履帶樁架整體穩定性分析

孫文，姜超

（方圓集團有限公司，山東 海陽265100）

1 前言

JZL系列電動履帶式樁架是樁工機械的重要組成部分，廣泛應用于城市建筑的各種樁基礎工程、鐵路交通基礎工程、深基坑支護工程和防洪工程中的防滲壩工程等各類民用與工業建筑施工中。樁架用來懸掛樁錘、吊樁就位、沉樁導向以及安裝各種成孔裝置，為成孔裝置導向。樁架按移動方式分為：履帶式、輪胎式、軌道式、步履式等。由于履帶式樁架集中了目前國內外兩大類型樁架——自行式履帶樁架和步履式樁架的優點：既具有履帶式樁架的機動能力與施工效率，又具備步履式樁架的安全穩定性和低廉的價格特點。全電力驅動，大大降低了產品故障率，噪音低，利于環保。因此履帶式樁架使用方便、應用廣泛、發展較快。我國幅員遼闊，地質復雜，加之新型基礎施工工法的增多，以及樁工機械單件小批量的特點，這就要求廠家能快速有效地開發出各種型號的樁工機械，以滿足用戶需求。實際施工中經常有用戶對所需樁架加高立柱而其它參數不變。這時，我們在原有樁架的基礎上改造，需要計算校核其強度、剛度、穩定性、起架穩定性和起架能力。起架裝置是為樁架自身立架所用，由起架拉繩、起架拉桿、起架卷揚機等組成。當立柱加長后，為了保證其壓桿穩定，一般應將斜撐上鉸點上移，即加長斜撐長度，但這樣就會加大立柱、斜撐和頂部滑輪組的反力矩，可能造成整機起架時穩定性和起架卷揚系統起架能力的不足。因此，應重新校核此時起架的穩定性和起架能力，以下以JZL120 A履帶、三點支撐式樁架為例，通過數學計算和Solidworks三維設計兩種方法分析其整體穩定性，并進行對比。

圖1 JZL樁架結構圖

2 計算方法求解中心位置

首先，我們將樁架中所有零部件通過計算，將其重量、重心坐標輸入Excel表格，以回轉支承圓心正投到水平面為坐標原點；前后方向（司機室朝向立柱方向）為Y軸正方向；樁架左右方向定為X軸，以左為負，右為正；垂直方向定為Z軸，水平面以上為正（以下所有計算載荷表均與此同）。

2．1 起架工況

起架時前擺腿在最前位置，距回轉中心4．4m。由計算表格可得：

穩定力矩總和為：

∑M穩＝4081406 N·m

傾翻力矩總和為：

∑M傾＝3664064 N·m

穩定力矩超傾翻力矩為：

（4081406－3664064）÷3664064×100%

＝11．4%＞10%

結論：起架安全。

圖2 JZL 樁架起架圖

表1 JZL120A起架穩定性計算載荷表（水平0°）

表2 JZL120A起架穩定性計算載荷表（水平0°）（少2m節，減3t配重）

以上為配重估計值，如果起架不安全，則加大配重，也可以根據穩定性系數反推配重重量。同理如果用戶需要的樁架立柱高度矮一節（2m），配重估計減少一塊2500kg，達不到穩定性要求，可以重新快速計算配重重量。

2．2 工作工況

以最大拔樁力（800k N）狀態進行計算，以前擺腿為支點風從后向前吹，前擺腿到回轉支撐的距離3．5m，鉆桿中心到前擺腿的距離1．2m，輔助裝置總重5000kg，安全系數取1．2，則：

穩定力矩總和為：

傾翻力矩總和為：

∑M傾＝∑M拔＋∑M風＋∑M輔

＝（800000×1．2＋252751．75＋50000×7）×1．2

圖3 JZL120樁架工作圖

＝1602330．9 N·m

穩定力矩－傾翻力矩＞0

結論：工作狀態安全。

2．3 優缺點

從以上計算過程可以清楚地看到：只要重量、重心位置確定好后，各種工況、各個位置的平衡力矩，包括起架的卷揚機力，工作位置時的前傾3°、后傾5°等極限位置均可以輕而易舉計算出來；但是對于像底盤、平臺、立柱等復雜結構件，卷揚機、電器等部件，履帶、液壓缸、電機等外購件，要計算出重心位置并非易事，重量的計算也需要費很大的時間和精力，一旦材料、工藝、結構，或立柱的長度等改進又要重新計算，不能做到快速、準確反應，不能及時滿足市場需求。

表3 JZL120A工作載荷表

3 利用Solidworks三維方法求解

Solidworks是一款包括機械設計、工程分析等功能非常強大的三維軟件，以其優異的性能、易用性和創新性，極大地提高了機械設計工程師的設計效率和質量。

我們用Solidworks可以快速地建模，方便修改。模型建好裝配在一起，通過工具欄里的質量特性，可以準確知道樁架的重量、重心位置，根本不需要整體穩定性計算，根據重心位置確定配重的精確重量。

從圖4可以清楚看到：樁架在起架工況重心坐標超出前支腿位置，需要增加配重。從質量特性中的重 心 坐 標：x＝ －7628．77，y＝455．13，z＝－70．62，前支腿位置：x＝－6408，重心位置明顯超過前支腿，配重重量輕，需逐漸增加配重直至重心位置在前支腿與回轉支撐之間為止。

圖4 Solidworks起架工況

圖5 Solidworks工作工況

4 誤差處理

實際生產過程中，我們將JZL120樁架全部稱重，稱重總重量與Solidworks三維設計、Excel計算的重量誤差分別為6．1%和10．3%。這主要是由于金屬材料的板厚（或壁厚）誤差和焊縫重量沒有計算在內造成，Solidworks沒有添加焊縫。彌補辦法應根據 GB／T 709－2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》執行。

樁機上用的最多的鋼板為8～15mm，所以根據金屬材料入庫稱重和理論計算的誤差平均值按照4%計算；焊縫重量按照每月生產樁機臺數×每種樁機的重量＝總重，再用每月焊絲用量÷總重＝焊縫重量／噸產品，統計后得到焊縫重為鋼結構總重量的約1～1．5%，按照1．5%計算。這樣Solidworks誤差應為6．1%－4%＋1．5%＝3．6%，計算方法誤差應為10．3%－4%＋1．5%＝7．8%。計算方法配重沒有修正，而Solidworks三維方法的配重可以修正至5%以內，每種工況可以快速、準確調整。

表4 鋼板厚度允許偏差（B類）

5 結論

一旦Solidworks三維模型建立，起架工況、工作工況整機穩定性一目了然。我們可以利用它進行重要部位、重要零件的受力分析，從而做到快速、準確、安全地設計，又可以大大節約成本。

［1］張莉，陳建業，張希恒，等．步履式樁架起架裝置分析計算［J］．建筑機械化，2006（10）．

［2］（美）DS Solidworks公司著．陳超祥，葉修梓，主編．Solidworks工程圖教程［M］．北京：機械工業出版社．