YZY400全液壓靜力壓樁機的橫向行走及回轉機構設計【說明書+CAD】
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南京工業(yè)大學畢業(yè)設計論文南 京 工 業(yè) 大 學畢 業(yè) 設 計 論 文 題目 YZY400全液壓靜力壓樁機的橫向行走及回轉機構設計學生姓名 江 文 學 號 0112020129 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 410101 指導老師 鄭 鳳 琴 2005年6月 目 錄1. 行走機構主要參數(shù)的擬定 052. 短船液壓缸的設計計算 .062.1 短船液壓缸的載荷力計算 .06 2.1.1 摩擦阻力 .07 2.1.2 慣性阻力 08 2.1.3 行走風阻力 .09 2.1.4 軌道坡度阻力 .09 2.1.5 載荷力的確定 .102.2 液壓缸主要結構尺寸的設計計算 .11 2.3 確定短船行走液壓缸的型號 12 2.4 短船液壓缸技術規(guī)格 13 2.5 短船液壓缸活塞桿穩(wěn)定性校核 133. 短船機構的總體設計 16 3.1 行走小車間距的設計計算 17 3.2 短船尺寸的設計 17 3.3 短船上下層機構設計 17 3.4 短船上下層連接軸的校核 184. 小車組件的設計計算 194.1 小車車輪的計算與校核 20 4.2 車軸的設計計算 21 4.3 選定并校核軸承 235. 軌道的設計計算 .266. 焊縫的強度計算 28 6.1 小車構架的焊接校核 .286.2 球座的焊接校核 297. 球頭的強度校核 298. 短船液壓缸連接部分設計 .309. 球頭螺栓強度校核 .3110. 總結與展望 . 3211. 致謝 .3312. 參考文獻 .34摘 要 這次畢業(yè)設計的課題是YZY400全液壓靜力壓樁機的設計,我們是團隊畢業(yè)設計,我完成靜壓樁機橫向行走及回轉機構設計。我首先參考塔式起重機,根據(jù)行走機構的主要參數(shù),確定液壓缸的型號,然后確定整個樁機行走部分的所有尺寸并完成部件的選定,最后對尺寸、部件強度進行計算校核,包括液壓缸活塞桿的穩(wěn)定性、軸、軸承、球頭、軌道、車輪、螺栓、銷軸、焊縫的計算校核。 關鍵詞:壓樁機 ; 液壓缸 ; 計算AbstractThe task of graduate design will design a pile driver of statics YZY400 include hydraulic pressure. Our collecting will finish this task , while I will finish landscape orientation and circumgyrate framework of this pile driver . First of all , I reference tower crane and base tread frameworks parameter , then make sure model number of fluid cylinder , secondly , I make sure all dimension of tread part and chose parts , lastly , I finish to cheak all dimension and intensity , include stability of fluid cylinders rod 、axes 、shafting bearing 、 buld 、rail 、wheel 、 welded。 Keywords : pile driver ; fluid cylinder ; calculate 全液壓靜力壓樁機是利用中壓油產(chǎn)生的強大靜壓力,平穩(wěn)、安靜地將預制樁快速壓入地基的一種新型樁基礎機械,已廣泛用于我國沿海城市建設和舊城市改造的樁基礎施工。全液壓靜力壓樁機共有十二個部分組成,司機室、操作臺、機身、壓樁機構、起重機、縱行機構、橫行及回轉機構、配重、頂升機構、夾樁機構、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、油箱系統(tǒng)。樁機對單根預制樁施加的最大靜壓力不大于自身的總重量(包括70%的配重塊重量)。目前該類樁機自身的噸位一般為80-650t。隨著夜壓技術的發(fā)展,我國在20世紀70年代開始研制生產(chǎn)靜壓樁機。采用靜壓樁機將樁逐段壓入土層中具有如下明顯的優(yōu)點:(1)在施工過程中無震動、無噪音、無污染,在城市居住密集區(qū)施工有明顯的優(yōu)越性。 (2)由于樁是通過靜力壓入圖層,樁沒有受到錘擊所引起的拉伸應力的沖擊,因此樁內(nèi)的鋼筋配置和混凝土的強度均可比錘擊樁要小,這樣可節(jié)約樁的工程成本。經(jīng)統(tǒng)計,與打擊樁相比,靜壓樁可節(jié)約鋼材47%,水泥12%。 (3)采用柴油錘打樁,樁周邊土壤有一定程度的“液化”,因此,樁要經(jīng)過一段時間“休息”后,才具有真實的承載力,靜壓樁在施工中不會對周邊土壤產(chǎn)生較大的干擾,所壓入樁的最終壓力基本上體現(xiàn)了樁的實際承載力,因此施工完成后,根據(jù)壓入過程的壓力曲線可迅速計算出樁的實際承載力。 (4)基本上無斷樁。 (5)可以直接用靜壓樁機對樁進行靜載實驗。雖然靜壓樁有上述優(yōu)點,但由于靜壓樁機要配有較多的配重,整個機器的拼裝、運輸及工作效率仍然比打擊樁低,所以目前仍不如柴油錘打擊樁與鉆孔樁普及。但隨著城市的發(fā)展,對噪音及泥漿污染進行越來越嚴格的限制,靜壓樁機必將越來越受到市場的重視。 我這次畢業(yè)設計的任務是完成短船行走機構與回轉機構的設計和校核,短船行走機構與回轉機構由船體、行走梁、回轉梁、掛輪機構、行走輪、液壓缸、回轉軸和滑塊組成?;剞D梁兩端與底盤結構鉸接,中間由回轉軸與行走梁相連,行走梁上裝有行走輪,正好落在船體的軌道上,用焊接在船體上的掛輪機構掛在行走梁上,使整個船體組成一體。液壓缸的一端與船體鉸接,另一端與行走梁鉸接。工作時,頂升液壓油缸工作,使長船落地,短船離地,然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動。頂升液壓缸回程,長船離地,短船落地,短船液壓缸伸縮使樁機通過回轉梁與行走梁推動行走小車在船體的軌道上左右移動。