1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化桥梁打桩机系统设计一、课题研究意义及现状桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物一种创造，是最古老、最基本的一种基础类型。近几年随着交通基础设施建设的不断发展，以高桩码头、深水桩基桥梁为代表的桩基工程的应用领域不断扩大，与此相适应，不同规模、不同型式的打桩机也相继出现。打桩锤式将桩贯入工作介质中的沉桩设备。从目前桩基础施工设备使用情况看，打桩机械主要包括柴油打桩锤、振动式桩锤和液压打桩锤, 柴油打桩锤属于冲击式打桩机械，是目前我国用于打桩的主要机种，占桩机数量的65，国内有十几家公司在生产。柴油打桩锤的特点是：冲击力大，对各种地质条件适应性强，可以容易的穿透
2、砂层，另外，柴油爆燃时还可产生一个压桩力，可提高作业效率。因此柴油锤得到广泛应用。但它也存在下列热效率低、能量传递效率低、噪音大、可控性差，很容易产生断桩等主要缺点，近年来在世界各地的用量逐步减少，逐渐被液压打桩锤取代。液压打桩锤作为一种新型的打桩设备，在国外发展比较成熟，如美国、德国、日本和荷兰相继研制出了这种打桩设备。与目前较常用的柴油锤相比，桩的可打入性精度高，具有能量传递效率高、结构简单、噪声污染小、打击能量易于控制、适合各类土层和桩型等优点，进行新型液压打桩锤的研究和开发，对于环保、节能、促进技术进步有重要意义。但国内液压打桩锤发展起步较晚，大多是引进国外技术和对其液压系统仿真，系统
3、的研究还比较少。本文将针对液压打桩锤的特点和发展趋势，以液压打桩锤实验装置为基础，改进液压系统，在分析液压打桩实验装置继继电器控制系统和典型电气控制原理的基础上，提出应用PLC控制的基本方法和途径。二、课题研究的主要内容和预期目标主要研究内容：（1 ）传统的打桩机与现在新型打桩机的差别。（2 ）能否改善传统打桩机的缺点。（3 ）控制系统设计，数据仿真。（4 ）液压系统集成式设计及液压元件的确定（5 ）液压打桩锤的 PLC 控制系统设计预期目标：（1 ）掌握打桩机基本原理；（2 ）完成故障诊断中故障数据的提取、分析和处理；（3 ）完成基本系统设计；（4 ）根据假设条件建立了新型打桩锤液压系统的动
4、态数学模型，运用 PLC 做出实物。完成一篇毕业论文。三、课题研究的方法及措施1、检索相关文献，了解相关技术背景、成果及方案，并学习故障诊断的相关内容。2、在完成步骤 1 的基础上，学习液态打桩机基本原理。3、能初步运用西门子 S7-200 PLC 做出实物分析。4、技术文档总结，完成毕业论文系统控制方式包括：继电器控制、单片机控制、PLC 控制。目前市场常见的打桩锤大多是继电器控制即为硬接线，利用继电器触点和时间和时间继电器组合形成控制系统，单片机作为计算机的一个重要分支，随着计算机的快速发展，单片机也突飞猛进的发展，由单片机构成的控制系统主要由传感器、滤波器、A/D 转换器等组成，主要用于
5、智能仪表、实时控制、工业控制等方面。PLC 是将控制逻辑以程序方式存储到存储器中，若要改变控制逻辑，只要改变程序，具有控制方便，触点数不受限制，可扩展性好，控制精度高等优点。本文采用 PLC 控制方式。四、课题研究进度计划2010-10-18至2010-12-03：查寻资料，完成文献综述、外文翻译、开题报告2010-12-03至2011-01-21：设计与写论文；2011-01-21至2011-04-01：修改并完善论文，上传初稿；2011-04-04至2011-04-15：上交论文成果，做好答辩用的PPT，准备答辩；2011-04-17、05-08、05-15：答辩2011-05-15至20
6、11-05-17：提交所有资料（包括电子文档） 。5、参考文献1 刘古岷，王渝，韩国庆 桩工机械M 北京：机械工业出版社 20012 罗春雷，胡均平等ZCY 液压打桩锤J 建筑机械，2002(12)：4345 3 李永堂，雷步芳液压系统建模与仿真M 北京：冶金工业出版社， 20034 张利平液压泵及液压马达原理、使用与维护M 北京：化学工业出版社， 20095 马雅丽，黄志坚蓄能器实用技术M 北京：化学工业出版社， 20076 何清华，郭勇，朱建新液压冲击机构研究设计M长沙：中南工业大学出版社，19957 史恩秀，黄玉美，李永堂 0.5T 电液锤液压控制系统的研究J机械科学与技术，2002，2
7、1(3) ： 3683698 严东兵，徐绍军，王群，等新型氮爆式液压桩锤设计与分析J现代制造工程，2008(12)9 夏勇，徐绍军. 氮爆式液压打桩锤动参数分析及液压管路设计研究D.中南大学，200910 Lei Bufang，Li Yongtang，Liu Jiansheng. Research on the Energy Economization of Electro-hydraulic HammerJ . Chinese Journal of Mech Eng，2000， （1）：6469 11 Garland Likins: Hydraulic Hammers and GRLWEAP
