0概述

 

　　在防洪抢险过程中，传统的捆抛柳石枕、桩柴护岸、柳石楼厢等抢险技术作为应急抢护发挥着巨大作用，在这些抢护方法中，需大量的木桩（铁桩）固定柳枕和厢埽，可见打桩是各种抢护方法中所不可缺少的一道工序。由于防汛抢险环境、地质情况各不相同，木桩的用途也不一样，决定了木桩的直径和打入深度，影响着打桩的难度及劳动强度。长期以来，打桩方式以油锤、手硪人工打桩为主，劳动强度大，工作效率低。目前国内外设计制造的打桩机主要用于建筑桩基工程和桥梁工程，由于桩基工程用桩大多为一二十米长的钢板桩、钢管桩、钢筋混凝土桩，所以打桩机的激振力吨位大至数十吨，小至数吨，且设备整机重量大、价格昂贵、运输不方便，使用受场地限制。防汛抢险除堵口用长木桩和钢管桩外，一般用中小木桩，要求打桩机轻巧、便携，机动性好，操作简单。显然，大型的打桩机不适用于抢险打桩作业的要求。现有的其他一些防汛用内燃机式打桩机和车载打桩机也存在机动性差、操作不便、安全性、稳定性差等缺点，不能满足防汛抢险打桩作业的要求。

 

　　为改变抢险靠人工打桩这种劳动强度大、生产效率低的落后局面，实现在抗洪抢险过程中机械化打桩作业，我们自2011年8月至2013年7月研究开发了一种体积小，重量轻，操作方便，机动强、安全可靠的便携式打桩机，该项目于2013年8月通过山东省科技厅组织的产品鉴定，专家一致认为该设备适用于各种均质土壤，能满足江河湖堤较大范围的防汛打桩需要，主要应用于堵截堤岸溃口、防浪护堤、抢高堤顶、抢护堤岸崩塌、加固堤岸等防汛打桩作业。设备轻巧灵活、携带方便、机动性强、冲击能量大、工效高、噪声低、操作简单，应用后显著降低防汛打桩作业劳动强度，其综合性能指标达到国内同类产品的领先水平。

 

　　1结构组成

 

　　该便携式液压防汛打桩机主要由动力装置、液压系统、主机锤体和机架部分组成，锤体重量42Kg，整机可以万向转动，行走方便，能适应复杂的作业环境，其外形结构如图1所示：

 

　　动力装置的结构主要包括小型四冲程汽油发动机、联轴器、液压齿轮泵、换向阀、液压油箱等部分，整个动力装置安装在一个机架上，机架由角钢、钢管和钢板材料焊接而成，机架下面安装四个万向轮，整机移动灵活方便，整机外形尺寸850mm×550mm×910mm。

 

　　主机锤体由缸体、活塞、钎体、控制阀、托架等零部件组成，锤体是将液压能转换成机械冲击能的打击式液压机械装置，是打桩机的关键部分。

 

　　2技术参数及关键设计计算

 

　　2.1（木桩）所需冲击能量的计算

 

　　防汛木桩作为黄河埽工物料之一，有长桩与短桩之分。长度在3m以上的为长桩，3m以下的为短桩或橛，短桩一般用柳木，但受力较大的以用榆木为佳，长桩以杨木、榆木、松木为好，若料源缺乏，也可用其他木材如椿木、枣木、槐木等代替。

 

　　从防汛抢险实践作业中总结，使用最多最普遍的木桩直径为80mm～150mm、长度为1.5m～2.0m，沉桩深度为1.0m～1.5m。传统的夯打木桩工具有油锤和铁硪，铁硪分手硪和云硪两种。手硪为铸铁圆柱体，重40kg左右，周围有8根立柱，用16根小横木沿铁柱周围嵌入，叫硪爪，将立柱与横木用麻绳缠牢，再用1.5m的猪尾形麻辫子8条，拴于硪爪上。云硪形状、制作基本同手硪，但比手硪重，按重量划分共有3种：大的120kg，用16人拉打，中号的80kg，用12人拉打，小号的60kg，用8人或6人拉打。手硪夯打木桩速度较快，大约5-10分钟打1根桩。

 

　　通过以上数据，可以计算出打桩所需要的冲击能量，选用公式：E0=mah

 

　　式中：E0——硪的冲击能量，单位N·m；

 

　　2.2锤体的设计

 

　　锤体由缸体、活塞、钎体、控制阀、托架等零部件组成，锤体是将液压能转换成机械冲击能的打击式液压机械装置，是打桩机的关键部分，构造如图2所示：

 

　　锤体的工作原理：

 

　　锤体将控制阀、执行器等元件集于一身，控制阀与执行器相互反馈控制，自动完成活塞的往复运动，将液体、气体压力转化为活塞的冲击能最后打击钎体，将能量传递给钎体，钎体再把能量传递给木桩达到木桩下沉的目的。

 

　　该打桩机锤体的驱动方式为液压、气压并用方式，冲击动作是下部（缸体内腔活塞下）常时高压上部反转实现的，就是在活塞下部作用高压油，活塞上部进行高低压油切换，当活塞上部作用高压油时获得打击力，作用低压油时，活塞向上运动。为了提高打击效率，减少压力波动，在活塞顶部的腔室内，充有氮气。

 

　　有图可见活塞上部的直径D1小于下部的直径D3，分别与活塞的D2直径形成了上下不同的作用面积S1和S2，S1称为上部承压面，S2称为下部承压面，且S1>S2。作用于S1的腔室称为反转腔，作用于活塞顶部S3的腔室称为氮气室。

