張步恩 余俊鋒 彭 博

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450000）

在防洪搶險(xiǎn)過程中，運(yùn)用傳統(tǒng)的搶護(hù)方法，需要大量的木樁［1］，在公路建設(shè)工程中，兩邊護(hù)欄的建設(shè)與維護(hù)，同樣需要大量的鋼管樁等，由此可見，打樁是各種搶護(hù)方法中不可缺少的一道工序。目前設(shè)計(jì)的打樁機(jī)主要是用于樁基工程與橋梁工程，打樁機(jī)的激振力大，整機(jī)重量大，運(yùn)輸不方便，適用的場(chǎng)地受限制。國內(nèi)所用的便攜式打樁機(jī)主要有落錘式打樁機(jī)、機(jī)械式打樁機(jī)、氣動(dòng)式打樁機(jī)。落錘式打樁機(jī)主要用于一般土層、黏土或者礫石土層，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，沖擊力大，但是錘擊速度太慢，效率較低。機(jī)械式打樁機(jī)主要用于防汛抗洪搶險(xiǎn)等場(chǎng)合的打樁作業(yè)，使用方便，缺點(diǎn)是相對(duì)于液壓式打樁機(jī)沖擊能量小，打樁效率低。而氣動(dòng)式打樁機(jī)動(dòng)力裝置零件種類繁雜，維修成本高而且維修時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，能源效率隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降。國外所用的便攜式液壓打樁機(jī)較為先進(jìn)，該機(jī)具有功效高，噪音小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格相當(dāng)昂貴［2-3］。

1 落錘式打樁機(jī)

小型打樁機(jī)中常見的是落錘式打樁機(jī)。落錘式打樁機(jī)，一般采用柴油機(jī)提供動(dòng)力或者用電機(jī)帶動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)使樁錘運(yùn)動(dòng)，然后讓樁錘自由下落，憑借樁錘重量打擊木樁頂部使得樁進(jìn)入土中。這種方法一般適用于打擊木樁或者細(xì)長(zhǎng)的混凝土樁等。另外在一般土層、黏土或礫石土層均可采用。落錘式打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，沖擊力較大，并且還可以隨意調(diào)整落距，缺點(diǎn)是錘擊速度過慢，效率較低［4］。

2 機(jī)械式打樁機(jī)

機(jī)械式打樁機(jī)是由華北水利水電大學(xué)和三門峽水工機(jī)械廠根據(jù)水利工程的需要，聯(lián)合研發(fā)了DZF-120型便攜式防汛搶險(xiǎn)打樁機(jī)。該機(jī)主要是由主機(jī)和動(dòng)力裝置組成，并且兩者相互分離，通過借助傳動(dòng)軟軸來連接。其中主機(jī)主要是由激振器、振動(dòng)彈簧、機(jī)座、主副夾樁器與手扶架等組成。動(dòng)力裝置主要是由小型二沖程汽油、離心式蝶形離合器、減速器、油箱與機(jī)架等組成。動(dòng)力裝置是通過軟軸驅(qū)動(dòng)主機(jī)激振器主動(dòng)軸，然后使激振器主、從動(dòng)軸上對(duì)稱布置的4個(gè)偏心塊以相同角速度反向旋轉(zhuǎn)，使其離心力的水平分力大小相等，而方向相反，從而抵消剩下的垂直分力，使激振器做垂直上下的振動(dòng)［5］。激振器借助振動(dòng)彈簧的耦合作用，帶動(dòng)機(jī)座、夾樁器與樁體一起上下振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)打樁目的。該機(jī)主要用于防汛抗洪搶險(xiǎn)等場(chǎng)合的打樁作業(yè)，使用方便，缺點(diǎn)是相對(duì)于液壓式打樁機(jī)沖擊能量小，打樁效率低。

3 氣動(dòng)打樁機(jī)

