毕业设计（论文）双缸双作用液压打桩锤研究与开发

1、摘要 液压打桩锤是用于建筑、桥梁、码头等桩基础施工中打入预制桩的桩工机械。随着科学技术的进步，预制桩施工机械由落锤、汽锤、柴油锤，发展到了液压打桩锤。用液压打桩锤打桩，可以调整撞击应力波波形，减小应力峰值，延长有效作用时间，是一种比较理想的预制桩施工机械，目前在发达国家已被广泛使用，并形成了系列化。本文应用冲击机械系统动力学分析打桩过程中锤体与桩撞击时应力波的产生、传播以及该波对沉桩过程的影响。认为与桩等波阻的细长状锤体能够产生理想的应力波波形;在桩锤重量一定的情况下，可针对不同的地质情况和桩，通过选择不同刚度的桩帽和桩垫与其匹配来提高打桩效率。本文对双缸双作用液压扣一桩锤液压系统的结构和工作

2、原理进行了深入的研究，并在此基础上设计出六吨双缸双作用液压打桩锤的液压系统和电控系统。由于液压打桩锤液压系统是一个复杂的非线性系统，本文采用功率键合图法建立液压打桩锤上行、下降的键合图模型和状态空间方程，通过四阶龙格-库塔法和预估-校正法相结合编制了仿真程序对状态空间方程求解，在Mat lab 6. 5中进行液压系统的动态仿真，获得液压打桩锤运动过程中压力、位移、速度、加速度等随时间变化的曲线图。此曲线图方便了对液压系统动态特性分析，为液压系统的设计和参数优化提供了有益的借鉴。最后，在深入分析双缸双作用液压打桩锤控制系统的功能要求后，采用了以现代计算机技术为基础的新型工业控制装置-PLC可编程

3、控制器，设计出了双缸双作用液压打桩锤的电器控制系统。PLC体积小、功能强、可靠性高、能适应建筑施工机械恶劣的野外环境。通过PLC电控系统可以准确选择不同的上升、下降和保压时间，使得液压打桩锤具有不同的下打高度，从而获得不同的打击末速度，提高了液压打桩锤对不同土壤的适应能力。关键词:双缸双作用液压扫一桩锤;数值仿真; 可编程控制器。ABSTRACT Hydraulic pile hammer is one of the pile driving machines that drive prefabricated piles into the ground in the construction

4、of pile foundation such as construction, bridge, dock, etc. With the development of science and technology ,the prefabricated pile driving machines evolve from block hammer ,steam-hammer ,diesel hammer to hydraulic hammer .Hydraulic pile hammer is one of ideal prefabricated pile driving machines bec

5、ause it can adjust stress waveform ,decrease stress peak value, prolong effectual action when it drives piles .Hydraulic pile hammer is used widely and formed series in developed countries now. Mechanical impact dynamics is used to analyze the production and spread of stress wave when hydraulic pile

6、 hammer blows piles, the stress wave influence the course of driving pile. Slender hammed that is equal to wave resistance of the pile can bring ideal stress waveform. When the hammer weight is constant，efficiency of driving pile can be increased by means of selecting drive cap and cushion pad of di

7、fferent rigidity to match the hammer according to various geological condition and the pile. The structure and principium of hydraulic system of double-acting hydraulic pile hammer with double cylinders is studied in detail in the paper, the hydraulic system and electric control system of six-ton-do

8、uble-acting hydraulic pile hammer with double cylinder is designed on the basis of it. Power bond graph is used to established the bond graph model of the lifting and dropping of hydraulic pile hammer and state space equation in the paper for hydraulic pile hammer is perplexing nonlinear system. In

9、order to attain the graph that pressure, position, velocity, acceleration vary with time in the course of driving pile ,simulation procedure solving state space equation is designedon the basis of combining four-order Run ge-Kutta method with predicator-correct or method, dynamic simulation of the h

