夹桩机构的设计计算说明书.doc

1. 绪论1.1液压静力压桩机的发展概况 纵观液压静力压桩机的发展过程，大致可将其分为两个阶段：第一阶段，从20世纪70年代后期到90年代中期，国内先后研制了几种压桩机，并逐步形成系列产品进入市场。其中具有代表性的两个系列产品是武汉市建筑工程机械厂生产的yzy系列液压静力压桩机和利用中南大学(原中南工业大学)智能机械研究所的专利技术生产的zyj系列液压静力压桩机。在这个阶段主要解决了这种桩机的设计理论基础、动力配置和系统设计问题，满足了静压桩的基本功能。但就整体来说，其主要特征是桩机压桩力不大，实际使用的最大压桩力不足4000kn，绝大部分的压桩力为1 6002400kn；功能单一，主要应用于施工现场预制的截面尺寸为(300 mm x 300 mm)(400mm x 400mm)的钢筋混凝土方桩(实心件)的正常中位压桩，单桩设计承载力标准值在1400kn以下。而预应力管桩和高强度预应力管桩主要是通过锤击设备如柴油锤等进行打入施工。进入20世纪90年代中期以后，液压静力压桩机进入第二发展阶段。由于1994年底在珠海利用液压静力压桩机将直径500 mm的预应力管桩压入强风化岩获得成功，实现了静压桩施工技术的历史性突破，从此拓宽了静压桩的应用范围，也使预应力管桩在城市和居民住宅区内的应用找到了一条新路子。一方面，实现了静压桩的单桩承载力向大吨位方向的快速发展，与此同时，市场对大吨位桩机的需求不断增大，而且要求越来越强烈；另一方面，由于施工范围的不断扩大，对桩机功能的要求也日益增多，出现了工程施工中许多必须解决的实际问题。这个阶段的桩机品种显著增加，系列化不断完善，生产厂家也急剧增多，至今在全国约有30个制造厂。其中湖南山河智能机械股份有限公司的生产能力最大，2003年共生产125台，占全国年总产量的30%40%。目前的生产能力达到每月15台，年生产能力在180台左右，已形成压桩力为80010000kn的完整的产品系列，生产的最大吨位机型为zyjl000。1.2静压静力压桩机的发展趋势随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强，液压静力压桩机的应用将获得更广泛的推广。同时，液压静力压桩机技术及产品将由粗放型向功能精细化、操作智能化方向发展。其发展趋势可归纳如下： 1.进一步多功能化，产品适应能力进一步加强。在较厚硬隔层地质条件下施工时，设计并配置专用的螺旋钻，提高压桩机的穿透能力和对地质的适应能力；对大吨位桩机开发相应的夯实装置，实现以静压替代强夯压桩管径可从目前的最大600mm增大到800mm以上。 2.智能化操作与施工的压桩机开发。开发机身液压自动调平系统，压桩过程计算机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作。 3.异型桩夹持装置的刀发。特别是与钢板桩、工字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩机构的开发。 4.压桩力大、质量轻机型产品的开发。特别是对于钢板桩连续墙施工产品的开发将是今后静力压桩机发月的新领域。 5.适应于北方寒冷地区气温低、冻土层较厚的桩机产品的开发。 6.产品向高档次、高可靠性方向发展。1.3静压桩机概述随着液压技术的发展，我国在20世纪70年代开始研制生产静压桩机。采用静压桩机将桩逐段压入土层中具有如下明显的优点。 1.在施工中无振动、无噪声、无污染，在城市居住密集区施工有明显的优越性o2.油于桩是通过静力压入土层，桩没有受到锤击桩时所引起的拉伸应力波的冲击，因此桩内的钢筋配置和混凝土的强度均可比柴油锤锤击桩要小，这样可节约桩的工程成本。经统计，与打击桩相比，静压桩可节约钢材47，水泥12。3.