車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)【柴油錘】
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車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
總計(jì)：畢業(yè)論文： 43
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摘 要
打樁機(jī)作為機(jī)械設(shè)備廣泛使用于建筑施工，碼頭，道路等樁基礎(chǔ)施工的場(chǎng)景下。柴油打樁機(jī)憑借著其自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成樁質(zhì)量高，操作簡(jiǎn)單，工作效率高而被當(dāng)今廣泛使用。因此研究并設(shè)計(jì)柴油打樁機(jī)對(duì)社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有著積極的意義。
本題目以研究并設(shè)計(jì)工況為野外施工的柴油打樁機(jī)為主要任務(wù)。主要研究打樁機(jī)的總體設(shè)計(jì)與柴油錘和導(dǎo)向架設(shè)計(jì)以及主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。在此之間對(duì)導(dǎo)向架的材料選用，導(dǎo)向架具體結(jié)構(gòu)布置，油管布置，液壓馬達(dá)，鋼絲繩滾筒的安裝形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)在運(yùn)輸和作業(yè)時(shí)的兩個(gè)極限位置確立了最終的導(dǎo)向架支撐液壓缸的布置位置。最后根據(jù)柴油導(dǎo)桿式打樁機(jī)在實(shí)際施工中的的工作特性與特點(diǎn)設(shè)計(jì)了與其工作配套的液壓系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)使用的液壓元器件進(jìn)行了選擇。
關(guān)鍵詞：打樁機(jī)；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(yīng)用價(jià)值 1
1.2 打樁機(jī)的種類(lèi)與特點(diǎn) 1
1.3 導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)的沉樁規(guī)格與其他設(shè)計(jì)要求 2
1.4 總體設(shè)計(jì)思路 2
2.總體方案設(shè)計(jì) 3
2.1 執(zhí)行元件總體設(shè)計(jì) 3
2.2 車(chē)體布局 3
2.3 車(chē)身貨箱長(zhǎng)度的確定以及車(chē)輛型號(hào)的選用 4
3.柴油錘設(shè)計(jì) 4
3.1 柴油打樁錘錘體重量設(shè)計(jì) 4
3.2 樁帽設(shè)計(jì) 5
3.3 柴油錘其他尺寸設(shè)計(jì) 6
4.導(dǎo)向架設(shè)計(jì) 6
4.1 導(dǎo)向架材料選取 6
4.2 其余部件設(shè)計(jì) 7
5.液壓缸位置及行程設(shè)計(jì) 8
5.1 導(dǎo)向架支撐液壓缸設(shè)計(jì) 8
5.2 車(chē)身支撐液壓缸，扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸與液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì) 10
5.3 缸體材料選用及技術(shù)要求 10
5.4 缸體端部連接方式與活塞桿端部結(jié)構(gòu) 10
6.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
6.1 初選系統(tǒng)工作壓力 11
6.2 液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸 11
6.3 液壓缸動(dòng)作順序 13
6.4 液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì) 13
6.5 液壓元件的選用 14
7.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17
7.1 控制系統(tǒng)的選用 17
7.2 PLC 程序設(shè)計(jì) 18
8.導(dǎo)向架彎曲強(qiáng)度校核 21
結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
致謝 25
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
1.緒論
1.1 工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