10、ydraulic system is studied in MATLAB 6.S.It inconvenient to analyze dynamic characteristics of the hydraulic system, beneficial to the design and parameter optimization of the hydraulic system. In the final part of the paper, under detailed analysis of the control characteristics for double-acting h

11、ydraulic pile hammer with double cylinders, control system based on the programmable logic controllers founded on technology of modern compute is designed. PLC has small cubage, strong function, higher liability, ability to adapt abominable field environment of construct machine to face. In order to

12、 improve adaptive ability of hydraulic pile hammer to various soil, various finial velocity and dropping length must be obtained by adjusting time of lifting, dropping and keeping pressure that is accurately selected by the control system of PLC。Words: Double-Acting Hydraulic Pile Hammer With Double

13、 Cylinders; Numerical Simulation; Programmable Logic Controllers 目录摘要.1目录.3第一章.绪论.5 1. 1桩基础简介. .5 1. 2设桩设备.6 1. 2. 1设置打入式预制桩设备.6 1.2.2设置钻孔式就地灌注桩设备.7 1. 3液压打桩锤.7 I. 4国内外发展现状.9 1. 5本课题的研究内容.9第二章.液压打桩锤的动力学分析.10 2. 1一维弹性杆的波动方程.11 2. 2波动方程的数值解.13 2. 3打桩锤与桩撞击的应力波.17 2. 4打桩锤与桩撞击的波动力学分析.20 2. 4. 1塑性介质下的系统动力

14、学分析.22 2. 4. 2弹性介质下的系统动力学分析.23 2. 4. 3锤、桩和桩帽(含桩垫)的匹配.24 2. 5锤体结构的反演设计.24 2. 5. 1桩锤应力波反演设计方法.24 2. 5. 2反演设计是一种现代设计方法.25 2. 5. 3锤体结构的反演设计.25第三章.双缸双作用液压打桩锤液压系统数值仿真.26 3. I计算机仿真及其在液压系统中的应用.26 3.1.1仿真的基本概念.26 3. I. 2仿真系统的分类.27 3. 1. 3仿真技术在液压系统中的应用.28 3. 2动态系统的数学模型. .29 3. 2. 1传递函数.29 3. 2. 2状态空间模型.30 3.

15、2. 3动态方程组.30 3. 3液压打桩锤液压系统.31 3. 3. 1单作用自由下落式.31 3.3.2双作用加速下落式.31 3. 3. 3双缸双作用液压打桩锤液压原理.32 3.3.4液压系统建模.33 3. 3.5仿真参数的确定.33 3.3.6状态方程的求解.40 3.3.7仿真结果分析.43第四章.控制系统设计.44 4. 1 PLC控制系统设计的基本内容.44 4. 2 PLC控制系统设计步骤. .45 4. 3双缸双作用液压打桩锤的PLC控制系统设计.46 4. 3. 1双缸双作用液压打桩锤的控制要求.46 4.3.2双缸双作用液压打桩锤液压系统的工作原理. .47 4. 3

16、. 3 PLC选型.47 4. 3. 4 I /0地址分配.48 4. 3. 5控制箱面板.49 4. 3. 6 PLC外部接线图. .50 4. 3. 7 PLC系统程序设计.50第五章.研究总结及展望.54 5. 1研究工作总结.54 5. 2研究展望.54参考文献.55附录. 56致谢. 57第一章. 绪论在上木建筑中，桩基础是应用比较广泛的一种基础类型，也是最古老的基础之一，它是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创举。起支撑作用的打入式承载桩是土木工程科学与工艺的最早实例之一。早在新石器时代，人类便通过打入木桩和竹桩在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，浙江省河姆渡就发现了这种原始社会遗址。而

