雙排傾斜式自動打樁機設計與研究

程世峰

(中國鐵建投資集團有限公司，廣東 珠海 526238)

0 引言

隨著我國科學技術水平的快速提高，也加快了農業機械化的進程，農業生產機械化日益普及，但農業大棚建造環節的機械設備相對較少[1]。在農業大棚建設中，通常采用工程打樁機，工程打樁機采用重錘施工，由于工程打樁機體積大，對于農業大棚間距僅為1.5 m空間相對較小的施工環境適用性較差[2]。為此，本文結合農業大棚打樁機工作環境及工作效率，設計了雙排傾斜連續打樁機，實現了木樁與地面呈60°傾斜打樁。該設備具有結構緊湊、體積小的特點，可完成連續雙排打樁，較大程度上提高了打樁效率，降低了勞動強度。

1 雙排傾斜連續打樁機結構及工作原理

1.1 雙排傾斜連續打樁機結構

本文設計的雙排傾斜連續打樁機由機架、打樁機構、動力系統、物料供給機構、氣動系統及水箱等構成，其結構如圖1所示。動力系統包括安裝于機架上方用于驅動打樁機構運行的電機和安裝于機架下方用于驅動設備前移的電機兩部分；打樁機構為桿件結構，氣缸安裝于撞擊桿上，以滿足連續打樁需求；氣動系統包括控制器、氣泵和氣缸，控制器和氣泵安裝于機架上方，為氣缸運行提供動力；物料供給機構由輸送槽及放料器組成，輸送槽用于木樁過渡及定位；水箱用于施工地面的灑水，以避免揚塵，降低木樁入土阻力。

1.2 打樁機工作原理

打樁時，將打樁機移至預打樁位置，將木樁存放于放料器，木樁經輸送槽進行過渡及定位。電機驅動打樁機構運轉，撞擊桿上下移動完成打樁。采用控制器調節，使氣缸活塞桿上下移動，完成連續打樁[3]。打樁機構為對稱式結構，機架兩側同時運行，進而實現雙排打樁。撞擊桿與地面為60°夾角，以滿足木樁與地面的60°傾斜打樁。

圖1 雙排傾斜連續打樁機結構

2 雙排傾斜連續打樁機設計

打樁機以48 V直流電源驅動打樁機構運轉，完成60°雙排傾斜打樁。采用壓力表、調速閥及氣壓輔件等實現氣缸運動控制，完成連續打樁[4]。

2.1 打樁機構設計

打樁機可實現一次將雙排木樁以60°傾斜的方式貫入土地中，在確保打樁機運轉穩定性的同時，提高了打樁效率。打樁機構為桿件結構，將打樁動力傳遞與撞擊桿完成打樁[5]，打樁機動力傳動結構如圖2所示。電機驅動曲柄轉動，進而帶動連桿1擺動，連桿1擺動的同時豎直桿上下移動，同時連桿2、連桿3、搖桿1和搖桿2運動，帶動連桿4和連桿5動作，驅動撞擊桿1和撞擊桿2沿60°夾角方向往復運動，實現撞擊木樁。為了便于直觀表達傳動系統，采用SolidWorks三維建模軟件構建的打樁機傳動系統三維模型[6]如圖3所示。

2.2 機架設計

機架用于安裝打樁機構及輔助部件，其結構強度及承載力為設計重點。打樁機機架以電動三輪車為設計參考，通過鏈傳動實現設備移動。機架下部安裝的電機為打樁機移動的動力源，機架結構三維模型如圖4所示。

圖2 打樁機動力傳動結構 圖3 打樁機傳動系統三維模型 圖4 機架結構三維模型

2.3 物料供給機構設計

放料器具有較大的木樁存放能力，可自動放料，節省了人力。打樁機放料器為筒狀結構，其上沿裝有齒輪，通過兩料筒間的步進電機齒輪與料筒齒輪嚙合[7]驅動兩料筒轉動，由于自身重力作用，木樁由機架圓孔輸出，完成自動平穩出料，其結構三維模型如圖5所示。