在近些年間高速公路建設(shè)的規(guī)模與速度令人驚嘆,施工時(shí)對(duì)于施工效率和質(zhì)量的要求越來(lái)越高,制造并使用高精度,高效率的機(jī)械化設(shè)備作業(yè)是實(shí)現(xiàn)上述要求的重要保證。高速公路防撞護(hù)欄樁施工是公路建設(shè)后期一項(xiàng)時(shí)間緊迫、任務(wù)繁重、難度大、工藝復(fù)雜,
人力無(wú)法完成的作業(yè)。依照現(xiàn)行設(shè)計(jì)要求,護(hù)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(dá)到 1000 多根。日前,在我國(guó)高速公路通車(chē)?yán)锍踢_(dá)每 3000 公
里,合計(jì)總沉樁數(shù)量為 4000000 根。護(hù)欄樁的位置都分布在已經(jīng)充分壓實(shí)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(fù)雜,沉樁阻力大處不可能人工沉樁,并且顧及到護(hù)欄自身的防護(hù)功能及對(duì)路容的影響,沉樁施工必須在一定的施工要求內(nèi)。護(hù)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(biāo)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(hù)欄板和防水帽的安裝精度和作業(yè)效率,同
時(shí)還影響車(chē)輛通行時(shí)的安全防護(hù)和道路整體線形的外觀。因此,護(hù)欄樁的施工質(zhì)量對(duì)于后期的護(hù)欄板安裝以及高速公路的安全保障功能的實(shí)現(xiàn)和道路整體外觀具有至關(guān)重要的意義。根據(jù)我國(guó)具體情況,在高速公路建設(shè)中給護(hù)欄施工的時(shí)間一般較為短暫,工期要求緊張,所以要求完成護(hù)欄樁施工的機(jī)械具有較高的作業(yè)效率。本研究所涉及的車(chē)載式柴油打樁機(jī)的主要用途是實(shí)現(xiàn)高速公路防撞護(hù)欄樁沉打作業(yè)任務(wù)。
1.2 打樁機(jī)的種類(lèi)與特點(diǎn)
打樁機(jī)按其工作方式分為柴油打樁機(jī)，液壓打樁機(jī)，靜壓打樁機(jī)，振動(dòng)打樁機(jī)。
1）柴油打樁機(jī)
柴油打樁機(jī)自上世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的新型樁工機(jī)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(chǔ)施工的主要機(jī)具之一。小型的柴油打樁機(jī)為導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)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(jī)。
2）液壓打樁機(jī)
液壓打樁機(jī)是自身工作時(shí)以液壓能做為原動(dòng)力的一種類(lèi)型的打樁機(jī)。在實(shí)際施工打樁時(shí)液壓錘自身下落通過(guò)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(dú)立設(shè)計(jì)的扶樁機(jī)構(gòu)，因此工作環(huán)境要求低，可以適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境，可以對(duì)各種形狀的預(yù)制混凝土樁和鋼板，木制樁直接進(jìn)行沉樁作業(yè)。并且可以在路地上與水面上進(jìn)
1
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
行斜樁作業(yè)，這是液壓打樁機(jī)由于自身工作特性的優(yōu)越之處，于其他類(lèi)型打樁機(jī)的無(wú)可比。
3）靜壓打樁機(jī)
靜壓打樁機(jī)在施工中的工作方式是中通過(guò)靜力將樁直接壓入到土層之中，因?yàn)闃蹲陨砦词盏綋翦N的沖擊力，因此預(yù)制混凝土樁的強(qiáng)度可以比柴油打樁機(jī)的小，這樣下來(lái)就
極大節(jié)約了施工時(shí)的成本。靜壓打樁機(jī)實(shí)際施工中基本上沒(méi)用出現(xiàn)樁折斷的情況，并且靜壓打樁機(jī)可以直接對(duì)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)。
4）振動(dòng)打樁機(jī)
振動(dòng)打樁機(jī)利用振動(dòng)樁錘產(chǎn)生的周期性激振力使得樁周?chē)寥酪夯?，減小了土壤對(duì)樁的摩阻力，因而達(dá)到使得樁基下沉的目的。