17、我国西南许多少数民族地区至今仍沿用了这种习惯。随着人类活动向空间和海洋的延伸，各种高层建筑层出不穷，摩天大楼拔地而起，桩基础中所用的桩已从传统的木桩发展为钢筋混凝土桩或钢桩，桩基础的施工方法与施工机械也有了巨大的发展。1.1 桩基础简介 桩基础是由若干个沉入土中的单桩在其顶部用承台联接起来的一种深基础。其作用在于穿过弱的压缩性土层或水，把来自上部结构的荷载传递到更硬或更密实且压缩性较小的土壤或岩石上。它具有承载能力大、抗震性好、沉降量小等特点。在一般房屋基础工程中，桩基主要承受竖向荷载，但在河港、桥梁、高耸塔形建筑、近海钻采平台、支护结构以及抗震工程中，桩基还需要承受来自侧向的风力、波浪力、土

18、压力和地震力等水平荷载。 桩基础可按不同的方法分类:不同类型的桩基具有不同的承载性能，施工时对环境有不同的影响、因而有不同的造价指标，各适应于不同的条件。 (1)按承载性能分类 根据桩在土壤中受力情况的不同，可分为竖向荷载桩和横向荷载桩。 1)竖向荷载桩 建筑桩基技术规范(JGJ94-94 )根据竖向荷载桩桩土相互作用特点，分为四个类型，即摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩和端承桩四种。桩顶作用的竖向荷载Q由桩侧摩阻力Q5和桩端阻力Q;承担，即 Q+Q5 + Q;或Qu=Qs。+Q 式中U-桩的竖向极限荷载 Qu -桩侧总极限摩阻力 Q Pu-桩端总极限端阻力 摩擦桩是指桩端没有良好持力层的纯摩擦

19、桩，在极限承载力状态下，桩顶竖向荷载主要由桩侧阻力承受，即级L>0.9q；端承桩是指桩端有非常坚硬的持力层，在极限承载力状态下，桩顶竖向荷载由桩端阻力承受擦端承桩是介于摩擦桩和端承桩之间的中间桩型。 2)横向荷载桩，即0'P>9Qu;端承摩擦桩和摩擦桩顶竖向荷载由桩侧摩阻力和桩对摩擦端承桩而言,横向荷载桩分为主动桩和被动桩两种。桩顶受横向荷载，桩身轴线偏离初始位置，桩身所受土压力因桩主动变位而产生，如风力、地震力等作用下的建筑物桩基属于主动桩。若沿桩身一定范围内承受侧向土压力，桩身轴线受该土压力作用而偏离初始位置，如深基坑支挡桩、坡体抗滑桩等属于被动桩。 (2)按成桩方法分

20、类 按成桩方法的不同，主要可分为预制桩和灌注桩两大类。 1)预制桩 预制桩可用混凝土、钢材或木材在工厂或现场制作，然后以锤击、振动、静压或旋入等方式就位。按材料可分为混凝土桩、钢桩和木桩; 2)灌注桩 灌注桩是直接在所设计桩位处成孔，然后在孔内置筋再浇灌混凝土而成。可分为沉管灌注桩、钻(冲)孔灌注桩和挖孔桩。 3)按成桩对环境影响分类 按成桩对环境影响的不同，可分为挤土桩、部分挤土桩、非挤土桩。 1)挤土桩指打入或压入土中的实体预制桩、闭口管桩(钢管桩或预应力管桩)和沉管灌注桩。这类桩在沉桩过程中，周围土体受到桩体的挤压作用，土中超孔隙水压力增长，土体发生隆起，对周围环境造成严重的损害。如相邻

21、建筑物的变形开裂、市政管线断裂，造成水、煤气的泄漏。在大中城市的建成区已严格限制挤土桩的施工。 2)部分挤土桩指沉管灌注桩、预钻孔打入式预制桩、打入式敞口桩;打入敞口桩管时，土可以进入桩管形成土塞，从而减少了挤土作用。打入实体桩时，为了减少挤土作用，可以采取预钻孔措施，将部分土取走，也属于部分挤土桩。 3)非挤土桩指采用干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法的钻(冲)孔、挖孔桩。非挤土桩在成桩的过程中，对周围的桩间土没有挤压作用，不会引起土体中超孔隙水压力的增长，因而桩的施工不会危及周围相邻建筑物的安全。1.2 设桩设备设桩机械设备是从工业革命后逐渐发展起来的。特别是二十世纪，人类社会飞速发展，高大