輸送槽安裝于放料器下方，用于將木樁過渡至所需工位。定位套筒位于輸送槽下部，用以木樁的60°傾斜打樁。定位套筒及輸送槽一方面提高了打樁的安全性，另一方面提升了打樁效果。打樁機輸送槽三維模型如圖6所示。

圖5 放料器三維模型 圖6 輸送槽三維模型

2.4 氣動系統設計

氣動系統中，壓縮氣體通過管路及控制閥輸送至執行元件，并驅動執行元件動作，實現空氣壓力能向機械能的轉換[8]。將射流元件與氣動邏輯元件組合，實現系統信息傳遞及邏輯運算。為實現連續打樁，在打樁機撞擊桿上安裝氣壓缸，采用氣泵存儲空氣，通過控制器調節實現氣壓控制，進而實現氣缸速度及連續打樁控制。氣動系統中控制器和氣泵及氣缸三維模型如圖7所示。

2.5 人-機-環境工程設計

打樁機水箱的設計，避免了工作過程中的揚塵，保證了工作環境的清潔。此外，地面與木樁接觸點的灑水，降低了地面與木樁間的摩擦，減小了打樁機工作強度，進而實現了人-機-環境系統的優化設計。

3 打樁機受力分析及動力設備選型

3.1 受力分析

針對農業大棚設計的打樁機載荷為壓縮載荷及周期性振動載荷，按載荷構成種類可分為工作過程阻力、摩擦力和傳動產生的動載荷。實際使用中，木樁貫入土中有傾斜貫入和豎直貫入兩種形式，之后將鐵絲固定于木樁頂端，如圖8所示。

圖7 控制器和氣泵及氣缸三維模型

圖8 木樁傾斜和豎直貫入土中的形式

本文通過試驗分析木樁貫入土中的載荷，經測試將長50 cm、直徑3 cm的木樁豎直貫入土中，需重量為8.5 kg、高度為1.3 m自由落體重物撞擊，由能量換算可計算得到所需電機功率為217 W。而將木樁與地面呈60°夾角貫入土中，經分析計算所需電機功率為251 W。

3.2 動力設備選擇

3.2.1 打樁機構驅動電機選擇

根據將木樁與地面呈60°夾角貫入土中所需電機功率為251 W，并預計傳動機構間功率損耗為500 W，選擇打樁機構驅動電機輸出功率為1 100 W可滿足設計要求(特點穩定可靠)。綜合以上分析，打樁機構驅動電機選取永磁無刷直流中置電機，其額定功率為1 100 W，電壓為48 V，轉速為2 800 r/min。

3.2.2 氣缸選擇

由于氣缸應用于變載荷場景，選取活塞式氣缸，以滿足負荷轉矩及速度范圍。此外，打樁機需連續打樁，因此選用氣缸可伸長的軸向活塞式氣缸。實際應用中，木樁直徑為30 mm，因此選用氣缸軸徑為50 mm。

3.2.3 放料器步進電機選擇

實際使用中，兩側放料器驅動所需扭矩T約為10 Nm，放料器需轉動18°方可確保木樁由放料器滑出。步進電機負載能力以最大靜扭矩Tmax表示，由T=(0.3～0.5)Tmax可得Tmax=20 Nm。因此所選步進電機為步進角18°的110HS20步進電機，其工作時每10個脈沖滑出一個木樁。

4 結論

(1) 基于傾斜木樁及豎直木樁受力分析可知，60°傾斜木樁的農業大棚結構穩定可靠。所設計的打樁機以60°傾斜角進行打樁，提高了打樁質量及木樁的穩定性，且可實現同時雙排打樁，提高了工作效率。

(2) 所設計打樁機結構緊湊，物料輸送實現了自動化，提高了打樁效率，降低了操作者勞動強度。