上述動作反復交替進行,實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉動作是:長船接觸地面,短船離地, 兩個短船液壓缸各伸長1/2行程, 然后短船接觸地面, 長船離地, 此時讓兩個短船液壓缸一個伸出一個收縮, 于是樁機通過回轉軸使回轉梁上的滑塊在行走梁上作回轉滑動。油缸行程走滿,樁機可轉動10左右,隨后頂升液壓缸讓長船落地,短船離地,兩個短船液壓缸又恢復到1/2行程處,并將行走梁恢復到回轉梁平行位置。重復上述動作,可使整機回轉到任意角度。1. 行走機構主要參數(shù)的擬定接地比壓 -0.13縱向行走最大行程-2前進速度 -1.41.5后退速度 -2.62.8橫向行走最大行程-0.5左移速度 -1.4右移速度 -2.8轉角-15 靜壓樁機的噸位設計計算:靜壓樁機的機身總重量: (噸)從靜壓樁機額定壓樁的安全考慮,該樁機應設計噸位: (噸)2. 短船液壓缸的設計計算2.1 短船液壓缸的載荷力計算在露天工作的靜壓樁機,當沿著有一定坡度的軌道行走時,其總行走阻力包括:摩擦阻力; 軌道坡度阻力; 行走風阻力和慣性阻力。2.1.1 摩擦阻力摩擦阻力包括車輪的滾動摩擦阻力、車輪軸承中的摩擦阻力以及車輪輪緣與軌道之間的滑動摩擦阻力。為了簡化討論,假定靜壓打樁機的全部載荷都作用于一個車輪上,當車輪沿著軌道滾動時,其受力情況如圖1所示,沿鉛垂方向有載荷重力以及支反力,當車輪在驅(qū)動力矩的作用下開始轉動,由于車輪軌道的微小變形,支反力將偏離載荷的作用線一個距離。 圖 1 摩擦阻力計算圖 由車輪的平衡條件有: = = = T = + = + = = (2.1.1.1)車輪輪緣與軌道側面的摩擦引起的附加摩擦阻力,一般用增加附加阻力摩擦系數(shù) 來考慮,得:= (2.1.1.2)式中 驅(qū)動力矩 軸徑摩擦阻力矩 變形引起的滾動阻力矩 靜壓樁機自重 附加阻力系數(shù) 軸承摩擦系數(shù),查機械設計手冊 車輪滾動阻力系數(shù),查機械設計手冊 小車車輪的直徑 小車軸徑由設計數(shù)據(jù),確定各個系數(shù)值: = 480 1000 9.8 = 4704000()= 4.70410() = 0.02, 圓錐滾子軸承 = 0.003,軌道為鋼軌,平頭,車輪為鋼材料 = 0.3 m = 0.15 m = 1.3,有車緣的柱面車輪,圓錐滾子軸承將以上數(shù)據(jù)帶入(2.1.1.2)式中計算: = = 4.70410(0.020.15/0.3 + 20.003/0.3)1.3 = 183()2.1.2 慣性阻力 慣性阻力主要指小車運動時起動慣性阻力,按下式計算: = (2.1.2.1)式中 小車運行速度 小車起動時間 由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: V = 2.8 = 0.047 t。= , 取 則t。= 0.094 (s) 將以上數(shù)據(jù)代入(2.1.2.1)式計算: = = (48010009.8)9.80.0470.094 = 240()2.1.3 行走風阻力 行走風阻力主要指風作用在靜壓樁機上引起的阻力,按下式計算: = (2.1.3.1) 式中 C 風力系數(shù) 風壓高度變化系數(shù) q 計算風壓 ,( ) A 靜壓打樁機的迎風面積,()由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: C = 1.2 = 1.0 q = 150 A = 3.394.43 = 45 將以上數(shù)據(jù)代入(2.1.3.1)式計算: = = 1.21.01504 = 8.1 ()2.1.4 軌道坡度阻力 當靜壓打樁機沿著具有一定坡度的軌道行駛時,由于靜壓打樁機自重,沿軌道坡度的分力引起的運動阻力(圖2)由下式確定:圖 2 坡度阻力計算圖 = 式中 軌道傾斜角 ,取 = = = 410 () 2.1.5 載荷力的確定 靜壓樁機行走時,由于兩個油缸提供動力,考慮到兩支液壓缸提供的動力不一定和理論設計時認為的是一組平行力,且大小相等,故取單個油缸受力的計算式: (2.1.5.1) 式中 單支油缸工作時的作用力 兩支油缸同時工作的作用力由設計數(shù)據(jù),確定 、 的數(shù)值: = 183 + 8.1 + 410 + 24 = 841() = = 841() = 將以上數(shù)據(jù)代入(2.1.5.1)式計算: 2.2 液壓缸主要結構尺寸的設計計算YZY400靜力壓樁機屬于大型的工程機械,根據(jù)機械設計手冊,初步確定行走機構的系統(tǒng)壓力為25MPa確定橫移行走液壓缸尺寸: 根據(jù)靜壓樁機行走機構的基本性能要求,確定使用雙作用單活塞桿液壓缸圖 3 液壓缸的行走狀態(tài)圖向行走時, B口進油; A 口出油向行走時, A口進油; B口出油 液壓缸計算如下: () (2.2.1) 式中 活塞桿直徑,() 液壓缸的理論推力, 系統(tǒng)壓力,查手冊取 將以上數(shù)據(jù)代入(2.2.1)式計算: 查機械設計手冊 ,取D = 200 取速度比: 查機械設計手冊 ,取 = 140 液壓缸的流量計算: 式中 液體的運動速度 活塞的面積 2.3 確定短船行走液壓缸的型號 液壓缸的型號說明: 雙作用單活塞桿液壓缸結構尺寸代號(液壓缸直徑/活塞桿直徑) 活塞桿型式代號2.4 短船液壓缸技術規(guī)格速度比 =2工作壓力 25最大行程 S(mm)缸徑AL(mm)活塞桿直徑MM(mm)推力(KN)拉力(KN)2001407854001500 推力計算: 式中 液壓缸推力 工作壓力 活塞的作用面積 拉力計算: 式中 液壓缸拉力 工作壓力 活塞直徑 活塞桿直徑 液壓缸有桿腔作用面積 2.5 短船液壓缸活塞桿穩(wěn)定性校核當桿件的應力達到屈服極限或強度極限時,將引起塑性變形或斷裂。細長桿件受壓時,卻表現(xiàn)出與強度失效全然不同的性質(zhì),當壓力逐漸增加到某一極限值時,細長桿的直線平衡變?yōu)椴环€(wěn)定,將轉變?yōu)榍€形狀的平衡,桿件失穩(wěn)后,壓力的微小增加將引起彎曲變形的顯著增大,桿件已經(jīng)喪失了承載能力(如圖4)。