一种带自楔紧装置的打桩锤组合锤头的制作方法

1.本发明涉及桩工机械技术领域，具体涉及一种带自楔紧装置的打桩锤组合锤头。


背景技术：

2.液压打桩锤是为克服柴油锤噪声大、有污染而出现的一种新型工程桩工机械，它通过液压驱动装置带动锤头做上下往复运动，打击下砧座，下砧座再将锤头的打击动能传递到桩体上，驱动桩体下行贯入土壤，现已成为海洋油气田开采、海上风电基础施工、桥梁桩基施工等工程施工的关键设备。
3.现有技术中，打桩锤锤头一般采用整体锤头，这种锤头存在的缺点是：a由于是整体制造，尤其是大能量打桩锤，锤头质量达(或大于)175吨，具备此种钢锭熔炼、锻造、起吊、加工、热处理能力的厂家寥寥无几，导致制造成本高；b由于锤头打击下砧座的打击时间很短，导致锤头与下砧座之间、下砧座与桩之间的冲击应力较高，尤其在每锤贯入度小于2毫米(此种现象称为“拒锤”)时，冲击应力峰值更大，更容易发生锤头镦粗、桩头开裂现象。
4.中国专利文献zl 2013203105754公开了一种打桩锤组合锤头，通过副锤头叠放在主锤头上，主锤头与副锤头之间设置有第一吸振弹性元件，主锤头与副锤头之间通过弹性连接组件连接成一个整体。该技术可以在保证打击能量不变的基础上，有效控制最大打击力，减少打击反弹，延长锤击时间，提高打桩的贯入度，可有效保护混凝士预制桩桩头。但该技术存在大能量打桩条件下，副锤头冲击反弹力较大而导致的副锤头与主锤头连接机构损坏失效的缺陷，尤其在大能量打桩且桩体“拒锤”情况下，副锤头与主锤头连接机构更加容易损坏失效、影响液压打桩锤可靠性的问题。
5.中国专利文献zl2014106736606公开了一种液压打桩锤用组合锤头，将锤体内部设计为中空结构，中空腔体内部填充有金属颗粒填充物而形成组合锤头，锤头打击时，金属颗粒填充物滞后于锤体。该技术有效改善锤头冲击时的应力波形，降低应力波的峰值至最低要求值，并延长应力波在峰值状态的传递时间，在提高冲击能的传递效率和打桩贯入度的同时，降低打桩锤及桩所承受的冲击力，有利于提高打桩锤的寿命，保护桩体不被打坏。该技术也存在副锤头与主锤头连接机构容易损坏失效的不足，同时还存在着金属颗粒填充物的比重小，与相同质量的锤头比较，体积更大的缺点，并且还存在由于金属颗粒不断打击中空腔体内壁，长时间工作后会造成腔体壁厚减薄现象，影响锤头寿命的缺陷。


技术实现要素：

6.针对以上问题，本发明提供了一种带自楔紧装置的打桩锤组合锤头，通过在主锤头上安装副锤头组件、预紧装置和阻挡装置，从而实现了该组合锤头的延长锤击时间、降低应力波的峰值的效果，在提高冲击能的传递效率和打桩贯入度的同时，降低打桩锤及桩所承受的冲击力，有利于提高打桩锤的寿命，保护桩体不被打坏。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种带自楔紧装置的打桩锤组合锤头，包括主锤头、以及设置在主锤头上的副锤头组件、预紧装置和阻挡装置，所述预紧
装置和阻挡装置依次设于副锤头组件的上方；
8.所述副锤头组件包括由上至下依次叠加设置的第一副锤头、第二副锤头和第三副锤头，所述第一副锤头和第二副锤头之间、第二副锤头和第三副锤头之间、以及第三副锤头和主锤头之间均留有间隙；所述第一副锤头与第二副锤头的间隙处设有第一弹性垫圈，所述第二副锤头与第三副锤头的间隙处设有第二弹性垫圈，所述第三副锤头与主锤头的间隙处设有第三弹性垫圈；
9.所述第一副锤头的中心位置设有一圆锥孔，所述圆锥孔内安装有开口锥套，所述开口锥套安装于圆锥孔内后，其开口锥套底部的小端端面与圆锥孔内小端端面之间形成有间隙，所述开口锥套顶部的大端端面凸出于第一副锤头的上端面并与预紧装置之间形成有间隙。
