YZY400静力压桩机设计开发-大身结构有限元应力、强度分析

1 绪论1.1液压静力压桩机的发展概况纵观液压静力压桩机的发展过程，大致可将其分为两个阶段：第一阶段，从20世纪70年代后期到90年代中期，国内先后研制了几种压桩机，并逐步形成系列产品进入市场。

其中具有代表性的两个系列产品是武汉市建筑工程机械厂生产的YZY系列液压静力压桩机和利用中南大学(原中南工业大学)智能机械研究所的专利技术生产的ZYJ系列液压静力压桩机。

在这个阶段主要解决了这种桩机的设计理论基础、动力配置和系统设计问题，满足了静压桩的基本功能。

但就整体来说，其主要特征是桩机压桩力不大，实际使用的最大压桩力不足4000kN，绝大部分的压桩力为1 600~2400kN；功能单一，主要应用于施工现场预制的截面尺寸为(300 mm X 300 mm)~(400mm X 400mm)的钢筋混凝土方桩(实心件)的正常中位压桩，单桩设计承载力标准值在1400kN以下。

而预应力管桩和高强度预应力管桩主要是通过锤击设备如柴油锤等进行打入施工。

进入20世纪90年代中期以后，液压静力压桩机进入第二发展阶段。

由于1994年底在珠海利用液压静力压桩机将直径500 mm的预应力管桩压入强风化岩获得成功，实现了静压桩施工技术的历史性突破，从此拓宽了静压桩的应用范围，也使预应力管桩在城市和居民住宅区内的应用找到了一条新路子。

一方面，实现了静压桩的单桩承载力向大吨位方向的快速发展，与此同时，市场对大吨位桩机的需求不断增大，而且要求越来越强烈；另一方面，由于施工范围的不断扩大，对桩机功能的要求也日益增多，出现了工程施工中许多必须解决的实际问题。

这个阶段的桩机品种显著增加，系列化不断完善，生产厂家也急剧增多，至今在全国约有30个制造厂。

其中湖南山河智能机械股份有限公司的生产能力最大，2003年共生产125台，占全国年总产量的30%~40%。

目前的生产能力达到每月15台，年生产能力在180台左右，已形成压桩力为800~10000kN的完整的产品系列，生产的最大吨位机型为ZYJl000。

1.2液压静力压桩机的发展趋势随着静压桩施工技术的发展以及人们环保意识的进一步加强，液压静力压桩机的应用将获得更广泛的推广。

同时，液压静力压桩机技术及产品将由粗放型向功能精细化、操作智能化方向发展。

其发展趋势可归纳如下：1.进一步多功能化，产品适应能力进一步加强。

在较厚硬隔层地质条件下施工时，设计并配置专用的螺旋钻，提高压桩机的穿透能力和对地质的适应能力；对大吨位桩机开发相应的夯实装置，实现以静压替代强夯压桩管径可从目前的最大600mm增大到800mm以上。

2.智能化操作与施工的压桩机开发。

开发机身液压自动调平系统，压桩过程计算机自动记录及承载力在线测试，夹持力自动均衡控制，实现产品的智能化操作。

3.异型桩夹持装置的刀发。

特别是与钢板桩、工字钢桩、锥形桩等相适应的夹桩机构的开发。

4.压桩力大、质量轻机型产品的开发。

特别是对于钢板桩连续墙施工产品的开发将是今后静力压桩机发月的新领域。

5.适应于北方寒冷地区气温低、冻土层较厚的桩机产品的开发。

6.产品向高档次、高可靠性方向发展。

1.3静压桩机概述随着液压技术的发展，我国在20世纪70年代开始研制生产静压桩机。

采用静压桩机将桩逐段压入土层中具有如下明显的优点。

1.在施工中无振动、无噪声、无污染，在城市居住密集区施工有明显的优越性o2.油于桩是通过静力压入土层，桩没有受到锤击桩时所引起的拉伸应力波的冲击，因此桩内的钢筋配置和混凝土的强度均可比柴油锤锤击桩要小，这样可节约桩的工程成本。

