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 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(zhì)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(jù)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(jù)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) 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 II 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 致謝 25 車載式柴油打樁機設計（一） 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(zhì)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(jīng)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(zhì)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(nèi)。護欄樁的施工質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jù)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(jīng)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 1 車載式柴油打樁機設計（一） 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(chǎn)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(jù)：鋼筋混凝土樁尺寸:25cm×25cm×300cm，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(jù)以上的分析與產(chǎn)品要達到的基本功能與要求并結合已有的經(jīng)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(jù)總體方案設計與柴油錘導向架具體數(shù)據(jù)分析柴油錘位置布局與力學計算。 5 根據(jù)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。 2 車載式柴油打樁機設計（一） 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(chǎn)品與自身已有經(jīng)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 3 2 3 車載式柴油打樁機設計（一） 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(jù)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 5600mm×2300mm×600mm 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(nèi)，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 + ?? + 𝑄𝐻 + ?+𝜀2? （3.1） 2 2 𝑒 ?+? 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 ε為樁頭墊層系數(shù) 4 車載式柴油打樁機設計（一） n 為樁的材質(zhì)系數(shù) q 為樁的重量 預制樁為 25cm×25cm×300cm，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=ρ × v × g=2500 × 0.25 × 0.25 × 3 × 10N = 4.68KN。 錘重量 Q 取 400kg，e 取 0.2cm,樁橫截面積 F=25×25cm2 =625cm2 ,n 查表取 0.15， ε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= ???? ?+𝜀2? （3.2） ?(?+??) ?+? 式中：Q 為錘重 H 為錘下落高度 F 為樁的橫截面積 ε為樁頭墊層系數(shù) n 為樁的材質(zhì)系數(shù) q 為樁的重量 p 為預制樁承載力，取 500KN 帶入數(shù)據(jù)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 25cm×25cm 的方樁，則樁帽也應該為方形 結構，在設計經(jīng)驗中樁帽內(nèi)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(nèi)部尺寸設計為 27cm×27cm，外部尺寸設計為 30cm×30cm。 5 車載式柴油打樁機設計（一） 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 30×30cm。樁錘設計圖如下： 圖 3.1 打樁錘 4.導向架設計 根據(jù)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 6 車載式柴油打樁機設計（一） 經(jīng)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(nèi)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?？偨K，選取寬翼緣型 H 鋼，鋼材型號為 200×200×8×12，長度為 5800mm，質(zhì)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 7 車載式柴油打樁機設計（一） 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(jù)余弦定理確定出 AB 長為 2768mm，A′B 長為 4459mm。 一般液壓缸伸出長度為收回長度的 0.66 倍，A′B-AB=1691mm，而 AB 長的 0.66 倍 1827mm 大于A′B 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(zhuǎn)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(zhì)心為 A 點，導向架重力為 G,力臂為 S。 8 車載式柴油打樁機設計（一） 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=sinb×AO=sin14° ×1500=1410mm （5.1） 在三角形 ABO 中 sin14° ×BO×AO=AB×h，可得 h 為 550mm。 圖 5.2 導向架極限位置圖 根據(jù)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 20°~90°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(xiàn) 為液壓缸的推力 圖 5.3 液壓缸推力變化 9 車載式柴油打樁機設計（一） 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(zhuǎn)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(nèi)，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 =30.5KN （5.3） 4 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(zhuǎn)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(diào)質(zhì)到 240～285HBW。活塞材料選用耐磨鑄鐵。缸體內(nèi)徑 采用 H8 配合，表面粗糙度選用 Ra=0.2μm。 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) 10 車載式柴油打樁機設計（一） 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(zhuǎn)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=115.7 = 0.11m/s。 