車載式柴油打樁機(jī)設(shè)計(jì)【柴油錘】

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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 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 車體布局 . 3 2.3 車身貨箱長(zhǎng)度的確定以及車輛型號(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 附錄 1：外文翻譯 . 25 附錄 2：外文文獻(xiàn)原文 . 31 致謝 . 41 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 1 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?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) 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 2 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)?樁 自 身未 收到擊錘 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 周圍土壤 液化 ，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 :25cm25cm300cm ，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，依托一款陜汽汽車底盤 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。 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 3 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 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) 車身 支撐 缸將 車 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 車體布局 圖 2.1 車體布局示意圖 1 2 3 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 4 注： 1車身 貨箱， 2 車身 導(dǎo)向架， 3導(dǎo)向架 支撐液壓缸 2.3 車身 貨箱長(zhǎng)度的確定 以及 車輛 型號(hào) 的選用 車身 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，車身 貨箱 長(zhǎng)度略小于導(dǎo)向架長(zhǎng)度 從 而取 車身貨箱長(zhǎng)度為 5400mm。 查詢市面 已上市車輛，最終選取 陜 汽 牌型號(hào) 為 SX5166JSQGP4 的 車作為此次設(shè)計(jì) 基 礎(chǔ) 。 后續(xù) 設(shè)計(jì)依托此 型車輛相關(guān) 數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 陜汽 SX5166JSQGP4 車輛 具體相關(guān)參數(shù)： 表 2.2 車輛 具體參數(shù) 車頭 高 3500mm 整車長(zhǎng) 8360mm 裝備 車重 11100kg 貨箱 尺寸 5600mm2300mm600mm 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 +(2 )2 + + + +2+ （ 3.1） 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 為 樁頭墊層 系數(shù) 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 5 n為 樁的 材質(zhì) 系數(shù) q為 樁的重量 預(yù)制樁 為 25cm25cm300cm，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=v g=25000.250.253 10N = 4.68KN。 錘重量 Q取 400kg， e 取 0.2cm,樁橫截面積 F=2525cm2=625cm2,n 查表取 0.15， 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= (+)+2+ （ 3.2） 式 中 ： Q為 錘 重 H為 錘下落高度 F為 樁的 橫截面積 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 25cm25cm 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 27cm27cm，外 部 尺寸設(shè)計(jì)為 30cm30cm。 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 6 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 3030cm。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 放在車輛 平板上，與車身基座 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 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 7 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。 