 

　　当下部承压面S2承受了来自于液压系统的高压油，换向阀处于图3所示位置时，活塞向上运动，此时反转腔为低压。

 

　　当活塞向上运动后，切换了换向阀右端的液压先导油（从原先的低压状态切换成高压状态），换向阀阀芯两端的作用面积与活塞相同的作用面积不同，即控制右端的作用面积大于左端的作用面积，由于阀芯两端控制面积的差异，使得换向阀切换到图4所示位置。

 

　　切换后的换向阀，使活塞反转腔从低压状态转换到高压状态，面积上因此受到高压，此时上下承压面S1、S2上同时受到高压油的作用，因S1>S2，使得活塞向下方向打击。

 

　　当活塞打击钎体之后，此时活塞重新回复到下端工作位置，并切换了换向阀的先导油（从高压状态切换到低压状态），再次回到图3状态，液压锤以此循环打击。

 

　　打击循环中，当活塞受下部的高压油作用向上运动时，压缩上部氮气腔内的氮气，氮气腔吸收了回程能量，在活塞向下打击时，释放氮气能量，从而提高打击力。

 

　　2.3锤体冲击能量的计算

 

　　冲击能量是液压锤体的重要性能指标之一，由前部分计算已经得出打桩需要的最小冲击能量E0=120N·m，

 

　　由公式E=10pq/n计算液压锤的冲击能量

 

　　式中E——液压锤体的冲击能量，N·m，

 

　　P——锤体打击时的使用压力，13MPa，

 

　　q——锤体打击时的使用流量，10mL/r×6000r/min=60L/min（发动机的工作转速为1500r/min-7500r/min）

 

　　n——锤体单位时间内的打击次数，n=60次/min，

 

　　液压锤体的冲击能量为：

 

　　3创新点

 

　　实践表明，打桩机的各项性能良好、动作灵活，移动方便，操作简单，效率高，安全性能好，安装结构合理，达到了设计要求，具有以下创新点：

 

　　（1）适应性强，适用于各种均质土壤，能满足江河湖堤较大范围的防汛打桩需要，主要应用于：堵截堤岸溃口、防浪护堤、抢高堤顶、抢护堤岸崩塌、加固堤岸等防汛打（木）桩作业。

 

　　（2）采用液压传动技术实现锤体的往复运动产生冲击力实现木桩下沉，技术先进，自动化程度高。

 

　　（3）由小型的汽油发动机提供动力，解决了外接电源问题，使得打桩作业不受电源环境的限制。

 

　　（4）主机锤体与动力装置分离设计，工作时，动力装置可放置于地面上，使作业执行部分轻便灵活，两人操作即可完成打桩过程。

 

　　（5）液压软管接头采用快换接头方式，安装时不用辅助工具，一按就可完成与阀体的连接，大大提高了工效。

 

　　（6）打桩效率高，能力强，对于直径≤150mm的木桩，沉桩速度≥0.5m/min，沉桩长度≥1.0m，每小时可完成30根木桩，是人工打桩效率的50多倍。

 

　　4推广应用前景

 

　　随着国家对江河防汛的投资力度加大，防汛从传统的人工抢险，向目前的现代机械化抢险发生着根本的转型，各种抢险机具设备在防汛中广泛应用，在险情抢护中，缩短抢险时间，节约抢险投资，减轻劳动强度，使抢险技术得到了质的提高，体现着社会生产力的发展。在传统水利向现代水利、可持续发展水利转变的今天，在洪水到来时我们要借助已有的一切成果与洪水做些抗争，将洪水造成的损失降低到最低限度，在洪水面前抗得住、顶得牢，就需要不断推出实用的抗洪抢险新技术、新产品作保障。防汛抢险工具与设备是防汛抢险取得胜利的物资条件之一，在抢护险情时、料物充足、工具设备完善，又能及时熟练掌握，可事半功倍，化险为夷。人们在同洪水作斗争的几千年历史中，不断发明了许多实用的工具和设备，在现代化条件下许多工具和设备更是功能齐全、技术先进、操作灵活，在抢险中发挥很好的作业。

 

　　黄河防汛抢险中打桩，多少年来一直沿用人工操作，方法原始、劳动强度大、耗时长，是一项繁重的体力劳动。山东黄河工程维护与抢险机械研制中心研制的YDZ-150型便携式液压防汛打桩机替代了传统的人力夯打的作业形式，实现了防汛抢险打桩机械化，减轻了劳动强度，提高了打桩效率。具有很高的实用性、操作性、可靠性，具有轻巧灵活、携带方便、机动性强、冲击能量大、工效高、噪声低、不受电源环境限制等优点，特别适用于汛前汛后堤坝加固、抗洪抢险决口封堵、江河湖塘堤岸维护打桩作业，将为防洪保安全，为保护人民的生命财产安全发挥重大作用。

 

　　通过实践应用，一台YDZ-150型便携式液压防汛打桩机只用两个人操作，每小时可完成打桩30多根，是人工打桩的50倍，可见采用便携式液压防汛打桩机不但具有良好的社会效益，还具有较高的经济效益，在传统水利向现代水利、可持续发展水利转变的今天，该机具不仅在抗洪抢险，还能够在防洪工程建设、在支援国家堤防建设的各个领域，得到广泛的推广应用。

 

　　【参考文献】

 

　　[1]液压气动技术手册[M].机械工业出版社，2002.

 

　　[2]机械设计手册：上册[M].燃料化学工业出版社，1970.

 

　　[3]液压系统经典设计实例[M].化学工业出版社，2012.