1.3 導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)的沉樁規(guī)格與其他設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)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(diǎn)火爆發(fā)擊樁的復(fù)合，樁錘結(jié)構(gòu)緊湊，液壓馬達(dá)提升時(shí)間≤10s；液壓斜式導(dǎo)向架起升與回落要求速度均勻，運(yùn)行平穩(wěn)，起升與回落時(shí)間均≤30s，并且導(dǎo)向架自身總長(zhǎng)度不超過(guò)車(chē)體總長(zhǎng)；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(jié)構(gòu)下，每個(gè)鋼筋混凝土樁完成打樁時(shí)間≤120s，為設(shè)計(jì)要求，依托一款陜汽汽車(chē)底盤(pán)
進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。
1.4 總體設(shè)計(jì)思路
根據(jù)以上的分析與產(chǎn)品要達(dá)到的基本功能與要求并結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)，可以采取以下設(shè)計(jì)方案：
1 通過(guò)工作環(huán)境和需要沉樁的預(yù)制樁可要求入手，確定車(chē)載式柴油打樁機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。
2 通過(guò)給定的預(yù)制樁尺寸，參照現(xiàn)有柴油錘工作方式及其結(jié)構(gòu)方式，確定柴油錘設(shè)
計(jì)
3 從得到的柴油錘尺寸來(lái)確定導(dǎo)向架具體尺寸及其配套結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
4 根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)與柴油錘導(dǎo)向架具體數(shù)據(jù)分析柴油錘位置布局與力學(xué)計(jì)算。
5 根據(jù)導(dǎo)桿式柴油打樁機(jī)的設(shè)計(jì)要求與工作特性設(shè)計(jì)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(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
2.總體方案設(shè)計(jì)
打樁機(jī)要求在野外環(huán)境下打入 300cm 的預(yù)制樁，總體方案設(shè)計(jì)以滿足設(shè)計(jì)需求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單為主體思想，結(jié)合市面相關(guān)產(chǎn)品與自身已有經(jīng)驗(yàn)，做出以下設(shè)計(jì)方案。車(chē)在野外工況復(fù)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(gè)車(chē)身支撐缸將車(chē)身整體支起懸空至相對(duì)水平位置，然后導(dǎo)向架由一個(gè)液壓缸負(fù)責(zé)支起與收回作用以達(dá)到工作狀態(tài)與平時(shí)運(yùn)輸狀態(tài)，柴油錘由液壓馬達(dá)拉升，扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸伸出抱住樁體。
2.1 執(zhí)行元件總體設(shè)計(jì)
表 2.1 執(zhí)行元件明細(xì)表
作用
工作部件
數(shù)量
車(chē)身的整體支撐
液壓缸
4
導(dǎo)向架的支起與收回
液壓缸
1
液壓錘的提升
液壓馬達(dá)
1
扶樁機(jī)構(gòu)
液壓缸
1
2.2 車(chē)體布局
圖 2.1 車(chē)體布局示意圖
1
3
2
3
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
注：1 車(chē)身貨箱，2 車(chē)身導(dǎo)向架，3 導(dǎo)向架支撐液壓缸
2.3 車(chē)身貨箱長(zhǎng)度的確定以及車(chē)輛型號(hào)的選用
車(chē)身貨箱長(zhǎng)度約等于導(dǎo)向架長(zhǎng)度 0.9 倍。
導(dǎo)向架長(zhǎng)度=樁身長(zhǎng)+柴油錘體總長(zhǎng)+柴油錘落距+部分鋼絲繩長(zhǎng)+滑輪長(zhǎng)，已知樁長(zhǎng)
為 300cm，其余部分取 300cm，導(dǎo)向架長(zhǎng)為 6000cm，車(chē)身貨箱長(zhǎng)度略小于導(dǎo)向架長(zhǎng)度從而取車(chē)身貨箱長(zhǎng)度為 5400mm。
查詢市面已上市車(chē)輛，最終選取陜汽牌型號(hào)為 SX5166JSQGP4 的車(chē)作為此次設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。后續(xù)設(shè)計(jì)依托此型車(chē)輛相關(guān)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
陜汽 SX5166JSQGP4 車(chē)輛具體相關(guān)參數(shù)：
表 2.2 車(chē)輛具體參數(shù)
車(chē)頭高