總終 ， 選取 寬翼緣型 H 鋼 ， 鋼材型號(hào) 為 200200812， 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 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， 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 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 8 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 靠近車體尾部 。 圖中 ， C點(diǎn)為 車頂 ， O 為 導(dǎo)向架與車身的鉸接處， 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， AB長(zhǎng) 為 4459mm。 一般 液壓缸伸出長(zhǎng)度為收回 長(zhǎng)度 的 0.66 倍 ， AB-AB=1691mm，而 AB 長(zhǎng)的 0.66 倍 1827mm 大于 AB 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。 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 9 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=sinbAO=sin14 1500=1410mm （ 5.1） 在 三角形 ABO 中 sin14 BOAO=ABh， 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) 2090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 為 液壓缸 的推力 圖 5.3 液壓缸 推力變化 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 10 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 身鉸接位置 為 貨廂 從車頭 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)?液壓缸要完成伸展和收回兩個(gè)動(dòng)作，所以缸體選用為 差動(dòng)式雙作用 液壓 缸 。 5.2 車身 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 車身平板 內(nèi) ，導(dǎo)向架一直由車身 提供 支撐，未出現(xiàn)如隨車吊 工作 時(shí)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(zhǎng)度與 缸體 之間的跨距。 隨車 的四個(gè)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(dǎo)向 架 +G其余 =111000N+4000N+2000N+5000N=122KN 單個(gè) 液壓缸載荷為： F 單 =車4 =30.5KN （ 5.3） 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?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=0.2m。 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) 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 11 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) =1.715 = 0.11m/s。 液壓馬達(dá) 轉(zhuǎn)矩 = 2 = 2 =40000.3220.5 = 407N m （ 6.1） 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 車身 支撐缸 30.5KN 34KN 扶樁 機(jī)構(gòu) 缸 2KN 2.2KN 液壓 馬達(dá) T= =4070.95=428N m（機(jī)械 效率 取 0.95） （ 6.2） 6.1 初 選系統(tǒng) 工作壓力 車載式柴油打樁機(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=4 。 （ 6.3） 計(jì)算活塞直 徑即 ： D1=411=423.510313103 =0.04m， 取 D1=0.05m。按 工作 壓力選取 d/D,查表得 d/D 為 0.7， 求得 d1=0.035m。 6.2.2 車身 支撐缸 計(jì)算 四個(gè)車身支撐缸活塞與活塞桿直徑，車身被 支起 時(shí)車身支撐缸載荷達(dá)到最大 值 34KN,此時(shí)車身 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 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 12 計(jì)這樣 D2=421 =43410313103 =0.057m， 取 D2為 0.06m。 按 工作壓力 選取 d/D=0.7， 求得 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=431,=423.510313103 =0.04m,取 D3 =0.05m。 