圖 4 活塞桿失穩(wěn)活塞桿失穩(wěn)時,應力不一定是很大,甚至可能會小于比例極限,按下式進行穩(wěn)定性校核: 柔度 : (2.5.1) 式中 長度系數(shù) 截面的慣性半徑 桿件的長度即活塞桿的行程 由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: = =1 , 短船液壓缸的活塞桿為兩端鉸支連接 將以上各數(shù)據(jù)代入(2.5.1)式計算: 壓桿穩(wěn)定的極限值: (2.5.2)式中 材料的彈性模量 比例極限查機械設計手冊 ,= 206=200將以上各數(shù)據(jù)代入(2.5.2)式計算: 短船活塞桿不屬于大柔度桿,不能使用歐拉公式計算臨界壓力采用以實驗結果為依據(jù)的直線公式: (2.5.3)式中 屈服極限、 直線公式系數(shù) 查機械設計手冊 ,=235將以上各值代入(2.5.3)式計算: 短船液壓缸活塞桿屬于小柔度壓桿,受壓時不可能像大柔度桿那樣出現(xiàn)彎曲變形,主要因應力達到屈服極限(塑性變形)或強度極限(脆性變形)而失效,應按強度問題計算: (2.5.4)式中 臨界應力 活塞桿受力 活塞桿橫截面積 由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: = 701將以上各數(shù)據(jù)代入(2.5.4)式計算: 短船液壓缸活塞桿滿足穩(wěn)定性要求3. 短船機構的總體設計短船擬定分為上下兩層,上層為軌道行走部分,下層為接地部分,兩層之間用圓軸連接,圓軸焊接于接地部分。圖5 行走機構視圖3.1 行走小車間距的設計計算擬定小車尺寸:長-0.6m, 寬-0.4m根據(jù)液壓缸型號(HSG 200/140 500)和行程500mm查機械設計手冊:HSG液壓缸 = 628 + s =628+500=1128 MR = 95 L=628+600+95+95+500=1918 取 L=2.6m3.2 短船尺寸的設計 靜壓樁機設計噸位:M=480(t) 短船的接地比壓:P=0.13(MPa) 短船總的工作面積: 平均到每只短船上的受壓面積是: 取短船的長為5m, 則寬為3.6m3.3 短船上下層機構設計 短船回轉機構采用雙層結構,最大旋轉角度=15,兩橫移短船中心相距L=5500mm , 短船液壓缸的最大行程S=500mm , 由于機身旋轉時短船也隨之旋轉,而短船下支座仍然著地,故短船上支撐與下支撐將出現(xiàn)行程差X 。 短船的上支撐采用成形套與法蘭連接,連接部分采用8只連接螺栓。 短船的下支撐采用鋼板焊接連接,從而增大接地面積。 在短船一只液壓缸伸長一半時,另一只液壓缸縮回一半,此時機身旋轉至最大角度。圖6 行程補償原理圖 中心線的位置從01-02 轉到 03-04 : X=L1-L2 X=L1-L2=2750-2656.5=93.53.4 短船上下層連接軸的校核 行走時,軸在連接結合面處受剪,并與被連接件孔壁互相擠壓,連接損壞的可能形式有:軸被剪斷,軸或孔壁被壓潰。 軸所受的剪力為F, 其強度條件為: 軸的材料選用45#鋼,調(diào)質(zhì)處理, 查機械設計手冊:=80MPa (mm) 取 d = 106 (mm) 校核連接的強度條件為: 式中 h 軸的受壓高度 軸的許用擠壓應力 查機械設計手冊: = 150MPa 擬定上層軌道部分與軸的受壓高度為0.055m 軸滿足連接的強度要求4. 小車組件的設計計算靜壓樁機的支撐,靠長船和短船上的四只行走小車提供作用力,只要克服樁機的自重即可。由于三點確定一個平面,雖然有四只小車支撐,但實際產(chǎn)生作用的往往只有其中的三只小車,單只小車的受力按下式進行計算:車 (4.1)式中 樁機正常工作時,小車的最大受力 樁機正常工作時,小車的最小受力由設計數(shù)據(jù),確定、的值 將以上數(shù)據(jù)代入(4.1)式計算:車 4.1 小車車輪的計算與校核車輪是靜壓樁機的行走部件,在靜壓樁機的運行機構中均采用單輪緣柱面車輪,通常情況下輪緣的高度約為2025,且具有1:5斜度。車輪的強度按車輪面接觸強度來計算,車輪的接觸強度與它的材料、車輪踏面和軌道接觸情況有關,為了計算車輪的接觸應力,需要先計算出輪壓: 車 車 車輪點接觸強度校核: (4.1.1) 式中 速度系數(shù) 工作級別系數(shù) 曲率半徑 由軌道頭與車輪曲率半徑之比所確定的系數(shù) 與材料有關的許用點接觸應力常數(shù)由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: =1.17 =1.12 (M4) =400 ( r = 300 , R = 400 ) =0.430 ( r/R = 0.75 ) 將以上各數(shù)據(jù),代入(4.1.1)式計算得: 車輪滿足強度要求4.2 車軸的設計計算靜壓樁機的行走小車均采用兩根聯(lián)結軸,每根軸的受力為: 軸的受力圖軸的剪力圖軸的彎矩圖 軸材料選用鋼,調(diào)質(zhì)處理查機械設計手冊, 軸的彎曲強度條件為: 軸與軸承采用基孔制配合查機械設計手冊,取 4.3 選定并校核軸承對于緩慢擺動或低速旋轉的軸承,應分別計算額定動載荷和額定靜載荷,取其中較大者選擇軸承。 基本額定動載荷的計算: 式中 基本額定動載荷計算值 當量動載荷 壽命系數(shù),查機械設計手冊定軸承使用壽命為,查機械設計手冊取=2.00 速度系數(shù),查機械設計手冊,取=1.435 力矩載荷因數(shù),力矩載荷較小時=1.5;力矩載荷較大時=2;取=1.5 沖擊載荷因數(shù),查機械設計手冊,取=1.0 溫度因數(shù),查機械設計手冊,取=1.0 軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動載荷當量動載荷的計算: 式中 徑向載荷,取 軸向載荷,=0 徑向動載荷系數(shù),取=1 軸向動載荷系數(shù),取=0 = 1439 =439 (KN) (KN)額定靜載荷的計算式: 式中 基本額定靜載荷計算值 當量靜載荷 安全因數(shù),查機械設計手冊,= 2 軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定靜載荷額定靜載荷的計算式: 若 , 取 = = = 439 (KN) 針對小車的負載情況,選用兩個相同的單列角接觸軸承(角接觸球軸承或圓錐滾子軸承)以面對面或背對背形式安裝在一起作為支撐體,可以承受以徑向載荷為主的較大徑向、軸向聯(lián)合載荷,安裝時軸承組可預緊,具有較好的支撐剛度和旋轉精度。成對安裝的角接觸軸承組其基本參數(shù)如下:基本額定動載荷: (球軸承) (滾子軸承)基本額定靜載荷:初選軸承型號:32228 查機械設計手冊,軸承代號基本尺寸基本額定載荷/KN重量/Kg30000型dDTW3222814025071.75645105014.4 校核軸承的動載荷和靜載荷: 軸承的動載荷和靜載荷都滿足要求 校核軸承壽命:查機械設計手冊,軸徑,運動速度 軸承壽命為: 軸承滿足強度要求5. 軌道的設計計算靜壓樁機的軌道是用來支承樁機的全部自重,保證其正常定向運動的支撐零件,靜壓樁機的軌道通常采用P型鐵路鋼軌,鋼管的頂部做成凸狀的,底部是具有一定寬度的平板,增大與基礎的接觸面積,軌道的截面多為工字型,具有良好的抗彎強度。