22、办公大楼，重型工业设备，高炉，以及船坞设备的发展都对设桩设备提出了更高的要求，与此同时各行各业新技术的发展又为设桩设备提供了无限发展的动力。特别是从1950至今，在全世界范围内重型基础工程大量增加，同时，近海油田的开采经验，要求重型基础工程得到全面发展，这极大地刺激了设桩机械设备的发展，现在无论桩机的尺寸、高度，还是锤的重量、效率都在增加;并且，各种类型的较高容量机械的发展均伴随着移动灵活性和操作方便性的更多改进。设桩设备的类型一般可分为:设置打入式预制桩设备、设置钻孔式就地灌注桩设备。1. 2. 1 设置打入式预制桩设备 此类设桩设备的沉桩方式包括锤击沉桩、静力压桩、振动沉桩和射水沉桩等数种

23、方式，其中射水沉桩只适用于砂土层中，水的压力需达到0. 55-0. 7MPa，必要时可用压缩空气替代。 (1) 锤击沉桩设备:包括各种落锤式打桩机、蒸汽打桩锤、柴油打桩锤以及液压打桩锤。 1) 落锤式打桩机 落锤式打桩机由卷扬机拉升锤体，然后自由落下，利用自重夯击桩顶。一般锤重1 - 30KN，每分钟锤击次数小于12次，仅能在小规模工程中使用。其优点是构造简单、费用低廉。缺点是生产率低、贯入能量小、对桩损伤大。 2)蒸汽打桩锤 蒸汽打桩锤利用蒸汽的压力将锤体上举，然后由锤的自重向下冲击桩顶。可以打水下桩、斜桩，甚至水平桩，对桩损伤小;工作性能不受土层软、硬和工作时间长短限制。但需要配备一套锅炉

24、设备，效率低、使用不方便。 3)柴油打桩锤 柴油打桩锤是利用柴油燃烧时释放的能量提升锤体的。柴油锤自带动力、使用方便、能耗低、生产效率高、能根据沉桩阻力的大小自动调节冲击力等优点;缺点是噪声大、废气污染重、在软土及低温条件下启动困难、不能长时间持续工作。因受自重、公害及性能的制约，难以向超大型方向发展。 4)液压打桩锤 液压打桩锤是近几十年来发展起来的一种较理想的打桩锤。它利用液压能驱动锤体升降。其优点是可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的充分发挥而不损害桩身:在打桩过程中，同时可获得冲击力和贯入度指标，因而可有效地确定桩是否已进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许

25、承载力;液压打桩锤适合打斜桩作业及水下桩基施工，液压打桩锤不存在软土起动困难的问题，而且能适应各种气候下的施工作业;沉桩力作用时间长，有效贯入能量大;液压打桩锤的公害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩锤低20dB左右，因而能适应城市桩基础的施工作业。但其不足之处是结构复杂、价格贵。 (2)静力压桩机:静力压桩机是利用静压力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。它与普通的打桩机相比，可以消除噪声，避免振动的骚扰与危害且节约材料。适用于对防震有要求的部门和城市居住密集区施工。但静力压桩机要配有较多的配重，施工时整机的拼装、移动及工作效率仍比打击式桩机低。 (3)振动桩锤:预制桩除了采用打桩和

