車載式柴油打樁機設計【柴油錘】

車載式柴油打樁機設計【柴油錘】,柴油錘,車載式柴油打樁機設計【柴油錘】,車載,柴油,打樁機,設計 車載式柴油 打樁機設計（ 一 ） 總計：畢 業(yè)論 文： 43 頁 表 格： 14 表 插 圖： 13 幅 指導教師： 吳 蒙華 評 閱 人： 李玉光 完成時間： 2017.5.20 I 摘 要 打樁機作為 機械設備 廣泛使用 于建筑 施工， 碼頭，道路 等 樁 基礎 施工 的場景 下 。 柴油 打樁機 憑借著 其自身結構簡單 ， 成 樁 質量高，操作簡單 ， 工作效率高 而被 當今廣 泛 使用 。 因此 研究 并 設計柴油打樁 機對 社會基礎設施 建設有著 積極 的 意義。 本題目以研究并設計工況 為野外 施工的柴油 打樁機 為主要 任務 。主要 研究 打樁機 的總體設計與 柴油錘 和導向架設計 以及 主要零件的設計 與計算 。 在此 之間 對 導向架的 材料選用，導向架具體 結構 布置 ， 油管布置，液壓馬達，鋼絲繩滾筒的安裝形式進行 了設計。 根據 在 運輸 和作業(yè) 時的兩個 極限位置 確立 了最終的 導向架 支撐液壓缸 的 布置 位置 。 最后 根據柴油導桿式 打樁機 在 實際施工 中的 的工作 特性 與特點設計了 與 其工作 配套的液壓系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)，并 對系統(tǒng) 使用的液壓元器件進行 了 選擇。 關鍵詞 ： 打樁機；柴油錘 ；液壓控制系統(tǒng) II ABSTRACT Piling machine as a mechanical equipment widely used in construction, terminals, roads and other pile foundation construction under the scene. Diesel piling machine by virtue of its own simple structure, pile of high quality, simple operation, high efficiency and is widely used today. Therefore, the study and design of diesel piling machine on the social infrastructure construction has a positive meaning. This topic to study and design conditions for the construction of diesel piling machine as the main task. The main design of the pile driver and diesel hammer and guide frame design and design and calculation of the main parts. In this way, the design of the material of the guide frame, the specific arrangement of the guide frame, the arrangement of the tubing, the installation of the hydraulic motor and the wire rope drum are carried out. The position of the final guide frame support hydraulic cylinder is established according to the two extreme positions during transport and operation. Finally, according to the working characteristics and characteristics of the diesel pole type piling machine in the actual construction, the hydraulic system and the electrical control system are designed, and the hydraulic components used in the system are selected. Key words: pile driver; diesel hammer; hydraulic control system 目錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 1.緒論 . 1 1.1 工作的理論意義和應用價值 . 1 1.2 打樁機的種類與特點 . 1 1.3 導桿式柴油打樁機的沉樁規(guī)格與其他設計要求 . 2 1.4 總體設計思路 . 2 2.總體方案設計 . 3 2.1 執(zhí)行元件總體設計 . 3 2.2 車體布局 . 3 2.3 車身貨箱長度的確定以及車輛型號的選用 . 4 3.柴油錘設計 . 4 3.1 柴油打樁錘錘體重量設計 . 4 3.2 樁帽設計 . 5 3.3 柴油錘其他尺寸設計 . 6 4.導向架設計 . 6 4.1 導向架材料選取 . 6 4.2 其余部件設計 . 7 5.液壓缸位置及行程設計 . 8 5.1 導向架支撐液壓缸設計 . 8 5.2 車身支撐液壓缸，扶 樁機構液壓缸與液壓馬達的設計 . 10 5.3 缸體材料選用及技術要求 . 10 5.4 缸體端部連接方式與活塞桿端部結構 . 10 6.液壓系 統(tǒng)設計 . 11 6.1 初選系統(tǒng)工作壓力 . 11 6.2 液壓缸主要結構尺寸 . 11 6.3 液壓缸動作順序 . 13 6.4 液壓系統(tǒng)回路設計 . 13 6.5 液壓元件的選用 . 14 7.電氣系統(tǒng)設計 . 17 7.1 控制系統(tǒng)的選用 . 17 7.2 PLC 程序設計 . 18 8.