3500mm
整車(chē)長(zhǎng)
8360mm
裝備車(chē)重
11100kg
貨箱尺寸
5600mm×2300mm×600mm
3.柴油錘設(shè)計(jì)
查閱資料后得知在實(shí)際樁工施工過(guò)程中在打樁前要做試樁實(shí)驗(yàn)，通過(guò)做樁基的靜
載荷試驗(yàn)來(lái)確定樁基的實(shí)際靜荷，這一過(guò)程至今仍然被公認(rèn)為比較靠譜的實(shí)驗(yàn)。在查閱相關(guān)資料后得，柴油錘的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
1）用前蘇聯(lián)格爾謝萬(wàn)諾夫的打樁公式來(lái)計(jì)算沉樁時(shí)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(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
n 為樁的材質(zhì)系數(shù) q 為樁的重量
預(yù)制樁為 25cm×25cm×300cm，預(yù)制樁重量計(jì)算，取預(yù)制混凝土樁密度為
2500kg/m3
預(yù)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(jì)算貫入度
在此求最終貫入度。查閱相關(guān)資料后沉樁過(guò)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(yù)制樁承載力，取 500KN
帶入數(shù)據(jù)得 e=0.64mm
沉樁阻力小于預(yù)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(shè)計(jì)
作業(yè)要求沉樁的預(yù)制樁規(guī)格為橫截面積 25cm×25cm 的方樁，則樁帽也應(yīng)該為方形
結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中樁帽內(nèi)徑比樁大 1cm 足夠，樁帽設(shè)計(jì)大過(guò)太多會(huì)導(dǎo)致樁帽和樁頭不在同一豎直位置，樁錘在自由下落后會(huì)導(dǎo)致下砸在樁帽的位置偏移，使得整個(gè)樁體下路位置偏移預(yù)計(jì)位置從而使得樁身整體傾斜。
樁帽內(nèi)部尺寸設(shè)計(jì)為 27cm×27cm，外部尺寸設(shè)計(jì)為 30cm×30cm。
5
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
3.3 柴油錘其他尺寸設(shè)計(jì)
導(dǎo)軌中心距取 30cm，落距取 160cm，導(dǎo)軌直徑取 50mm，打樁錘錘體總長(zhǎng)取 300cm,樁
帽外徑為 30×30cm。樁錘設(shè)計(jì)圖如下：
圖 3.1 打樁錘
4.導(dǎo)向架設(shè)計(jì)
根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)向架總長(zhǎng)為 6000mm，平時(shí)斜放在車(chē)輛平板上，與車(chē)身基座連接。導(dǎo)向架頂部通過(guò)焊接將滑輪組連接在導(dǎo)向架上。導(dǎo)向架為了使得油管長(zhǎng)度減少，液壓馬達(dá)安裝的位置較為靠近導(dǎo)向架尾部。
設(shè)計(jì)圖如下：
圖 4.1 導(dǎo)向架
4.1 導(dǎo)向架材料選取
由于導(dǎo)向架上面要焊接安裝滑輪的裝置，并且需要將液壓馬達(dá)，鋼絲繩滾筒安裝在導(dǎo)向架上，在平時(shí)工作時(shí)會(huì)受到較大的載荷。綜上情況確定材料需要較強(qiáng)的抗彎強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度。初步選定工字鋼與 H 型鋼做為導(dǎo)向架主體的備選材料。
圖 4.2 H 型鋼 圖 4.3 工字鋼
6
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
經(jīng)過(guò)對(duì)比，H 型鋼自身的翼緣比工字鋼來(lái)說(shuō)更寬而且自身翼緣內(nèi)部沒(méi)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(jié)構(gòu)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(yīng)力，保證導(dǎo)向架日常使用要求?？偨K，選取寬翼緣型 H 鋼，鋼材型號(hào)為 200×200×8×12，長(zhǎng)度為 5800mm，質(zhì)量總計(jì) 200kg。液壓馬達(dá)，鋼絲繩滾筒可以通過(guò)螺栓固定在導(dǎo)向架上。
4.2 其余部件設(shè)計(jì)
4.2.1 導(dǎo)桿
柴油錘通過(guò)鋼絲繩提升，柴油錘自身的上下移動(dòng)通過(guò)導(dǎo)向架上附有的導(dǎo)桿導(dǎo)引。
圖 4.4導(dǎo)向架
4.2.2 液壓馬達(dá)與油管布置與連接設(shè)計(jì)
