一種液壓打樁錘樁套變徑裝置設(shè)計與分析

摘 要：針對日益廣泛應(yīng)用的液壓打樁錘大樁套內(nèi)徑變徑方式進行研究，通過提供一種新型可替換插入式裝置改變傳統(tǒng)焊接式變徑方式，降低對母材的破壞，提供施工現(xiàn)場作業(yè)效率；并利用Ansys軟件進行兩種危險工種應(yīng)力及應(yīng)變分析，以改進設(shè)計。

關(guān)鍵詞：液壓打樁錘；樁套；有限元分析；變徑裝置

1 概況

液壓打樁錘是海洋工程如海洋石油工程導(dǎo)管架樁基作業(yè)、海洋風(fēng)電工程樁基安裝、跨海大橋樁基作業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的關(guān)鍵設(shè)備，它通過大能量傳遞把鋼樁打入海底預(yù)定深度，從而實現(xiàn)海上結(jié)構(gòu)物的固定。打樁錘樁套則是讓液壓打樁錘放置于鋼樁上的重要組成部件。尤其是當前海洋石油工程及風(fēng)電市場的蓬勃發(fā)展，海上鋼樁直徑越來越大，對樁套來說規(guī)格也逐漸變大同時由于其結(jié)構(gòu)及材質(zhì)特殊，價格也往往不菲。

當前，液壓打樁錘的用戶購置時只按照可能需求的最大樁徑隨打樁錘購置一個樁套，而當需要作業(yè)于較小直徑鋼樁時，通常做法是在原樁套內(nèi)部焊接若干條狀筋板實現(xiàn)內(nèi)徑變化。

這種方法缺點明顯，一是耗時耗材，每次焊接需大量優(yōu)質(zhì)鋼材板和焊材，且這些鋼材不能再重復(fù)利用；二是長期往復(fù)焊接對原樁套母材造成不可修復(fù)性破壞，三是對焊接工藝要求高，打樁錘作業(yè)的一個關(guān)鍵點在于樁錘砧鐵、樁套和鋼樁的中心在一條直線上，而逐條焊接筋板的變徑工藝就顯然不可避免的造成變徑的樁徑存在較大圓周度誤差，則在長時間打樁作業(yè)時存在筋板變形風(fēng)險，容易對打樁設(shè)備造成破壞。

文章在于介紹一種新的液壓打樁錘樁套內(nèi)徑變徑裝置，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點，并進行危險工況有限元分析。

圖1 液壓打樁錘

2 設(shè)計方案及簡圖

該裝置，即可替換變徑套芯的設(shè)計原理如圖2所示，它通過高強螺栓緊固件與打樁錘樁套進行固定連接；樁套芯為管狀結(jié)構(gòu)，樁套芯的一端安裝有導(dǎo)向環(huán)。

其工作原理為打樁錘體通過連接法蘭7將砧鐵1和錘套2連接為一體，而砧鐵1放在錘體和錘套2中間處于自由狀態(tài)；樁套芯3為管狀結(jié)構(gòu)，樁套芯3的一端安裝有導(dǎo)向環(huán)9，樁套芯3通過緊固件和錘套2進行固定連接，使打樁錘可以順利安放在鋼樁5上，并實現(xiàn)和砧鐵1的面接觸。

新型變徑樁套芯可以根據(jù)常用變徑尺寸系列化，實現(xiàn)了業(yè)現(xiàn)場安全快速拆換；且可以實現(xiàn)重復(fù)作業(yè)使用，節(jié)省了大量的鋼材、資金和工程成本；同時，可使變徑圓周度可控，降低了作業(yè)風(fēng)險；并實現(xiàn)了對原樁套母材最大保護，提高了現(xiàn)場作業(yè)效率。

1、砧鐵，2、錘套，3、樁套芯，4、螺栓，5、鋼樁，6、底座，

7、連接法蘭，8、導(dǎo)向套筒，9、導(dǎo)向環(huán)

圖2 可替換變徑套芯原理圖

3 有限元分析

根據(jù)液壓打樁錘的工作流程，對帶有該裝置的樁套下放過程中受力的兩種危險工況分別分析，結(jié)果如下：

3.1下放過程中斜筋板最先接觸樁壁（工況一）

圖3 應(yīng)力云圖（工況一） 圖4位移云圖（工況一）

3.2下放過程中排水孔處最先接觸樁壁（工況二）

圖5應(yīng)力云圖（工況二） 圖6位移云圖（工況二）

綜上兩種工況初步的分析結(jié)果，當材料選用Q345D時，最大局部應(yīng)力均要求不超過0.8*345=276MPa，因此目前結(jié)構(gòu)形式是滿足強度要求的。通過有限元分析結(jié)果的位移云圖可見，兩種工況下在錘套下放過程中最大累積變形量均出現(xiàn)在錘套底部未接觸樁壁的一側(cè)，最大值處于1.4-3cm之間。

4 結(jié)束語

（1）雖然最大局部應(yīng)力268MPa不超標，但裕量較小，建議在排水孔周圍處增加一圈補強板則可更有效減小局部應(yīng)力，達到優(yōu)化目的。

（2）最大形變位置主要是由于這一側(cè)的錘套并未有來自于底部樁的支撐，基本處于一個懸空狀態(tài)，因此變形量相對較大，但變形量相對整體錘套結(jié)構(gòu)尺寸而言較為微小，因此并不影響正常使用。

（3）根據(jù)設(shè)計結(jié)果，為某1200KJ液壓打樁錘設(shè)計制造一套108-96\"變徑套芯，在海上作業(yè)期間更換時間僅用了4小時，大大提高了作業(yè)效率，連續(xù)完成5萬錘打樁作業(yè)，未發(fā)生破壞性變形，使用效果良好。