液壓馬達轉(zhuǎn)矩𝑇 = ?𝐶 = ?? = 4000×0.32 = 407N ? m （6.1） 2𝜋? 2×𝜋×0.5 ? 2𝜋? 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=??= 407 =428N? m（機械效率取 0.95） （6.2） 𝜂 0.95 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=√𝜋?4? 。 （6.3） 3 計算活塞直徑即：D1=√4?1 =√4×23.5×103 =0.04m，取D1=0.05m。按工作壓力選取 𝜋?1 𝜋×13×10 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 11 車載式柴油打樁機設計（一） 4×34×103 計這樣D2=√ 4? =√ =0.057m，取D2為 0.06m。按工作壓力選取 d/D=0.7，求得 2 3 𝜋?1 𝜋×13×10 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=√ 3 =0.05m。按工作壓力取 4?3 =√4×23.5×103 =0.04m,取D3 𝜋?1, 𝜋×13×10 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(zhuǎn)，其回油方式是直接就回油箱，默認其出口壓力 2𝜋?𝑊 2×3.14×428 3 為零，機械效率選取為 0.95，則?? = = = 0.0003𝑚 = 0.3L/r ? 𝜂 6 13×10 ×0.95 1 （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 / 工作壓力p/ 計算公式 MPa MPa 導向架架起降 導向架支撐液 23.5KN 0.3 12 ?1 壓缸 = 𝐹 + ?2 𝐴2 車身支撐缸起 車身支撐液壓 34KN 0.3 12.2 𝐴1 降 缸 扶樁機機構夾 扶樁機構液壓 2.2KN 0.3 1.2 緊 缸 提樁錘 液壓馬達 428N*m 8.8 ? = 2𝜋𝑇 1 ? 式中：𝐴1=𝜋4 𝐷2無桿腔活塞的有效工作面積，𝐴2=𝜋4(𝐷2 ? 𝑑2）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 導向架支撐缸 0.11m/s 𝐴1 = 0.00 0.33 3𝑚3 導向架落 𝐴2 = 0.00 0.11 1𝑚3 12 車載式柴油打樁機設計（一） 車身起 車身支撐缸 0.03m/s 𝐴1 = 0.00 0.09 3𝑚3 車身落 𝐴2 = 0.00 0.03 1𝑚3 扶樁機構夾緊 扶樁機構液壓 0.03m/s 𝐴1 = 0.00 0.09 q =Av 扶樁機構放松 缸 3𝑚3 𝐴2 = 0.00 0.03 1𝑚3 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 13 車載式柴油打樁機設計（一） 電磁鐵動作表 表 6.5 電磁鐵動作順序表 磁 鐵 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 9YA 10YA 11YA 12YA 13YA 動作 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(diào)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（ ∑ ??𝑎? ） （6.6） 𝑝 14 車載式柴油打樁機設計（一） 由工況圖看出，系統(tǒng)最大流量發(fā)生在導向架升起時，∑ ??𝑎? =0.3L/s，取泄漏系數(shù) K 為 1.2，求得液壓泵流量為 ??𝑝 =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 10~200mL/r，轉(zhuǎn)速 600～ 2000r/min。 6.5.2 電機功率的確定 確定液壓泵的驅(qū)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 ?𝑣 12.7×106 ×0.36×10 ?3 P= 𝑝 = =6096W （6.7） 𝜂𝑝 0.75 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(jīng)求得液壓馬達的排量 0.3L/r，正常工作時輸出的轉(zhuǎn)矩為 407N?m，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(zhuǎn)速范圍在 1～400r/min，最高輸出轉(zhuǎn)矩 1510N?m。 6.5.3 液壓閥的選用 選擇時主要依據(jù)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/ 選用規(guī)格 （L/s） 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 15 車載式柴油打樁機設計（一） 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(diào)速閥 0.09 2FRM10-21/50L 6.5.4 油管內(nèi)徑計算 油管內(nèi)徑計算：d = √ 4?𝑣 （6.8） 𝜋? 式中：??為通過管道內(nèi)的流量（m3），v 為管內(nèi)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/ 管路內(nèi)徑/m 實際取值/m （m3/s） 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(jīng)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 16 車載式柴油打樁機設計（一） 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 1YA 3YA 5YA 7YA Y001 Y003 Y005 Y007 車身支撐液壓缸 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） 17 車載式柴油打樁機設計（一） 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： 18 車載式柴油打樁機設計（一） 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： 19 車載式柴油打樁機設計（一） 圖 7.2 PLC 工作順序 2 梯形圖 20 車載式柴油打樁機設計（一） 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，F(xiàn)2 為導向架支撐缸對導向架的力，F(xiàn)3 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°，F(xiàn)4 與F4’夾角為 14°,F2 與F2’的夾角為 70°，F(xiàn)3 與F3’的 夾角為 14°。 設導向架長度為 L。 F1=F1×COS14°,F2’=F2×COS70°,F3’=F3×COS14°, F4’=F4×COS14° 根據(jù)力矩平衡列式： F1’-F4’ ×1/2L +F2’ ×L/4=0 （8.1） -F4’ ×L/4+F2×3/4L+F3’ ×L=0 （8.2） 再根據(jù)受力平衡得： F1’+F2’+F3’=F4’ 求得：F1’=3284N，F(xiàn)2’=2388N，F(xiàn)3’=2089N 可得受力圖如下 ： 圖 8.2 導向架受力分析圖 21 車載式柴油打樁機設計（一） 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 9852N?m 查表得，𝑤? = 160cm3=160× 10?6m3 再由式：σ = 𝑀 = 9852 = 61.5MPa （8.3） ? 160×10?6 𝑦 取安全系數(shù)為 2，則導向架彎矩最大處受的最大應力為2σ=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。 22 車載式柴油打樁機設計（一） 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(jù)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。 23 車載式柴油打樁機設計（一） 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. 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