為了確定鋼軌的型號及進行基礎設計,必需計算出鋼軌的最大彎矩和鋼軌對基礎的最大比壓。鋼軌對基礎的最大比壓按下式計算: () 鋼軌的最大彎矩按下式計算: 式中 最大輪壓,; 計算長度,; (mm)式中 鋼軌的剛度 軌道的底面寬度 由基礎的材料決定由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: 查機械設計手冊 ,取 =10 P型鐵路鋼軌已經(jīng)標準化,根據(jù)計算數(shù)據(jù),選用型 圖 7 型鐵路鋼軌截面鐵路鋼軌的基本尺寸(mm):軌道型號hlrR備注P2410723.28519226.1353.0553.9513300YB222-63鐵路鋼軌的計算數(shù)據(jù):計算數(shù)據(jù) 軌道型號截面面積()慣性矩質(zhì)量P2431.2448680.4624.466. 焊縫的強度計算 計算焊縫時假設: 1)載荷沿焊縫均勻分布; 2)焊縫中的工作應力在其相應的截面上也均勻分布.6.1 小車構架的焊接校核 靜壓樁機的小車構架生產(chǎn)批量很小,如果采用鑄造毛坯,在總成本中制模費將要占很大的比重,往往不如采用焊接毛坯經(jīng)濟。此外,鑄件的最小壁厚受鑄造工藝的限制,常大于強度和剛度的需要。改用焊接毛坯,就可采用較小的壁厚,重量也可平均降低30%。靜壓樁機的小車構架焊接均采用端焊縫類型,端焊縫在受力時的應力情況很復雜,在焊縫三角形的垂直平面上有正應力、水平平面上有切應力,同時還存在其它應力(如彎曲應力等等),試驗表明,在靜載荷作用下,焊縫的破裂多沿與載荷方向成的斜面,所以就用這個截面作為計算截面,截面上的應力稱為條件應力,應小于其許用值,因此焊縫的強度條件為: 式中 熔積金屬的許用條件應力 K 焊縫的高度 L 焊縫的長度由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: =160 MPa , 查機械設計手冊 K =5 L = 小車構架的焊接滿足強度要求6.2 球座的焊接校核 側焊縫中的應力情況也很復雜, 仍取與載荷方向成的截面作為計算截面,相應的許用應力也用表示, 設焊縫的總長度為, 則強度條件為: 由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: =160 MPa , 查機械設計手冊 K =8 L = 球座的焊接滿足強度要求7. 球頭的強度校核 在外力作用下,聯(lián)結件和被聯(lián)結的構件之間,必將在接觸面上互相壓緊,于是擠壓應力相應的強度條件是: 式中 材料的許用擠壓應力圖8 球頭受力圖 由設計數(shù)據(jù),確定各個數(shù)值: , 查機械設計手冊 P=1437 KN 球頭的強度滿足要求8. 短船液壓缸連接部分設計液壓缸連接耳套采用對稱結構,與液壓缸以銷軸方式連接。圖7 液壓缸連接耳套示意圖液壓缸耳套孔 : 采用基孔制配合,銷軸直徑銷軸受到的最大剪切力:故選用鋼,調(diào)質(zhì)處理,查機械設計手冊,剪切應力的強度校核條件: 采用的銷軸完全滿足剪切安全強度9. 球頭螺栓強度校核球頭的蓋板與底座之間采用6個的螺栓連接,螺栓的材料選用鋼,性能等為10.9級。查機械設計手冊, 螺栓螺紋部分的強度計算: 式中 螺紋小徑 螺栓的個數(shù) 緊聯(lián)結螺栓的許用拉應力 球頭螺栓連接的強度滿足要求10. 總結與展望 YZY400全液壓靜力壓樁機橫向行走及回轉機構,尺寸基本合理,軸、軸承、軌道、車輪等的強度滿足要求,根據(jù)行走機構的主要參數(shù),參考塔式起重機的小車計算,選取的液壓缸比較科學經(jīng)濟,短船分上支座和下支座兩部分,在回轉時能很好的實現(xiàn)行程補償,使樁機的行走更方便可靠,大量采用焊接工藝,行走機構的結構更簡單,節(jié)省材料,實現(xiàn)高性能與低成本的完美結合。11. 致謝這次畢業(yè)設計的課題是YZY400全液壓靜力壓樁機的設計,我們是團隊畢業(yè)設計, 我完成靜壓樁機橫向行走及回轉機構設計。小組所有成員在完成初步整體設計的基礎上,各自承擔一定的設計任務,由于我們各自的設計任務彼此之間的相互聯(lián)系很緊密,所以小組所有成員之間的溝通和協(xié)商就顯得非常重要,在此期間各位組員充分發(fā)揮了互相幫助,互相合作的團隊精神,在時間比較緊張的形勢下,非常成功的完成了畢業(yè)設計的任務,我想在此感謝每位組員這幾個月對我工作的支持和協(xié)作,同時在這期間也包含了鄭老師給予我的幫助,在此對她的辛勤勞動和幫助表示衷心的感謝!12. 參考文獻1劉古岷、王渝、胡國慶等編:樁工機械,北京,機械工業(yè)出版社,2001 2成大先編:機械設計手冊,北京,化學工業(yè)出版社,2000 3吉林工業(yè)等校編:土力學與地基工程,北京,機械工業(yè)出版社,1973 4鄭鳳琴主編:互換性及技術測量,南京,東南大學出版社,2000 5馮桃新等編:建設機械配套件手冊,北京,機械工業(yè)出版社,1996 6王赫、鄭鳳琴等編:樁基礎工程施工與組織管理,北京,建筑工業(yè)出版社,19977蔡春源主編:新編機械設計手冊,遼寧,遼寧科技出版社,19938楊智信主編:高層建筑施工手冊,北京,機械工業(yè)出版社,1992 9胡炎村等編:機械基礎及建筑機械,武漢,武漢工業(yè)大學出版社,198910楊位光編:地基及基礎,北京,中國建筑工業(yè)出版社,199811徐灝編:機械設計手冊,北京,機械工業(yè)出版社,199112戈曉嵐、王特典編:工程材料,南京,東南大學出版社,200013袁國定編:機械制造技術基礎,南京,東南大學出版社,200014何紅媛編:材料成形技術基礎,南京,東南大學出版社,2000 15中國焊接學會等編:焊接手冊,北京,機械工業(yè)出版社,1998 16Tannock J D T. Automating Quality Systems.Chapman & Hall , 1992 17Goetsch D L.Advanced Manufacturing Technology. Delmar Publishers Inc , 199018Koenig D T. Manufacturing Engineering. Hemisphere Publishing Corporation , 1987第 35 頁 共 34 頁南京工業(yè)大學優(yōu)秀畢業(yè)設計團隊YZY400全液壓靜力壓樁機設計總 結 報 告2005.7本屆畢業(yè)設計課題為基礎施工機械:全液壓靜力壓樁機。我和王東方、洪榮晶、方成剛四位不同專長的老師,設定了九個子課題。設計內(nèi)容分配如下圖所示。