10.优选地，所述预紧装置包括套接在主锤头上的碟簧座，所述碟簧座上开设有若干个碟簧安装孔，若干个碟簧安装孔呈圆周状均匀间隔分布，每个所述碟簧安装孔内均安装有碟簧组件。
11.优选地，所述碟簧组件顶部设有碟簧压紧块，所述碟簧压紧块上设置碟簧压盖，碟簧压盖通过碟簧压紧块和螺杆组件给碟簧组件施加预紧力，所述碟簧压盖的下端面与碟簧座的上端面形成有间隙。
12.采用上述技术方案，通过碟簧压紧块安装于碟簧座的碟簧安装孔内，起到碟簧压紧和导向作用。
13.优选地，所述阻挡装置包括套接在主锤头上的限位圈、以及套接在限位圈外圆上的热套圈，所述限位圈外圆与热套圈内孔之间设有台阶，所述限位圈外圆与热套圈内孔之间过盈连接。
14.优选地，所述主锤头的顶部设有卡键槽，所述卡键槽内安装有半圆形卡键，所述半圆形卡键与热套圈内孔之间留有间隙。
15.优选地，所述第一副锤头和第二副锤头之间的间隙为δ4，所述第二副锤头和第三副锤头之间的间隙为δ5，所述第三副锤头和主锤头之间的间隙为δ6，所述δ4、δ5和δ6分别为第一弹性垫圈、第二弹性垫圈和第三弹性垫圈的弹性变形量，所述δ4、δ5和δ6为弹性变形量的大小，根据第一副锤头、第二副锤头和第三副锤头所处位置的冲击能量的不同经计算确定：δ4＜δ5＜δ6。
16.优选地，所述第一弹性垫圈、第二弹性垫圈和第三弹性垫圈的左右两侧均留有间隙，该间隙用于容纳弹性垫圈向左右两侧的变形体积。
17.优选地，所述开口锥套的外圆为圆锥形，所述开口锥套的内孔为圆柱孔，所述开口锥套沿母线剖切一间隙为δ9的开口。
18.本发明的组合锤头向下加速运动：主锤头在油缸驱动下向下做加速运动，主锤头将油缸向下的驱动力，通过阻挡装置、预紧装置和开口锥套的组合作用，依次传递给第一副锤头、第二副锤头和第三副锤头，实现副锤头与主锤头的同步向下加速运动。
19.本发明有益效果：
20.本发明通过在主锤头上安装副锤头组件、预紧装置和阻挡装置，使得组合锤头向下加速运动时实现了延长锤击时间、降低应力波的峰值的效果，在提高冲击能的传递效率和打桩贯入度的同时，降低打桩锤及桩所承受的冲击力，有利于提高打桩锤的寿命，保护桩
体不被打坏；并有效提高了组合锤头连接机构的可靠性，降低了打桩锤锤头的制造成本。
附图说明
21.图1是本发明的打桩锤组合锤头的剖视图；
22.图2是本发明的打桩锤组合锤头的俯视图；
23.图3是图1的a
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a向剖视图；
24.图4是图1的b
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b向剖视图。
25.图中：1、主锤头，2、半圆形卡键，3、限位圈，4、热套圈，5、螺杆组件，6、碟簧压盖，7、碟簧压紧块，8、碟簧组件，9、碟簧座，10、开口锥套，11、第一副锤头，12、第一弹性垫圈，13、第二副锤头,14、第二弹性垫圈，15、第三副锤头,16、第三弹性垫圈，17、开口。
具体实施方式
26.下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.参照图1
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图4，一种带自楔紧装置的打桩锤组合锤头，包括主锤头1、以及设置在主锤头1上的副锤头组件、预紧装置和阻挡装置，所述预紧装置和阻挡装置依次设于副锤头组件的上方；
28.所述副锤头组件包括由上至下依次叠加设置的第一副锤头11、第二副锤头13和第三副锤头15，所述第一副锤头11和第二副锤头13之间、第二副锤头13和第三副锤头15之间、以及第三副锤头15和主锤头1之间均留有间隙；所述第一副锤头11与第二副锤头13的间隙处设有第一弹性垫圈12，所述第二副锤头13与第三副锤头15的间隙处设有第二弹性垫圈14，所述第三副锤头15与主锤头1的间隙处设有第三弹性垫圈16；