導向架彎曲強度校核 . 21 結論 . 23 參考文獻 . 24 附錄 1：外文翻譯 . 25 附錄 2：外文文獻原文 . 31 致謝 . 41 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 1 1.緒論 1.1 工作的理論意義和應用價值 在近 些年 間高速公路建設的規(guī)模與速度令人驚嘆 ,施工時 對于施工 效率 和 質量 的 要 求越來越高 ,制造 并使用高精度 ,高效率的機械化 設備 作業(yè)是實現(xiàn)上述要求的 重要 保證。 高速公 路防撞護欄樁施工是公路建設后期一項時間緊迫、任務繁重、難度大、工藝復雜 , 人 力 無法完成 的作業(yè)。依照現(xiàn)行設計要求 ,護欄樁的分布密度為每 4 米 1 根 ,部分 地區(qū) 每 2米一根 ,每公里的數(shù)量達到 1000 多根。 日前 ,在 我國高速公路通車里程達每 3000 公 里 ,合計總沉樁數(shù)量為 4000000 根。護欄樁的位置都 分布 在 已經 充分壓實的路肩上 ,大 多數(shù)路基下有穩(wěn)定沙礫甚至碎石。在 地質條件復雜 ,沉樁阻力大 處 不可能人工沉樁 ,并且 顧及到護欄自身的防護功能及對路容的影響 ,沉樁施工必須 在 一定的施工 要求內。護欄 樁的施工質量具體指沉樁的垂直度、樁位自身的精確度、標高的誤差范圍和樁頭自身的 變形程度。若施工質量較差 ,將 很大程度 影響護欄板和防水帽的安裝精度和作業(yè)效率 ,同 時還影響車輛通行時 的安全防護和道路整體線形的外觀。因此 ,護欄樁的施工質量對 于 后期的護欄板安裝以及高速公路的安全保障功能的實現(xiàn)和道路整體外觀具有至關重要 的意義。根據我國具體情況 ,在高速公路建設中給護欄施工的時間一般 較為短暫 ,工期要 求 緊張 ,所以要求完成護欄樁施工的機械具有較高的作業(yè)效率。本研究所涉及 的車載式 柴油打樁機的主要用途是實現(xiàn)高速公路防撞護欄樁沉打作業(yè)任務。 1.2 打樁機 的種類與特點 打樁機按其 工作 方式 分為柴油打樁機，液壓打樁機，靜壓打樁機，振動打樁機。 1）柴油 打樁機 柴油 打樁機 自上世紀 50 年代發(fā)展 起來的新型樁工機械。 由 于 自身沖擊能量大，體 積小，使用 方便 ， 逐漸 代替了 蒸汽 錘和墜錘 。 目前 已經 是橋梁，高層建筑，發(fā)電廠，化 工廠等大型基礎施工的主要機具之一。 小型 的柴油 打樁機 為導桿式 柴油打樁機憑借 其結 構的簡單，操作的方便，成樁效果好是公路 橋梁 ，民用及其工業(yè)建筑中常 使用的 小型柴 油打樁機。 2）液壓 打樁機 液壓 打樁 機是自身 工作時以液壓能做為 原 動力的 一種類型 的打樁機。 在實際 施工 打樁 時液壓 錘 自身下落 通過樁帽這一 中間 緩沖裝置可以將能量 直接 傳給 樁體 而不需要 獨立 設計 的 扶樁機構，因此 工作 環(huán)境要求低 ， 可以適應復雜工作環(huán)境，可以對各種形 狀的預制 混凝土 樁和 鋼板 ， 木 制 樁 直接 進行沉樁作業(yè)。并且 可以在 路 地 上 與水面上進 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 2 行 斜樁作業(yè)，這是 液壓 打樁 機由于 自身工作特性 的 優(yōu)越 之處 ，于其他類型 打樁機 的 無 可 比 。 3）靜壓打樁機 靜壓 打樁機在 施工 中的工作 方式 是中 通過靜力將 樁 直接 壓 入到 土層之中， 因為 樁 自 身未 收到擊錘 的沖擊 力 ，因此預制 混凝土 樁的 強度可以 比柴油打樁機 的 小 ，這樣下來 就 極大 節(jié)約了施工 時的成本。 靜壓 打樁機實際施工中基本上沒用出現(xiàn)樁 折斷 的情況， 并且 靜壓 打 樁 機可以 直接 對 樁進行靜載試驗。 4）振動 打樁機 振動 打樁機利用振動樁錘產生的周期性激振力使得 樁 周圍土壤 液化 ，減小了土壤對 樁的摩 阻力，因而達到使得樁基下沉的目的。 1.3 導桿式 柴油 打樁機 的 沉樁 規(guī)格與 其他 設計要求 設計 要求中 的 數(shù)據 ：鋼筋混凝土樁尺寸 :25cm25cm300cm ，液壓樁錘打樁為自由 落體 擊樁與柴油點火爆發(fā)擊樁的復合，樁錘結構緊湊，液壓馬達提升時間 10s；液壓斜 式導向架起升與回落要求速度均勻 ，運行 平穩(wěn)，起升與回落時間均 30s， 并且 導向架自 身總長度不超過車體總長；液壓及 電氣控制系統(tǒng)在野外作業(yè)環(huán)境下工作可靠；通常地層 結構下，每個鋼筋混凝土樁完成打樁時間 120s， 為設計要求，依托一款陜汽汽車底盤 進行自主設計。 1.4 總體 設計 思路 根據 以上的分析與產品要達到的基本功能與要求并結合已有的 經驗 ， 可以 采取以下 設計方案 ： 1 通過 工作環(huán)境和 需要 沉樁的 預制樁可要求 入手，確定車載式柴油打樁機的 總體設 計 方案。 2 通過 給定的預制樁尺寸，參照 現(xiàn)有 柴油錘 工作 方式及其結構方式， 確定 柴油錘設 計 3從 得到的柴油錘尺寸來確定導向架具體尺寸及其配套 結構細節(jié) 。 4根據 總體方案設計與柴油錘導向架具體數(shù)據分析柴油錘位置布局與力學計算。 5 根據導桿式 柴油 打樁機 的 設計 要求 與 工作特性 設計與其 配套液壓系統(tǒng)與電氣控制 系統(tǒng) ， 并 選用 液壓元器件。 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 3 2.總體 方案設計 打樁機 要 求在野外環(huán)境下打入 300cm 的預制樁 ， 總體 方案 設計以 滿足 設計需求，結 構簡單，控制簡單為 主體思想， 結合市面相關產品與自身已有經驗， 做出以下 設計方案 。 車 在野外 工況 復雜 可能 工作環(huán)境 不都 為平整鋪裝路面， 在工作前 先由四個 車身 支撐 缸將 車 身 整體支起 懸空至 相對水平位置， 然后 導向架 由 一個液壓缸 負責 支起與 收回作用以 達 到工作狀態(tài)與平時運輸狀態(tài) ，柴油 錘 由 液壓馬達拉升 ，扶 樁機構 液壓缸 伸出抱住樁體。 