圖 4.5 導(dǎo)向架
1 處液壓馬達(dá)放置在導(dǎo)向架背部與導(dǎo)向架以螺栓的形式連接在一起，2 處油管在導(dǎo)向架
背部，在導(dǎo)向架處的油管為硬管。
4.2.3 機(jī)錘擋銷(xiāo)
為了使柴油錘工作或運(yùn)輸時(shí)必須在導(dǎo)向架上設(shè)計(jì)機(jī)錘擋銷(xiāo)，防止在運(yùn)輸中樁錘滑落或工作時(shí)過(guò)高的升起。
如圖所示：
圖 4.6 機(jī)錘擋銷(xiāo)
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車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
5.液壓缸位置及行程設(shè)計(jì)
5.1 導(dǎo)向架支撐液壓缸設(shè)計(jì)
5.1.1 導(dǎo)向架支撐液壓缸位置確定
確定導(dǎo)向架運(yùn)輸時(shí)與工作時(shí)兩個(gè)極限位置如圖：
圖 5.1 極限位置圖
為了使得液壓缸伸出長(zhǎng)度較小，液壓載荷適中，所以液壓缸較為靠近車(chē)體尾部。圖中，C 點(diǎn)為車(chē)頂，O 為導(dǎo)向架與車(chē)身的鉸接處，CO 為導(dǎo)向架運(yùn)輸時(shí)的位置，C′ O
為導(dǎo)向架工作時(shí)的位置，CO 長(zhǎng)度為 6000mm。平板以上車(chē)高為 2000mm。
BA 與 BA′分別是導(dǎo)向架運(yùn)輸時(shí)的液壓缸長(zhǎng)度和工作時(shí)的長(zhǎng)度,A 為液壓缸在導(dǎo)向架
鉸接的位置，設(shè)計(jì) AO 長(zhǎng) 1500mm，設(shè)計(jì) BO 長(zhǎng)度為 4200mm。角 a 為 COB 之間的夾角，角
b 為角 a 的余角。
畫(huà)圖分析得角 a 為 14°，角 b 為 76°。
根據(jù)余弦定理確定出 AB 長(zhǎng)為 2768mm，A′B 長(zhǎng)為 4459mm。
一般液壓缸伸出長(zhǎng)度為收回長(zhǎng)度的 0.66 倍，A′B-AB=1691mm，而 AB 長(zhǎng)的 0.66 倍 1827mm 大于A′B 與 AB 之差，故導(dǎo)向架支撐液壓缸位置設(shè)計(jì)較為合理。
5.1.2 液壓缸最小推力計(jì)算圖 3 中以 O 點(diǎn)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(dǎo)向架質(zhì)心為 A 點(diǎn)，導(dǎo)向架重力為 G,力臂為 S。
8
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
導(dǎo)向架重力 G=G錘+G導(dǎo)向架，取導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)為 21162N。
?
為了確定液壓缸在此位置時(shí)候?yàn)樽钚⊥屏Γ?excel 進(jìn)行了機(jī)構(gòu) 20°~90°的液壓缸推力計(jì)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(zhǎng)，F(xiàn) 為液壓缸的推力
圖 5.3 液壓缸推力變化
9
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
最終設(shè)計(jì)結(jié)論為：
導(dǎo)向架支撐液壓缸收縮狀態(tài)取 2800mm，伸展長(zhǎng)度為 4460mm。液壓缸與導(dǎo)向架在車(chē)身鉸接位置為貨廂從車(chē)頭方向起始 1800mm 處，液壓缸與導(dǎo)向架鉸接位置為從導(dǎo)向架尾部起始 1500mm 處。液壓缸最小推力應(yīng)為 21163N。查液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)得取液壓缸行程
1700mm，因?yàn)橐簤焊滓瓿缮煺购褪栈貎蓚€(gè)動(dòng)作，所以缸體選用為差動(dòng)式雙作用液壓
缸。
5.2 車(chē)身支撐液壓缸，扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸與液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)
由于車(chē)身在從運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換至工作狀態(tài)中整個(gè)導(dǎo)向架活動(dòng)范圍一直在車(chē)身平板內(nèi)，導(dǎo)向架一直由車(chē)身提供支撐，未出現(xiàn)如隨車(chē)吊工作時(shí)那樣吊臂伸出車(chē)外的情況，所以車(chē)身支撐液壓缸不必考慮伸出長(zhǎng)度與缸體之間的跨距。隨車(chē)的四個(gè)車(chē)身支撐液壓
缸只需考慮最小工作載荷即可。1
車(chē)身總重估算：
G車(chē)=G整車(chē)裝備重 +G打樁錘+G導(dǎo)向架+G其余=111000N+4000N+2000N+5000N=122KN
