便携式液压打桩机动力学理论研究.pdf

第 l 2期 2 0 1 5年 1 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 5 5 便携式液压打桩机动力学理论研究 韩林 山 ， 一 ， 张步恩 ， 韩剑鹏 1 ． 华北水利水电大学 机械学院， 河南 郑州4 5 0 0 0 0 ； 2 ． 华北水利水电大学 电力学院， 河南 郑州4 5 0 0 0 0 ； 3 ． 水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心， 河南 郑州4 5 0 0 0 0 摘要汛期的堤防加固以及公路建设与维护的打桩作业，由机械设备代替人力进行打桩作业是技术上的一次长足进 步。针对打桩设备作业效率低 、 自重大及劳动 强度大等缺 陷， 研发便携式液压打桩机用于防汛抢 险、 高速公路及铁路护栏 建设等领域的打桩作业将促进行业发展。在简化条件下， 通过建立便携式液压打桩机打桩过程的动力学模型， 分析了动 力学模型系统的加速度以及打桩过程中桩身周面摩擦力与桩端土壤阻力对沉桩的影响。得到基频与加速度的关系， 土壤 阻力对打桩机的影响， 为研发便携式液压打桩机产品样机奠定良好的理论基础。 关键词 便携式液压打桩机 ； 动力学模型 ； 基频 ； 加速度 ； 土壤 阻力 中图分类号 T H1 6 ； T H1 1 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 1 2 0 0 5 5 0 3 Th e T h e o r e t i c a I St u d y o f P o r t a b l e Hy d r a u l i c Pi l e Dr i v e r i n Dy n a mi c s HAN L i n s h a n 一 ， ZHANG B u e n ，HAN J i a n p e n g 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t ri c P o w e r ，H e ’ n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0， C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f E l e c t ric P o we r ， No A h C h i n a Un i v e r s i t y o f W a t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t ric P o we r ， He ’ n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0， Ch i n a ； 3 ． C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r o f Wa t e r Re s o u r c e s E ff i c i e n t Ut i l i z a t i o n a n d Gu a r a n t e e E n g i n e e ri n g ，He ’ n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 0 ， C h i n a A b s t r a c t I n flo o d s e o o n ， e m b a n k m e n t r e i n f o r c e m e n t a n d t h e c o n s t r u c t i o n a n d ma i n t e n a n c e o fr o a d n e e d p i l i n g ． P i l e d r i v i n g o p e r a t i o n b y m a c h i n e r y e q u ip me n t i nst e a d o f m anu a l l a b o r is a t e c h n o l o g i c a l p r o g r e s s at a t i me ．At p r e s e n t ，p i l i n g e q u i p m e n t s ’ e j f wi e n c y i s l o w p i l i n g e q u ip me n t s ’ s e e i g h t a n d l a b o r i n t e n s i t y i s h i g h a n d S O o n ， s 0 r e s e a r c h e s a p o r t a b le h y d r a u l ic p i l e d r i v e r ．