按 工作 壓力 取 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 為零， 機(jī)械 效率 選取 為 0.95， 則 = 2 1 = 23.14428131060.95 = 0.00033 = 0.3L/r （ 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/ MPa 工作 壓力 p/ MPa 計(jì)算 公式 導(dǎo)向架架 起降 導(dǎo)向架支撐 液 壓缸 23.5KN 0.3 12 1 = + 22 1 車身 支撐缸起 降 車身 支撐液壓 缸 34KN 0.3 12.2 扶樁機(jī) 機(jī)構(gòu)夾 緊 扶樁 機(jī)構(gòu)液壓 缸 2.2KN 0.3 1.2 提 樁錘 液壓 馬達(dá) 428N*m 8.8 1 = 2 式 中 ： 1=4 2無(wú)桿 腔活塞 的 有效工作面積 ， 2=4(2 2） 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 落 導(dǎo)向架 支撐缸 0.11m/s 1 = 0.00 33 2 = 0.00 13 0.33 0.11 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 13 車身起 車身 落 車身 支撐缸 0.03m/s 1 = 0.00 33 2 = 0.00 13 0.09 0.03 q =Av 扶樁 機(jī)構(gòu)夾緊 扶樁 機(jī)構(gòu)放松 扶樁 機(jī)構(gòu)液壓 缸 0.03m/s 1 = 0.00 33 2 = 0.00 13 0.09 0.03 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 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 14 電磁鐵 動(dòng)作表 表 6.5 電磁鐵 動(dòng)作順序 表 磁 鐵 動(dòng)作 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 8YA 9YA 10YA 11YA 12YA 13YA 導(dǎo)向 架 升 + 導(dǎo)向 架 降 + 車身 升 + + + + 車身 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 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(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（ ） （ 6.6） 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 15 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)， =0.3L/s， 取 泄漏系數(shù) K 為 1.2， 求得液壓泵流量為 =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 10200mL/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= = 12.71060.361030.75 =6096W （ 6.7） 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 407Nm， 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 1510Nm。 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 / （ L/s） 選 用規(guī)格 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 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 16 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 （ 6.8） 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 / （ m3/s） 管路 內(nèi)徑 /m 實(shí)際 取值 /m 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 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 17 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) 車身 支撐液壓缸 1YA 3YA 5YA 7YA Y001 Y003 Y005 Y007 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 開關(guān) 設(shè)置 名稱 輸入點(diǎn) 車身 支撐液壓缸 S0 （車身 升 ） S6（車身 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 ） 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 18 7.2 PLC 程序 設(shè)計(jì) 工作時(shí) 順序?yàn)?： 車身支撐缸支撐起車身后，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： 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 19 圖 7.1 PLC 工作 順序 1 梯形圖 工作 完成后的液壓缸順序?yàn)椋?導(dǎo)向架液壓缸 下降，扶樁機(jī)構(gòu)泄壓，車 身 支撐液壓 缸收回 。 設(shè)計(jì) 的 PLC 梯形圖 如下 ： 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 20 圖 7.2 PLC 工作順序 2 梯形圖 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 21 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 ， F2 為 導(dǎo)向架支撐缸 對(duì)導(dǎo)向架 的 力 ， F3 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。 