2.1 執(zhí)行 元件 總體 設計 表 2.1 執(zhí)行元件 明細表 作用 工作 部件 數(shù)量 車身 的整體支撐 液壓缸 4 導向架 的支起與收回 液壓缸 1 液壓錘 的提升 液壓馬達 1 扶樁 機構 液壓缸 1 2.2 車體布局 圖 2.1 車體布局示意圖 1 2 3 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 4 注： 1車身 貨箱， 2 車身 導向架， 3導向架 支撐液壓缸 2.3 車身 貨箱長度的確定 以及 車輛 型號 的選用 車身 貨箱長度 約等于 導向架長度 0.9 倍 。 導向架 長度 =樁 身 長 +柴油錘 體 總長 +柴油錘 落距 +部分 鋼絲繩長 +滑輪長 ，已知樁長 為 300cm， 其余部分取 300cm，導向架 長為 6000cm，車身 貨箱 長度略小于導向架長度 從 而取 車身貨箱長度為 5400mm。 查詢市面 已上市車輛，最終選取 陜 汽 牌型號 為 SX5166JSQGP4 的 車作為此次設計 基 礎 。 后續(xù) 設計依托此 型車輛相關 數(shù)據作為設計基礎。 陜汽 SX5166JSQGP4 車輛 具體相關參數(shù)： 表 2.2 車輛 具體參數(shù) 車頭 高 3500mm 整車長 8360mm 裝備 車重 11100kg 貨箱 尺寸 5600mm2300mm600mm 3.柴油 錘 設計 查閱 資料后 得知在 實際 樁工 施工過程中 在打樁前要 做試 樁實驗， 通過做 樁基 的靜 載荷試驗 來確定樁基的 實際 靜荷 ，這一過程 至今 仍然 被公認為 比較靠譜 的實驗 。在查 閱 相關資料后 得 ， 柴油 錘的 設計要 求打樁貫入度在合理范圍內，沉樁 阻 力小 于 樁身 承 載 力 即可。 3.1 柴油打樁錘錘體重量 設計 1）用前蘇聯(lián) 格 爾 謝萬諾夫的打樁公式 來 計算沉樁 時 的阻力。 打樁的沉樁阻力 公式： p = 2 +(2 )2 + + + +2+ （ 3.1） 式中 ， Q為 錘 重 e為貫入度 H為 錘下落高度 F為 樁的 橫截面積 為 樁頭墊層 系數(shù) 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 5 n為 樁的 材質 系數(shù) q為 樁的重量 預制樁 為 25cm25cm300cm，預制樁重量計算 ，取 預制混凝土樁密 度為 2500kg/m3 預制 樁重量 ： q=v g=25000.250.253 10N = 4.68KN。 錘重量 Q取 400kg， e 取 0.2cm,樁橫截面積 F=2525cm2=625cm2,n 查表取 0.15， 查表取 0.4， H 取 200cm。 帶入 打樁公式 得 p=385.3KN 2）計算 貫入度 在此 求最終貫入度 。查閱 相關資料 后沉樁 過程中最終貫入度 一般小于 0.65 就較為 合適。 貫入度 公式為： e= (+)+2+ （ 3.2） 式 中 ： Q為 錘 重 H為 錘下落高度 F為 樁的 橫截面積 為 樁頭墊層 系數(shù) n為 樁的 材質 系數(shù) q為 樁的重量 p為預制樁承載力 ， 取 500KN 帶入 數(shù)據得 e=0.64mm 沉樁 阻力 小于預制樁 承載 力而且貫入度小于 0.65mm，所以選用 400kg的 錘體 重力 較為 合適。 3.2 樁 帽設計 作業(yè) 要求沉樁的預制樁規(guī)格為 橫截面積 25cm25cm 的方樁 ，則 樁帽 也應該為方形 結構， 在 設計經驗中樁帽內徑比樁大 1cm 足夠 ， 樁帽 設計大過太多會 導致樁帽 和樁頭 不在同一豎直位置，樁錘 在 自由下落 后會導致下砸在 樁 帽的位置 偏移， 使得整個樁體 下路 位置 偏移預計位置 從而使得 樁身整體傾 斜 。 樁帽內部尺寸 設計為 27cm27cm，外 部 尺寸設計為 30cm30cm。 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 6 3.3 柴油 錘 其他 尺寸設計 導軌 中心距取 30cm，落距取 160cm，導軌直徑 取 50mm， 打樁錘錘體總長 取 300cm,樁 帽 外徑為 3030cm。樁錘 設計圖如下 ： 圖 3.1 打樁錘 4.導向架 設計 根據 總體設計方案 ， 導向架總長為 6000mm，平時斜 放在車輛 平板上，與車身基座 連接。導向架 頂部 通過焊接 將 滑輪組連接在導向架上。導向架 為了 使得油管長 度減 少， 液壓 馬達安裝的位置較為靠近導向架 尾部 。 設計 圖如下： 圖 4.1 導向架 4.1 導向架 材料選取 由于 導向架上面要焊接 安裝 滑輪的裝置，并且需要將液壓馬達，鋼絲繩滾筒安 裝 在導向架上 ，在 平時工作時會 受到 較大的載荷。綜上 情況 確定材料 需要 較強的 抗彎 強 度與 抗 壓強度。 初步選定工字鋼與 H型 鋼做為 導向架 主體的 備選 材料。 圖 4.2 H 型 鋼 圖 4.3 工字鋼 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 7 經過 對比， H型鋼自身 的翼緣 比 工字鋼來說 更 寬 而且自身翼緣 內部沒有傾斜角度 ， H型 鋼 自身上下的 表面 相互 平行 這樣的 自 身 結構 更 加 方便螺栓的固定。 工字鋼橫截面積 比起 H 型 鋼橫截面積都是較高 ， 較窄 的故兩種慣性矩 相差較大。 H型 鋼具有更大的慣性 矩 ，自身能夠承受 更大的 彎曲 應力 ， 保證導向架 日常使用 要求。 總終 ， 選取 寬翼緣型 H 鋼 ， 鋼材型號 為 200200812， 長度為 5800mm， 質量 總計 200kg。 液壓 馬達 ， 鋼絲 繩滾筒 可以 通過螺栓 固定 在 導向架 上 。 4.2 其余部件 設計 4.2.1 導桿 柴油 錘通過鋼絲繩提升， 柴油 錘自身的上下移動 通過 導向架上附有的導桿 導引。 圖 4.4 導向架 4.2.2液壓馬達 與油管 布置與連接 設計 圖 4.5 導 向架 1處液壓 馬達放置在導向架背部 與 導向架以螺栓的形式連接在一起 ， 2處 油管在導向架 背部，在導向架 處 的 油管 為硬管 。 