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(nóng)業(yè)機械化的進程，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化日益普及，但農(nóng)業(yè)大棚建造環(huán)節(jié)的機械設備相對較少[1]。在農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)大棚間距僅為1.5 m空間相對較小的施工環(huán)境適用性較差[2]。為此，本文結合農(nóng)業(yè)大棚打樁機工作環(huán)境及工作效率，設計了雙排傾斜連續(xù)打樁機，實現(xiàn)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(xù)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(xù)打樁機結構及工作原理

1.1 雙排傾斜連續(xù)打樁機結構

本文設計的雙排傾斜連續(xù)打樁機由機架、打樁機構、動力系統(tǒng)、物料供給機構、氣動系統(tǒng)及水箱等構成，其結構如圖1所示。動力系統(tǒng)包括安裝于機架上方用于驅(qū)動打樁機構運行的電機和安裝于機架下方用于驅(qū)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(xù)打樁需求；氣動系統(tǒng)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(jīng)輸送槽進行過渡及定位。電機驅(qū)動打樁機構運轉(zhuǎn)，撞擊桿上下移動完成打樁。采用控制器調(diào)節(jié)，使氣缸活塞桿上下移動，完成連續(xù)打樁[3]。打樁機構為對稱式結構，機架兩側(cè)同時運行，進而實現(xiàn)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(xù)打樁機結構

2 雙排傾斜連續(xù)打樁機設計

打樁機以48 V直流電源驅(qū)動打樁機構運轉(zhuǎn)，完成60°雙排傾斜打樁。采用壓力表、調(diào)速閥及氣壓輔件等實現(xiàn)氣缸運動控制，完成連續(xù)打樁[4]。

2.1 打樁機構設計

打樁機可實現(xiàn)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(zhuǎn)穩(wěn)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(qū)動曲柄轉(zhuǎn)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(qū)動撞擊桿1和撞擊桿2沿60°夾角方向往復運動，實現(xiàn)撞擊木樁。為了便于直觀表達傳動系統(tǒng)，采用SolidWorks三維建模軟件構建的打樁機傳動系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(jié)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(qū)動兩料筒轉(zhuǎn)動，由于自身重力作用，木樁由機架圓孔輸出，完成自動平穩(wěn)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(tǒng)設計

氣動系統(tǒng)中，壓縮氣體通過管路及控制閥輸送至執(zhí)行元件，并驅(qū)動執(zhí)行元件動作，實現(xiàn)空氣壓力能向機械能的轉(zhuǎn)換[8]。將射流元件與氣動邏輯元件組合，實現(xiàn)系統(tǒng)信息傳遞及邏輯運算。為實現(xiàn)連續(xù)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(diào)節(jié)實現(xiàn)氣壓控制，進而實現(xiàn)氣缸速度及連續(xù)打樁控制。氣動系統(tǒng)中控制器和氣泵及氣缸三維模型如圖7所示。

2.5 人-機-環(huán)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(huán)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(xiàn)了人-機-環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)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(nóng)業(yè)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(qū)動電機選擇

根據(jù)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(qū)動電機輸出功率為1 100 W可滿足設計要求(特點穩(wěn)定可靠)。綜合以上分析，打樁機構驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩及速度范圍。此外，打樁機需連續(xù)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(cè)放料器驅(qū)動所需扭矩T約為10 Nm，放料器需轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)大棚結構穩(wěn)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(zhì)量及木樁的穩(wěn)定性，且可實現(xiàn)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(xiàn)了自動化，提高了打樁效率，降低了操作者勞動強度。