采用柴油锤打桩，桩周边土壤有一定程度的“液化”，因此，桩要经过一段时间“休息”后，才具有真实的承载力，静压桩在施工中不会对桩周边土壤产生较大的干扰，所压入桩的最终压力基本上体现了桩的实际承载力，因此施工完成后根据压人过程的压力曲线可迅速计算出桩的实际承载力。 4.基本上无断桩。5.可以直接用静压校机对桩进行静载试验。 虽然静压桩有上述优点，但由于静压桩机要配有较多的配重，整个机器的拼装、运输及工作效率仍然比打击桩低，所以目前仍不如柴油锤打击桩与钻孔桩普及。但随着城市的发展，对噪声及泥浆污染进行越来越严格的限制，静压桩机必将越来越受到市场的重视。1.4yzy系列静压桩机的构造与工作原理yzy400型静压桩机的构造: 它由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。 1支腿平台结构 该部分内底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。球铰的球头与短船行走及回转机构相联。整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。2长船行走机构 为长船行走机构，它内船体，行走台车与顶升液压缸等组成。液压缸活塞杆球头与船体相联接。缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。3. 短船行走机构与回转机构 它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构1挂在行走梁上，使整个船体组成体。液压缸的一端与船体铰接另一端与行走梁铰接。工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。顶升液压缸回程，长船离地，短船落 地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。桩机的回转动作是：长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。重复上述动作，可使整机回转到任意角度。4夹持机构与导向压桩架 该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。1.5本毕业论文的主要工作1.5.1设计主要参数1.桩机总重400吨2.压桩力480吨（考虑到安全系数）3.压桩速度2m/min4.夹桩速度0.7m/min5.回程速度1.4m/min6.压桩行程2m7.最大桩直径550mm550mm8.最小桩直径300mm300mm1.5.2设计任务1.夹持油缸的计算及结构设计2.完成图纸夹持油缸装配图夹持机座装配图所有夹持部件的各零件图横梁装配图3.夹持机座的计算及结构设计2.夹持油缸的计算及结构设计2.1 受力分析 图1预制桩受摩擦力2.2机构设计为获取更好的活塞杆刚度，取速度比夹持油缸油缸内径d2.3夹持液压缸的设计2.3.1油缸的选择采用单活塞杆双作用液压缸。液压油压力p=25mpa,并采用头部法兰安装方式。油缸内径活塞杆直径行程=450mm320mm500mm液压缸作用力 图21.当无杆腔供油时，活塞杆向外伸出2.当有杆腔供油时，活塞杆向内收进2.3.2液压缸的输出速度1.外伸时速度2.内缩时速度2.3.3液压缸作用时间1.活塞杆伸出时2.活塞杆缩入时2.3.4液压缸的储油量2.3.5液压缸的输出功率2.4.液压缸结构参数的计算2.4.1油缸壁厚的计算按中等壁厚计算 2.4.2缸体外径计算 2.4.3油口直径的计算2.4.4缸底厚度计算2.4.5缸头厚度计算采用螺栓联接端部法兰 图32.5.液压缸的联接计算2.5.1缸盖联接计算焊接联接计算液压缸缸底采用对焊时，焊缝的拉应力为 图42.5.2缸体与缸盖采用螺钉联接时 图52.5.3活塞与活塞杆采用螺纹联接活塞杆要求调质+高频淬火，为了提高耐磨性和防锈蚀，表面需镀铬（铬层厚为0.05mm0.08mm）并抛光。