8、, Newslettr, April 1995毕业论文文献综述电气工程及自动化液压打桩机摘 要：桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的一种基础类型。近几年随着交通基础设施建设的不断发展，液压打桩机作为一种新型的打桩设备，在国外发展比较成熟。与目前较常用的柴油机相比，桩的可打入性精度高，具有能量传递效率高、结构简单、噪声污染小、打击能量易于控制、适合各类土层和桩型等优点，进行新型液压打桩锤的研究和开发，对于环保、节能、促进技术进步有重要意义。关键词：打桩系统；液压打桩锤；PLC；高压蓄能器打桩机是一种利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械。 1由桩锤、桩架及附属设备等组成。打
9、桩机的基本技术参数是部分重量、冲击动能和冲击频率。近几年随着交通基础设施建设的不断发展，以高桩码头、深水桩基桥梁为代表的桩基工程的应用领域不断扩大，与此相适应，不同规模、不同型式的打桩机也相继出现。打桩机械主要包括柴油打桩锤、振动式桩锤和液压打桩锤。柴油打桩锤的特点是：冲击力大，对各种地质条件适应性强，可以容易的穿透砂层，另外，柴油爆燃时还可产生一个压桩力，可提高作业效率。因此柴油锤得到广泛应用。但它也存在下列热效率低、能量传递效率低、噪音大、可控性差，很容易产生断桩等主要缺点，近年来在世界各地的用量逐步减少，逐渐被液压打桩锤取代。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
10、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。 2液压打桩机作为一种新型的打桩设备，与目前较常用的柴油锤相比，具有能量传递效率高、结构简单、噪声污染小、打击能量易于控制等优点，进行新型液压打桩机的研究和开发，对于环保、节能、促进技术进步有重要意义。 31.1 打桩机种类打桩机按照动力来源来分为：落锤、气锤、柴油锤、液压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
11、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。1.2 液压打桩机系统工作过程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。 4液压打桩锤正被广泛地应用于工业建筑
12、、民用建筑、道路、桥梁以及水中桩基施工(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。它体现了传统的打桩技术（落锤）和现代控制理论（液压传动）的有机结合。1.3 油路系统设计采用全液压控制，选用国产液压元件。运动要求:设计满足要求的液压回路系统，选择液压泵、蓄能器、油缸和液压阀之间的匹配方式。在不提高甚至降低能耗和桩锤重量的前提下，提高打击能量和打击频率。桩锤行程可调，运动平稳，经
13、济性能好。结构简单、紧凑。油路系统可靠，维护、维修及操作方便。 51.3.1 工作原理本液压系统为双作用液压打桩锤，一个工作周期主要包括桩锤上升、桩锤下降和保压三个阶段。 61.4 液压打桩机控制方案(1)满足控制对象的工况要求；(2)在满足系统动作要求的前提下，控制系统要简单、实用、成本低；(3)系统稳定可靠，功能完善，远程控制，操作方便；(4)系统设计要有一定的前瞻性，为以后生产发展和工艺改进留有充足的扩展余地。 7液压打桩机 PLC 控制系统主要内容包括: 系统的运动和动力控制，动态数据测量与显示及报警和紧急制动功能。液压打桩机的工作过程就是运动和动力传递过程。是将液压压力能转化成液压缸
14、活塞杆带动桩锤的冲击能，通过控制各种阀的启闭，实现桩锤运动方式的切换，桩锤上升、下打与保压的动作的切换，调整桩锤的工作行程，实现桩锤打击力的控制。工作过程中，需要测量与显示主要元件和位置的压力，打桩过程中的桩帽、桩头和桩周土的动力学特性。动态特性数据包括:液压泵、高、低压蓄能器，油腔上下腔的压力，打击过程中的下打速度、加速度，锤击次数(包括单桩打击次数和液压锤总的打桩次数) ，打击时的噪声，根据以上测量到的参数，计算液压打桩锤的打击效率。 8桩施工的场地处于变化之中，在打桩过程中会出现桩锤的下降速度过快，打击能量过大，打击行程与设定行程不一致等现象，因此，在设计控制系统时需要安装检测器件对其进
