黃爽

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對液壓打樁機的需要也與日俱增。文章基于液壓打樁機的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，以液壓打樁機為研究對象，利用三維有限元軟件對其進行網(wǎng)格劃分和邊界約束，這樣有效了提高了有限元分析的精度。以有風和滿載的工況下，對其強度和穩(wěn)定性進行數(shù)值分析，得到了打樁機整機及重要的應(yīng)力和位移分布云圖，優(yōu)化打樁機在不同工況下各個構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，以此驗證打樁機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為液壓打樁機的改良提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：液壓打樁機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化分析；網(wǎng)格劃分

中圖分類號：TU67 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0086-02

Abstract： With the rapid development of economy in our country， the need for hydraulic pile driver is increasing day by day. Based on the structural design and analysis of the hydraulic pile driver， this paper takes the hydraulic pile driver as the research object， makes use of the three-dimensional finite element software to carry on the mesh division and the boundary restraint， thus effectively enhances the finite element analysis accuracy. The strength and stability of the pile driver are numerically analyzed under the conditions of wind and full load. The stress and displacement distribution cloud pictures of the whole pile driver are obtained， and the stress distribution of each component of the pile driver under different working conditions is optimized， in order to verify the structural design of the pile driver and provide a certain reference for the improvement of the hydraulic pile driver.

Keywords： hydraulic pile driver； structural design； optimization analysis； grid division

引言

隨著城市的高速發(fā)展，在軌道交通、高層建筑、高速路橋、鐵路建設(shè)等領(lǐng)域都增加了對樁工機械的需求，其中，液壓打樁機也不例外，打樁機的廣泛使用加快了我國的基礎(chǔ)建設(shè)[1-2]。液壓打樁機是以液壓錘為介質(zhì)進行打樁，而液壓錘主要是通過電機驅(qū)動的液壓泵為其提供動力，在轉(zhuǎn)換過程中，采用液壓油的方式來傳遞動力，使得樁錘進行打樁作業(yè)。

在樁工機械的發(fā)展和進步過程中，液壓打樁錘的種類和功能也不斷在增加，其類型有單作用式、雙作用式、靜壓式和振動式等液壓打樁錘，其主要根據(jù)不同的使用工況來選擇[3]。與此同時，也逐漸的取代了過去傳統(tǒng)的打樁形式，更好的滿足市場的需求。本文基于液壓打樁機的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合打樁機的發(fā)展歷史和對現(xiàn)階段國內(nèi)外對液壓打樁機的需求進行分析，對其工作時的狀態(tài)進行有限元分析，研究其穩(wěn)定性和可靠性。

1 液壓打樁機的有限元分析

在分析打樁機的結(jié)構(gòu)過程中，由于樁架在打樁作業(yè)時，承載著打樁設(shè)備和預(yù)制樁，以及導向、變幅的作用，因而本文主要以樁架為研究對象。打樁機的樁架結(jié)構(gòu)由板材的焊接、螺栓的相互連接等構(gòu)成，其樁架結(jié)構(gòu)也是打樁機的重要組成部分，起著該機械設(shè)備作業(yè)時的大部分負載。由于每一臺打樁機的成本比較昂貴，基本上都在幾十萬元以上，往往是由于機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、施工方操作沒按標準執(zhí)行，這些都會使得機械設(shè)備出現(xiàn)大小不一的故障，甚至發(fā)生重大安全事故和人身安全，因此，為了液壓打樁機的樁架具有較好的結(jié)構(gòu)和安全性能，需要對其結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

