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南京工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計團(tuán)隊
YZY400全液壓靜力壓樁機設(shè)計
總 結(jié) 報 告
2005.7
本屆畢業(yè)設(shè)計課題為基礎(chǔ)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(shè)定了九個子課題。設(shè)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(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)強度及應(yīng)力計算二個子課題為創(chuàng)新課題。樁機的其它結(jié)構(gòu),也是在將社會同類型樁機結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,將不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)而設(shè)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(yīng)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(jìn)行調(diào)平,有很好的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。
當(dāng)前的樁機大身結(jié)構(gòu)均為經(jīng)驗設(shè)計,既不知道哪里應(yīng)力最大,也不清楚這么樣的結(jié)構(gòu)剛度是否滿足要求,相當(dāng)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(jié)構(gòu),造成280T的樁機,當(dāng)工作壓力為178T時大身嚴(yán)重開裂。為此，我們用CAE進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)強度及應(yīng)力計算,使我們設(shè)計的樁機結(jié)構(gòu)件不但知道哪里應(yīng)力大,而且知道應(yīng)力的分布狀態(tài),還知道應(yīng)力的大小。做到科學(xué)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(yīng)的結(jié)構(gòu)呼應(yīng)和結(jié)構(gòu)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(yīng)的系統(tǒng)要求并設(shè)置各種開關(guān),在機體上還必須安排若干個限位開關(guān);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(yīng)的系統(tǒng)要求等等非常規(guī)設(shè)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(jié)構(gòu)布局是合理的;部件之間的銜接是正確的;設(shè)計的自動調(diào)平、自動行走及自動轉(zhuǎn)彎均可完善的實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)件通過CAE計算, 最大應(yīng)力在支腿與大身聯(lián)接處, 這個結(jié)論與生產(chǎn)實際中老機型的應(yīng)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(yīng)力為33Mpa, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。太偏安全, 不經(jīng)濟(jì)。要作為生產(chǎn)的產(chǎn)品,理應(yīng)進(jìn)一步修改沒計, 但同學(xué)們畢業(yè)時間已到, 很憒憾！
這次畢業(yè)設(shè)計是團(tuán)隊畢業(yè)設(shè)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(tuán)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(shè)計的任務(wù)。每一個人都付出了艱辛的勞動、流下了辛勤的汗水，同學(xué)們通過畢業(yè)設(shè)計都各有各的豐厚收獲, 現(xiàn)抄錄幾段學(xué)生的體會: “這不僅僅是我們四年所學(xué)知識的體現(xiàn)，而且，我們在做畢業(yè)設(shè)計的過程中還學(xué)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(rèn)真負(fù)責(zé)、踏踏實實、一步一個腳印，畢業(yè)設(shè)計帶給我們的不僅是成功的喜悅，還有和團(tuán)隊一起工作的方法與團(tuán)隊協(xié)作的精神； “從畢業(yè)設(shè)計中，我學(xué)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(gòu)造:它由支腿平臺結(jié)構(gòu)、行走機構(gòu)、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(gòu)
為長船行走機構(gòu)，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(fù)上述動作，樁機即可縱向行走。
1.1.2 支腿平臺結(jié)構(gòu)
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(dǎo)向壓樁架、夾持機構(gòu)、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(gòu)鉸接。球鉸的球頭與短船行走及回轉(zhuǎn)機構(gòu)相聯(lián)。整個樁機通過平臺結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。
1.1.3 夾持機構(gòu)與導(dǎo)向壓樁架
該部分由夾持器橫梁、夾持液壓缸、導(dǎo)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(dǎo)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(gòu)在導(dǎo)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(gòu)與回轉(zhuǎn)機構(gòu)
它由船體、行走梁、回轉(zhuǎn)梁、掛輪機構(gòu)、行走輪、橫船液壓缸、回轉(zhuǎn)軸和滑塊組成?；剞D(zhuǎn)梁兩端與底盤結(jié)構(gòu)鉸接，中間由回轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)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(fù)交替進(jìn)行，實現(xiàn)樁機的橫向行走。樁機的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸使回轉(zhuǎn)梁上的滑塊在行走梁上作回轉(zhuǎn)滑動。油缸行程走滿，樁機可轉(zhuǎn)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(fù)到1/2行程處，并將行走梁恢復(fù)到回轉(zhuǎn)梁平行位置。重復(fù)上述動作，可使整機回轉(zhuǎn)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(xué)校教育區(qū)、醫(yī)院療養(yǎng)區(qū)、重要機關(guān)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(yīng)力比打入樁小，可節(jié)約鋼材和水泥，降低成本。并可適當(dāng)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12—15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(jìn)，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(shù)經(jīng)濟(jì)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(shè)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(fù)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(shù)的飛速發(fā)展，會有越來越先進(jìn)的調(diào)平技術(shù)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(zhuǎn)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(yīng)用于靜壓樁機具有很好的經(jīng)濟(jì)意義和社會意義。
2.1系統(tǒng)參數(shù)
(1) 系統(tǒng)工作電壓：8－30VDC
(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:15－25Mpa.
