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        履帶樁架整體穩(wěn)定性分析

        2012-10-08 05:23:04孫文姜超
        地質(zhì)裝備 2012年5期
        關鍵詞:步履支腿立柱

        孫文,姜超

        (方圓集團有限公司,山東 海陽265100)

        1 前言

        JZL系列電動履帶式樁架是樁工機械的重要組成部分,廣泛應用于城市建筑的各種樁基礎工程、鐵路交通基礎工程、深基坑支護工程和防洪工程中的防滲壩工程等各類民用與工業(yè)建筑施工中。樁架用來懸掛樁錘、吊樁就位、沉樁導向以及安裝各種成孔裝置,為成孔裝置導向。樁架按移動方式分為:履帶式、輪胎式、軌道式、步履式等。由于履帶式樁架集中了目前國內(nèi)外兩大類型樁架——自行式履帶樁架和步履式樁架的優(yōu)點:既具有履帶式樁架的機動能力與施工效率,又具備步履式樁架的安全穩(wěn)定性和低廉的價格特點。全電力驅(qū)動,大大降低了產(chǎn)品故障率,噪音低,利于環(huán)保。因此履帶式樁架使用方便、應用廣泛、發(fā)展較快。我國幅員遼闊,地質(zhì)復雜,加之新型基礎施工工法的增多,以及樁工機械單件小批量的特點,這就要求廠家能快速有效地開發(fā)出各種型號的樁工機械,以滿足用戶需求。實際施工中經(jīng)常有用戶對所需樁架加高立柱而其它參數(shù)不變。這時,我們在原有樁架的基礎上改造,需要計算校核其強度、剛度、穩(wěn)定性、起架穩(wěn)定性和起架能力。起架裝置是為樁架自身立架所用,由起架拉繩、起架拉桿、起架卷揚機等組成。當立柱加長后,為了保證其壓桿穩(wěn)定,一般應將斜撐上鉸點上移,即加長斜撐長度,但這樣就會加大立柱、斜撐和頂部滑輪組的反力矩,可能造成整機起架時穩(wěn)定性和起架卷揚系統(tǒng)起架能力的不足。因此,應重新校核此時起架的穩(wěn)定性和起架能力,以下以JZL120 A履帶、三點支撐式樁架為例,通過數(shù)學計算和Solidworks三維設計兩種方法分析其整體穩(wěn)定性,并進行對比。

        圖1 JZL樁架結(jié)構(gòu)圖

        2 計算方法求解中心位置

        首先,我們將樁架中所有零部件通過計算,將其重量、重心坐標輸入Excel表格,以回轉(zhuǎn)支承圓心正投到水平面為坐標原點;前后方向(司機室朝向立柱方向)為Y軸正方向;樁架左右方向定為X軸,以左為負,右為正;垂直方向定為Z軸,水平面以上為正(以下所有計算載荷表均與此同)。

        2.1 起架工況

        起架時前擺腿在最前位置,距回轉(zhuǎn)中心4.4m。由計算表格可得:

        穩(wěn)定力矩總和為:

        ∑M穩(wěn)=4081406 N·m

        傾翻力矩總和為:

        ∑M傾=3664064 N·m

        穩(wěn)定力矩超傾翻力矩為:

        (4081406-3664064)÷3664064×100%

        =11.4%>10%

        結(jié)論:起架安全。

        圖2 JZL 樁架起架圖

        表1 JZL120A起架穩(wěn)定性計算載荷表(水平0°)

        表2 JZL120A起架穩(wěn)定性計算載荷表(水平0°)(少2m節(jié),減3t配重)

        以上為配重估計值,如果起架不安全,則加大配重,也可以根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)反推配重重量。同理如果用戶需要的樁架立柱高度矮一節(jié)(2m),配重估計減少一塊2500kg,達不到穩(wěn)定性要求,可以重新快速計算配重重量。

        2.2 工作工況

        以最大拔樁力(800k N)狀態(tài)進行計算,以前擺腿為支點風從后向前吹,前擺腿到回轉(zhuǎn)支撐的距離3.5m,鉆桿中心到前擺腿的距離1.2m,輔助裝置總重5000kg,安全系數(shù)取1.2,則:

        穩(wěn)定力矩總和為:

        傾翻力矩總和為:

        ∑M傾=∑M拔+∑M風+∑M輔

        =(800000×1.2+252751.75+50000×7)×1.2

        圖3 JZL120樁架工作圖

        =1602330.9 N·m

        穩(wěn)定力矩-傾翻力矩>0

        結(jié)論:工作狀態(tài)安全。

        2.3 優(yōu)缺點

        從以上計算過程可以清楚地看到:只要重量、重心位置確定好后,各種工況、各個位置的平衡力矩,包括起架的卷揚機力,工作位置時的前傾3°、后傾5°等極限位置均可以輕而易舉計算出來;但是對于像底盤、平臺、立柱等復雜結(jié)構(gòu)件,卷揚機、電器等部件,履帶、液壓缸、電機等外購件,要計算出重心位置并非易事,重量的計算也需要費很大的時間和精力,一旦材料、工藝、結(jié)構(gòu),或立柱的長度等改進又要重新計算,不能做到快速、準確反應,不能及時滿足市場需求。

        表3 JZL120A工作載荷表

        3 利用Solidworks三維方法求解

        Solidworks是一款包括機械設計、工程分析等功能非常強大的三維軟件,以其優(yōu)異的性能、易用性和創(chuàng)新性,極大地提高了機械設計工程師的設計效率和質(zhì)量。

        我們用Solidworks可以快速地建模,方便修改。模型建好裝配在一起,通過工具欄里的質(zhì)量特性,可以準確知道樁架的重量、重心位置,根本不需要整體穩(wěn)定性計算,根據(jù)重心位置確定配重的精確重量。

        從圖4可以清楚看到:樁架在起架工況重心坐標超出前支腿位置,需要增加配重。從質(zhì)量特性中的重 心 坐 標:x= -7628.77,y=455.13,z=-70.62,前支腿位置:x=-6408,重心位置明顯超過前支腿,配重重量輕,需逐漸增加配重直至重心位置在前支腿與回轉(zhuǎn)支撐之間為止。

        圖4 Solidworks起架工況

        圖5 Solidworks工作工況

        4 誤差處理

        實際生產(chǎn)過程中,我們將JZL120樁架全部稱重,稱重總重量與Solidworks三維設計、Excel計算的重量誤差分別為6.1%和10.3%。這主要是由于金屬材料的板厚(或壁厚)誤差和焊縫重量沒有計算在內(nèi)造成,Solidworks沒有添加焊縫。彌補辦法應根據(jù) GB/T 709-2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》執(zhí)行。

        樁機上用的最多的鋼板為8~15mm,所以根據(jù)金屬材料入庫稱重和理論計算的誤差平均值按照4%計算;焊縫重量按照每月生產(chǎn)樁機臺數(shù)×每種樁機的重量=總重,再用每月焊絲用量÷總重=焊縫重量/噸產(chǎn)品,統(tǒng)計后得到焊縫重為鋼結(jié)構(gòu)總重量的約1~1.5%,按照1.5%計算。這樣Solidworks誤差應為6.1%-4%+1.5%=3.6%,計算方法誤差應為10.3%-4%+1.5%=7.8%。計算方法配重沒有修正,而Solidworks三維方法的配重可以修正至5%以內(nèi),每種工況可以快速、準確調(diào)整。

        表4 鋼板厚度允許偏差(B類)

        5 結(jié)論

        一旦Solidworks三維模型建立,起架工況、工作工況整機穩(wěn)定性一目了然。我們可以利用它進行重要部位、重要零件的受力分析,從而做到快速、準確、安全地設計,又可以大大節(jié)約成本。

        [1]張莉,陳建業(yè),張希恒,等.步履式樁架起架裝置分析計算[J].建筑機械化,2006(10).

        [2](美)DS Solidworks公司著.陳超祥,葉修梓,主編.Solidworks工程圖教程[M].北京:機械工業(yè)出版社.

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