目前，國內(nèi)使用較為先進(jìn)的便攜式打樁機(jī)由河北五星電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的WX-KY2012型氣動(dòng)打樁機(jī)。該氣動(dòng)打樁機(jī)主要是由機(jī)體與動(dòng)力裝置組合而成，其中機(jī)體是由三多個(gè)精密部件組成，附加把手和固樁卡盤等外用組合部件。動(dòng)力裝置選用配套設(shè)備，即國產(chǎn)氣壓泵和進(jìn)口雙螺桿空壓兩種，進(jìn)口的空壓機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是氣量較足、故障率較低、工作效率較高、運(yùn)行穩(wěn)定。設(shè)有通電啟動(dòng)裝置與快裝氣動(dòng)接頭，省工省時(shí)省人力，拆裝便捷，并可迅速開展防汛搶險(xiǎn)工作。其中高壓膠管在500m范圍內(nèi)可自由延伸，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離作業(yè)。自制移動(dòng)小車，配置了靜音膠輪，可以摞放堆置，輕松實(shí)現(xiàn)了搬倒移動(dòng)與立體化倉儲(chǔ)等功能?；钊娇諌簷C(jī)的分類與型號(hào)表示方法、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理的介紹如下：瑞安市艾特機(jī)電生產(chǎn)的靜音無油空壓機(jī)是微型往復(fù)式活塞式壓縮機(jī)的一種，活塞式空壓機(jī)的工作原理如下：當(dāng)活塞式空壓機(jī)的電機(jī)單軸驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)壓縮機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使帶有自潤(rùn)滑但是沒有添加潤(rùn)滑劑的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且使由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋與活塞頂面構(gòu)成的工作空間體積發(fā)生周期循環(huán)性的變化。當(dāng)活塞式空氣壓縮機(jī)的活塞從氣缸蓋處開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣壓縮機(jī)的氣缸內(nèi)工作空間體積變大，此時(shí)，氣體便會(huì)沿著進(jìn)氣管推動(dòng)進(jìn)氣閥運(yùn)動(dòng)，打開進(jìn)氣閥，從而進(jìn)入氣缸，直到工作空間體積達(dá)到最大時(shí)為止，此時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉［6-7］。當(dāng)活塞式壓縮機(jī)活塞第二次反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述工作過程便會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。即活塞式壓縮機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)了一周，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，氣缸內(nèi)則相應(yīng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣的一系列過程，即完成了一個(gè)工作循環(huán)。此外單軸雙缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)使壓縮機(jī)的氣體流量在轉(zhuǎn)速一定時(shí)是單缸的兩倍多，并且能很好地控制振動(dòng)噪音。

氣動(dòng)打樁機(jī)的優(yōu)點(diǎn)為：①進(jìn)排氣壓力的涵蓋范圍非常大，甚至能滿足4000PSIG（280kg/cm2G）以上的要求；②風(fēng)量的包涵范圍也是相當(dāng)大的，在大風(fēng)量場(chǎng)所的應(yīng)用上雖已逐漸退出市場(chǎng)，但是在小風(fēng)量的使用范圍仍具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。③在風(fēng)量小、壓力高的領(lǐng)域應(yīng)用，來回往復(fù)式的空氣壓縮機(jī)可以視空氣壓縮機(jī)為增壓機(jī)來運(yùn)用。④空氣壓縮機(jī)的氣密性相當(dāng)好，所以比較適用于壓縮除空氣和氮?dú)庖酝獾奶厥鈿怏w。⑤當(dāng)運(yùn)用高強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，低轉(zhuǎn)速，耐用，堅(jiān)固，持續(xù)使用時(shí)的故障率比較低。⑥如果設(shè)計(jì)每一段多缸式雙動(dòng)式的空氣壓縮機(jī)，能采用多階容積控制的形式，對(duì)于壓縮空氣消耗量極不穩(wěn)定的壓縮空氣系統(tǒng)可以使用0-50-100%的三階控制式或0-25-50-75-100%的五階控制，對(duì)節(jié)流控制的效益相當(dāng)顯著［8］。

氣動(dòng)打樁機(jī)的缺點(diǎn)為：①在壓力和風(fēng)量上和其他類型的空氣壓縮機(jī)有重合的適用范圍，若利用過高強(qiáng)度設(shè)計(jì)的往返式空氣壓縮機(jī)，則壓縮機(jī)單位風(fēng)量的造價(jià)特別高。②運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生不一定程度的振動(dòng)，在空氣壓縮機(jī)基座的設(shè)計(jì)上，除要思考?jí)嚎s機(jī)機(jī)座靜荷之外，還需要考慮機(jī)座動(dòng)荷重才可以避免不必要的危險(xiǎn)。③類似于引擎設(shè)計(jì)，空氣壓縮機(jī)零件種類繁雜，其中需要更換的消耗性零件的數(shù)量和項(xiàng)目相當(dāng)多，這就造成維修成本高且維修時(shí)間過長(zhǎng)，這也是往復(fù)式空壓機(jī)在應(yīng)用范圍逐漸淡出市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要因素。④往復(fù)式空氣壓縮機(jī)有吸入氣體和排出氣體的過程，所以，排氣是一個(gè)非連續(xù)性的動(dòng)作，因此可能會(huì)造成比較明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象。⑤閥片活塞環(huán)與密合墊等消耗性零件是否正常工作，會(huì)直接影響空氣壓縮機(jī)的效率，所以在缺乏其他檢測(cè)氣密性設(shè)備時(shí)，空氣壓縮機(jī)的效率會(huì)因?yàn)閮?nèi)部的空氣泄漏而逐漸降低。

該機(jī)以不斷壓縮空氣作為動(dòng)力源泉，采用快接頭與高壓氣管和小型動(dòng)力氣壓泵相連接，利用氣體壓縮膨脹的原理，使活塞沖擊樁錘，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力來沖擊木樁，從而達(dá)到木樁進(jìn)入土層的目的。該機(jī)優(yōu)點(diǎn)是氣密性較好，工作可靠，相對(duì)于機(jī)械式打樁機(jī)效率有所提高，缺點(diǎn)是動(dòng)力裝置零件種類繁雜，維修成本高而且維修時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，能源效率隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降。

4 國外液壓打樁機(jī)