26、压桩之外，还有振动沉桩。振动桩锤是根据共振原理或振动冲击理论发展起来的，它利用振动能量沉桩和拔桩。振动沉桩适用于沙质粘土、砂土和软土地区的沉桩施工，不宜在砾石和密实的粘土中使用。1.2.2 设置钻孔式就地灌注桩设备 此类设桩设备包括以下几种:动力螺旋钻、振动钻孔机、逆循环钻孔机和三角架式钻孔机。 (1)动力螺旋钻。动力驱动的旋转式螺旋钻孔机适用于在粘性土中设置钻孔桩。 (2)振动钻孔机。为了打入衬管，并在灌注混凝土时拔出它们，把振动器和螺旋钻孔机一起使用。 (3)逆循环钻孔机。该钻孔机在多种土壤条件下(包括软质岩石在内)，能快速钻进，而钻入粒状土中最为有效。 (4)三脚架式钻孔机。三脚架式钻孔

27、机特别适宜在低空间或通道狭隘的条件下工作。1.3 液压打桩锤 随着液压技术的发展与逐步成熟，加之传统使用的柴油锤噪声大、效率低，污染重等原因，在基础施工中受到限制，20世纪70年代，各国先后开发了液压打桩锤以适用建筑行业的新需要。经过30多年的改进与发展，目前液压打桩锤已成为建筑施工中一种不可缺少的大型桩工机械，并越来越受到重视。 (1)液压打桩锤工作原理 液压打桩锤以液压能为动力，举起锤体后快速泄油，或同时反向供油，使锤体加速下降，撞击缓冲垫及桩帽，利用锤体冲击时动量变化所产生的巨大冲击力，克服土壤对桩的阻力，将桩沉入土中。液压打桩锤正被广泛地应用于工业建筑、民用建筑、道路、桥梁以及水中桩基

28、施工(加上防水保护罩，可在水面以下进行作业)。同时液压锤通过桩帽这一缓冲装置，直接将能量传给桩体，一般不需要特别的夹桩装置，因此可不受限制地对各种形状的钢板桩，混林土预制桩，木桩等沉桩业。另外，液压锤还可以相当方便地进行陆上与水上的斜桩作业，比其它桩锤有独到的优越性。 (2)液压打桩锤基本组成 目前使用的液压打桩锤形式多样，但基本结构大致相似，一般由本体机械部分、液压系统及电气控制系统构成。 1）液压打桩锤本体(本体机械部分) 本体机械部分由起吊装置、导向装置、液压装置保护罩、锤体、壳体、桩帽及缓冲垫等组成。各部分作用如下:(1)起吊装置主要由滑轮架、滑轮组与钢丝绳组成，通过桩架顶部的滑轮组与

29、卷扬机相连。利用卷扬机的动力，液压锤可在打桩架的导向装置中上下滑动。(2)用螺栓将导向装置与壳体和桩帽相连，使其与导向架的滑道相配合，锤可沿导向架上下滑动。(3)液压装置保护罩用来保护液压锤上部的液压元件、液压油管和电气装置。由于液压锤的工况复杂、使用环境恶劣，难免会发生这样或那样的碰撞，因此液压装置必须有可靠的保护。液压装置保护罩还有一个重要的作用，即作配重用。当锤体下落打击桩帽时，桩帽对锤体有一个向上的反力，这个反力会使锤体和液压缸发生不规则的抖动或向上反弹，这种干扰会影响液压系统正常的工作循环，同时对桩、桩架造成不良影响。液压装置保护罩的质量起到类似配重的作用，可以缓解和减少其不规则的抖

30、动或反弹，从而提高整体工作性能。(4)锤体是沉桩的主要工作部分。液压锤通过锤体下降打击桩帽，将能量传给桩，实现桩的贯入下沉。(5)壳体把上部的液压装置保护罩和下壳体连接起来，在它的外侧安装着导向装置、无触点开关、液压油管和控制电缆的夹板等。锤体上下运动锤击沉桩的全过程均在壳体内完成，壳体板较厚，除去有足够的强度与刚度之外，还有一定的隔音作用。(6)打桩时桩帽套在钢板桩或混凝土预制桩的顶部，除去导向作用外，与缓冲垫一起既保护桩头不受到破坏，也使锤体及液压缸的冲击荷载大为减少。 锤本体包括驱动装置和打击力传递装置。锤驱动装置主要由桩锤、液压缸、液压控制阀等组成:打击力传递装置主要由桩与桩锤之间的缓