其中,靜壓樁機調(diào)平系統(tǒng),用智能化微機控制原理實現(xiàn)調(diào)平以及用CAE進行鋼結構強度及應力計算二個子課題為創(chuàng)新課題。樁機的其它結構,也是在將社會同類型樁機結構進行了分析,將不合理的結構進行了改進而設計的。.現(xiàn)在的靜壓樁機基本上都是使用手動調(diào)平,費時費力,調(diào)平精度不高,我們提出了一種利用PLC可編程控制器實現(xiàn)自動調(diào)平的系統(tǒng),依靠PLC的計算和邏輯判斷功能來指揮支腿液壓缸的收縮,從而實現(xiàn)自動調(diào)平。自動調(diào)平系統(tǒng)具有調(diào)平時間短,精度高,效率高,抗干擾能力強等優(yōu)點。將調(diào)平系統(tǒng)應用于靜壓樁機能節(jié)省3個勞動力,且能在樁機工作過程中進行調(diào)平,有很好的經(jīng)濟意義和社會意義。當前的樁機大身結構均為經(jīng)驗設計,既不知道哪里應力最大,也不清楚這么樣的結構剛度是否滿足要求,相當盲目。有的生產(chǎn)廠家為了降低成本,頓位很大的樁機用很薄的鋼板焊成大身結構,造成280T的樁機,當工作壓力為178T時大身嚴重開裂。為此,我們用CAE進行鋼結構強度及應力計算,使我們設計的樁機結構件不但知道哪里應力大,而且知道應力的分布狀態(tài),還知道應力的大小。做到科學合理。為了實現(xiàn)上述兩創(chuàng)新課題的需要, 其它的子課題也要與之作相應的結構呼應和結構協(xié)調(diào),如調(diào)平系統(tǒng)需電液聯(lián)動,那么,電氣控制系統(tǒng)必須提供它需要的24v電壓及相應的系統(tǒng)要求并設置各種開關,在機體上還必須安排若干個限位開關;液壓系統(tǒng)需安裝四只TDV 4/3 EH型電液比例液控多路換向閥及相應的系統(tǒng)要求等等非常規(guī)設計。為此整個課題組的大協(xié)作共協(xié)調(diào)的局面就自然形成了。根據(jù)答辯情況來看, 總體結構布局是合理的;部件之間的銜接是正確的;設計的自動調(diào)平、自動行走及自動轉彎均可完善的實現(xiàn)。結構件通過CAE計算, 最大應力在支腿與大身聯(lián)接處, 這個結論與生產(chǎn)實際中老機型的應用損傷情況是吻合的, 可見, CAE計算方法是正確的。通過CAE計算, 最大應力為33Mpa, 遠遠小于許用應力。太偏安全, 不經(jīng)濟。要作為生產(chǎn)的產(chǎn)品,理應進一步修改沒計, 但同學們畢業(yè)時間已到, 很憒憾!這次畢業(yè)設計是團隊畢業(yè)設計, 所以小組所有成員之間的溝通和協(xié)商就顯得非常重要。在此期間各位小組成員充分發(fā)揮了互相協(xié)商,互相合作的團隊精神,在時間比較緊張的形勢下,非常成功的完成了畢業(yè)設計的任務。每一個人都付出了艱辛的勞動、流下了辛勤的汗水,同學們通過畢業(yè)設計都各有各的豐厚收獲, 現(xiàn)抄錄幾段學生的體會: “這不僅僅是我們四年所學知識的體現(xiàn),而且,我們在做畢業(yè)設計的過程中還學到了工作時的做事方法;很多做人的道理,懂得了無論是以后工作還是做人都要認真負責、踏踏實實、一步一個腳印,畢業(yè)設計帶給我們的不僅是成功的喜悅,還有和團隊一起工作的方法與團隊協(xié)作的精神; “從畢業(yè)設計中,我學到了寶貴的知識,這些知識值得我用一生來珍惜。”1. 靜壓樁機的概況1.1 靜壓樁機的總體介紹 YZY400型靜壓樁機的構造:它由支腿平臺結構、行走機構、壓樁架、配重、起重機、操作室等部分組成。1.1.1 長船行走機構 為長船行走機構,它內(nèi)船體,行走臺車與頂升液壓缸等組成。液壓缸活塞桿球頭與船體相聯(lián)接。缸體通過銷鉸與行走臺車相聯(lián),行走臺車與底盤支腿上的頂升液壓缸鉸接。工作時,頂升液壓缸頂升使長船落地,短船離地,接著長船液壓缸伸縮推動行走臺車,使樁機沿著長船軌道前后移動。頂升液壓缸回程使長船離地,短船落地。短船液壓缸動作時,長船船體懸掛在樁機上移動,重復上述動作,樁機即可縱向行走。1.1.2 支腿平臺結構 該部分內(nèi)底盤、支腿、頂升液壓缸和配重梁組成。底盤的作用是支承導向壓樁架、夾持機構、液壓系統(tǒng)裝置和起重機,底盤里面安裝了液壓油箱和操作室,組成了壓樁機的液壓電控系統(tǒng)。配重梁上安置了配重塊,支腿由球鉸裝配在底盤上。支腿前部安裝的頂升液壓缸與長船行走機構鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉機構相聯(lián)。整個樁機通過平臺結構連成一體,直接承受壓樁時的反力。底盤上的支腿在拖運時可以并攏在乎臺邊,工作時打開并通過連桿與平臺形成穩(wěn)定的支撐結構。1.1.3 夾持機構與導向壓樁架該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導向壓樁架和壓樁液壓缸組成。夾持液壓缸裝在夾持橫粱里面,壓樁液壓缸與導向壓樁架相聯(lián)。壓樁時先將樁吊入夾持器橫梁內(nèi),夾持液壓缸通過夾板將樁夾緊。然后壓樁液壓缸作伸縮運動,使夾持機構在導向架內(nèi)上下運動,將樁壓人土中。壓樁液壓缸行程滿后松開夾持液壓缸,返回后繼續(xù)上述程序。1.1.4 短船行走機構與回轉機構 它由船體、行走梁、回轉梁、掛輪機構、行走輪、橫船液壓缸、回轉軸和滑塊組成?;剞D梁兩端與底盤結構鉸接,中間由回轉軸與行走梁相聯(lián)。行走梁上裝有行走輪,正好落在船體的軌道上,用焊接在船體上的掛輪機構1掛在行走梁上,使整個船體組成體。液壓缸的一端與船體鉸接另一端與行走梁鉸接。工作時,頂升液壓缸動作,使長船落地,短船離地然后短船液壓缸工作使船體沿行走梁前后移動。頂升液壓缸回程,長船離地,短船落 地,短船液壓缸伸縮使樁機通過回轉梁與行走梁推動行走輪在船體的軌道上左右移動。上述動作反復交替進行,實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉動作是:長船接觸地面,短船離地、兩個短船液壓缸各伸長1/2行程,然后短船接觸地面,長船離地,此時讓兩個短船液壓缸一個伸出個收縮,于是樁機通過回轉軸使回轉梁上的滑塊在行走梁上作回轉滑動。油缸行程走滿,樁機可轉動15度左右,隨后頂升液壓缸讓長船落地,短船離地,兩個短船液壓缸又恢復到1/2行程處,并將行走梁恢復到回轉梁平行位置。重復上述動作,可使整機回轉到任意角度。1.2靜壓樁機的優(yōu)點:1.2.1 在施工時無噪音。