國外便攜式打樁機(jī)的水平較為先進(jìn)，主要代表是以美國STANLEY公司研發(fā)的，并由河北五星電力設(shè)備有限公司在中國代銷的WX-QY2002-1【美國進(jìn)口型】便攜式液壓打樁機(jī)。WX-QY2002-1【美國進(jìn)口型】便攜式液壓打樁機(jī)操作簡(jiǎn)單（一人便能快速作業(yè)），攜帶方便，組裝迅速，適用性強(qiáng)，打樁作業(yè)效率較高等特點(diǎn)。主要適用在中等硬度的黏性土、沙壤土質(zhì)［9］。

WX-QY2002-1【美國進(jìn)口型】便攜式液壓打樁機(jī)的動(dòng)力源采用美國進(jìn)口型液壓動(dòng)力站，具備如下特點(diǎn):采用堅(jiān)固的可折疊不銹鋼鋼管框架結(jié)構(gòu)，WX-QY2002-1【美國進(jìn)口型】便攜式液壓打樁機(jī)的動(dòng)力站具備工作效率高、噪聲小、可靠性較高。并且采用美國B&S發(fā)動(dòng)機(jī)等成熟產(chǎn)品，可以連續(xù)穩(wěn)定工作。WX-QY2002-1【美國進(jìn)口型】便攜式液壓打樁機(jī)具備兩個(gè)導(dǎo)向手柄，一個(gè)吊耳和遠(yuǎn)程或整體式開關(guān)閥。安裝有快速接頭。該機(jī)動(dòng)力源采用美國進(jìn)口液壓動(dòng)力站，以液壓為動(dòng)力源，利用巨大的沖擊力來沖擊木樁上部，達(dá)到打樁目的，實(shí)現(xiàn)了打樁的機(jī)械化?？稍诓煌鳂I(yè)環(huán)境下植入鋼樁木樁。該機(jī)具有功效高、噪音小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴［10］。

5 山東黃河梁山機(jī)械廠的便攜式液壓打樁機(jī)

該便攜式液壓防汛打樁機(jī)主要由動(dòng)力裝置、液壓系統(tǒng)、主機(jī)錘體和機(jī)架部分組成，錘體重量42kg，整機(jī)可以萬向轉(zhuǎn)動(dòng)，行走方便，能適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)主要包括小型四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、液壓齒輪泵、換向閥、液壓油箱等部分，整個(gè)動(dòng)力裝置安裝在一個(gè)機(jī)架上，機(jī)架由角鋼、鋼管和鋼板材料焊接而成，機(jī)架下面安裝4個(gè)萬向輪。主機(jī)錘體由缸體、活塞、釬體、控制閥、托架等零部件組成，錘體是將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械沖擊能的打擊式液壓機(jī)械裝置，是打樁機(jī)的關(guān)鍵部分。錘體的工作原理：錘體將控制閥、執(zhí)行器等元件集于一身，控制閥與執(zhí)行器相互反饋控制，自動(dòng)完成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將液體、氣體壓力轉(zhuǎn)化為活塞的沖擊能打擊釬體，將能量傳遞給釬體，釬體再把能量傳遞給木樁達(dá)到木樁下沉的目的。

6 結(jié)語

為改變搶險(xiǎn)工程與公路建設(shè)工程中靠人工打樁這種勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低的落后局面，實(shí)現(xiàn)打樁過程機(jī)械化，研發(fā)一種新型式的便攜式液壓打樁機(jī)是非常有必要的，本文針對(duì)目前國內(nèi)外存在的便攜式打樁機(jī)，深入研究了各類打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，并總結(jié)了各類打樁機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，為研發(fā)更優(yōu)的便攜式液壓打樁機(jī)產(chǎn)品樣機(jī)奠定良好的理論基礎(chǔ)。

［1］劉興燕.便攜式液壓防汛打樁機(jī)研制試驗(yàn)研究［J］.科技視界，2014（28）：62-66.

［2］劉偉.液壓振動(dòng)沉樁機(jī)沉樁機(jī)理及其振幅和頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究［C］.湖南：中南大學(xué)，2004.

［3］王偉.振動(dòng)沉樁動(dòng)力學(xué)分析和試驗(yàn)研究［C］.河北：河北科技大學(xué)，2012.

［4］陳岱杰，陳龍珠，鄭建國.高頻振動(dòng)打樁機(jī)理的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2006（3）:45-48.

［5］韓林山，臧海燕，嚴(yán)大考.輕型液壓打樁機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水利電力機(jī)械，2005（2）：7-12.

［6］高山.國內(nèi)外樁工機(jī)械生產(chǎn)發(fā)展概況［J］.工程機(jī)械與維修，1997（4）：57-60.

［7］鄧明權(quán).振動(dòng)沉樁機(jī)簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)計(jì)算方法［J］.工程機(jī)械，1983（6）：52-56.

［8］鄒經(jīng)湘.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［9］賈武學(xué).振動(dòng)打樁機(jī)沉樁的理論計(jì)算［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，1999（S1）：88-91.

［10］周林森.沖擊式振動(dòng)錘沉樁的土力學(xué)特性研究［J］.試驗(yàn)與研究，1996（10）：122-125.