海洋液壓沖擊打樁錘機-液系統聯合仿真分析

孫遠韜,駱禮福,秦仙蓉,張 氫,趙 坤

(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)

近年來,海洋石油開發和風電等海洋工程的高速發展，促成了越來越多的樁基海洋平臺及近海樁群的建造,樁基的直徑和深度也往更大、更深的方向發展.目前海洋平臺中最常用的樁基是開口鋼管樁,其排土量小、能承受較大的錘擊力,因此，鋼管樁的施工多采用沖擊力和沉樁效率較高的錘擊法動力沉樁[1].由于液壓沖擊打樁錘的沉樁力作用時間長、效率高、對環境基本沒有污染,適用于各種土質情況和樁基類型,并可以合理調節沖擊力,保證沖擊能量最大程度發揮.相比柴油打樁錘,液壓打樁錘打樁效率有大幅提高,被廣泛應用于風電工程、海洋平臺工程以及跨海大橋等海洋樁基工程項目中.

國內外相關學者對液壓打樁錘進行了各方面研究分析和設計優化.1960年,Smith[2]提出了波動方程在樁基礎施工中的數值解法,將整個錘擊系統離散為許多質量單元,用彈簧模擬錘芯、替打以及樁身之間的相互作用關系,利用數值方法求解打樁過程.田樹軍等[3]總結了液壓沖擊機構的工作特點,強調該種機構的設計必須以動態仿真為前提,才能保證設計結果的準確以及設計產品的良好工作性能.沈景鳳等[4]討論了NH型液壓打樁錘的液壓系統設計，并仿真分析液壓系統的工作循環.謝永健等[5]考慮了錘芯、替打、錘墊的相互作用,建立力學方程和數學模型,并推導出錘擊力的表達式.王仕方等[6]將錘芯施加初始速度作為載荷,施加于沖擊沉樁模型,得到樁的位移響應與速度響應的解析解.

從以上文獻可以看出,國內外學者對液壓沖擊打樁錘的研究主要集中在液壓系統或機械沖擊系統的單個系統研究上,因此,為了更加真實準確地模擬打樁錘系統的沉樁過程,本文以近海施工的某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘為研究對象,基于剛體動力學和牛頓碰撞理論以及液壓-氣動理論,應用AMESim和ADAMS軟件建立了打樁錘的虛擬樣機,進行了液壓沖擊打樁錘機-液系統的多次沉樁過程的仿真分析;沉樁過程仿真結果與現場沉樁記錄接近,驗證了所建立模型仿真分析結果的合理性,能夠為后續打樁錘結構設計提供參考依據.

1 打樁錘機械沖擊系統模型的建立

液壓沖擊打樁錘是利用液壓能提升錘芯,通過快速泄油使錘芯能夠加速下降,沖擊介質使樁體沉入土中而完成沉樁作業,沉樁原理用動量定理表達為

(1)

式中:E為動量;v1,v2為錘芯沖擊前后的速度;m為錘芯質量;t為沖擊力作用時間;p為沖擊力.

打樁錘作為沖擊機械的典型,可將其簡化為帶彈簧的二元沖擊系統模型,如圖1所示[7].

圖1 帶彈簧的二元沖擊系統的力學模型Fig.1 Mechanical model of two-dimensional impact system with spring element

對海洋工程沖擊打樁錘而言,樁底直接接觸土壤,樁側接觸海水和土壤,工作介質情況較為復雜,但土壤對樁的作用明顯強于水.因此,為了獲得解析解,簡化模型,分析時只考慮土壤的作用,將土壤考慮為塑性介質,其力學模型如圖2所示.

圖2 塑性土壤介質的力學模型Fig.2 Mechanical model of plastic soil medium

塑性土壤介質下,當α<0.25時,樁的位移響應為

(3)

當α>0.25時,樁的位移響應為

(4)

式中:k為彈簧剛度,N/m;Z為樁體的波阻,(N·s)/m.

(5)

式中:ρ為樁體的材料密度,kg/m3;A為樁截面面積,m2;c為材料的縱波波速,m/s.

(6)

式中:E為樁體材料的楊氏彈性模量,Pa.

本文以某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘為研究對象,應用ADAMS軟件建立了打樁錘的機械沖擊系統的實體模型(見圖3),主要包括打樁錘殼體、緩沖墊、錘芯、替打、鋼樁以及土阻力模型.

圖3 打樁錘機械沖擊系統的實體模型Fig.3 Solid model of mechanical impact system for pile driving hammer

本文所研究的打樁錘實際打樁地位于江蘇如東風電場,在某次風機安裝項目中,該打樁錘一共在近海灘涂上打樁20根.根據用戶打樁記錄,樁半徑R0=2.6 m,全長L0=49.8 m,利用ADAMS模擬樁被打入土下35 m、土上高度14.8 m位置的沉樁過程.根據土壤取樣,本文將土壤簡化為塑性材料,在沖擊系統模型中用阻尼器表示,阻尼大小與土壤性質、樁的半徑有關[8-9],等效阻尼大小Cs為

(7)

式中:ρs為土壤密度,kg/m3;Gs為土壤剪切模量,Pa;半徑R0=2.6 m;土壤密度ρs=2.1×103kg/m3;土壤剪切模量Gs=91.3 MPa;阻尼大小定義為Cs≈7×107(N·s)/m.