29.所述第一副锤头11的中心位置设有一圆锥孔，所述圆锥孔内安装有开口锥套10，所述开口锥套10安装于圆锥孔内后，其开口锥套10底部的小端端面与圆锥孔内小端端面之间形成有间隙，所述开口锥套10顶部的大端端面凸出于第一副锤头11的上端面并与预紧装置之间形成有间隙。
30.具体的，第一副锤头11、第二副锤头13和第三副锤头15同轴装配于主锤头1上，所述第一副锤头11和第二副锤头13之间的间隙为δ4，所述第二副锤头13和第三副锤头15之间的间隙为δ5，所述第三副锤头15和主锤头1之间的间隙为δ6，所述δ4、δ5和δ6分别为第一弹性垫圈12、第二弹性垫圈14和第三弹性垫圈16的弹性变形量，所述δ4、δ5和δ6为弹性变形量的大小，根据第一副锤头11、第二副锤头13和第三副锤头15所处位置的冲击能量的不同经计算确定：δ4＜δ5＜δ6。
31.其中，所述第一弹性垫圈12、第二弹性垫圈14和第三弹性垫圈16的左右两侧均留有间隙，该间隙用于容纳弹性垫圈向左右两侧的变形体积。
32.具体的，所述开口锥套10的外圆为圆锥形，所述开口锥套10的内孔为圆柱孔，外圆圆锥锥度λ满足自锁条件，所述开口锥套10沿母线剖切一间隙为δ9的开口17。该开口锥套10
安装于第一副锤头11中间的与开口锥套锥度一致的圆锥孔内，开口锥套10装入第一副锤头11后，开口锥套小端端面与圆锥孔内小端端面形成δ3间隙，开口锥套大端端面凸出于第一副锤头11上端面形成δ2距离。
33.具体的，所述预紧装置包括套接在主锤头1上的碟簧座9，所述碟簧座9上开设有若干个碟簧安装孔，若干个碟簧安装孔呈圆周状均匀间隔分布，且若干个碟簧安装孔与碟簧座9的中间孔同轴设置，每个所述碟簧安装孔内均安装有碟簧组件8。其中，碟簧安装孔数量按需要的阻止副锤头反弹力大小，通过计算确定；且碟簧组件8的压缩行程、弹性力大小，通过计算确定。这里设碟簧组件总弹性力f，要求f大于驱动第一副锤头11、第二副锤头13和第三副锤头15作向下加速运动的驱动力，要求碟簧组件8总弹性力f*碟簧压盖下端面与碟簧座上端面距离δ1所得的功＞第一副锤头11、第二副锤头13和第三副锤头15的反弹冲击功。
34.具体的，所述碟簧组件8顶部设有碟簧压紧块7，所述碟簧压紧块7上设置碟簧压盖6，碟簧压盖6通过碟簧压紧块7和螺杆组件5给碟簧组件8施加预紧力，所述碟簧压盖6的下端面与碟簧座9的上端面形成有间隙。
35.其中，碟簧压紧块7安装于碟簧座9的碟簧安装孔内，起到碟簧压紧和导向作用；碟簧压盖6通过碟簧压紧块7和螺杆组件5给碟簧组件施加预紧力，碟簧压盖6下端面与碟簧座9上端面形成δ1间隙，并保持总长l，δ1需大于开口锥套的预计楔入量(该预计楔入量为开口锥套在第一副锤头锥孔内的向下位移量，需考虑第一副锤头的弹性变形和开口锥套、第一副锤头制造精度等因素确定)，装配时，上述间隙、总长的实际值均小于δ1、l，以保证半圆形卡键的顺利装入。
36.具体的，所述阻挡装置包括套接在主锤头1上的限位圈3、以及套接在限位圈3外圆上的热套圈4，所述限位圈3外圆与热套圈4内孔之间设有台阶，所述限位圈3外圆与热套圈4内孔之间过盈连接。
37.其中，为保证热套圈4在冲击振动下不会向上位移，限位圈3外圆和热套圈4内孔设计有台阶δ8；限位圈3外圆和热套圈4内孔设计有单边过盈量α,设定限位圈3和热套圈4装配间隙单边量为β，设定热套圈4加热后的直径膨胀量为λ，需满足2*δ8 2*α 2*β＜λ。
38.具体的，所述主锤头1的顶部设有卡键槽，所述卡键槽内安装有半圆形卡键2，该半圆形卡键2与卡键槽配合，所述半圆形卡键2与热套圈4内孔之间留有间隙，该间隙为δ7。