單個(gè)液壓缸載荷為：F 單=
?車(chē)
=30.5KN
（5.3）
4
查液壓手冊(cè)取液壓缸行程為 630mm，液壓缸為差動(dòng)式雙作用液壓缸。
扶樁機(jī)構(gòu)需要的載荷一般比較小，這里取 2KN。查液壓手冊(cè)取液壓缸行程取
40mm，液壓缸為差動(dòng)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(dá)是提升樁錘的，所以 f=G 錘
=4000N,所以液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩為 400N? m
5.3 缸體材料選用及技術(shù)要求
液壓缸缸體的選擇 45 鋼，調(diào)質(zhì)到 240～285HBW?；钊牧线x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(jié)構(gòu)
導(dǎo)向架支撐液壓缸與車(chē)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(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
6.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)參數(shù)：錘重為 400kg，落距 1600mm，液壓馬達(dá)提升時(shí)間≤10s，導(dǎo)向架升起回
落≤ 30s。取液壓馬達(dá)提升時(shí)間為 5s，則液壓馬達(dá)為 0.32m/s，設(shè)卷筒半徑為 10cm 則
液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為 30r/min。取導(dǎo)向架 15s 從運(yùn)輸狀態(tài)豎立成工作狀態(tài)，則導(dǎo)向架支撐缸
運(yùn)動(dòng)速度為：v 導(dǎo)=115.7 = 0.11m/s。
液壓馬達(dá)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(jī)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(dǎo)向架支撐缸
21.1KN
23.5KN
車(chē)身支撐缸
30.5KN
34KN
扶樁機(jī)構(gòu)缸
2KN
2.2KN
液壓馬達(dá) T=??=
407 =428N? m（機(jī)械效率取 0.95）
（6.2）
𝜂
0.95
6.1 初選系統(tǒng)工作壓力
車(chē)載式柴油打樁機(jī)屬于小型工程機(jī)械，查表《液壓技術(shù)實(shí)用手冊(cè)》選取工作壓力
為 13MPa，即p1為 13MPa。
6.2 液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸
6.2.1 導(dǎo)向架支撐缸
確定導(dǎo)向架支撐缸活塞及其活塞桿直徑，導(dǎo)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(shí)缸的回流量極小，視背壓為零，按公式 D=√𝜋?4?
。
（6.3）
3
計(jì)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(chē)身支撐缸
計(jì)算四個(gè)車(chē)身支撐缸活塞與活塞桿直徑，車(chē)身被支起時(shí)車(chē)身支撐缸載荷達(dá)到最大
值 34KN,此時(shí)車(chē)身支撐缸活塞的移動(dòng)速度也近似為零，回油量極少，故背壓力可忽略不
11
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
4×34×103
計(jì)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(jī)構(gòu)液壓缸
當(dāng)扶正樁時(shí)液壓缸達(dá)到最大工作載荷，此時(shí)液壓缸活塞移動(dòng)速度也近似為零，回油
量極少，背壓力暫可不計(jì)。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(dá)
液壓馬達(dá)工作方式為單向旋轉(zhuǎn)，其回油方式是直接就回油箱，默認(rèn)其出口壓力
2𝜋?𝑊
2×3.14×428
3
為零，機(jī)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(shí)際工作壓力
工況
執(zhí)行元件
載荷
背壓力?2 /
工作壓力p/
計(jì)算公式
MPa
MPa
導(dǎo)向架架起降
導(dǎo)向架支撐液
23.5KN
0.3
12
?1
壓缸
=
𝐹 + ?2 𝐴2
車(chē)身支撐缸起
車(chē)身支撐液壓
34KN
0.3
12.2
𝐴1
降
缸
扶樁機(jī)機(jī)構(gòu)夾
扶樁機(jī)構(gòu)液壓
2.2KN
0.3
1.2
緊
缸
提樁錘
液壓馬達(dá)
428N*m
8.8
? = 2𝜋𝑇
1
?