沖擊打樁錘模型的碰撞為非旋轉體金屬材料間的碰撞,參照相關資料和推薦值[10-11],剛度系數義為K=1×109N/m,碰撞指數定義為λ=1.5,最大阻尼系數定義為Cmax=1×107(N·s)/m,侵入深度定義為Δy0=0.1 mm.

2 打樁錘液壓系統模型的建立

2.1 打樁錘液壓系統模型的簡化與建立

液壓系統主要由液壓泵、溢流閥、換向閥、高低壓蓄能器、油缸以及管路等組成.打樁錘液壓系統應保證錘芯運動穩定,確保打樁錘的工作穩定可靠.根據實際所設計的液壓系統,建立液壓系統仿真模型并進行了相應的簡化與調整:① 大流量液壓系統需要泵組才能完成供油,仿真模型中將泵組簡化為兩個液壓泵并聯;② 忽略液壓系統中的冷卻、過濾、安全控制等輔助油路及元器件;③ 將錘芯簡化為40 t的質量塊,與活塞桿直接相連.基于AMESim軟件中的元件均可以實現數據的雙向傳遞、兼容多種軟件接口的特點,本文選取AMESim軟件建立打樁錘液壓系統的仿真模型,基于液壓-氣動理論構建打樁錘的液壓系統模型，如圖4所示.

圖4 40 t錘重液壓沖擊打樁錘液壓系統仿真模型Fig.4 Simulation model of hydraulic system of hydraulic impact piling hammer weighing 40 t

2.2 主要液壓元件的特性

2.2.1液壓油

作為液壓介質,液壓油通過自身的液壓能傳力,同時有系統潤滑、防銹防腐、冷卻等作用,對于整個液壓系統的性能表現有關鍵性作用.對于液壓沖擊打樁錘,液壓系統工作壓力較高,打樁頻率較高,油快速反復流動,因此,對液壓油的抗磨性能要求較高.仿真模型根據工程實際選用型號為L-HM68的液壓油,該型號的液壓油黏度較高,抗磨性能較好,適宜較高的工作壓力.液壓油部分參數設置如表1所示.

表1 液壓油參數設定表Tab.1 Parameters of hydraulic oil to be set

2.2.2馬達

在此液壓仿真模型中,選用與液壓泵匹配的恒轉速馬達,轉速設定為1 500 r/min.

2.2.3液壓泵組

液壓仿真模型中,將泵組簡化為兩流量泵,轉速與馬達匹配,總排量為2 400 mL/r.

2.2.4液壓缸

液壓系統的液壓缸為單向活塞液壓缸,液壓缸空腔與密閉的氮氣室相連.

2.2.5液壓管道

在液壓錘的提升和快速下降過程中,要求液壓油可以快速地供給和排泄.液壓系統中設置3個泄油口和泄油通道,參考打樁錘施工現場實測數據,泄油管選用直徑為50 mm的大直徑油管.

3 打樁錘機-液系統聯合仿真分析

3.1 打樁錘機-液系統聯合仿真模型的搭建

針對本文所研究的某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘,在機械沖擊系統仿真模型與液壓系統仿真模型之間建立數據交流接口,實現了打樁錘機-液系統的聯合仿真分析.建立機-液聯合仿真模型關鍵的步驟，就是定義液壓系統仿真模型與機械沖擊系統仿真模型之間的數據交換接口,即需要定義兩系統聯合仿真時的輸入變量與輸出變量[12-13].針對液壓沖擊打樁錘,期望液壓系統輸出對機械沖擊系統中錘芯的作用力,同時機械沖擊系統反饋錘芯的速度和位移至液壓系統,通過對錘芯的控制完成機-液系統的耦合,兩者聯合關系如圖5所示.

圖5 機械系統與液壓系統的數據交互Fig.5 Data exchange between mechanical system and hydraulic system

進行打樁錘機-液系統聯合仿真分析之前,在ADAMS中定義機械沖擊系統的輸入變量為錘芯的作用力F,輸出變量為錘芯的位移u與速度v,錘芯的位移u即為式(3)或式(4)所得樁體的位移響應,錘芯的速度v即為樁位移響應對時間的一階導數.利用ADAMS/controls模塊導出錘芯的位移u與速度v作為數據交換文件,通過數據接口模塊在AMESim軟件中導入數據,與液壓系統模型連接,從而建立打樁錘的整個機-液系統的聯合仿真模型.

在液壓打樁錘的整機仿真模型中,液壓系統模型并沒有發生較大變動,機械沖擊系統作為一個模塊嵌入在液壓系統中,即將ADAMS中機械沖擊系統模型所得到的錘芯位移和速度響應，作為液壓系統執行元件液壓缸的輸入量;而AMESim軟件中液壓系統仿真得到執行元件液壓缸活塞的作用力F，作為ADAMS中機械沖擊系統的輸入變量,即錘芯的作用力F.如此循壞往復,實現打樁錘沉樁過程的仿真計算.