畫圖 得 F1 與 F1夾角 為 14， F4與 F4夾角 為 14,F2 與 F2的 夾角為 70， F3 與 F3的 夾角為 14。 設(shè) 導(dǎo)向架長(zhǎng)度為 L。 F1=F1COS14,F2=F2COS70,F3=F3COS14, F4=F4COS14 根據(jù) 力矩平衡 列 式 ： F1-F4 1/2L +F2 L/4=0 （ 8.1） -F4 L/4+F23/4L+F3 L=0 （ 8.2） 再 根據(jù) 受力 平衡得 ： F1+F2+F3=F4 求得 ： F1=3284N， F2=2388N， F3=2089N 可得 受力圖如下 ： 圖 8.2 導(dǎo)向架 受力 分析 圖 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 22 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 9852Nm 查表 得， = 160cm3=160106m3 再 由式： = = 9852160106 = 61.5MPa （ 8.3） 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 2=123MPa。 因?yàn)?導(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。 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 23 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) 不同工作需求編寫了電磁閥動(dòng)作順序表，并 配合 PLC 編寫了 電氣控 制梯形圖。 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 24 參考文獻(xiàn) 1史繼江 .公路護(hù)欄 樁液壓打樁機(jī)機(jī)電液一體化設(shè)計(jì) D.長(zhǎng)安大學(xué) ,2009. 2 劉 古珉 王 渝 胡 國(guó)慶 .樁工機(jī)械 M.北京 :機(jī)械工業(yè) 出版社 ,2001.4. 3羅漢導(dǎo) . 打入樁的沉降工藝及格爾謝萬(wàn)諾夫公式在打入樁中的應(yīng)用 J. 黎明職業(yè)大學(xué)學(xué) 報(bào) ,2004,(02):42-44. 4孟慶云 . 打樁動(dòng)力公式的探討 J. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)通訊 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15XuZhou,YuRongChen,ZhenWang.ContactbetweenPrefabricatedPileandPileClampingJawsun derPileDrivingJ.AppliedMechanicsandMaterials,2012,1468(101):. 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 25 附錄 1： 外文翻譯 精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)使用激光測(cè)距儀 黃湘琦， 竹崎篤 ， 橋本秀樹 ， 井井富郎 ， 博正， 池田正五， 池口松井 1東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所 2Shibaura 理工學(xué)院 3中央大學(xué) 4小林公司技術(shù)研究所 5國(guó) 家先進(jìn)工業(yè)科技研究所 摘要：對(duì)于現(xiàn)代施工基礎(chǔ)工作，實(shí)時(shí)定位樁是理想的，但由于測(cè)量?jī)x器手工用于 標(biāo)記樁位置，其精度在很大程度上取決于工人的經(jīng)驗(yàn)，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)不足。本文通 過(guò) 提出使用激光測(cè)距儀（ LRF）的高效定位系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，我們 的優(yōu)點(diǎn)是可以高精度地實(shí)時(shí)地自動(dòng)檢測(cè)樁或打樁機(jī)的位置。為此，我們首先開發(fā)基于 LRF 的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)掃描施工現(xiàn)場(chǎng)，并收集 2D 激光點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后，我們通過(guò)快速擬合 的圓形幾何模型來(lái)檢測(cè)目標(biāo)對(duì)象，如樁或打樁機(jī)，基于最大似然估計(jì)（ MLE）推理的數(shù) 據(jù)。算法的性能由合成數(shù)據(jù)集合和實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明 我們的方法在未 來(lái)施工領(lǐng)域的可行性。 1介紹 動(dòng)機(jī) 如今，各種打樁機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用。 堆是 一個(gè)最重要的部分之一，一旦在正 確的位置被驅(qū)入土壤時(shí)， 就為建筑物提供基礎(chǔ)支持。 因此，一種準(zhǔn)確有效的樁驅(qū)動(dòng)方 法 ，對(duì)于現(xiàn)代化的建筑場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，總是令人滿意的。 