4.2.3機錘擋銷 為了使柴油 錘 工作或 運輸時必須 在導向架 上設計機錘擋銷， 防止 在運輸中樁錘 滑落 或 工作 時 過高的 升起。 如圖 所示： 圖 4.6 機錘 擋銷 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 8 5.液壓 缸位置 及 行程設計 5.1 導向架 支撐液壓缸設計 5.1.1 導向架 支撐液壓缸位置確定 確定導向架 運輸 時 與工作時兩個極限位置如圖： 圖 5.1 極限 位置圖 為了 使得液壓缸 伸出 長度較小， 液壓載荷 適中，所以液壓缸 較為 靠近車體尾部 。 圖中 ， C點為 車頂 ， O 為 導向架與車身的鉸接處， CO 為導向架 運輸 時 的位置， C O 為 導向架工作時的位置 ， CO 長度 為 6000mm。平板 以上 車高為 2000mm。 BA 與 BA分別是導向架 運輸時的液壓缸長度和工作時的長度 ,A為 液壓缸在導向架 鉸接的位置 ， 設計 AO長 1500mm，設計 BO 長度 為 4200mm。角 a 為 COB 之間 的夾角，角 b為角 a的余角 。 畫圖分析 得角 a為 14， 角 b 為 76。 根據 余弦定理確定出 AB 長 為 2768mm， AB長 為 4459mm。 一般 液壓缸伸出長度為收回 長度 的 0.66 倍 ， AB-AB=1691mm，而 AB 長的 0.66 倍 1827mm 大于 AB 與 AB 之 差，故 導向架支撐 液壓缸位置設計較為合理。 5.1.2 液壓缸最小推力計算 圖 3中以 O 點 為 旋轉 中心列力矩平衡公式。 沿 BA方向 推力為 F,力臂 為 h。 取 導向架質心為 A 點 ，導向架重 力 為 G,力臂 為 S。 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 9 導向架 重 力 G=G錘 +G導向架 ，取 導向架重量為 200kg， 得 G為 8KN S=sinbAO=sin14 1500=1410mm （ 5.1） 在 三角形 ABO 中 sin14 BOAO=ABh， 可得 h為 550mm。 圖 5.2 導向架 極限位置圖 根據 力矩平衡得 Fh=GS （ 5.2） 即 F= ， 得 液壓缸 最小推力應 為 21162N。 為了 確定液壓缸 在此 位置時候為最小推力，用 excel進行了機構 2090的 液壓缸 推力計算。 具體 數(shù)值如下 ： 表 5.1 液壓缸 推力 變化 a， b 均 是 弧度制， h 為液壓缸 的 力臂長， F 為 液壓缸 的推力 圖 5.3 液壓缸 推力變化 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 10 最終 設計結論為： 導向架支撐液壓缸 收縮狀態(tài) 取 2800mm，伸 展 長度為 4460mm。 液壓缸 與導向架在車 身鉸接位置 為 貨廂 從車頭 方向 起始 1800mm 處 ，液壓缸 與 導向架鉸接位置為從導向架尾 部起始 1500mm 處。液壓 缸最小推力應為 21163N。查 液壓設計手冊得 取 液壓缸行程 1700mm，因為 液壓缸要完成伸展和收回兩個動作，所以缸體選用為 差動式雙作用 液壓 缸 。 5.2 車身 支撐液壓缸 ， 扶樁機構液壓缸 與 液壓馬達的設計 由于 車身在從運輸 狀態(tài) 轉換至工作狀態(tài)中 整個 導向架 活動 范圍一直 在 車身平板 內 ，導向架一直由車身 提供 支撐，未出現(xiàn)如隨車吊 工作 時那樣吊臂伸出車外的情況 ， 所以 車身支撐 液壓缸 不必考慮伸出長度與 缸體 之間的跨距。 隨車 的四個車身支撐 液壓 缸 只需 考慮最小工作 載荷 即可。 1 車身 總重估算 ： G車 =G整車 裝備 重 +G打樁 錘 +G導向 架 +G其余 =111000N+4000N+2000N+5000N=122KN 單個 液壓缸載荷為： F 單 =車4 =30.5KN （ 5.3） 查液壓 手冊取液壓缸 行程 為 630mm， 液壓缸 為 差動式 雙作用 液壓缸 。 扶樁機構 需要的 載荷 一般比較小，這里 取 2KN。查液壓 手冊取 液壓缸 行程 取 40mm，液壓 缸為差動式雙作用液壓缸。 取 鋼絲 繩 滾筒的半徑為 為 0.1m，又由于液壓馬達是提升樁錘的 ，所以 f=G 錘 =4000N,所以 液壓馬達的轉矩為 400N m 5.3 缸體 材料選用 及 技術要求 液壓缸缸 體 的 選擇 45鋼 ，調質到 240 285HBW?；钊?材料選用耐磨鑄鐵。 缸體 內徑 采用 H8 配合 ，表面粗糙度選用 Ra=0.2m。 5.4 缸體端部連接 方式與活塞桿端部 結構 導向架 支撐液壓缸 與 車身連接的方式 為 雙耳環(huán)式 ， 缸體端部為法蘭連接 。 圖 5.4 活塞 桿雙 耳環(huán) 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 11 6.液壓 系統(tǒng)設計 設計參數(shù)：錘重 為 400kg，落距 1600mm，液壓馬達提升時間 10s，導向架升起回 落 30s。 取 液壓 馬達提升時間為 5s， 則液壓馬達為 0.32m/s，設卷筒半徑為 10cm 則 液壓馬達 轉速 為 30r/min。取 導向架 15s 從 運輸狀態(tài)豎立成工作狀態(tài)， 則導向架 支撐缸 運動速度 為 ： v 導 =1.715 = 0.11m/s。 液壓馬達 轉矩 = 2 = 2 =40000.3220.5 = 407N m （ 6.1） 各液壓缸 載荷（ 機械 效率為 0.9） 表 6.1 液壓缸 載荷 名稱 液壓 缸外載荷 活塞 上載荷 F 導向架 支撐缸 21.1KN 23.5KN 車身 支撐缸 30.5KN 34KN 扶樁 機構 缸 2KN 2.2KN 液壓 馬達 T= =4070.95=428N m（機械 效率 取 0.95） （ 6.2） 6.1 初 選系統(tǒng) 工作壓力 車載式柴油打樁機屬于小 型 工程機械，查表 液壓 技術 實用 手冊 選取工作壓力 為 13MPa， 即 p1為 13MPa。 