经统计，与打击桩相比，静压桩可节约钢材47％，水泥12％。

3.采用柴油锤打桩，桩周边土壤有一定程度的“液化”，因此，桩要经过一段时间“休息”后，才具有真实的承载力，静压桩在施工中不会对桩周边土壤产生较大的干扰，所压入桩的最终压力基本上体现了桩的实际承载力，因此施工完成后．根据压人过程的压力曲线可迅速计算出桩的实际承载力。

4.基本上无断桩。

5.可以直接用静压校机对桩进行静载试验。

虽然静压桩有上述优点，但由于静压桩机要配有较多的配重，整个机器的拼装、运输及工作效率仍然比打击桩低，所以目前仍不如柴油锤打击桩与钻孔桩普及。

但随着城市的发展，对噪声及泥浆污染进行越来越严格的限制，静压桩机必将越来越受到市场的重视。

1.4 YZY系列静压桩机的构造与工作原理YZY400型静压桩机的构造:它由支腿平台结构、行走机构、压桩架、配重、起重机、操作室等部分组成。

1．支腿平台结构该部分内底盘、支腿、顶升液压缸和配重梁组成。

底盘的作用是支承导向压桩架、夹持机构、液压系统装置和起重机，底盘里面安装了液压油箱和操作室，组成了压桩机的液压电控系统。

配重梁上安置了配重块，支腿由球铰装配在底盘上。

支腿前部安装的顶升液压缸与长船行走机构铰接。

球铰的球头与短船行走及回转机构相联。

整个桩机通过平台结构连成一体，直接承受压桩时的反力。

底盘上的支腿在拖运时可以并拢在乎台边，工作时打开并通过连杆与平台形成稳定的支撑结构。

2．长船行走机构为长船行走机构，它内船体，行走台车与顶升液压缸等组成。

液压缸活塞杆球头与船体相联接。

缸体通过销铰与行走台车相联，行走台车与底盘支腿上的顶升液压缸铰接。

工作时，顶升液压缸顶升使长船落地，短船离地，接着长船液压缸伸缩推动行走台车，使桩机沿着长船轨道前后移动。

顶升液压缸回程使长船离地，短船落地。

短船液压缸动作时，长船船体悬挂在桩机上移动，重复上述动作，桩机即可纵向行走。

3. 短船行走机构与回转机构它由船体、行走梁、回转梁、挂轮机构、行走轮、横船液压缸、回转轴和滑块组成。

回转梁两端与底盘结构铰接，中间由回转轴与行走梁相联。

行走梁上装有行走轮，正好落在船体的轨道上，用焊接在船体上的挂轮机构1挂在行走梁上，使整个船体组成—体。

液压缸的一端与船体铰接．另一端与行走梁铰接。

工作时，顶升液压缸动作，使长船落地，短船离地．然后短船液压缸工作使船体沿行走梁前后移动。

顶升液压缸回程，长船离地，短船落地，短船液压缸伸缩使桩机通过回转梁与行走梁推动行走轮在船体的轨道上左右移动。

上述动作反复交替进行，实现桩机的横向行走。

桩机的回转动作是：长船接触地面，短船离地、两个短船液压缸各伸长1/2行程，然后短船接触地面，长船离地，此时让两个短船液压缸一个伸出—个收缩，于是桩机通过回转轴使回转梁上的滑块在行走梁上作回转滑动。