最常見的打樁方法是基于預(yù)先定位使用測(cè)量?jī)x器。然而，由于手動(dòng)程序，它是不 足的： 1）放置 使用測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)的樁位上的標(biāo)記， 2）用一個(gè)挖孔 在標(biāo)記位置具有一 定的半徑公差，以及 3）將樁驅(qū)動(dòng)到孔中。該 該程序的主要優(yōu)點(diǎn)是： i）至少需要 3 名 工作人員和 1名操作員 用于測(cè)量和調(diào)整樁位置 ; ii）他們被要求訓(xùn)練有素 合作提高工 作效率 ; iii）操作時(shí)間長(zhǎng) 這可能會(huì)降低工人的準(zhǔn)確性和安全性。 在本文中，我們提出了一種高效準(zhǔn)確的打樁機(jī)定位系 統(tǒng) TEM。 我們建議不要使用 傳統(tǒng)儀器來(lái)測(cè)量預(yù)設(shè)標(biāo)記 使用激光測(cè)距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定位系統(tǒng)利用高精度 激光測(cè)距儀（ LRF）掃描整個(gè)構(gòu)造場(chǎng) 同時(shí)從掃描范圍同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)的樁位置。 圖 1示出 了我們的系統(tǒng)，其中僅需要一個(gè)操作者來(lái)操作樁 駕駛員調(diào)整樁位置，由顯示動(dòng)畫樁的 顯示器導(dǎo)航施工現(xiàn)場(chǎng)地圖上的定位。 該系統(tǒng)提供了更方便的方式 幫助運(yùn)營(yíng)商全面評(píng)估 收縮圖上的錯(cuò)誤，無(wú)需任何幫助的額外工人。 因此，我們的系統(tǒng)大大提高了效率 打樁 精度。 1.2 相關(guān)工作 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 26 一方面，在施工現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)查技術(shù)及其工具，在很短的時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展。 具有先進(jìn) 的測(cè)量?jī)x器 包 括自動(dòng)化傳輸和全站儀采用光波距離法，測(cè)量時(shí)間顯著縮短，定位精度 以達(dá)到到毫米級(jí) 1。此外，在工作區(qū)非常的土木工程 全球有很少的建筑物，全球定位 系統(tǒng)（ GPS） 經(jīng)常被用于足夠的調(diào)查準(zhǔn)確性和有效的工作 2。然而 它們存在缺點(diǎn)： i） 這些儀器是昂貴的， ii） 由于環(huán)境條件，某些地方可能無(wú)法使用， iii）不能同時(shí)跟蹤 多 個(gè) 物體， vi）不可能跟蹤目標(biāo) 實(shí)時(shí)和 v）測(cè)量需要至少兩名工作人員。 另一方面，近來(lái)消費(fèi)級(jí)傳感器的發(fā)展已經(jīng)吸引增加對(duì)定位系統(tǒng)的適用性。使用分 布式設(shè)備的時(shí)間定位系統(tǒng)包括攝像機(jī) 3-5，超聲波 傳感器 6,7和激光 測(cè)距儀（ LRF） 8,9。 在這些當(dāng)中 測(cè)量設(shè)備， LRF 在諸如實(shí)時(shí)掃描，高精度， 大覆蓋區(qū)域，不良照明 的魯棒性，低噪聲到信號(hào)比例和簡(jiǎn)單安裝 10-12。例如， LRF 已經(jīng)被實(shí)時(shí)使用了 在大 型戶外區(qū)域進(jìn)行位置測(cè)量 13。 自 20世紀(jì) 90 年代中期以來(lái)，激光掃描儀已廣泛應(yīng)用于工程勘察， 如高層建筑的 地面測(cè)量 14。 最近在施工現(xiàn)場(chǎng)， 一些研究人員正在努力實(shí)時(shí)使用 LRF 來(lái)改善工作 安 全和效率。 15,16構(gòu)建基于激光掃描儀的繩索跟蹤系統(tǒng)， ELS。 這些系統(tǒng)在短距離 內(nèi)工作，并給予本地相對(duì)位置 機(jī)器和對(duì)象。 17使用 LRF 進(jìn)行測(cè)量任務(wù)。 1.3 概述和貢獻(xiàn) 我們的系統(tǒng)由三個(gè)主要過(guò)程組成： 1） LRF 的數(shù)據(jù)采集， 2）位置 估計(jì)過(guò)程和 3）結(jié) 果的可視化。 它首先從 a 收集 2D LRF 數(shù)據(jù) 施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí) ; 然后同時(shí)估計(jì)樁位置 最后 的建筑地圖可視化與設(shè)計(jì)的一起，協(xié)助工人決定樁作業(yè)。 數(shù)據(jù)采集后，我們的挑戰(zhàn)是實(shí)時(shí)位置估計(jì)的難度 從范圍掃描的移動(dòng)。 為了超越，定位過(guò)程包括兩個(gè)主要子步驟： 1）基于圓模型 聚類的目標(biāo)檢測(cè) ;2）使用最大似然估計(jì)（ MLE）的中心位置細(xì)化。 以傳統(tǒng)的定位方式，我們系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)是： 1）我們采用傳統(tǒng)工具提前進(jìn)行調(diào) 查 ，時(shí)間測(cè)量系 統(tǒng)采用高精度 LRF; 2）我們提出快速檢測(cè) 算法用于從距離數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和 準(zhǔn)確的樁定位 ; 3）我們的系統(tǒng) 同時(shí)跟蹤和導(dǎo)航打樁機(jī)提供了更高效，更安全，更便宜 和更簡(jiǎn)單的打樁任務(wù)的方式。 本文的組織結(jié)構(gòu)如下：第 2節(jié)介紹了系統(tǒng)配置 第 3節(jié)中位置估計(jì)的詳細(xì)算法。