適合對噪音有限制的市區(qū)作業(yè),尤其是在城市居民區(qū)、學校教育區(qū)、醫(yī)院療養(yǎng)區(qū)、重要機關附近施工。1.2.2 施工時無振動。壓樁所引起的樁周圍土體隆起和水平擠動,比打入樁要小,適用于危房、精密儀器房及江河岸邊、地下管道較多的地區(qū)施工。1.2.3 靜壓樁的施工應力比打入樁小,可節(jié)約鋼材和水泥,降低成本。并可適當提高砼身承載力。1.2.4 壓樁力及樁段入土動態(tài)能自動記錄和顯示,樁的承載力比較有保證,對壓樁力可以控制,確保工程質(zhì)量。1.2.5 施工速度快、工效高、工期短。單機每臺班可完成1215根樁的施工,送樁入土深度較深且送樁后樁身質(zhì)量較可靠。樁的長度不受施工機械的限制。1.2.6 適宜于較軟土層,尤其是持力層起伏變化大的土層施工。也適宜于覆土層不厚的巖溶地區(qū)。這些地區(qū)用鉆孔樁很難鉆進,用沖擊樁易卡錘,用打入樁易打碎,只有靜力壓樁是慢慢地壓入并能顯示壓入阻力,收到了較好的技術經(jīng)濟效果。1.2.7 由于壓樁機的工作高度不高,重心底,所以機器的施工操作和保養(yǎng)較為方便,并可避免高空作業(yè)中有不安全的因素。樁機作業(yè)人員少,勞動強度低,施工文明。整機拆、運、裝十分方便。2 . 樁機的調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平的方案,大致可以分為兩類:1.基于單片機的自動調(diào)平系統(tǒng)。2.基于PLC的自動調(diào)平系統(tǒng)。本文主要是考慮到抗干擾和設計的簡便,決定采用PLC作為調(diào)平系統(tǒng)的計算機。使用PLC,接線方便,易于編程,抗干擾性強。而使用單片機,連線比較復雜,編程較PLC比較繁瑣,系統(tǒng)地抗干擾能力較弱。隨著計算機技術的飛速發(fā)展,會有越來越先進的調(diào)平技術和調(diào)平原理出現(xiàn)。我們提出了一種利用PLC實現(xiàn)自動調(diào)平的系統(tǒng),依靠PLC的計算和邏輯判斷功能來指揮支腿液壓缸的收縮,利用TDV 4/3 EH型電液比例液控多路換向閥,實現(xiàn)電液轉換;利用傾角傳感器傳遽機身的水平狀態(tài)從而實現(xiàn)自動調(diào)平。自動調(diào)平系統(tǒng)具有調(diào)平時間短,精度高,效率高,抗干擾能力強等優(yōu)點。將調(diào)平系統(tǒng)應用于靜壓樁機具有很好的經(jīng)濟意義和社會意義。 2.1系統(tǒng)參數(shù)(1) 系統(tǒng)工作電壓:830VDC(2) 液壓系統(tǒng)最大流量:100L/min,工作壓力:25Mpa. (3) 調(diào)平傾斜度范圍: 3(4) 雙軸傳感器調(diào)平精度 :0.5 (5) 調(diào)平系統(tǒng)支腿安全壓力:1525Mpa. (6) 系統(tǒng)適用溫度范圍:-2050 2.2 靜壓樁機自動調(diào)平系統(tǒng)設計2.2.1 多油缸同步控制系統(tǒng)設計由于靜壓樁機在工作和行走過程中要保持平臺的水平,而平臺的升降是由油缸驅(qū)動執(zhí)行的,所以要保證平臺的水平就需要驅(qū)動平臺的多個油缸實現(xiàn)同步控制。多油缸同步控制系統(tǒng)由同步檢測子系統(tǒng)、同步控制子系統(tǒng)和電液實現(xiàn)子系統(tǒng)三大子系統(tǒng)組成,確定油缸同步控制方式的步驟如下:根據(jù)同步缸數(shù)量、行程和同步要求確定同步子系統(tǒng)檢測方式(接觸式或非接觸式)、檢測方法(絕對或相對檢測法)、檢測量(位移量或速度量等)和檢測結構(傳感器的布置和選擇等);由檢測系統(tǒng)確定同步控制子系統(tǒng)中的控制方式(單片機控制,控制或工控機控制等)和控制基準量(檢測量的最大值,平均值等);由同步要求確定電液實現(xiàn)子系統(tǒng)的方式選擇(主動補償式,進油調(diào)控式等);最后確定同步控制子系統(tǒng)的控制策略的選擇(模糊控制,控制,模糊-等)。根據(jù)液壓系統(tǒng)的設計結果可知,本系統(tǒng)選用了四缸同步系統(tǒng),其同步系統(tǒng)示意圖如下圖所示。四缸同步系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀如下:四缸同步系統(tǒng)示意圖(1) 采用相對檢測法,選定檢測基準油缸(下稱基準缸),測量出其他三個缸的相對位移誤差值。(2) 利用光柵傳感器作為檢測元件,光柵定尺在基準缸的結構布置較為復雜。(3) 采用的電液實現(xiàn)系統(tǒng)只能對相對位移滯后的缸進行補償,不具普遍性。(4) 控制策略單一,不具備比較性?;谏鲜銮闆r,本系統(tǒng)的控制方案初步選定如下:選擇四缸中的某一缸作為基準缸,采用傾角傳感器測量平臺的傾斜程度;將此傾角偏差值送入PLC系統(tǒng)的模擬量輸入模塊,通過PLC的CPU進行運算得出油缸的同步誤差大??;PLC系統(tǒng)根據(jù)油缸的同步誤差大小調(diào)用內(nèi)部的PID控制子系統(tǒng)實現(xiàn)控制信號調(diào)節(jié);調(diào)制后的控制信號由PLC模擬量輸出模塊送到伺服放大板上進行功率放大,最后驅(qū)動電液實現(xiàn)子系統(tǒng),使四缸保持同步。根據(jù)上述選定方案可知,本油缸同步系統(tǒng)需要傾角傳感器、電液比例液控多路換向閥、PLC等元器件,下面簡要介紹這些元器件的選型。2.2.2 油缸同步跟蹤系統(tǒng)的建模系統(tǒng)的控制策略已經(jīng)在上一章進行了介紹,簡要的說,就是選取四缸中的某一缸為基準缸,其它三只缸跟蹤基準缸隨動。下圖表示了某缸跟蹤基準缸隨動示意圖,假設左邊為基準缸,當右邊缸與左邊缸不同步時,傾角傳感器產(chǎn)生電信號經(jīng)過變送器送如PLC的A/D處理模塊,PLC的CPU對傾角誤差進行線性化處理、PID調(diào)節(jié)后送入PLC的D/A處理模塊,D/A調(diào)理后的信號經(jīng)過伺服放大板驅(qū)動電液比例閥的閥芯運動,從而調(diào)節(jié)油缸運動速度的快慢,保持兩個油缸的同步。