6.2 液壓 缸主要結構尺寸 6.2.1 導向架 支撐缸 確定導向架支撐缸活塞及其活塞桿直徑 ， 導向架支撐缸最大載荷為 23.5KN， 工作 在活塞桿受壓狀態(tài)，此時缸的回流量極小， 視背壓 為零，按公式 D=4 。 （ 6.3） 計算活塞直 徑即 ： D1=411=423.510313103 =0.04m， 取 D1=0.05m。按 工作 壓力選取 d/D,查表得 d/D 為 0.7， 求得 d1=0.035m。 6.2.2 車身 支撐缸 計算 四個車身支撐缸活塞與活塞桿直徑，車身被 支起 時車身支撐缸載荷達到最大 值 34KN,此時車身 支撐缸 活塞 的移動速度也近似為零， 回油 量極少， 故背 壓力 可忽略 不 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 12 計這樣 D2=421 =43410313103 =0.057m， 取 D2為 0.06m。 按 工作壓力 選取 d/D=0.7， 求得 d2=0.042m。 6.2.3 扶樁機構液壓缸 當 扶 正 樁 時 液壓缸達到最大工作載荷，此時液壓缸活塞移動速 度 也近似為零，回油 量極少，背壓力 暫可不計。 D3=431,=423.510313103 =0.04m,取 D3 =0.05m。 按 工作 壓力 取 d/D=0.7，得 d3=0.035m， 取 d3=0.04m。 6.2.4 液壓 馬達 液壓 馬達 工 作方式 為 單向 旋轉，其 回油方式 是直接 就 回 油箱 ， 默認其 出口壓力 為零， 機械 效率 選取 為 0.95， 則 = 2 1 = 23.14428131060.95 = 0.00033 = 0.3L/r （ 6.4） 表 6.2 液壓 執(zhí)行元件 實際 工作壓力 工況 執(zhí)行元件 載荷 背 壓力 2/ MPa 工作 壓力 p/ MPa 計算 公式 導向架架 起降 導向架支撐 液 壓缸 23.5KN 0.3 12 1 = + 22 1 車身 支撐缸起 降 車身 支撐液壓 缸 34KN 0.3 12.2 扶樁機 機構夾 緊 扶樁 機構液壓 缸 2.2KN 0.3 1.2 提 樁錘 液壓 馬達 428N*m 8.8 1 = 2 式 中 ： 1=4 2無桿 腔活塞 的 有效工作面積 ， 2=4(2 2） 有桿 腔活塞有效工作面 積 。 表 6.3 液壓 執(zhí)行元件實際所需的流量 : 工況 執(zhí)行 元器件 運動速度 結構參數(shù) 流量 / （ L/s） 導向架 起 導向架 落 導向架 支撐缸 0.11m/s 1 = 0.00 33 2 = 0.00 13 0.33 0.11 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 13 車身起 車身 落 車身 支撐缸 0.03m/s 1 = 0.00 33 2 = 0.00 13 0.09 0.03 q =Av 扶樁 機構夾緊 扶樁 機構放松 扶樁 機構液壓 缸 0.03m/s 1 = 0.00 33 2 = 0.00 13 0.09 0.03 提升 樁錘 液壓 馬達 30r/min v=0.3L/r 0.15 q = vn 6.3 液壓 缸動作順序 表 6.4 液壓缸 動作順序 動作部件 名稱 動作 順序 導向 架支撐缸 舉升 保壓 收回 車身 支撐缸 舉升 保壓 收回 扶樁 機構液壓缸 舉升 保壓 收回 液壓 馬達 拉升 保壓 卸荷 6.4 液壓系統(tǒng) 回路設計 圖 6.1 液壓 系統(tǒng)回路圖 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 14 電磁鐵 動作表 表 6.5 電磁鐵 動作順序 表 磁 鐵 動作 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 9YA 10YA 11YA 12YA 13YA 導向 架 升 + 導向 架 降 + 車身 升 + + + + 車身 降 + + + + 扶樁 夾緊 + 扶樁 放松 + 提升 樁錘 + 制動 6.5 液壓 元 件 的選用 6.5.1 液壓 泵的選擇 1.液壓 泵工作壓力的 確定： 1 + （ 6.5） 式中 ： 1=12.2MPa 為此 系統(tǒng)中所有液壓元件 中 的最高工作 壓力 ， 對于 本系統(tǒng) ，分析得 最高壓力為 車 身 支撐缸入口的壓力 ： 為 泵到執(zhí)行 元件 間總的管路損失。由 系統(tǒng)圖 可見從 ， 從泵到車 身 支撐缸之間串 接 一個調速閥，一個單向閥和一個換向閥，取 = 0.5MPa。 液壓 泵 工作壓力 為 =（ 12.2+0.5） MPa=12.7MPa 2.液壓 泵流量的確定 K（ ） （ 6.6） 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 15 由 工況圖看出，系統(tǒng)最大 流量 發(fā)生在 導向架 升起時， =0.3L/s， 取 泄漏系數(shù) K 為 1.2， 求得液壓泵流量為 =0.36L/s（ 21.6L/min） 為使得 液壓泵有一定 的 壓力儲備，所以選的泵的 額定 壓力一般比最大工作壓 力 25% 60%， 取泵 的額定壓力比最大工作 壓力 大 25%， 則泵的壓力為 16MPa。查表 后， 選取 定量葉片泵 YB2-E,工作 壓力為 16MPa，排量在 10200mL/r，轉速 600 2000r/min。 6.5.2 電機 功率的確定 確定 液壓泵的驅動功率： 表 6.6 液壓泵 的總效率 液壓泵 類型 齒輪泵 螺桿泵 葉片泵 柱塞泵 總效率 （ %） 60 70 65 80 60 75 80 85 P= = 12.71060.361030.75 =6096W （ 6.7） 所以 選用 6KW的電動機。 6.5.2 液壓 馬達的選用 在 6.2 處 已經求得液壓馬達的排量 0.3L/r，正常工作 時輸出 的 轉矩 為 407Nm， 系 統(tǒng) 壓力為 16MPa。 