2.5.4销轴联接计算选用45钢2.5.5液压缸的阻力油缸的简图如下： 图6缸筒内表面需研磨和滚压，外表面可不加工，为了不损伤活塞和缸盖上的密封圈，缸筒在入口处和有密封圈的孔槽口均做成15度坡口。3.夹持机座的计算及结构设计3.1夹头设计并验算3.1.1夹头抱桩面为300mm500mm(方桩)3.1.2夹头抱桩面假设上述两种类型的夹头最薄处厚度均为50mm ,球头座厚度为50mm，这样能很好的与夹头相配合。由于夹头在压桩和停止工作时都要与机架相抵以支持横梁，所以该夹头设计为端部开有梯形槽。4. 强度校核4.1.螺栓强度校核4.2推力轴强度校核计算简图：图7 图8 图9由上两图可知需要校核c面4.3推力轴轴套强度校核 图104.4夹板焊接的强度校核焊缝只受压力作用4.5横梁内部竖板的焊缝强度校核4.6按强度条件验算活塞杆直径球头强度校核同上因为球头直径与活塞杆直径相同，这样便于机械加工。4.7活塞杆端部连接螺纹的强度计算4.8支撑板螺钉强度校核4.9纵向弯曲极限力的计算液压缸受纵向力以后产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力以后，缸产生纵向弯曲，出现不稳定现象。该极限的力与缸的安装方式，活塞杆直径及行程有关。 图114.10纵向弯曲强度计算5. 横梁箱体的结构设计该横梁采用箱体结构，壁厚为30mm，箱盖与箱体之间采用10个m30螺栓联接。根据压桩油缸端部法兰尺寸，确定箱体长3000mm,宽1200mm。为防止磨损过大，加以衬套，厚度为50mm。夹桩液压缸缸筒一端通过端部法兰与横梁内部筋板联接。活塞杆一端通过球座与夹头圆柱的球头联接。6.其余主要零件的的设计6.1滚轮横梁上的滚轮由于主要起导向作用，故要求不高，但考虑到夹桩过程中会有偏心，箱体中心线与夹头中心线不重合，产生偏心力矩。故选用机械设计手册中，在滚轮栏中选择图示滚轮。滚轮材料按手册要求采用65锰。 图12另为了使滚轮能有微调功能，采用偏心衬套故滚轮内孔孔径选用250mm。6.2滚轮轴滚轮轴径大小的选择，一方面与滚轮的孔径相配合，另一方面，滚轮轴起加固横梁箱体支撑偏心弯矩，故轴径为180mm。材料选用45钢，另为了防止轴向窜位，故设计中止动槽。6.3滚轮衬套与偏心衬套在设计此零件时，我们为尽量使两个零件的工艺相同，所以采用相近的形状。偏心衬套中有油杯孔道使滚轮与衬套接触面保持润滑，而滚轮衬套中有与滚轮轴相配的油孔道，偏心衬套还起滚轮外挡圈的作用，防止滚轮轴向窜位。衬套与轴用m16螺钉联接。为使拆装方便，偏心衬套亦便于调心。 图136.4锥销锁紧挡圈查机械设计手册，按不同的轴径选用gb锥销锁紧挡圈，并选择相应的锥销。机械设计手册中有详述。 7.油缸主要零件结构、材料和技术要求7.1缸体7.1.1缸体底部连接形式缸体底部与缸体的连接用焊接形式优点：结构简单、尺寸小、重量轻、使用广泛缺点：缸体焊后可能变形，并且内径不易加工（主要用于柱塞式液压缸）7.1.2缸体材料选用35钢无缝钢管35钢有较好的塑性和适当的强度，焊接性能好，但焊前要预热，焊后回火处理。粗加工后调质使硬度达到hb241hb285。7.1.3内径的加工粗糙度取=0.20.4，缸筒内径都需要进行衍磨，为提高寿命，防止腐蚀，缸体内表面可以镀铬，镀铬厚度应为0.05mm0.08mm。镀铬在缸体内表面进行衍磨或抛光。7.2缸盖缸盖为活塞杆导向套自身7.2.1缸盖与端部连接形式：螺钉连接优点：安装时端部进入缸体较深，密封性能好缺点：结构不够紧凑，重量大7.2.2缸盖材料液压缸缸盖为活塞杆导向套时，用ht250，并在其工作表面熔进黄铜、青铜或其他耐磨材料。