油缸行程走满，桩机可转动15度左右，随后顶升液压缸让长船落地，短船离地，两个短船液压缸又恢复到1/2行程处，并将行走梁恢复到回转梁平行位置。

重复上述动作，可使整机回转到任意角度。

4．夹持机构与导向压桩架该部分由夹持器横梁、夹持液压缸、导向压桩架和压桩液压缸组成。

夹持液压缸装在夹持横粱里面，压桩液压缸与导向压桩架相联。

压桩时先将桩吊入夹持器横梁内，夹持液压缸通过夹板将桩夹紧。

然后压桩液压缸作伸缩运动，使夹持机构在导向架内上下运动，将桩压人土中。

压桩液压缸行程满后松开夹持液压缸，返回后继续上述程序。

1.5大身结构总述大身是整台液压静力压桩机的重要组成部分，一方面它承受着整个压桩机除行走（或支撑）部分的全部重量，并使桩机的起重机、压桩结构能够协调的工作。

另外，它连接了桩机上部结构与下部结构，使本来不能移动的上部结构能够通过下部结构行走、移位。

因此，大身结构设计将直接影响整个桩机的操作性能、工作性能。

1.6大身结构的设计原则(1)满足刚度、强度、稳定性要求众所周知，大身是整台桩机重要组成部分，桩机的上部结构包括驾驶室、立柱、起重机、配重等都作用在大身上。

而且，这些重量巨大，因为压桩机的自重决定了最大的压桩能力。

所以在大身结构设计时一定要考虑其强度。

另外，如果大身结构刚度不够，在打桩时大身就会产生较大的变形。

这必然会影响打桩的精度，如使桩机无法对准桩位或者使桩在压入时造成倾斜而造成作业无效。

(2) 大身结构与相关的部件在尺寸上的协调与大身相连的结构有立柱、大船（横向）、小船（纵向）及驾驶室、支腿、支柱和油箱、泵、电机构件。

大身的结构设计一定要使这些部件能合理布置。

(3) 方便操作大家知道,整台液压静力压桩机的有效部件都是布置在大身上的。

在大身结构设计时一定要考虑各部件操作时连续性与合理性。

因此，在结构设计时要考虑桩机操作性能。

(4) 方便维修（可维修行）在设计时要考虑万一所设计的部件出现故障或者相关部件出现故障后可维修性。

如果所设计的结构不具有可维修性，而因结构的一点小故障而葬送整个结构，这样的结构设计也是不合理的。

(5) 经济性现在是市场经济时代，效益是生存之本。

怎样获取高的效益，当然是在满足要求的情况下获得最简单的结构设计，获取最大的经济效益。

１.7 本毕业设计（论文）的主要工作（1）了解分析全液压静力压桩机的结构与原理；（2）运用CAD画出全液压静力压桩机大身结构主要零部件的图纸；（3）根据大身的结构特点，应用大型有限元分析软件ANSYS，建立大身结构有限元分析模型，求解它在工作状态下的应力情况以进行必要的强度分析；（4）如果分析所得最大应力超过了材料的许用应力，则对设计方案提出改进意见。

2 有限元理论概述有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法,是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具,最初这种方法被用来研究复杂的飞机结构中的应力．它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术；后来由于这一方法的灵活、快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法．目前，它在许多学科领域和实际工程问题中都得到广泛的应用，因此，在工科院校和工业界受到普遍的重视。

在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的，但是由于其几何形状、材料特性和外部荷载的不规则性，求得解析解却是很困难的。

因此，寻求近似解法就成了必由之路．经过多年的探索，近似算法有许多种，但常用的数值分析方法就是差分法和有限元法。

差分法计算模型可给出其基本方程的逐点近似值(差分网格上的点)。

但对于不规则的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难于应用了。

有限元法把求解区域看作由许多小的在节点处互相连接的子域(单元)所构成，其模型给出基本方程的分片(子域)近似解。

由于单元(子域)可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件．再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其已成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。

在实际研究中我们常常把复杂系统分解成性态容易了解的单个元件或“单元”，研究其性态，再将这些元件重建原来的系统以得到整体性态。

这是工程技术人员和科学家经常采用的分析问题的方法。

有限元的基本思想，可以从两个不同的角度去理解，但其实质却是一样的。