31、冲垫、桩帽等组成，在低噪声要求的环境中还有隔音装置。 2)液压系统液压打桩锤的液压系统主要由液压泵(定量泵或变量泵)、溢流阀、卸荷阀、换向阀(逻辑阀)、蓄能器、执行元件以及管路等组成。 3)电器控制系统 液压打桩锤一般采用先进的可编程逻辑控制器(即PLC)控制。控制方式有手动和自动打桩两种状态，桩锤下落高度的控制主要有时间设定方式和位置设定方式两种类型。本课题采用时间设定方式。 C3)液压打桩锤的分类 根据桩锤的下落方式可将液压打桩锤分为单作用下落式和双作用下落式两种类型。单作用方式即桩锤在自重的作用下以接近自由落体方式下落，如英国BSP公司的HH357-9型锤、日立公司生产的HNC型锤、美国

32、HPSI公司的Mode1650 - 3505型锤等;双作用下落方式即桩锤在自重和外力共同作用下以大于自由落体的加速度下落，因此，在相同行程、相同锤重时产生的打击力比单作用下落方式大得多，如日本车辆公司的NH型锤、荷兰IHC公司的SC型锤、芬兰Junttan公司的HHKA系列液压锤等。1.4 国内外发展现状 自从荷兰在1965年研制出液压打桩锤以来，80年代以后，液压打桩锤便很快在英国、芬兰、日本、美国等国家得到迅速发展。以下列举国外主要液压锤生产厂家及其液压锤特点。 芬兰的永腾公司是最早生产打桩设备的专业厂家之一。它主要生产两个系列(CHHK, HHK-A), 20余种不同型号的液压锤，都是采

33、用单作用自由下落式液压系统。两个系列最主要的区别是HHK-A系列采用了液压辅助落体的措施，来消除阻力的影响，真正实现自由落体。所以HHK-A系列与HHK系列相比，以相同的结构参数可产生相对较高的冲击能量。 英国的BSP国际基础也早在70年代开始系列生产液压锤，他们生产的产品也采用单作用自由下落式工作原理，但其液压系统象永腾公司的HHK-A系列一样，采取特别的增压措施消除阻力的影响，真正实现无阻力自由下落，提高了冲击的能量。 荷兰IHC公司是世界上最大的挖泥船制造厂商，其强大的机械制造能力使其生产的液压锤享誉世界。其生产的液压锤与众不同，采用了独特的双作用下落式工作原理。锤头在提升的过程中同时压

34、缩活塞上方的气体，上升到行程顶端时，供油阀关闭，回油阀打开。在下冲程中，活塞上方的压缩气体的附加能量作用在锤头上，和重力一起使锤头产生大于9. 8m/s的加速度，这样以较短的行程可以获得较大的能量，但因要求具有良好的密封性使其制造成本相应地提高了很多。 近年来，国内的一些建筑施工单位开始从国外进口液压打桩锤，而国内制造厂一也开始引进液压打桩锤技术进行试验、生产和技术开发。随着基础建设在我国的不断发展，液压打桩锤具有比较广阔的应用前景。但目前我国液压打桩锤仍处于发展阶段，技术和性能均不太完善。1.5 本课题的研究内容 本课题主要对双缸双作用液压打桩锤进行波动力学分析、液压系统建模与数值仿真以及控