w h i c h l l e s are o s u c h a s fl o o d c o n t r o l and e me r g e n c y r e s c u e a n d t h e g u a r d r ail c o nst r u c t i o n of h i g h w a y a n d r ai l w a y ， w i l l p r o mo t e t h e d e v e l o p men t ofi n d u s t ry． U n d e r t h e s i m p l ifie d c o ndi t i o ns， b y e s t a b l is h i n gt h e d y n a mi c m o del ofp o rt a b le h y d r a u l i c p i l e d ri v e r p i l i n gp r o c e s s ，ana l y z i n g t h e a c c e l e r a t i o n oft h e s y s t e m ofd y n am i c mod e l and t h e i n fluen c e oft h e p i l e b o d y s u g C a c e f r i c t i o n a n d t h e p i l e e n d s o i l r e s is t anc e t o t h e p i l e i n t h e p i l i n g ． An d g e t s t h e r e l ati o nsh i p b e t w e e n t h e a c c e l e r ati o n a n d t h e b a s e fre q u e n c y and t h e i n flu e nce o ft h e s o i l r e s is t a n c e t O t h e p i l e ，w h ic h w i l l b e a g o o d t h e o r e t i c a l b asi s f o r t h e d e v e l o p m e n t oft h e p o r t abl e h y d r a u l i c p i l e d r i v e r p r o d uct p r o t o t y p e ． Ke y W o r d s P o r t a b l e Hy d r a u l i c P i l e Dr i v e r ； Dy n a m i c M o d e l ；Ba s e Fr e q u e n c y； Ac c e l e r a t i o n ；S o i l Re s i s t a n c e 1 引言 在防洪抢险过程中， 运用传统的抢护方法， 需要大量的木桩” ， 在公路建设工程中， 两边护栏的建设与维护， 也需要大量的钢管 桩等， 可见打桩是各种抢护方法中所不可缺少的一道工序 。目前 国内设计的打桩机主要用于桩基工程和桥梁工程， 打桩机的激振 力很大， 整机重量大、 运输不方便 、 适用场地受限。国内所用的便 携式打桩机主要有落锤式打桩机、机械式打桩机与气动式打桩 机。 落锤式打桩机用于一般土层、 粘土还有砾石土层， 该机构造简 单 ， 使用便捷， 冲击力大， 但是锤击速度慢， 效率较低。 机械式打桩 机主要用于防汛抗洪抢险等场合的打桩作业 ， 使用便携 ， 缺点是 相对于液压式打桩机冲击能量小， 打桩效率低。而气动式打桩机 动力装置零件种类繁杂， 维修成本高而且维修时间长， 费时费力， 能源效率随着工作时间的延长而逐日下降。 国外所用的便携式液 压打桩机较为先进， 该机且具有功效高 ， 噪音小 ， 可靠性高等优 点， 但是价格相当昂贵。 结合液压式打桩机相对气动式打桩机，具有动力大、效率 高、 打桩迅猛 、 省工省时等特点， 研发一种新型便携式液压打桩 机， 新型便携式液压打桩机不仅可以用于汛期的堤防加固以及维 护江、 河、 湖、 塘堤岸等打桩作业， 也可用于公路建设维护的打桩 来稿 日期 2 0 1 5 0 5 1 7 作者简介 韩林山， 1 9 6 4 一 ， 男， 山西人， 博士研究生， 教授， 主要研究方向 机械设计及理论 张步恩 ， 1 9 9 1 一 ， 男 ， 河南人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向 机械设计及理论 5 6 韩林 山等 便携式液压打桩机动力学理论研究 第 1 2期 作业 ； 不仅适用于中小型木桩 ， 还适用于钢管桩等各种中小型桩 的作业。