15、行检测，并自动地做出反应，及时报警，显示出错信息。 91.5 控制系统的实现系统控制方式包括:继电器控制，单片机控制和 PLC 控制方式。目前市场所见的打桩机大多采用继电器控制，即为硬接线，利用继电器触点和时间继电器组合形成控制系统。单片机作为计算机的一个重要分支，随着计算机的快速发展，单片机也得到突飞猛进的发展，使其与其它检测器件组合满足控制，测量等控制要求。采用单片机控制，具有性价比高、集成度高，低功耗、可以对测量出的数据进行处理、存储、显示和打印，便于扩展等特点。由单片机构成的控制系统主要由传感器、滤波器、A/D 转换器等组成，主要用于智能仪表、实时控制、工业控制等方面，液压打桩机也可采
16、用单片机控制。 10PLC(可编程序逻辑控制器)源于上个世纪 70 年代，是将控制逻辑以程序方式存储到存储器中，若要改变控制逻辑，只需改变程序，具有控制方便，触点数不受限制，可扩展性好，控制精度高等优点。PLC 控制成本较高，系统稳定性高。本系统采用 PLC 控制方式。1.5.1 选择 PLC 时的问题1、PLC 容量选择；2、PLC 输入输出方式选择；输入输出模块是 PLC 与外界连接的接口，输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号:一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拔码开关等的开关量的输入信号;另一类是电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号
17、。输出信号用来连接被控对象中的各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯，调节阀，调整装置等。3、被控对象对 PLC 响应时间要求；4、是否进行通讯联网；5、外界环境对 PLC 设备的影响及其对策；PLC 及其电路多由半导体电路，晶体管，电阻，电容等元器件组成。温度、湿度及冲击对 PLC 本身的可靠性和寿命都有影响。尤其是液压打桩锤多在野外比较恶劣的环境中施工，所以应考虑改善环境策略。如在环境过高时，在控制系统柜中安装风扇或冷风机;冬季施工时，设置加热器;在控制柜中设置吸湿剂以防潮湿;采取安装防振橡皮和紧固可能松动的元器件等措施。6、供电系统；采用隔离变压器、不间断电源或双电路供电系统以确保 PL
18、C 以其外部设备正常工作。111.6 西门子 S7-200PLC西门子 S7-200，CPU 224 型，其输入、输出、CPU、电源模块均装设在一个基本单元的机壳内，是典型的整体式结构。CPU 224 型可编程控制器由 CPU、存储器、基本 I/O 接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。它具有 24 个输入点和 16 个输出点。参考文献 1 刘古岷，王渝，韩国庆 桩工机械M北京：机械工业出版社20012 罗春雷，胡均平等ZCY液压打桩锤J建筑机械，2002(12)：43453 张利平液压泵及液压马达原理、使用与维护M北京：化学工业出版社，20094 何清华，郭勇，朱建新液压冲击机构研究设计
19、M长沙：中南工业大学出版社，19955 马雅丽，黄志坚蓄能器实用技术M北京：化学工业出版社。20076 史恩秀，黄玉美，李永堂 0.5T电液锤液压控制系统的研究J机械科学与技术，2002，21(3)：3683697 严东兵，徐绍军，王群，等新型氮爆式液压桩锤设计与分析J现代制造工程，2008(12)8 李永堂，雷步芳液压系统建模与仿真M北京：冶金工业出版社，20039 夏勇，徐绍军. 氮爆式液压打桩锤动参数分析及液压管路设计研究D.中南大学，200910 Lei Bufang，Li Yongtang，Liu Jiansheng. Research on the Energy Economiza
20、tion of Electro-hydraulic HammerJ . Chinese Journal of Mech Eng，2000，（1）：646911 Garland Likins: Hydraulic Hammers and GRLWEAP, Newslettr, April 1995毕业设计（20_ _届）桥梁打桩机电气系统设计摘 要桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的一种基础类型。近几年随着交通基础设施建设的不断发展，以高桩码头、深水桩基桥梁为代表的桩基工程的应用领域不断扩大，与此相适应，不同规模、不同型式的打桩机也相继出现。液压打桩锤作为一种新型的打桩设备，在国外发展比较成熟，如美国、德国、日本和荷兰相继研制出了这种打桩设备。与目前较常用的柴油锤相比，桩的可打入性精度高，具有能量传递效率高、结构简单、噪声污染小、打击能量易于控制、适合各类土层和桩型等优点，进行新型液压打桩锤的研究和开发，对于环保、节能、促进技术进步有重要意义。本文将针对打桩机的特点和发展趋势，以液压实验装置为基础，改进液压系统，在分析液压打桩实验装置继继电器控制系统和典型电气控制原理的基础上，提出应用 PLC 控制液压打桩机的方法和途径。关键词：液压打桩锤；高压蓄能器；结构设计；PLC 控制