(6) 系統(tǒng)適用溫度范圍：-20℃∽50℃
2.2 靜壓樁機自動調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計
2.2.1 多油缸同步控制系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)(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,ＰＬＣ控制或工控機控制等)和控制基準(zhǔn)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(jìn)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,ＰＩＤ控制,模糊-ＰＩＤ等)。
根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)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(zhǔn)油缸(下稱基準(zhǔn)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(zhǔn)缸的結(jié)構(gòu)布置較為復(fù)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(jìn)行補償,不具普遍性。
(4) 控制策略單一,不具備比較性。
基于上述情況，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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了介紹，簡要的說，就是選取四缸中的某一缸為基準(zhǔn)缸，其它三只缸跟蹤基準(zhǔn)缸隨動。下圖表示了某缸跟蹤基準(zhǔn)缸隨動示意圖，假設(shè)左邊為基準(zhǔn)缸，當(dāng)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(jìn)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(xué)模型：
某缸跟蹤基準(zhǔn)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(fù)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(yīng)特性，斜坡響應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)工具。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它設(shè)計技術(shù)難以使用，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)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(shù)。
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(shè)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(guān)，系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(guān)，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(jìn)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(guān)，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(jìn)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(dāng)四個支腿碰到各自的下限位開關(guān)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(shè)備，確定PLC的I/O點數(shù)
輸入設(shè)備:
1.腿1下限位開關(guān)
2.腿1上限位開關(guān)
3.腿2下限位開關(guān)
4.腿2上限位開關(guān)
5.腿3下限位開關(guān)
6.腿3上限位開關(guān)
7.腿4下限位開關(guān)
8.腿4上限位開關(guān)
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(shè)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(xì)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(shè)計I/O連接圖
輸入
腿1下限位開關(guān)
腿1上限位開關(guān)
腿2下限位開關(guān)
腿2上限位開關(guān)
腿3下限位開關(guān)
腿3上限位開關(guān)
腿4下限位開關(guān)
腿4上限位開關(guān)
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
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
I1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
I2.0
I2.1
I2.2
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
I2.3
I2.4
I2.5
I2.6
AIW0
AIW2
AIW4
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
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
Q0.5
Q0.6
Q0.7
AQW0
AQW2
AQW4
AQW6
AQW8
AQW10
AQW12
AQW14
2.2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.2.5.1 根據(jù)控制要求編寫設(shè)計流程
見圖紙
2.2.5.2 根據(jù)設(shè)計流程編寫程序：
見附錄
3.電器控制系統(tǒng)設(shè)計
液壓靜壓樁機采用了液壓系統(tǒng)作為動力來進(jìn)行壓樁工作，因此電控系統(tǒng)的主要任務(wù)是對液壓及其控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。電控系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)；弱電部分由可編程控制器PLC進(jìn)行控制，控制內(nèi)容包括主電機運轉(zhuǎn)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(shè)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4——7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(zhuǎn)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(shè)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。
考慮到星形直接起動的電流仍然很大，在星形起動過程中進(jìn)一步采用自耦變壓器進(jìn)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(dāng)電動機的轉(zhuǎn)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(jìn)行延時切斷，傳統(tǒng)電路一般采用時間繼電器進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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（S7——200），控制信號電壓為24V，因此系統(tǒng)中增加一個開關(guān)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(shè)計方案可繪制出系統(tǒng)的控制原理圖。
見畢業(yè)設(shè)計圖紙。
3.大身結(jié)構(gòu)的CAE分析
3.1大身結(jié)構(gòu)的有限元模型
有限元分析（FEA）是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）進(jìn)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(shè)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(guān)系通過適當(dāng)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(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS對大身結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xué)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(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。有限元模型的來源主要有下面四種方法：①在有限元軟件的前處理器中進(jìn)行幾何建模，再劃分網(wǎng)格得到；②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；③直接創(chuàng)建節(jié)點與網(wǎng)格；④引入有限元模型。其中①、③、④種方法一般只適合于小型結(jié)構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)①、③、④種方法建模比較困難，目前較為流行的方法是，大型結(jié)構(gòu)的有限元模型一般先通過實體建模軟件建立，經(jīng)適當(dāng)?shù)母袷睫D(zhuǎn)換成為有限元分析模型。即用數(shù)學(xué)的方式表達(dá)結(jié)構(gòu)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(jìn)行求解。三維實體建模與有限元分析的關(guān)系如圖2所示。
圖2 三維實體建模與有限元分析的關(guān)系
YZY400型靜壓樁機大身結(jié)構(gòu)全部由鋼板焊接而成，是復(fù)雜的空間箱型體系。根據(jù)有限元分析的特點，在建模時進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有限元分析模型
根據(jù)大身結(jié)構(gòu)的特點，在進(jìn)入ANSYS軟件進(jìn)行分析之前，首先通過Pro/E實體建模軟件構(gòu)件大身結(jié)構(gòu)的三維實體模型，并將幾何模型導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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
0.3
3.3.2 載荷分析
在建立正確的車身骨架有限元分析模型的基礎(chǔ)上，加載邊界條件，并根據(jù)實際載荷配置情況，對大身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強度計算分析。
大身結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jìn)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(jié)果
建立有限元分析模型后，進(jìn)入ANSYS求解器進(jìn)行靜態(tài)分析求解。
計算結(jié)果如圖5～圖8所示。
圖5 大身結(jié)構(gòu)總體變形云圖
圖5所示為大身結(jié)構(gòu)總體變形云圖，由圖中可以看出，結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在聯(lián)接立柱處，變形量約為0.81mm，說明結(jié)構(gòu)剛度條件滿足要求。
圖6所示為大身結(jié)構(gòu)合成應(yīng)力云圖。
圖7為大身結(jié)構(gòu)底面合成應(yīng)力云圖。
圖8為大身結(jié)構(gòu)支腿處應(yīng)力云圖。
由圖8顯示出，大身結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(jié)構(gòu)合成應(yīng)力云圖
最大應(yīng)力部位
最大應(yīng)力值約為34MPa，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計偏保守，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使大身結(jié)構(gòu)受力更加合理。
圖7 大身結(jié)構(gòu)底面應(yīng)力云圖
圖8 大身結(jié)構(gòu)支腿處應(yīng)力云圖