35、制系统设计。各部分主要内容如下: (1)液压打桩锤的波动力学分析 液压打桩锤是利用冲击原理进行工作的。由于锤体和桩在撞击方向上的尺寸(轴向尺寸)比横向尺寸要大的多，将它们简化为质点运用古典碰撞理论进行分析显然是不合适的。本文运用冲击机械动力学中的二元冲击系统波动力学模型来模拟锤体、桩帽、桩之间的相互作用过程。找出三者之间的最佳匹配关系，用以指导液压锤的设计工作。 (2)液压系统建模与数值仿真 液压打桩锤是由液压泵、蓄能器、液压缸和桩锤等组成的综合性复杂系统。在充分消化吸收国外先进液压打桩锤工作原理的基础上，设计出六吨双缸双作用液压打桩锤。由于液压打桩锤在工作过程中，无论是锤体的上升还是下降，都

36、是一个变加速过程，液压系统中各个参数的变化很大，如果采用古典控制理论中的传递函数分析法，将会给液压系统动态特性的研究带来难以克服的困难。本课题采用现代控制理论中的状态空间分析法研究液压打桩锤液压系统的动态过程。即通过功率键合图建立液压系统的状态空间方程，运用数值仿真中的四阶龙格库塔法和预估一校正法相结合建立仿真程序，在Matlab6.5中编制M-file进行仿真。 (3)控制系统设计 液压打桩锤的工作环境比较恶劣，设计出性能可靠的控制系统是保证液压打桩锤正常工作的必要条件之一。可编程控制器(PLC)是近年来发展起来的一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术的新型控制器。它具有体积小

37、、功能强、灵活通用、维护方便、高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力等一系列优点。所以本课题中液压打桩锤的控制系统采用可编程控制器。第二章. 液压打桩锤的动力学分析 撞击是人类最早利用的自然现象之一。从远古时代的石器打制到现代工业文明中的锻造冲击，从微观粒子的相互碰撞到宏观天体的相互撞击，无一不是撞击现象的客观表现。撞击是物体的运动状态发生急剧变化的一种现象，其基本特征在于物体间动量的传递是在极短的时间内进行的，并伴随着产生了极大的作用力作用于撞击物体上。 根据撞击原理设计的机械，能产生峰值极大的力脉冲，具有输出能量密度大，结构紧凑等优点，特别适宜于要求实现工作对象的位移、变形和破坏等作业，因而在

38、土木工程、制造工业和矿业工程等领域得到了广泛的应用。 冲击机械是一类特殊的机械，它是以应力波的形式进行能量传递的。这就决定了它不能象处理一般机械一样，应用静力学、运动学和刚体运动学去阐述其工作原理。冲击机械原理属于弹性体动力学问题。弹性体动力学内容可分为两个主要部分:机械振动和机械波传播。这是因为研究系统中是振动还是波动取决于机械系统的零部件构形、约束条件和载荷条件。在一般的机械系统中，所研究对象在受力方向的几何尺寸相对其它方向的尺寸并没有太大的差异，故可不考虑波动过程而直接作为振动问题来分析，更为简单可行。冲击机械中有杆形部件，因而必须考虑波动过程。 冲击机械动力学的研究可追溯到十九世纪，B

39、ossiness和Saint-Tenant最早开始用应力波传播的概念来处理撞击问题，他们分别讨论了重块对直杆的撞击和两杆对撞问题。Hopkins on父子设计的传播纵波的压杆试验装置，至今仍被称为霍布金逊杆(SHPB)。到了二十世纪三十年代，才有人将波动力学研究应用在诸如冲击凿岩机和锻锤机械上。Lessens在蒸汽锻锤上进行测试工作，开创了冲击机械应力波狈(试的先河，他证实了在锤杆中不但有压应力，而且还有与压应力等幅的拉应力。且拉、压应力在锤杆中沿纵向反复传播。这一结论动摇了在冲击部件中只受压应力的传统观点。但由于受测试条件、手段以及计算技术的限制，直到二十世纪五十年代初，冲击机械系统的波动力