7.2.3缸盖外形铸造而成 图147.3活塞7.3.1活塞与活塞杆的连接结构 图157.3.2螺纹联结7.3.3活塞材料常用耐磨铸铁ht2007.3.4活塞结构 图167.4.活塞杆7.4.1端部结构 图177.4.2活塞杆材料 材料选用45钢，45钢强度较高、韧性中等、粗加工后调质硬度至hb229hb285。再高频淬火硬度至hrc45hrc557.4.3活塞杆工作表面粗糙度不大于=0.04，要镀铬、抛光。8.液压缸各部件的密封和防尘8.1.活塞与缸体的密封8.1.1活塞与缸体的密封结构8.1.2型孔用密封圈耐高温，耐磨性好，低温性能好，材料为聚氨脂，公称直径=450mm查机械设计手册型密封圈沟槽形式如图8.1.3孔用型密封圈破坏原因之一，是在工作压力作用下，密封圈被挤入间隙内，经过多次往复运动，密封圈端部被逐步撕裂，时间越长破坏越严重，造成密封圈早期失效，为防止这一现象，应尽量选择小的间隙及适当的胶料硬度。 图18 图198.2活塞杆的密封8.2.1活塞杆的密封结构 图208.2.2型密封圈型密封圈的结构特点是截面小，结构简单，截面的长宽比有两倍以上，因而密封圈在沟槽中不会翻滚，密封圈的内外唇具有不同的高度，短唇与密封面接触。这种结构无论在高压、低压或快速运动中，均有良好的密封性。缺点是耐热性较差，一般只能在80摄氏度下长期工作。材质是聚氨脂，公称直径8.2.3防尘圈防尘圈是适用于安装在往复运动液压缸活塞杆导向套上，起防尘以及密封作用的防尘密封圈，防尘圈有a、b、c三种。在此选a型，起消除活塞杆外露部分粘附的尘土，保证油液清洁，应用于油压、水压和空压机械的防尘。材料为橡胶，使用温度，在用矿物油时为-35100摄氏度；在用水、气时为70摄氏度。8.3导向套和缸体的密封8.3.1导向套和缸体密封的结构 图218.3.2 o型密封圈o型密封圈具有良好的密封性，是一种压缩性密封片，同时又具有自封能力，故使用范围广。使用不同材料的o型密封圈可分别满足各种介质和运动条件的要求，o型密封圈形状简单，制造容易，价格低廉，使用方便。材料为聚四氟乙烯，因工作压力大于10mpa，所以用挡圈。查机械设计手册，其沟槽如下： 图228.3.3挡圈孔用：挡圈公称直径d=420mm材料为聚四氟乙烯硬度hb90轴用：挡圈公称直径d=280mm材料为聚四氟乙烯硬度hb908.4 标准件的选择8.4.1油孔：gb2878-81m602 内螺纹缸体底部、端部各一8.4.2密封圈 型密封圈：孔用 jb/zq4264-86 450 活塞与缸体之间二个 轴用 jb/zq4265-86 320 导向套与活塞杆之间一个o型密封圈： zbj2002-80 s220-d 导向套与活塞杆之间一个8.4.3防尘圈：gb/0708.3-89 320 导向套与活塞杆之间一个8.4.5挡圈: gb894.1-86 320 轴用挡圈gb893.1-86 450 孔用挡圈9.总结与展望yzy400全液压静力压桩机的夹持机构，尺寸基本合理，机构强度满足相应要求，根据给定的主要参数，参考相关计算，设计的夹桩液压缸比较科学经济，大量采用焊接工艺，夹持部分的结构更简单，节省材料。采用偏心衬套调整滚轮，进而调整横梁的垂直度，从而保证压桩的垂直度。10.致谢在大学四年期间，始终得到了院各位老师的悉心指导和亲切关怀。老师严谨的学术态度和诲人不倦的高尚师德，学生将奉为终生楷模，谨此表示最诚挚的敬意和衷心的感谢。本论文是在导师悉心指导下完成的。同时在项目研发期间得到了南京工业大学机械学院郑凤琴老师的指导和帮助。老师渊博的学识，严谨的治学态度和不倦的求索精神，都使我受益匪浅。在此老师致谢。同时需要感谢的还有和我同组的其他同学，感谢他们在我项目遇到困难时给予我的帮助和鼓励，正是在同学们的热情鼓励和支持下，项目才能得以顺利完成。在此向各位同学表示深深的谢意。参考文献1杨位光编：地基及基础，北京，中国建筑工业出版社，19982徐灏编：