新型便携式液压打桩机不仅在功效上有所突破 ， 应用领 域也更加广泛。 2液压打桩机动力学模型 便携式液压打桩机主机系统简化原理 液压打桩机工作时， 把桩视为一个均质刚体， 将地层视为弹性支撑与阻尼器， 忽略桩 体与机座之间的摩擦阻尼， 则桩与地层可以视作一个二自由度的 振动体系。为建立液压打桩机打桩的简化计算力学模型， 如图 1 所示。作以下分析总结 1 土壤视为弹塑性体。 2 桩为绝对刚体。 3 打桩过程中， 木桩顶端与土层不分离。 4 打桩过程中， 跟随木桩一起振动的木 桩干体周围的土壤惯性力不计人目 。 图 1动力学模型示意图 F i g ． 1 T h e Mo d e l o f t h e Dy n a mi c s 设桩锤质量为 m 。 ， 桩体质量为 m ， 振动弹簧刚度为 k l , k ， 土 壤的弹簧刚度和阻尼系数为k 3 , c ， 桩锤位移为 。 ， 木桩位移为 ， m．与 m 碰撞的冲击力为 对动力学模型受力分析， 可以得到力学模型， 如图2所示。 图 2力 学模 型 Fi g ．2 Th e Mo d e l o f t h e Me c h a n i c s 图中 1 ， 2 振动弹簧驱动力； 3 木桩对桩锤的反作用力 ； 4 桩 锤对木桩的冲击力； 5 一土壤对木桩的阻力。 因此，根据力学模型，将此振动体系视为二自由度振动系 统， 由达朗贝尔原理， 可得出数学模型微分方程为 f m 】 l k 1 十 2 l t { 1 【 m 2 2 2 c x 2 k 3 2 ￡ 0 式中 m 广桩锤质量 ， k g ； m 厂沐 桩质量 ， k g ； c 一土壤粘滞阻尼系 数 ， N s ／ m； k 。 、 f 一 弹簧变形系数 ， N ／ m； k 广-土层等效弹簧刚 度， N ／ m； f 一桩锤对木桩的冲击力， N 。 3振动打桩机主要参数计算 3 ． 1动力学模型的求解 由式 1 的第二式子可知， 此方程是一个二阶常系数线性非 齐次微分方程， 令 ， 2 ， ， 通过计算， 其解为 m 2 m 2 m 2 ￡ e - n t s i n t cp 2 其 中， 、 ／ n t a n 式中 ∞ 桩锤打桩频率， 1 ， s ； |i} 广 土层等效弹簧刚度， N ／ m； 一木 桩材料的阻尼比， 无单位量纲； n ～阻尼系数与质量之比， 1 ／ k g ； t o 。 木桩的固有频率， 1 ， s 。 3 ． 2动力学系统加速度的分析 依据防汛抢险实践经验来进行初步估计，便携式液压打桩 机工作所需要的冲击能量最小为 l 2 0 N n l 。对于静止在土里的木 桩， 木桩与土壤之间有着一定量的静摩擦力， 此时， 如果对木桩施 加以强迫振动， 则木桩会在强迫冲击力的作用下会引起一种固定 不变的稳态振动，这种振动传播到和木桩接触的土壤粒子之后 ， 会使土壤的抗剪强度降低， 进而振动使土壤静摩擦力急剧下降脚 。 以 表示通过强迫振动后降低了的木桩与土之间的摩擦 力， 表示静摩擦力 变为摩擦力 时的降低率，而便携式液压 打桩机的激振力 F和摩擦力存在以下关系式 F 3 因为 ， t t T ， 故 F t t T 4 从 4 式可以看出系数工 ‘ 主要由强迫振动加速度的大小所 决定。根据共振理论 随着强迫振动加速度的增加， 桩周， 桩端的 土壤会产生假液化现象， 此时桩的前端阻力和侧面摩擦阻力减小 得非常显著。用艿 来表示振动加速度与重力加速度之比， 即 占 5 对 2 式求两阶导数可得 例 0 A e s i n t o a t tp 则 占 可知 6 7 0 m ； ％ A 8 根据式子 8 ， 我们来讨论桩锤振幅A 与基频 。 对振动加 速度 n的影响。从这一关系式中， 很容易做出判断， 加大基频 ∞ 。 比加大振幅A 更容易获得大的振动加速度。 3 ． 3土壤阻力对便携式液压打桩机沉桩的影响 假设桩贯人土层后静止不动， 土体无侧向位移， 则作用于桩 体周面的静止侧压力可由土层的自重应力计算， 即 P K o y Z 9 式中 K0 一土静止侧压力系数； 土容重 ， k g ／ m ； z 桩体贯人土 层深度 ， n l 。 距地面深Z处取桩体微元长 d z ， 如图3 所示。 则桩体周边微 元表面积 为 d 2 r Rd 1 0 式中 R 木桩半径， m。 No ． 1 2 D e c ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 5 7 作用于桩体周边微元表面积上的水平正压力为 d ‘ d 。 2 w RK0 y Z d z 1 1 设桩体入土总深度为 日，则作用于人土桩体周面的侧压力 的合力为 H 1 t J o d N 2 7 rR K o Y J o Z d z ‘ 1 2 图 3桩体周面摩擦力分析示意图 Fi g ． 