冲垫及桩帽，利用锤体冲击时动量变化所产生的巨大冲击力，克服土壤对桩的阻力，将桩沉入土中。液压打桩锤正被广泛地应用于工业建筑、民用建筑、道路、桥梁以及水中桩基施工(加上防水保护罩，可在
28、水面以下进行作业)。同时液压锤通过桩帽这一缓冲装置，直接将能量传给桩体，一般不需要特别的夹桩装置，因此可不受限制地对各种形状的钢板桩，混林土预制桩，木桩等沉桩业。另外，液压锤还可以相当方便地进行陆上与水上的斜桩作业，比其它桩锤有独到的优越性。 (2)液压打桩锤基本组成 目前使用的液压打桩锤形式多样，但基本结构大致相似，一般由本体机械部分、液压系统及电气控制系统构成。 1）液压打桩锤本体(本体机械部分) 本体机械部分由起吊装置、导向装置、液压装置保护罩、锤体、壳体、桩帽及缓冲垫等组成。各部分作用如下:(1)起吊装置主要由滑轮架、滑轮组与钢丝绳组成，通过桩架顶部的滑轮组与卷扬机相连。利用卷扬机的动
29、力，液压锤可在打桩架的导向装置中上下滑动。(2)用螺栓将导向装置与壳体和桩帽相连，使其与导向架的滑道相配合，锤可沿导向架上下滑动。(3)液压装置保护罩用来保护液压锤上部的液压元件、液压油管和电气装置。由于液压锤的工况复杂、使用环境恶劣，难免会发生这样或那样的碰撞，因此液压装置必须有可靠的保护。液压装置保护罩还有一个重要的作用，即作配重用。当锤体下落打击桩帽时，桩帽对锤体有一个向上的反力，这个反力会使锤体和液压缸发生不规则的抖动或向上反弹，这种干扰会影响液压系统正常的工作循环，同时对桩、桩架造成不良影响。液压装置保护罩的质量起到类似配重的作用，可以缓解和减少其不规则的抖动或反弹，从而提高整体工作
30、性能。(4)锤体是沉桩的主要工作部分。液压锤通过锤体下降打击桩帽，将能量传给桩，实现桩的贯入下沉。(5)壳体把上部的液压装置保护罩和下壳体连接起来，在它的外侧安装着导向装置、无触点开关、液压油管和控制电缆的夹板等。锤体上下运动锤击沉桩的全过程均在壳体内完成，壳体板较厚，除去有足够的强度与刚度之外，还有一定的隔音作用。(6)打桩时桩帽套在钢板桩或混凝土预制桩的顶部，除去导向作用外，与缓冲垫一起既保护桩头不受到破坏，也使锤体及液压缸的冲击荷载大为减少。 锤本体包括驱动装置和打击力传递装置。锤驱动装置主要由桩锤、液压缸、液压控制阀等组成:打击力传递装置主要由桩与桩锤之间的缓冲垫、桩帽等组成，在低噪声
31、要求的环境中还有隔音装置。 2)液压系统液压打桩锤的液压系统主要由液压泵(定量泵或变量泵)、溢流阀、卸荷阀、换向阀(逻辑阀)、蓄能器、执行元件以及管路等组成。 3)电器控制系统 液压打桩锤一般采用先进的可编程逻辑控制器(即PLC)控制。控制方式有手动和自动打桩两种状态，桩锤下落高度的控制主要有时间设定方式和位置设定方式两种类型。本课题采用时间设定方式。 C3)液压打桩锤的分类 根据桩锤的下落方式可将液压打桩锤分为单作用下落式和双作用下落式两种类型。单作用方式即桩锤在自重的作用下以接近自由落体方式下落，如英国BSP公司的HH357-9型锤、日立公司生产的HNC型锤、美国HPSI公司的Mode16
32、50 - 3505型锤等;双作用下落方式即桩锤在自重和外力共同作用下以大于自由落体的加速度下落，因此，在相同行程、相同锤重时产生的打击力比单作用下落方式大得多，如日本车辆公司的NH型锤、荷兰IHC公司的SC型锤、芬兰Junttan公司的HHKA系列液压锤等。1.4 国内外发展现状 自从荷兰在1965年研制出液压打桩锤以来，80年代以后，液压打桩锤便很快在英国、芬兰、日本、美国等国家得到迅速发展。以下列举国外主要液压锤生产厂家及其液压锤特点。 芬兰的永腾公司是最早生产打桩设备的专业厂家之一。它主要生产两个系列(CHHK, HHK-A), 20余种不同型号的液压锤，都是采用单作用自由下落式液压系统。两个系列最主要的区别是HHK-A系列采用了液压辅助落体的措施，来消除阻力的影响，真正实现自由落体。所以HHK-A系列与HHK系列相比，以相同的结构参数可产生相对较高的冲击能量。 英国的BSP国际基础有限公司也早在70年代开始系列生产液压锤，他们生产的产品也采用单作用自由下落式工作原理，但其液压系统象永腾公司的HHK-A系列一样，采取特别的增压措施消除阻力的影响，真正实现无阻力自由下落，提高了冲击的能量。 荷兰IHC公司是世界上最大的挖泥船制造厂商，其强大的机械制造能力使其生产的液压锤享誉世界。其生产的液压锤与众不同，采用了独特的双作用下落式工作原理。