40、学研究也未引起工程界的足够关注，冲击机械系统的分析和设计仍停留在牛顿碰撞理论的水平上。在五十年代末随着电子示波器和电子计算机的普及和应用以及基于电子计算机的各种计算方法的不断完善，使得科学地对撞击问题中的波动方程进行进一步分析和求解成为可能。冲击机械系统波动力学研究开始引起各国学者的浓厚兴趣。在六十年代至七十年代期间，冲击机械系统动力学研究主要采用理论分析和实验研究相结合的方法，在有关应力波的产生、传播和耗散，各冲击部件动态特性、冲击机械与工作介质相互作用机理等方面均取得了许多积极的成果。进入八十年代后，冲击机械系统的动力学研究主要集中在数值模拟计算，以及冲击件疲劳强度分析与设计方面。各国学者

41、在先前的理论与实验研究所获得的数学模型基础上，研制了多种数值模拟程序，从而使冲击机械系统动力学的研究更加贴近实际的冲击机械。液压打桩锤就是冲击机械在土木工程中应用的实例之一。其工作原理是:锤体在重力和液压力作用下加速向下运动，通过中介物一缓冲垫和桩帽间接撞击工作对象一桩，利用撞击产生的冲击力克服桩周围土壤阻力，使其下沉，然后锤体在液压力的作用下作回程运动，如此往复，直至将桩打入预定的深度为止。2. 1一维弹性杆的波动方程 图2.1所示为一等截面直杆，下面讨论它沿纵向的运动。首先作两点假设:(1)在运动过程中，直杆的每个横截面始终保持为平面;(2)截面上的应力分布是均匀的。对任一长度为d x的微

42、元受力情况如图。根据牛顿第二定律，有式中p一一杆的材料密度(kglms ) ;A杆的截面积(m Z);u一一轴向位移(m);t一一时间(s);F一一单位截面积上的作用力(N);f一一单位长度杆之周边粘性阻尼系数X一一x方向的重力(N)由Hooker定律得这就是一维弹性杆标准波动方程。表2.1列出了常见材料的物理波参数。又由u的单值连续条件可得: 由上可见波动传播的物理量既可以是运动学参数，如位移、速度，也可以是其它物理量，如应力、应变和作用力。以上波动方程都是基于等截面假设推导出来的，当杆是变截面时，方程形式就有所不同。为了求解方便，常采用含有速度V和作用力F两个未知函数的一阶偏微分方程组，且

43、与仅含一个未知函数的二阶偏微分方程等价。将式(2.3)对t求偏导，可得: 上述只是一种近似处理，因为在推导过程中假定了应力波通过时，横截面仍保持平面，截面上的应力分布是均匀的。事实上，在弹性杆的纵向伸长和缩短的同时，必定伴随着横向收缩和膨胀，这个横向运动使弹性杆截面上分布的应力不均匀，横截面变歪曲了。但是，当弹性杆中的应力波波长比杆的横向尺寸大10倍以上时横向运动是可以忽略的。这也是应用一维波动方程研究冲击机械系统的前提条件。2. 2波动方程的数值解 波动方程有两种求解方法，即波动法和振动法。波动法能给出杆中各处任何时刻清晰的波形，而振动解是由级数形式给出的，取有限项，不能反映真实波形。在冲击机械系统动力学的研究中，一般只能采用波动法，而不宜采用振动叠加法。波动方程的通解，首先由D Lambert得到 称Z为弹性杆的波阻，它表征了杆对波动的传送能力。由以上分析可知，波动方程的通解由两个行波叠加而成。这两个波均以不变的波速。沿x轴传播，但传播方向相反。一般将沿x轴正向传播的波尸称为顺波，而将沿、轴负向传播的波Q称为逆波。由于函数P和Q的取值仅与e=x-Ct或E =x + ct有关，而与t无关，因此这两个波将随时间的发展在其传播过程中始终保持波形不变。一般将相平面x -t平面上的e=x