式中：𝐴1=𝜋4 𝐷2無(wú)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(shí)際所需的流量:
工況
執(zhí)行元器件
運(yùn)動(dòng)速度
結(jié)構(gòu)參數(shù)
流量/
（L/s）
導(dǎo)向架起
導(dǎo)向架支撐缸
0.11m/s
𝐴1 = 0.00
0.33
3𝑚3
導(dǎo)向架落
𝐴2 = 0.00
0.11
1𝑚3
12
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
車(chē)身起
車(chē)身支撐缸
0.03m/s
𝐴1 = 0.00
0.09
3𝑚3
車(chē)身落
𝐴2 = 0.00
0.03
1𝑚3
扶樁機(jī)構(gòu)夾緊
扶樁機(jī)構(gòu)液壓
0.03m/s
𝐴1 = 0.00
0.09
q =Av
扶樁機(jī)構(gòu)放松
缸
3𝑚3
𝐴2 = 0.00
0.03
1𝑚3
提升樁錘
液壓馬達(dá)
30r/min
v=0.3L/r
0.15
q = vn
6.3 液壓缸動(dòng)作順序
表 6.4 液壓缸動(dòng)作順序
動(dòng)作部件名稱
動(dòng)作順序
導(dǎo)向架支撐缸
舉升—保壓—收回
車(chē)身支撐缸
舉升—保壓—收回
扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸
舉升—保壓—收回
液壓馬達(dá)
拉升—保壓—卸荷
6.4 液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)
圖 6.1 液壓系統(tǒng)回路圖
13
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
電磁鐵動(dòng)作表
表 6.5 電磁鐵動(dòng)作順序表
磁
鐵
1YA
2YA
3YA
4YA
5YA
6YA
7YA
8YA
9YA
10YA
11YA
12YA
13YA
動(dòng)作
導(dǎo)向
+
架升
導(dǎo)向
+
架降
車(chē)身
+
+
+
+
升
車(chē)身
+
+
+
+
降
扶樁
+
夾緊
扶樁
+
放松
提升
+
樁錘
制動(dòng)
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(duì)于本系統(tǒng)，分析得
最高壓力為車(chē)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(jiàn)從，從泵到車(chē)身支撐缸之間串接一個(gè)調(diào)速閥，一個(gè)單向閥和一個(gè)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(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
由工況圖看出，系統(tǒng)最大流量發(fā)生在導(dǎo)向架升起時(shí)，∑ ??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(chǔ)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(jī)功率的確定
確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率：
表 6.6 液壓泵的總效率
液壓泵類(lèi)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(dòng)機(jī)。
6.5.2 液壓馬達(dá)的選用
在 6.2 處已經(jīng)求得液壓馬達(dá)的排量 0.3L/r，正常工作時(shí)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(dá)，型號(hào)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(shí)主要依據(jù)的是閥的在工作時(shí)工作壓力和通過(guò)閥的實(shí)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(hào)
名稱
實(shí)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(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（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(jì)算
油管內(nèi)徑計(jì)算：d = √
4?𝑣
（6.8）
𝜋?
式中：??為通過(guò)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(shè)計(jì)
管路名稱
通過(guò)流量/(L/s）
允許流速/
管路內(nèi)徑/m
實(shí)際取值/m
（m3/s）
主要管路
0.09
3
0.006
0.01
液壓馬達(dá)
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(yàn)系數(shù)
系統(tǒng)類(lèi)型
行走機(jī)械
低壓系統(tǒng)
中壓系統(tǒng)
鍛壓系統(tǒng)
冶金機(jī)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(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
7.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
7.1 控制系統(tǒng)的選用
考慮到電氣控制可靠，費(fèi)用低，設(shè)計(jì)選用三菱FX2N 系列 PLC 進(jìn)行電氣系統(tǒng)控制.選
用FX2N ? 32MR ? 001 型，輸入點(diǎn)數(shù)為 16，輸出點(diǎn)數(shù)為 16。