下面給出兩缸同步跟蹤的數(shù)學模型: 某缸跟蹤基準缸隨動示意圖電液比例閥的線圈回路傳遞函數(shù)為電液比例閥的傳遞函數(shù)執(zhí)行元件(油缸)的傳遞函數(shù)沒有彈性負載的四通閥控制油缸簡化傳遞函數(shù)為:若忽略信號變送器、A/D模塊及D/A模塊等環(huán)節(jié)的時間常數(shù),可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖為 同步跟蹤系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖為了使整個跟隨系統(tǒng)能獲得較好的動、靜態(tài)性能(如良好的階躍響應特性,斜坡響應特性),系統(tǒng)采用工程調(diào)節(jié)中廣為使用的PID調(diào)節(jié)器。2.2.3 PID控制原理在工程實際中,應用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分微分控制,簡稱PID控制,又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近60年的歷史了,它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術工具。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學模型時,控制理論的其它設計技術難以使用,系統(tǒng)的控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時候,便最適合用PID控制技術。 比例積分微分控制包含比例、積分、微分三部2.2.4 系統(tǒng)硬件設計2.2.4.1 根據(jù)調(diào)平原理分析控制要求 (1).傳感器的布置,見下列圖,用三個傳感器將四個支腿連接在一起, 腿1通過pid程序和腿2始終保持水平和同時動作, 腿3通過pid程序和腿2始終保持水平和同時動作, 4腿通過pid程序和腿3始終保持水平和同時動作, (2).按下自動開關,系統(tǒng)進行自動調(diào)平,并在工作的時候始終保持機體水平,監(jiān)視整個機體的情況,發(fā)生傾斜即進入調(diào)平程序。 (3).若四個調(diào)平支腿中任何一個支腿碰到下限位開關,自動調(diào)平系統(tǒng)停止,整個機體上升,四個換向閥全開,5s后停止上升。進入自動調(diào)平程序。 (4).四個調(diào)平支腿中任何一個支腿碰到上限位開關,自動調(diào)平程序停止,整個機體下降,四個換向閥全開,5s后停止下降。進入自動調(diào)平程序 (5).按下停止按鈕,自動調(diào)平程序和手動程序全部停止,換向閥中位。液壓回路鎖定。 (6).自動調(diào)評程序執(zhí)行過程中,手動調(diào)平按鈕失效。手動調(diào)平程序執(zhí)行過程中,自動調(diào)平按鈕失效。 (7).整個機體水平,綠燈亮,機體傾斜,紅燈亮 (8).調(diào)平誤差0.5度以內(nèi)。 (9).三相電動機的控制,按下電動機啟動按鈕,繼電器1,2吸合,延時8s,繼電器2斷開,延時2秒,繼電器3吸合。按下電動機停止按鈕,繼電器1,2,3全部斷開。(10).按下撤收按鈕,四個換向閥全開,當四個支腿碰到各自的下限位開關停止。2.2.4.2 根據(jù)控制要求確定用戶所需要的輸入/輸出設備,確定PLC的I/O點數(shù)輸入設備:1.腿1下限位開關2.腿1上限位開關3.腿2下限位開關4.腿2上限位開關5.腿3下限位開關6.腿3上限位開關7.腿4下限位開關8.腿4上限位開關9.手動控制按鈕-腿1伸10.手動控制按鈕-腿1縮11.手動控制按鈕-腿2伸12.手動控制按鈕-腿2縮13.手動控制按鈕-腿3伸14.手動控制按鈕-腿3縮15.手動控制按鈕-腿4伸16.手動控制按鈕-腿4縮17.自動控制按鈕18.手動控制按鈕19.油泵1輸入20.油泵2輸入21.傳感器1輸入22.傳感器2輸入23.傳感器3輸入輸出設備:1.紅燈2.綠燈3.油泵1控制(3點)4.油泵2控制(3點)5.伺服閥1左繼電器7.伺服閥1右繼電器8.伺服閥2左繼電器9.伺服閥2右繼電器10.伺服閥3左繼電器11.伺服閥3右繼電器12.伺服閥4左繼電器13.伺服閥4右繼電器通過以上的統(tǒng)計,該系統(tǒng)總共有23個輸入,16個輸出。2.2.4.3 選擇PLC 該系統(tǒng)總共有數(shù)字量輸入20點,模擬量輸入3點,數(shù)字量輸出8點,模擬量輸入8點CPU選擇:選擇西門子S7-200 CPU224,詳細資料請參閱說明書。擴展模塊:數(shù)字量擴展數(shù)字量輸入輸出模塊EM223(1)EM 223 24V DC 16 輸入/16 輸出和 EM223 24V DC 16 輸入/16 繼電器輸出 2.2.4.4 分配i/o點,設計I/O連接圖 輸入腿1下限位開關腿1上限位開關腿2下限位開關腿2上限位開關腿3下限位開關腿3上限位開關腿4下限位開關腿4上限位開關手動控制按鈕-腿1伸手動控制按鈕-腿1縮手動控制按鈕-腿2伸手動控制按鈕-腿2縮手動控制按鈕-腿3伸手動控制按鈕-腿3縮手動控制按鈕-腿4伸手動控制按鈕-腿4縮I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I2.0I2.1I2.2自動控制按鈕手動控制按鈕油泵1輸入油泵2輸入傳感器1輸入傳感器2輸入傳感器3輸入I2.3I2.4I2.5I2.6AIW0AIW2AIW4 輸出:紅燈綠燈油泵1控制油泵1控制油泵1控制油泵2控制油泵2控制油泵2控制伺服閥1左繼電器伺服閥1右繼電器伺服閥2左繼電器伺服閥2右繼電器伺服閥3左繼電器伺服閥3右繼電器伺服閥4左繼電器伺服閥4右繼電器Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7AQW0AQW2AQW4AQW6AQW8AQW10AQW12AQW142.2.5 系統(tǒng)軟件設計2.2.5.1 根據(jù)控制要求編寫設計流程見圖紙2.2.5.2 根據(jù)設計流程編寫程序:見附錄 3.電器控制系統(tǒng)設計 液壓靜壓樁機采用了液壓系統(tǒng)作為動力來進行壓樁工作,因此電控系統(tǒng)的主要任務是對液壓及其控制系統(tǒng)進行控制。電控系統(tǒng)設計又可分為強電部和弱電兩個部分:強電部分主要控制液壓站的主電機運轉;弱電部分由可編程控制器PLC進行控制,控制內(nèi)容包括主電機運轉指令的給出,調(diào)平系統(tǒng)的運行控制等。根據(jù)液壓系統(tǒng)的設計計算可知,系統(tǒng)的供油回路由兩個泵組成,其驅(qū)動電機的功率分別為75KW(泵1)、220KW(泵2)。一般地,壓樁機工作環(huán)境可以提供三相380V電源,所以液壓系統(tǒng)的電機采用三相380V普通交流異步電機。三相籠式電機直接起動的控制線路簡單,維修工作量小,但在起動時的電流約為額定電流的47倍。