第 4 節(jié)顯示實(shí)驗(yàn) 結(jié)果在模擬和實(shí)際數(shù)據(jù)，其次是第 5 節(jié)的結(jié)論。 2 LRF 感應(yīng)系統(tǒng)的配置 我們首先使用 LRF 設(shè)計(jì)一種高精度定位樁的傳感系統(tǒng) 為此，我們?cè)谏疃确较蛏喜?用了高精度的 UMT-30LX LRF 18表 1）水平掃描施工場(chǎng)地的特定區(qū)域。不過(guò)我們 挑戰(zhàn) 在于，由于范圍掃描的稀疏 性，準(zhǔn)確性難以實(shí)現(xiàn)。 如 如圖 1 所示。 1（ c），原始掃描 線（從左到右以粗體顯示紅色箭頭） 太稀疏，只有一點(diǎn)可以在達(dá)到圓柱體時(shí)返回。這 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 27 種稀疏點(diǎn)云數(shù)據(jù)難以用于準(zhǔn)確的位置估計(jì)。使用激光測(cè)距儀的精確高效的樁驅(qū)動(dòng)器定 位系統(tǒng)。 為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們建議將 UMT-30LX LRF 安裝到一個(gè)平臺(tái)上 密集掃描 17。 如圖所示。如圖 1（ b）所示，我們將 LRF 安裝在 SPU-01 平底鍋上 單元 19，其可以 驅(qū) 動(dòng) LRF 以非常小的角度旋轉(zhuǎn)（例如， 0,015 度 這種情況） LRF 的后續(xù)掃描。因此 ， 可以 通過(guò)組合獲得密點(diǎn) 在單位盤的不同旋轉(zhuǎn)角度捕獲的 掃描。如圖所示。如圖 1（ c）所 示， 所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以被視為每個(gè) 0.015 度采樣，其中 與 0.25 中的原始掃描比密度 大大提高（最多 17 倍） 度。該系統(tǒng)工作在 2Hz 至 40Hz 之間的數(shù)據(jù)采集率。該 打樁機(jī) 的工作速度在 0-2103mm/s 之間。在最后階段的速度 的打樁程序，特別需要高定位精 度 0-50mm /秒。對(duì)于這種慢動(dòng)作，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集頻率滿足 對(duì)于打樁機(jī)輔助應(yīng)用的實(shí)時(shí) 要求。 3樁位檢測(cè) 鑒于上述傳感系統(tǒng)捕獲的密點(diǎn)數(shù)據(jù)，我們的下一個(gè)任務(wù)是如何精確有效地跟蹤樁 位置。 這種位置估計(jì)方法 包括兩個(gè)主要步驟： 1）樁位檢測(cè)， 2）中心細(xì) 化。前者 通過(guò) 投票算法快速和粗略地檢測(cè)范圍掃描中的圓形模型。該稍后通過(guò)使用 MLE 算法的細(xì)化 來(lái)準(zhǔn)確地估計(jì)圓心。我們 分別描述以下小節(jié)中的這兩個(gè)主要步驟。 3.1 樁檢測(cè) 由于樁總是垂直于地面并被水平的 LRF 掃描， 掃描平面的交點(diǎn)始終是一個(gè)圓。 我 們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)圓模型聚類 算法用于快速但粗略地檢測(cè)樁位置（參見算法 1）。 由于參考目 標(biāo)是樁，從 LRF 的角度來(lái)看， 樁是凸的，這意味著物體的中心不應(yīng)該被觀察的 。 3.2 精確位置估計(jì)精度 由于 Algorithm1 只提供樁邊界點(diǎn)的提案集，我們需要 根據(jù)這些建議準(zhǔn)確估算樁 位。 所以下一個(gè) 任務(wù)可以 被視為：給定邊界點(diǎn) A = x i， y i K 的建議 1 和一個(gè)圓 圈模（ x-a） 2 +（ y-b） 2 = r 2，我們?nèi)绾螠?zhǔn)確地估計(jì)參數(shù) a和 b。為此，一個(gè)常見但 有效的選擇是使用最大似然估計(jì)（ MLE）算法，估計(jì)可以最大化可能性的參數(shù) 每個(gè)提 案。 在我們的系統(tǒng)中，應(yīng)該估計(jì)的參數(shù)只有 a 和 b，因?yàn)榘霃?的參考目標(biāo)是提前給出 的。 然而，在這種情況下， MLE 變成了 非線性問(wèn)題。 為了解決這個(gè)非線性方程，我們 應(yīng)用了 Newton-Raphson 方法，因?yàn)樗绕渌麧u變方法具有更快的收斂性，如共軛梯度 或 Levenberg-Marquardt，如果其初始值接近 a和 b 的真值 17。 這里我們使用從 前 一個(gè)檢測(cè)到的中心位置 檢測(cè)結(jié)果作為 Newton-Raphson 方法的初始值。 車載 式 柴油 打樁機(jī)設(shè)計(jì)（ 一 ） 28 值得一提的是進(jìn)一步推進(jìn)兩個(gè)簡(jiǎn)單的前處理在我們的方法中： 1）假設(shè)背景場(chǎng)景是 靜態(tài)的，移動(dòng)的數(shù)據(jù)部分是 使用背景減法算法提取為前景對(duì)象，然后 2） 所有的前景數(shù) 據(jù)點(diǎn)都使用區(qū)域驗(yàn)證方法進(jìn)行聚類。 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證我們提出的圓檢測(cè)和擬合算法，我們首先用 sim 仿真實(shí)驗(yàn)。 在實(shí)際施工 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)之前，我們進(jìn)行一次 對(duì)室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/div>

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