在進行打樁錘機-液系統聯合仿真計算時,首先對控制閥生成循環信號控制信號.液壓打樁錘的打樁頻率為38 次/min,單次打樁循環中,在1.1 s的時間內打開提升閥,關閉下降閥,即打樁時提升打樁錘的過程;然后在0.4 s的時間內關閉提升閥,打開下降閥,錘芯將快速下落并保壓,即打樁錘保壓沉樁的過程.

定義聯合仿真模型的時間為10 s,采樣頻率為100 Hz,共計算1 000步,模擬6次完整的沉樁過程.

3.2 打樁錘機-液系統整機打樁性能分析

經AMESim和ADAMS軟件聯合仿真后，即可得到液壓沖擊打樁錘的機-液系統聯合仿真的計算結果,取錘芯向上運動為正方向,錘芯的運動規律如圖6所示.

圖6 整機模型中錘芯位移曲線與速度曲線Fig.6 Hammer displacement and velocity curves in the whole machine model

分析圖6錘芯的位移曲線可以發現:隨著打樁工作周期的不斷循環,錘芯有逐漸向下的運動趨勢,表明錘芯在樁的反復捶打下,樁逐漸下沉.同時,錘芯剛開始運動第一次錘擊樁時,錘芯向下存在一個較大的貫入度,約0.02 m,這是因為在機械系統建模時,錘芯與替打之間本身存在0.01 m的空隙.

圖7為兩個剛體接觸面(錘-替打和替打-樁)上接觸力的比較,Fz表示z方向(豎直方向)的接觸力.其中,CONTACT_1表示替打-樁的接觸力,CONTACT_2表示錘-替打的接觸力.

圖7 錘-替打與替打-樁的接觸力Fig.7 Contact forces of hammer-anvil and anvil-pile

由圖7可以看出:錘-替打上的接觸力遠大于替打-樁的接觸力,說明在緩沖元件替打的作用下,錘芯碰撞受力的峰值明顯減弱,同時拉長錘擊作用時間,從而有效避免沖擊系統中各元件在沉樁時被破壞,強化了沉樁效果,提高打樁效率.

圖8表示連續打樁過程中樁的位移,可以用此表征沉樁的貫入度,從而衡量打樁效果.

圖8 整機模型中樁的位移曲線Fig.8 Displacement curve of pile in the whole machine model

由圖8可見：在不斷錘擊的作用下,樁漸漸向下運動,位移曲線呈階梯狀,這與定義土壤為塑性介質的特性相吻合.每次沉樁位移在4.2 mm,即樁的貫入度為每錘4.2 mm.

圖9為如東風電場1號樁打樁時，每錘貫入度的實際施工記錄.隨著樁的不斷下沉,平均每錘打擊的貫入度也是不斷變化的.由于土層分布的不均勻性,土壤的貫入度有較為明顯的波動,但從整體趨勢上看,隨著樁不斷被打擊下沉,每一錘的貫入度漸漸下降并逐漸趨于平穩,在樁深35 m的時候,每一錘的平均貫入度在5 mm左右.

圖9 如東風電場1號樁打樁施工記錄Fig.9 Construction record of No.1 pile driving in Rudong Wind Farm

對比打樁錘機-液系統聯合仿真的沉樁過程與實際沉樁記錄,仿真沉樁每樁貫入度4.2 mm，與實際樁深35 m時的每樁貫入度5 mm的沉樁記錄相吻合,驗證了系統建模和分析的準確性.而由于實際沉樁過程中土層分布的不均勻性、沉樁打擊力的非恒定性以及仿真模型的建模誤差,仿真結果和實際沉樁難免會存在一定的偏差,但是整體來說,仿真結果與實際沉樁結果接近,驗證了所建立模型仿真分析結果的合理性,能夠為后續打樁錘的結構設計提供參考依據.

4 結語

本文以近海施工的液壓沖擊打樁錘為研究對象,基于剛體動力學和牛頓碰撞理論以及液壓-氣動理論,建立了某型40 t錘重的液壓沖擊打樁錘的液壓系統仿真模型和機械沖擊系統模型,并通過AMESim和ADAMS軟件建立了打樁錘的虛擬樣機,完成了液壓沖擊打樁錘機-液系統的多次沉樁過程的仿真分析,沉樁仿真結果與現場沉樁記錄接近,驗證了所建立模型仿真分析的準確性.此外,對比分析了打樁錘打樁過程時間歷程上錘-替打的接觸力與替打-樁的接觸力,沖擊緩沖元件替打可以明顯減小錘芯碰撞受力的峰值,同時拉長錘擊作用時間,從而有效避免沖擊系統中各元件在沉樁沖擊時被破壞,強化了沉樁效果,提高打樁效率,能夠為后續打樁錘的結構設計提供參考依據.