對于本系統(tǒng)采用的兩臺大容量電機,如果采用直接起動會引起電網(wǎng)電壓降低,電機轉矩減小,甚至起動困難,而且還影響同一供電網(wǎng)中的其它設備,因此采用降壓起動,以保證起動時供電母線上的電壓降不超過額定電壓的10%15%。工程實際中常用的降壓起動方法通常有星三角降壓起動、定子串電阻降壓起動和自耦變壓器降壓起動等。由于4KW以上的三相籠式異步電動機定子繞組在正常工作時都接成三角形,因此可以采用星三角降壓起動??紤]到星形直接起動的電流仍然很大,在星形起動過程中進一步采用自耦變壓器進行降壓起動。起動時,電源電壓加在自耦變壓器的一次繞組上,電動機的定子繞組與自耦變壓器的二次繞組相連,當電動機的轉速接近額定值時,將自耦變壓器切除,電動機直接與電源相連,在正常的三角形方式下運行。在電機星三角起動過程中需要進行延時切斷,傳統(tǒng)電路一般采用時間繼電器進行控制,而本系統(tǒng)的弱電控制系統(tǒng)采用了可編程控制器,因此可以直接利用PLC的軟件延時繼電器來進行控制,從而省去了傳統(tǒng)的控制元件,節(jié)省了安裝空間,也提高了控制的可靠性。另一方面,在星三角轉換起動中,為了防止交流接觸器同時通電的意外情況發(fā)生,系統(tǒng)不僅在PLC中采用了星三角轉換互鎖,而且在硬件上(交流接觸器的輔助觸頭)也采用了互鎖控制,以保證電器系統(tǒng)工作的可靠性。系統(tǒng)的控制電路采用西門子PLC(S7200),控制信號電壓為24V,因此系統(tǒng)中增加一個開關電源,以滿足各數(shù)字量I/O、模擬量I/O以及伺服放大板的需要。根據(jù)上述設計方案可繪制出系統(tǒng)的控制原理圖。見畢業(yè)設計圖紙。3.大身結構的CAE分析3.1大身結構的有限元模型 有限元分析(FEA)是利用數(shù)學近似的方法對真實物理現(xiàn)象(幾何及載荷工況)進行模擬的一種分析方法,也是目前求解工程問題中最為流行的數(shù)值計算方法。其基本思想是將一個連續(xù)的求解域離散化,即通過網(wǎng)格劃分將求解域分割成彼此用節(jié)點互相聯(lián)系的有限個單元,在單元體內(nèi)假設近似解的模式,用有限個節(jié)點上的未知參量表征單元的特性,將各個單元的關系通過適當方法,建立組成包含節(jié)點未知參數(shù)的方程組,求解方程組,得出各節(jié)點的未知參數(shù),利用插值函數(shù)求出近似解,是對真實情況的一種數(shù)值近似。本課題應用大型有限元分析軟件ANSYS對大身結構進行分析,分析步驟為 如圖1所示。圖1 ANSYS計算分析過程流程圖3.2 三維實體建模與有限元分析模型 有限元分析的最終目的是要還原一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學行為特征,因此有限元分析的第一步就是必須針對一個物理原型建立準確的數(shù)學模型。有限元模型的來源主要有下面四種方法:在有限元軟件的前處理器中進行幾何建模,再劃分網(wǎng)格得到;從實體建模軟件中引入幾何模型,經(jīng)修改模型和劃分網(wǎng)格而得到;直接創(chuàng)建節(jié)點與網(wǎng)格;引入有限元模型。其中、種方法一般只適合于小型結構分析,然而,現(xiàn)今幾乎絕大部分的有限元分析模型都用實體模型建模,對于大型復雜結構、種方法建模比較困難,目前較為流行的方法是,大型結構的有限元模型一般先通過實體建模軟件建立,經(jīng)適當?shù)母袷睫D換成為有限元分析模型。即用數(shù)學的方式表達結構的幾何形狀,在幾何模型里面填充節(jié)點和單元,還可以在幾何模型上方便地施加載荷和約束。但是幾何實體模型并不參與有限元分析,所有施加在幾何實體邊界上的載荷或約束必須最終傳遞到有限元模型的節(jié)點或單元上進行求解。三維實體建模與有限元分析的關系如圖2所示。圖2 三維實體建模與有限元分析的關系YZY400型靜壓樁機大身結構全部由鋼板焊接而成,是復雜的空間箱型體系。根據(jù)有限元分析的特點,在建模時進行一些必要的模型簡化,即略去一些功能件和非承載件,對于結構上的孔、臺階等盡量簡化,對截面特性影響不大的特征予以忽略。圖3 YZY400型靜壓樁機大身結構有限元分析模型根據(jù)大身結構的特點,在進入ANSYS軟件進行分析之前,首先通過Pro/E實體建模軟件構件大身結構的三維實體模型,并將幾何模型導入ANSYS軟件, 利用ANSYS軟件自動網(wǎng)格劃分功能,定義單元類型為四面體實體單元(Solid93),劃分網(wǎng)格,在支腿支處施加邊界約束,在立柱聯(lián)接板處施加壓樁載荷,建立YZY400型靜壓樁機大身結構有限元分析模型如圖3所示。網(wǎng)格劃分后生成單元總數(shù)為283,271,節(jié)點總數(shù)為337,125個。3.3大身結構強度分析3.3.1 材料參數(shù)參數(shù)名數(shù)值單位楊氏模量1.96e8千帕密度7.9e-6千克/立方毫米泊松比0.33.3.2 載荷分析在建立正確的車身骨架有限元分析模型的基礎上,加載邊界條件,并根據(jù)實際載荷配置情況,對大身結構進行靜強度計算分析。大身結構所受載荷包括自重載荷和壓樁時的工作載荷,根據(jù)靜壓樁機的工作特點,并考慮到動載荷的影響,取計算載荷為480000kN。圖4 加載后的有限元分析模型由于有限元法中內(nèi)力或外力均由節(jié)點傳遞,在整體剛度矩陣中的載荷項均為節(jié)點載荷。因此,將上述載荷作為集中或均布載荷施加于模型中相應節(jié)點上,形成節(jié)點載荷,在大身四個支腿處施加約束并求解,進行靜態(tài)分析。加載后的有限元分析模型如圖4所示。3.3.3 計算結果建立有限元分析模型后,進入ANSYS求解器進行靜態(tài)分析求解。計算結果如圖5圖8所示。圖5 大身結構總體變形云圖圖5所示為大身結構總體變形云圖,由圖中可以看出,結構最大變形發(fā)生在聯(lián)接立柱處,變形量約為0.81mm,說明結構剛度條件滿足要求。圖6所示為大身結構合成應力云圖。圖7為大身結構底面合成應力云圖。圖8為大身結構支腿處應力云圖。由圖8顯示出,大身結構最大應力部位在支腿與大身的聯(lián)接處,這與實際相符(曾有該種類型某型號靜壓樁機在該處發(fā)生斷裂)。圖6 大身結構合成應力云圖最大應力部位最大應力值約為34MPa,說明結構設計偏保守,應進一步改進結構,對結構進行優(yōu)化,使大身結構受力更加合理。圖7 大身結構底面應力云圖圖8 大身結構支腿處應力云圖
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