通過查閱相關(guān)文獻和資料，建立打樁機的三維模型，并將其模型導入到有限元軟件進行處理和分析，在對結(jié)構(gòu)進行有限元分析之前，需要對模型進行網(wǎng)格劃分，就需要對其進行簡單的預(yù)處理：第一，對于模型中的缺損、重疊和錯位的幾何面，需要忽略對這些邊線的劃分，并刪除重合的面、線以及線上所包含的多余的點；第二，對于模型中的細小結(jié)構(gòu)，需要合理的劃分，如果網(wǎng)格劃分過小，直接增加了計算機的計算量和時間，劃分出來的單元比較?。蝗绻麆澐诌^大，這無法體現(xiàn)出模型的細小結(jié)構(gòu)的特征。因此，在對計算結(jié)果影響不大的前提下，對這些幾何特征進行相應(yīng)的刪除處理是非常必要；第三，忽略相關(guān)的螺紋連接件，比如：螺釘、螺母等，簡化網(wǎng)格劃分的難度。

為了建立合理而正確的有限元模型，在進行網(wǎng)格劃分時，一般都要考慮如下幾點因素：第一，網(wǎng)格疏密程度。為了適應(yīng)結(jié)構(gòu)不同位置處應(yīng)力分布不同的特點，對于結(jié)構(gòu)的不同部位應(yīng)該采用大小不同的網(wǎng)格進行劃分。在應(yīng)力變化相對較大的部位需要劃分的更為密集，才能真實的反應(yīng)應(yīng)力的分布情況，在應(yīng)力變化比較小的區(qū)域，采用一般的單元進行劃分即可；第二，網(wǎng)格劃分的數(shù)量。在理想情況下，三維模型的網(wǎng)格數(shù)量越多，就能越反應(yīng)真實的受力狀態(tài)，這樣得到的計算結(jié)果會更加精準，但三維模型的網(wǎng)格數(shù)量的增多，會增加計算機的計算量，增加了其運算時間，因此，應(yīng)結(jié)合三維模型的實際情況和計算機的運算大小，選用適當?shù)木W(wǎng)格數(shù)量。第三，網(wǎng)格劃分單元的階次。網(wǎng)格單元可以分為線性、二次等形式，當然越是高階次的單元就能更加接近模型的實際受力狀態(tài)，但同樣也需要面臨計算機的運算，高階次的形式，其求解的時間也要增加很多，需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)選取不同的單元階次，以此反應(yīng)更為真實的實際情況。第四，網(wǎng)格的質(zhì)量。網(wǎng)格單元的質(zhì)量，在網(wǎng)格劃分中是比較重要的一環(huán)，其求解結(jié)果的準確性直接關(guān)系到有限元分析的精度，如果網(wǎng)格質(zhì)量太差，就會導致分析的結(jié)果與實際模型的受力狀態(tài)相差很遠，因此，選取合適的網(wǎng)格質(zhì)量進行分析。

對整個打樁機的重要構(gòu)建的網(wǎng)格劃分如下：第一部分，立柱單節(jié)總成。立柱由各個立柱單節(jié)依靠螺栓連接而成，并與回轉(zhuǎn)平臺、斜支撐等結(jié)構(gòu)相連。在進行網(wǎng)格劃分時，爬梯對分析的影響很小，在幾何處理過程中作刪除處理，不進行網(wǎng)格劃分。在立柱單節(jié)圓筒與法蘭連接處等地方，采用了一定數(shù)量的三角形單元進行過度。對于相同的單節(jié)立柱，進行單元的復(fù)制和鏡像等處理，節(jié)省網(wǎng)格劃分的時間。第二部分，回轉(zhuǎn)平臺總成?；剞D(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)主要由薄壁鋼材焊接而成，包括回轉(zhuǎn)前平臺、回轉(zhuǎn)后平臺、法蘭、回轉(zhuǎn)支承凸臺、斜支撐梁和回轉(zhuǎn)減速機架等部分?；剞D(zhuǎn)平臺在總體上是對稱結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格時先劃分對稱的一半，鏡像后得到整體模型，在前后回轉(zhuǎn)平臺法蘭連接處、法蘭本身結(jié)構(gòu)等位置采用了較少的三角形單元進行過度。其立柱和回轉(zhuǎn)平臺的網(wǎng)格模型如圖1所示。