39.本发明的装配顺序
40.1、锤体装置装配：第一副锤头、第二副锤头、第三副锤头依次装配于主锤头上；
41.2、开口锥套装配：开口锥套装配于主锤头和第一副锤头上；
42.3、预紧装置装配：预紧装置部件预装后将预紧装置部件装配于主锤头上；
43.4、阻挡装置装配：先将限位圈装配于碟簧压盖上，再将两件半圆(或多件圆弧)形卡键装配于主锤头的卡键槽内，加热热套圈至合适温度，当热套圈的直径膨胀量λ满足：λ＞2*δ8 2*α 2*β时,快速将热套圈装配于限位圈上；
44.5、待热套圈冷却至常温时，松开预紧螺杆螺母组件中的螺母，拆卸螺杆，将碟簧弹力通过碟簧座释放到开口锥套上。
45.本发明的工作原理
46.a、组合锤头向下加速运动：主锤头在油缸驱动下向下做加速运动，主锤头将油缸向下的驱动力，通过阻挡装置、预紧装置、开口锥套的组合作用，依次传递给第一副锤头、第
二副锤头和第三副锤头，实现第一副锤头、第二副锤头和第三副锤头与主锤头的同步向下加速运动，这其中，簧组件总弹性力f始终作用于开口锥套。
47.b、组合锤头打击下砧座
48.在组合锤头的主锤头接触下砧座瞬间，主锤头率先将动能传递给下砧座，由于主锤头与副锤头、副锤头与副锤头之间装配有弹性垫圈并留有间隙，使得第三副锤头与主锤头的动能传递将滞后一段时间，同理第二副锤头与第三副锤头、第一副锤头与第二副锤头之间的动能传递也将滞后一段时间，这就实现了延长锤击时间、降低应力波的峰值的效果，在提高冲击能的传递效率和打桩贯入度的同时,降低打桩锤及桩所承受的冲击力,有利于提高打桩锤的寿命,保护桩体不被打坏。
49.在第一副锤头、第二副锤头和第三副锤头向主锤头传递动能的同时，间隙δ4、δ5、δ6变小，间隙δ2将增大，此时，由于簧组件总弹性力f始终作用于开口锥套并推动开口锥套下移，保持δ2不变，使得δ1增大。
50.在第一副锤头、第二副锤头和第三副锤头向主锤头传递动能结束时，由于由碟簧压盖、碟簧压紧块、碟簧组件、碟簧座、预紧螺杆螺母组件组成的预紧装置也具有一定的动能，该动能作用于开口锥套，并给开口锥套向下施加楔紧力f，根据斜楔增力原理，开口锥套内孔抱紧主锤头的正压力fz被放大,fz＝2*圆锥锥度λ*楔紧力f,最后使得开口锥套与主锤头的摩擦力增大。
51.c、副锤头的反弹阻止
52.组合锤头打击下砧座，将组合锤头动能传递给下砧座，一方面下砧座将该动能的一部分传递给桩体，驱动桩体向下贯入土壤中；另一方面，组合锤头动能使得下砧座发生弹性变形(转变成下砧座内能，该内能在组合锤头脱离下砧座时，下砧座的弹性变形复位，内能被释放)，还有一部分动能转变成热能、声能和光能。
53.在桩体贯入阻力适当时，大部分的组合锤头动能转变成桩体贯入需要的能量；在桩体贯入阻力很大，尤其在每锤贯入度小于2毫米(此种现象称为“拒锤”)时，组合锤头与下砧座、主锤头与副锤头、副锤头与副锤头之间会发生类似于弹性碰撞的撞击，巨大的反弹力将驱动副锤头上移，继而将反弹力传递给其他结构的主副锤头连接装置，会造成连接装置的非预期失效。由于本发明中的开口锥套在遇到向上反弹力时，向上反弹力将被转化2*λ倍数反弹力的、开口锥套对主锤头的抱紧力(正压力)，正压力，反弹力越大抱紧力更大，开口锥套与主锤头的摩擦力更大，继而阻止了副锤头的反弹上移，减小了碟簧和半圆卡键的受力，提高了组合锤头连接机构的可靠性。
54.综上所述，本发明延长锤击时间、降低应力波的峰值的效果，在提高冲击能的传递效率和打桩贯入度的同时,降低打桩锤及桩所承受的冲击力,有利于提高打桩锤的寿命,保护桩体不被打坏；提高了组合锤头连接机构的可靠性；降低了打桩锤锤头的制造成本。
55.以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。