設(shè)置 I/O 輸入輸出：
表 7.1 輸出位置
名稱
電磁閥
輸出點(diǎn)
1YA 3YA 5YA 7YA
Y001
Y003
Y005
Y007
車(chē)身支撐液壓缸
2YA 4YA 6YA 8YA
Y000
Y002
Y004
Y006
導(dǎo)向架支撐缸
9YA
Y009
10YA
Y010
扶樁機(jī)構(gòu)液壓缸
11YA
Y011
12YA
Y012
液壓馬達(dá)
13YA
Y013
表 7.2 開(kāi)關(guān)設(shè)置
名稱
輸入點(diǎn)
車(chē)身支撐液壓缸
S0
（車(chē)身升）S6（車(chē)身降）
導(dǎo)向架升降液壓缸
S1
（導(dǎo)向架升）S4(導(dǎo)向架降)
液壓馬達(dá)
S2
扶樁機(jī)構(gòu)
S3（扶樁機(jī)構(gòu)夾緊）S5（扶樁機(jī)構(gòu)松）
17
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
7.2 PLC 程序設(shè)計(jì)
工作時(shí)順序?yàn)椋很?chē)身支撐缸支撐起車(chē)身后，導(dǎo)向架升降液壓缸升起導(dǎo)向架，液壓馬達(dá)提升舉起液壓樁錘。設(shè)計(jì) PLC 梯形圖為：
18
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
圖 7.1 PLC 工作順序 1 梯形圖
工作完成后的液壓缸順序?yàn)?，?dǎo)向架液壓缸下降，扶樁機(jī)構(gòu)泄壓，車(chē)身支撐液壓缸收回。
設(shè)計(jì)的 PLC 梯形圖如下：
19
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
圖 7.2 PLC 工作順序 2 梯形圖
20
車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
8.導(dǎo)向架彎曲強(qiáng)度校核
圖 8 .1 導(dǎo)向架受力圖
受力分析：F1 為支撐桿對(duì)導(dǎo)向架的力，F(xiàn)2 為導(dǎo)向架支撐缸對(duì)導(dǎo)向架的力，F(xiàn)3 為基
座對(duì)導(dǎo)向架的力,F4 為導(dǎo)向架自身的重力。又因?yàn)橐簤焊着c導(dǎo)向架連接處為導(dǎo)向架的
1/4 處，導(dǎo)向架自身重力位于導(dǎo)向架自身 1/2 處。
畫(huà)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(shè)導(dǎo)向架長(zhǎng)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(dǎo)向架受力分析圖
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車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
剪力圖如下：
圖 8.3 導(dǎo)向架剪力圖
彎矩圖如下：
圖 8 .4 導(dǎo)向架彎矩圖由圖可得，最大彎矩在導(dǎo)向架中點(diǎn)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(dǎo)向架彎矩最大處受的最大應(yīng)力為2σ=123MPa。
因?yàn)閷?dǎo)向架結(jié)構(gòu)選用 Q235 鋼，鋼的許用應(yīng)力為 215MPa，最大彎矩處彎曲應(yīng)力小于材料
的許用應(yīng)力，所以導(dǎo)向架滿足強(qiáng)度條件。
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車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
結(jié)論
本次設(shè)計(jì)通過(guò)查閱相關(guān)資料后從影響打樁的種種因素分析了當(dāng)前各種打樁機(jī)的優(yōu)劣之處，主要了解了柴油打樁機(jī)的工作順序與特點(diǎn)。最終根據(jù)設(shè)計(jì)要求初步確定了此次設(shè)計(jì)的具體的車(chē)型選用，樁錘重量，導(dǎo)向架具體的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)運(yùn)輸和工作兩個(gè)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(jì)算。
導(dǎo)向架做為打樁機(jī)的主要部分，對(duì)其進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)，從材料的選用與自身結(jié)構(gòu)的布置，強(qiáng)度的校核，上下工作時(shí)限位的方式，油管的布置，液壓馬達(dá)與鋼絲繩滾
筒的連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并計(jì)算了導(dǎo)向架撐起液壓缸，車(chē)身支撐液壓缸，抱樁機(jī)構(gòu)液壓缸具體參數(shù)，并對(duì)其主要部件進(jìn)行了選用。對(duì)提樁的液壓馬達(dá)也進(jìn)行了選用。對(duì)液壓缸，液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)不同工作需求編寫(xiě)了電磁閥動(dòng)作順序表，并配合 PLC 編寫(xiě)了電氣控制梯形圖。
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車(chē)載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)（一）
參考文獻(xiàn)
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