經(jīng)過分析，打樁機經(jīng)過有限元模型可以得到，打樁機的網(wǎng)格劃分模型，在其過程也需要嚴格的保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，以此完成打樁機整機的網(wǎng)格劃分。

2 打樁機樁架有限元分析

在實際運行中，其打樁機的工況相對復(fù)雜，非常有必要對打樁機的整體結(jié)構(gòu)進行強度驗證分析。通過對打樁機的模擬施加載荷和對邊界條件進行約束，最后通過有限元分析，以此得到結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布，并對結(jié)果進行分析。

本文以有風荷和滿載的條件下分析其強度，如果滿足此工況條件，那必然也滿足其他的工況。用三維軟件模擬打樁機樁架在有風荷作用下進行打樁工作的狀態(tài)，以施加載荷和風速25m/s的條件進行模擬分析，并考慮模型的自重，得到打樁機的應(yīng)力和應(yīng)變云圖。

通過分析，其最大應(yīng)力和應(yīng)變都符合材料的屈服強度，液壓打樁架的應(yīng)力和應(yīng)變的最大值都處于該結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)力的范圍內(nèi)，可以判斷其結(jié)構(gòu)設(shè)計和所選材料符合液壓打樁機的性能要求，故，在有風和滿載的情況下，液壓打樁機的設(shè)計符合要求。

雖然應(yīng)力和應(yīng)變符合要求，依然可以對其進行簡單的優(yōu)化，提高其性能和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過對整機的結(jié)構(gòu)施加外界激勵頻率，以此分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性和安全性，盡早地察覺設(shè)計的缺陷，及時對缺陷進行修改，驗證設(shè)計的正確性，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和縮短研發(fā)周期。通過對整機的回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，對回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)自由狀態(tài)下的模態(tài)進行求解，計算得到的前四階的模態(tài)振型。

通過液壓打樁機的模態(tài)分析，分析得到實驗結(jié)果：回轉(zhuǎn)平臺前四階非剛體模態(tài)的固有頻率及相應(yīng)振型，應(yīng)用模態(tài)分析方法對回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)進行分析評價，具體原則如下：

（1）結(jié)構(gòu)的低階固有頻率值應(yīng)高于外界激勵頻率，包

括回轉(zhuǎn)支承齒輪嚙合頻率、路面激勵頻率以及其他動力產(chǎn)生的振動頻率等，以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。

（2）結(jié)構(gòu)振型應(yīng)盡量光滑，避免有突變。

（3）由于打樁機由各個部件組成，風振和重載對整機的作用會對各組成部分產(chǎn)生一定影響，需要考慮風振及樁錘工作時振動的影響，結(jié)構(gòu)的固有頻率應(yīng)高于風振頻率。

3 結(jié)束語

通過分析液壓打樁機的結(jié)構(gòu)分析，分析了傳統(tǒng)打樁機的不足和缺陷，不斷的優(yōu)化和發(fā)展，使得液壓打樁機更加具有穩(wěn)定性。本文利用有限元軟件對其整機進行有限元分析和模態(tài)分析，得到應(yīng)力分析云圖和應(yīng)變云圖以及模態(tài)結(jié)果，驗證該機型是否符合設(shè)計的要求，這樣有效的提高了打樁機的強度和穩(wěn)定性，為液壓打樁機的發(fā)展提供一定的參考文獻和數(shù)據(jù)。

參考文獻：

[1]朱恩澤，施光林.液壓打樁機國內(nèi)外發(fā)展綜述[J].流體傳動與控制，2016（06）：5-11.

[2]李利，劉瀟冬，施旭峰.雙排傾斜式自動打樁機的設(shè)計研究[J].機械設(shè)計與制造，2018（04）：140-142+146.

[3]陳忠孝，韓錦波，李雪艷，等.面向灌注樁施工的沖孔打樁機遠程控制及通信[J].西安工業(yè)大學學報，2017，37（02）：163-167.