3 Th e F ric t i o n An a l y s i s Di a g r a m o f t h e Pi l e Bo d y 令桩体与土层的摩擦系数为 ．7 ， 则土层作用于桩体的静摩擦 力 为 ‘ - - f , “t r R K o T H ‘ 1 3 从前面已得知振动打桩机沉桩时必须克服桩土之间桩周的 摩擦力及桩端的阻力 ， 从式 4 已知 F_I． t T 1 对于黏质土 芝 耵 D 14 2 对于砂质土 ∑ t n 仰 1 5 式中 第 i 层土层的极限摩擦阻力， N； Ⅳ 广第 i 层土层的标准 贯人度试验值； 日厂第 i 层土层的厚度， m； D 桩的外径， il l 。 由于桩体的振动， 使土壤颗粒产生位移， 破坏土层的结构强 度， 从而降低了沉桩的周面摩擦阻力。 由资料可知， 当桩体振动加 速度为 6 g 口 1 0 g 时， 振动沉桩周面摩擦阻力降低甚大。此时， 木桩在受到强迫振动后由于周面摩擦力的显著降低 ， 木桩在冲击 力的作用下克服桩端阻力 R 下沉， 桩端阻力 R 为 R ．，Fo r v 1 6 ，在砂质土中 4 Ⅳ e w 在粘土， 淤泥土中 ， 8 Ⅳ e w 式中 卜_ 液压打桩机动量， k W／ g ； P 桩端面积， m ； L _ _ 标准贯入 度。 从以上分析中可以看出， 为克服桩端阻力 兄沉桩 ， 可以通 过增加振动体系重量； 但是当增加振动体系重量时或者增加压力 时，振动加速度会减小 ，进而使木桩桩身周面摩擦力 有所增 大。所以在设计便携式液压打桩机时要根据 和 凡综合考虑。 4结论 在简化条件下， 通过建立动力学模型， 对便携式液压打桩机 进行了理论分析计算， 得到的结论如下 1 便携式液压打桩机打 桩过程可以简化为二自由度振动体系； 2 液压打桩机打桩过程 的动力学参数可由式 1 运动微分方程组来确定 ， 通过对动力学 参数的进一步分析研究， 可以确定系统有效稳定工作的条件； 3 对于简化的动力学系统加速度， 加大基频比加大振幅更容易获得 更大的振动加速度， 更有利于打桩； 4 桩的周面摩擦阻力与桩端 阻力可用解析式表达， 便携式液压打桩机主参数的确定， 要同时 考虑木桩桩身周面阻力和桩端与土壤之间的摩擦力的影响。 结论 为研发便携式液压打桩机产品样机奠定良好的理论基础。 参考文献 [ 1 ] 刘兴燕．便携式液压防汛打桩机研制试验研究[ J ] ． 科技视界， 2 0 1 4 ． L i u Xi n g - y a n ． T h e e x p e ri m e n t r e s e a r c h o f a p o r t a b l e h y d r a u l i cp i l e d ri v e r u s e d a s fl o o d c 0 n t ml [ J ] ．S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y V i s i o n ， 2 0 1 4 ． [ 2 ] 刘伟． 液压振动沉桩机沉桩机理及其振幅和频率调节系统研究 [ D] ． 长 沙 中南大学 ， 2 0 0 4 ． L i u We i ．T h e r e s e a r c h o f p i l e d ri v i n g me c h a n i s m o f t h e h y d r a u l i c p i l e d ri v i n g m a c h i n e a n d i t s a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y c o n t r o l s y s t e m[ D ] ． C h a n g s h a C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 王伟． 振动沉桩动力学分析和试验研究[ D ] ． 石家庄 河北科技大学 ， 2 01 2 ． Wa n g We i ．T h e d y n a m i c s a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t al r e s e a r c h o f v i b r a t i o n p i l e d ri v i n g [ D] ． S h ij i a z h u a n g He b e i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o - 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