選擇 QJM 型 徑 向球塞定 量液壓馬達，型號為 1QJM21-0.32， 排量為 0.32L/r，額定 工作壓力 為 16MPa，最大工作壓力為 31.5MPa， 轉速范圍在 1 400r/min，最高輸出轉 矩 1510Nm。 6.5.3 液壓 閥的選用 選擇時 主要依據的是閥的 在 工作時工作壓力和通過閥的 實際 流量 。此系統(tǒng) 工作壓 力為 13MPa， 因而 液壓閥都要選用中等 壓力 和高壓力的閥體。所選 的 閥的規(guī)格如下： 表 6.7 液壓閥 規(guī)格 選用 表 序號 名稱 實際 流量 / （ L/s） 選 用規(guī)格 1 單向閥 0.09 S10A5O/V2 2 單向閥 0.09 S10A5O/V2 3 三位四通 電液 換向 閥 0.09 4WE10H5/AG24NZ5L 4 單向閥 0.09 S10A5O/V2 5 單向閥 0.09 S10A5O/V2 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 16 6 三位四通 電液 換向 閥 0.09 4WE10H5/AG24NZ5L 7 單向閥 0.09 S10A5O/V2 8 單向閥 0.09 S10A5O/V2 9 三位四通 電液 換向 閥 0.09 4WE10H5/AG24NZ5L 10 單向閥 0.09 S10A5O/V2 11 單向閥 0.09 S10A5O/V2 12 三位四通 電液 換向 閥 0.33 4WE10H5/AG24NZ5L 13 單向閥 0.33 S10A5O/V2 14 單向閥 0.33 S10A5O/V2 15 三位四通 電液 換向 閥 0.09 4WE10H5/AG24NZ5L 16 溢流閥 0.09 DB20-1-30/200 17 溢流閥 0.08 DB20-1-30/200 18 單向閥 0.09 S6A5O/V2 19 單向閥 0.09 S6A5O/V2 20 三位四通 電 液 換向 閥 0.09 4WE10H5/AG24NZ5L 21 溢流閥 0.08 DB20-1-30/200 22 溢流閥 0.08 DB20-1-30/200 23 溢流閥 0.08 DB20-1-30/200 24 二位二通 電液 換向 閥 0.09 4WE10H5/AG24NZ5L 25 調速閥 0.09 2FRM10-21/50L 6.5.4 油管 內徑計算 油管內徑 計算： d = 4 （ 6.8） 式中 ： 為 通過 管道內 的流 量 （ m3）， v 為管內 允許 的流速 （ m/s） 表 6.8 油路 設計 管路 名稱 通過 流量 /(L/s） 允許 流速 / （ m3/s） 管路 內徑 /m 實際 取值 /m 主要 管路 0.09 3 0.006 0.01 液壓 馬達 0.33 3 0.011 0.012 6.5.5 油箱有效 容積 V = a （ 6.9） 表 6.9 油箱經驗系數(shù) 系統(tǒng) 類型 行走 機械 低壓 系統(tǒng) 中壓 系統(tǒng) 鍛壓 系統(tǒng) 冶金 機械 a 1 2 2 4 5 7 6 7 10 已選 泵的流量為 21.6L/min，所 以 液壓泵每分鐘排出液壓油為 0.02m3，查表 得 a取 6， 得 V=0.12m3 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 17 7.電氣 系統(tǒng)設計 7.1 控制 系統(tǒng)的選用 考慮到電氣控制 可靠，費用低，設計選用三菱 FX2N系列 PLC 進行 電氣系統(tǒng)控制 .選 用 FX2N 32MR 001 型 ，輸入 點 數(shù) 為 16， 輸出點數(shù)為 16。 設置 I/O 輸入輸出： 表 7.1 輸出位置 名稱 電磁 閥 輸出點 車身 支撐液壓缸 1YA 3YA 5YA 7YA Y001 Y003 Y005 Y007 2YA 4YA 6YA 8YA Y000 Y002 Y004 Y006 導向架 支撐 缸 9YA Y009 10YA Y010 扶樁 機構液壓缸 11YA Y011 12YA Y012 液壓馬達 13YA Y013 表 7.2 開關 設置 名稱 輸入點 車身 支撐液壓缸 S0 （車身 升 ） S6（車身 降 ） 導向架 升降液壓缸 S1 （導向架 升） S4(導向架降 ) 液壓馬達 S2 扶樁機構 S3（扶樁 機構夾緊 ） S5（扶樁 機構松 ） 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 18 7.2 PLC 程序 設計 工作時 順序為 ： 車身支撐缸支撐起車身后，導向架升降液壓缸升起導 向架，液壓 馬達提升舉起液壓樁錘。 設計 PLC 梯形圖 為： 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 19 圖 7.1 PLC 工作 順序 1 梯形圖 工作 完成后的液壓缸順序為， 導向架液壓缸 下降，扶樁機構泄壓，車 身 支撐液壓 缸收回 。 設計 的 PLC 梯形圖 如下 ： 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 20 圖 7.2 PLC 工作順序 2 梯形圖 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 21 8.導向架彎曲 強度校核 圖 8 .1 導向架 受力圖 受力 分析： F1 為 支撐 桿 對導向架的 力 ， F2 為 導向架支撐缸 對導向架 的 力 ， F3 為 基 座對導向架的力 ,F4 為導向架 自身 的 重 力 。 又 因為液壓缸與導向架連接處為導向架的 1/4 處 ，導向架自身重 力 位 于導向架 自身 1/2 處。 畫圖 得 F1 與 F1夾角 為 14， F4與 F4夾角 為 14,F2 與 F2的 夾角為 70， F3 與 F3的 夾角為 14。 設 導向架長度為 L。 F1=F1COS14,F2=F2COS70,F3=F3COS14, F4=F4COS14 根據 力矩平衡 列 式 ： F1-F4 1/2L +F2 L/4=0 （ 8.1） -F4 L/4+F23/4L+F3 L=0 （ 8.2） 再 根據 受力 平衡得 ： F1+F2+F3=F4 求得 ： F1=3284N， F2=2388N， F3=2089N 可得 受力圖如下 ： 圖 8.2 導向架 受力 分析 圖 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 22 剪力圖如下 ： 圖 8.3 導向架剪力 圖 彎矩 圖如下： 圖 8 .4 導向架 彎矩圖 由圖可得，最大 彎矩在 導向架中點 處 。最大 彎矩為 9852Nm 查表 得， = 160cm3=160106m3 再 由式： = = 9852160106 = 61.5MPa （ 8.3） 取安全 系數(shù)為 2， 則導向架 彎矩 最大處 受 的最大應力為 2=123MPa。 因為 導向架 結構 選用 Q235 鋼 ，鋼的 許用應力 為 215MPa， 最大彎矩處 彎曲應力小于 材料 的許用應力，所以導向架滿足強度條件。 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 23 結論 本次 設計 通過 查閱相關資料后從影響打樁的種種因素分析了當前各種打樁機的優(yōu) 劣之處， 主要 了解了柴油打樁機的工作順序與特點 。最終根據 設計要求初步確定了此 次設計的具體 的 車型選用，樁錘重量 ， 導向架 具體 的設計。 通過 對運輸和 工作 兩個 極 限位置的分析，從而確定了液壓缸 鉸接 的 布置 位置 與最小推力 計算。 導向架 做為打樁機的主要部分，對其進行了具體的設計，從材料的 選用 與自身結 構的布置，強度的校核， 上下工作時 限位的方式，油管的布置 ，液壓 馬達與 鋼絲繩 滾 筒的連接進行了設計。 液壓系統(tǒng)設計設計 并 計算了 導向架 撐起液壓缸 ， 車身支撐液壓缸 ， 抱樁機構 液壓 缸 具體參數(shù) ， 并對其 主要 部件 進行了 選用。 對提樁 的液壓 馬達 也進行了選用 。對 液壓 缸 ， 液壓馬達實 現(xiàn) 不同工作需求編寫了電磁閥動作順序表，并 配合 PLC 編寫了 電氣控 制梯形圖。 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 24 參考文獻 1史繼江 .公路護欄 樁液壓打樁機機電液一體化設計 D.長安大學 ,2009. 2 劉 古珉 王 渝 胡 國慶 .樁工機械 M.北京 :機械工業(yè) 出版社 ,2001.4. 3羅漢導 . 打入樁的沉降工藝及格爾謝萬諾夫公式在打入樁中的應用 J. 黎明職業(yè)大學學 報 ,2004,(02):42-44. 4孟慶云 . 打樁動力公式的探討 J. 鐵道標準設計通訊 ,1985,(09):13-19+23. 5劉大罡 . 打樁機中無導向樁帽對柴油錘的影響簡析 J. 工程機械 ,1987,(06):49-50+19. 6張 青 .工程起重機 結構 與 設計 M.北京 .化學 工業(yè)出版社 .2008 7宋錦春 .液壓 技術實用手冊 M.北京 .中國 電力出版社 .2011 8 劉 延 俊 .液壓 與氣壓傳動 M.北京 .機械 工業(yè)出版社 .2012 9王 振 臣 .機床 電氣控制技術 .北京 .機械 工業(yè)出版社 .2012 9 張 萬 忠 .可編程 控制器入門與應用實例 .北京 .中國 電力出版社 .2004 10劉 鴻文 .材料力學 .北京 .高等教育 出版社 .2011 11王君 .預制樁打樁過程仿真分析與試驗 D.大連交通大學 ,2013. 12趙子贏 .樁基礎施工工藝概述 J.民營科技 ,2012,(10):274. 13XiangqiHuang,TakeshiSasaki,HidekiHashimoto,FumihiroInoue,BoZheng,TakeshiMasuda, KatsushiIkeuchi.AnAccurateandEfficientPileDriverPositioningSystemUsingLaserRangeFin derM.SpringerBerlinHeidelberg:2013. 14TakeshiSasaki,HiroshiKawahara,FumihiroInoue,HidekiHashimoto.CircleFittingBasedP ilePositioningandMachinePoseEstimationfromRangeDataforPileDriverNavigationJ.IFACP 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合作提高工 作效率 ; iii）操作時間長 這可能會降低工人的準確性和安全性。 在本文中，我們提出了一種高效準確的打樁機定位系 統(tǒng) TEM。 我們建議不要使用 傳統(tǒng)儀器來測量預設標記 使用激光測距儀的精確高效的樁驅動器定位系統(tǒng)利用高精度 激光測距儀（ LRF）掃描整個構造場 同時從掃描范圍同時檢測移動的樁位置。 圖 1示出 了我們的系統(tǒng)，其中僅需要一個操作者來操作樁 駕駛員調整樁位置，由顯示動畫樁的 顯示器導航施工現(xiàn)場地圖上的定位。 該系統(tǒng)提供了更方便的方式 幫助運營商全面評估 收縮圖上的錯誤，無需任何幫助的額外工人。 因此，我們的系統(tǒng)大大提高了效率 打樁 精度。 1.2 相關工作 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 26 一方面，在施工現(xiàn)場，調查技術及其工具，在很短的時間內快速發(fā)展。 具有先進 的測量儀器 包 括自動化傳輸和全站儀采用光波距離法，測量時間顯著縮短，定位精度 以達到到毫米級 1。此外，在工作區(qū)非常的土木工程 全球有很少的建筑物，全球定位 系統(tǒng)（ GPS） 經常被用于足夠的調查準確性和有效的工作 2。然而 它們存在缺點： i） 這些儀器是昂貴的， ii） 由于環(huán)境條件，某些地方可能無法使用， iii）不能同時跟蹤 多 個 物體， vi）不可能跟蹤目標 實時和 v）測量需要至少兩名工作人員。 另一方面，近來消費級傳感器的發(fā)展已經吸引增加對定位系統(tǒng)的適用性。使用分 布式設備的時間定位系統(tǒng)包括攝像機 3-5，超聲波 傳感器 6,7和激光 測距儀（ LRF） 8,9。 在這些當中 測量設備， LRF 在諸如實時掃描，高精度， 大覆蓋區(qū)域，不良照明 的魯棒性，低噪聲到信號比例和簡單安裝 10-12。例如， LRF 已經被實時使用了 在大 型戶外區(qū)域進行位置測量 13。 自 20世紀 90 年代中期以來，激光掃描儀已廣泛應用于工程勘察， 如高層建筑的 地面測量 14。 最近在施工現(xiàn)場， 一些研究人員正在努力實時使用 LRF 來改善工作 安 全和效率。 15,16構建基于激光掃描儀的繩索跟蹤系統(tǒng)， ELS。 這些系統(tǒng)在短距離 內工作，并給予本地相對位置 機器和對象。 17使用 LRF 進行測量任務。 1.3 概述和貢獻 我們的系統(tǒng)由三個主要過程組成： 1） LRF 的數(shù)據采集， 2）位置 估計過程和 3）結 果的可視化。 它首先從 a 收集 2D LRF 數(shù)據 施工現(xiàn)場實時 ; 然后同時估計樁位置 最后 的建筑地圖可視化與設計的一起，協(xié)助工人決定樁作業(yè)。 數(shù)據采集后，我們的挑戰(zhàn)是實時位置估計的難度 從范圍掃描的移動。 為了超越，定位過程包括兩個主要子步驟： 1）基于圓模型 聚類的目標檢測 ;2）使用最大似然估計（ MLE）的中心位置細化。 以傳統(tǒng)的定位方式，我們系統(tǒng)的主要貢獻是： 1）我們采用傳統(tǒng)工具提前進行調 查 ，時間測量系 統(tǒng)采用高精度 LRF; 2）我們提出快速檢測 算法用于從距離數(shù)據實時和 準確的樁定位 ; 3）我們的系統(tǒng) 同時跟蹤和導航打樁機提供了更高效，更安全，更便宜 和更簡單的打樁任務的方式。 本文的組織結構如下：第 2節(jié)介紹了系統(tǒng)配置 第 3節(jié)中位置估計的詳細算法。第 4 節(jié)顯示實驗 結果在模擬和實際數(shù)據，其次是第 5 節(jié)的結論。 2 LRF 感應系統(tǒng)的配置 我們首先使用 LRF 設計一種高精度定位樁的傳感系統(tǒng) 為此，我們在深度方向上采 用了高精度的 UMT-30LX LRF 18表 1）水平掃描施工場地的特定區(qū)域。不過我們 挑戰(zhàn) 在于，由于范圍掃描的稀疏 性，準確性難以實現(xiàn)。 如 如圖 1 所示。 1（ c），原始掃描 線（從左到右以粗體顯示紅色箭頭） 太稀疏，只有一點可以在達到圓柱體時返回。這 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 27 種稀疏點云數(shù)據難以用于準確的位置估計。使用激光測距儀的精確高效的樁驅動器定 位系統(tǒng)。 為了克服這個問題，我們建議將 UMT-30LX LRF 安裝到一個平臺上 密集掃描 17。 如圖所示。如圖 1（ b）所示，我們將 LRF 安裝在 SPU-01 平底鍋上 單元 19，其可以 驅 動 LRF 以非常小的角度旋轉（例如， 0,015 度 這種情況） LRF 的后續(xù)掃描。因此 ， 可以 通過組合獲得密點 在單位盤的不同旋轉角度捕獲的 掃描。如圖所示。如圖 1（ c）所 示， 所得到的數(shù)據點可以被視為每個 0.015 度采樣，其中 與 0.25 中的原始掃描比密度 大大提高（最多 17 倍） 度。該系統(tǒng)工作在 2Hz 至 40Hz 之間的數(shù)據采集率。該 打樁機 的工作速度在 0-2103mm/s 之間。在最后階段的速度 的打樁程序，特別需要高定位精 度 0-50mm /秒。對于這種慢動作，系統(tǒng)數(shù)據采集頻率滿足 對于打樁機輔助應用的實時 要求。 3樁位檢測 鑒于上述傳感系統(tǒng)捕獲的密點數(shù)據，我們的下一個任務是如何精確有效地跟蹤樁 位置。 這種位置估計方法 包括兩個主要步驟： 1）樁位檢測， 2）中心細 化。前者 通過 投票算法快速和粗略地檢測范圍掃描中的圓形模型。該稍后通過使用 MLE 算法的細化 來準確地估計圓心。我們 分別描述以下小節(jié)中的這兩個主要步驟。 3.1 樁檢測 由于樁總是垂直于地面并被水平的 LRF 掃描， 掃描平面的交點始終是一個圓。 我 們設計一個圓模型聚類 算法用于快速但粗略地檢測樁位置（參見算法 1）。 由于參考目 標是樁，從 LRF 的角度來看， 樁是凸的，這意味著物體的中心不應該被觀察的 。 3.2 精確位置估計精度 由于 Algorithm1 只提供樁邊界點的提案集，我們需要 根據這些建議準確估算樁 位。 所以下一個 任務可以 被視為：給定邊界點 A = x i， y i K 的建議 1 和一個圓 圈模（ x-a） 2 +（ y-b） 2 = r 2，我們如何準確地估計參數(shù) a和 b。為此，一個常見但 有效的選擇是使用最大似然估計（ MLE）算法，估計可以最大化可能性的參數(shù) 每個提 案。 在我們的系統(tǒng)中，應該估計的參數(shù)只有 a 和 b，因為半徑 的參考目標是提前給出 的。 然而，在這種情況下， MLE 變成了 非線性問題。 為了解決這個非線性方程，我們 應用了 Newton-Raphson 方法，因為它比其他漸變方法具有更快的收斂性，如共軛梯度 或 Levenberg-Marquardt，如果其初始值接近 a和 b 的真值 17。 這里我們使用從 前 一個檢測到的中心位置 檢測結果作為 Newton-Raphson 方法的初始值。 車載 式 柴油 打樁機設計（ 一 ） 28 值得一提的是進一步推進兩個簡單的前處理在我們的方法中： 1）假設背景場景是 靜態(tài)的，移動的數(shù)據部分是 使用背景減法算法提取為前景對象，然后 2） 所有的前景數(shù) 據點都使用區(qū)域驗證方法進行聚類。 4實驗結果 為了驗證我們提出的圓檢測和擬合算法，我們首先用 sim 仿真實驗。 在實際施工 現(xiàn)場實驗之前，我們進行一次 對室內小型實驗模型