基本信息
- 项目名称：
- 电磁加速式打桩机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 建筑施工领域的打桩机分重力锤式和柴油锤式两种。前者落锤沉重，整机庞大，不便运输；后者以柴油爆燃为动力，噪声大、尾气排放严重，不符合未来施工“节能减排，绿色低碳”的趋势。为保证桩机行业的可持续发展，本作品采用新型的电磁弹射技术加速落锤。通过已制作完成的样品可看到，此种电磁加速式打桩机拥有无噪声污染、无尾气排放；动力来源（市电）清洁绿色；操作性、可控性好；制造和使用成本低等诸多优点。
- 详细介绍：
- 电磁弹射技术是未来工业、军事领域重要的前沿应用技术，它具有峰值作用力大、无声加速、无废气排放、可控性好等诸多优点，其在相关领域的部分应用（如军事领域中的电磁炮）即将改变传统军事模式。而其在工业领域的推广刚刚开始，说明其市场潜力非常可观。 在对现有的打桩技术进行分析后，可知新型打桩机必须拥有以下特点： 1 大幅度提高加速力峰值以缩短加速距离、减小落锤质量； 2 打桩动力来源必须绿色清洁以符合低碳环保要求； 3 落锤加速过程无噪声，无尾气排放以符合施工场地低噪声、低废气指标； 4 打桩机桩击动力参数随施工场地条件变化可调，可控性好，易于使用。 而采用电磁能作动力来源的电磁弹射技术则同时拥有以上优点。 在对各种电磁弹射方式进行进一步的研究后，考虑到发射物体为质量很大的钢制圆柱状落锤，我们最终选定使用电磁弹射领域中的“磁阻式”电磁弹射方式加速落锤。 磁阻式电磁弹射的应用原理是“最小磁阻原则”，即磁力线总是要沿着磁阻最小的路线闭合。所谓磁阻，是指处于磁场中的物质阻止线圈在其周围建立磁通的能力。这个原则的外在表现是：任何一个磁场都会产生磁动力矩，以使周围磁阻小的物体尽可能地进入其磁力线回路，而永磁铁吸引铁磁性物体就是这个原理的体现之一。本作品中，铁磁性物体即为落锤，通电的螺线管即为磁铁；而为获得较大的吸引力矩，需要为螺线管通一个强电流，这个强电流在本作品中通过电容放电产生。这样，螺线管，电容就建立起了电磁式桩击的最核心部分。 在每一次桩击过后，控制单元开启充电回路再次为电容充电，同时控制牵引着末端带有抓钩的卷扬机转动，将完成桩击的落锤提起至合适位置，等待电容充电完毕后再次进行桩击。 以上便是电磁加速式打桩机基本的工作流程。考虑到施工现场的环境和条件不同，桩击流程和参数可以在此基础上进一步修改细化，这时，全电化操纵所带来的“参数易修改”优点便可以很好地体现。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：设计一种电磁加速式打桩机，替代目前应用于建筑施工领域的柴油式打桩机，消除其动力来源（柴油）不可再生性强、尾气排放和噪声污染严重的缺点，以符合未来建筑施工领域对“节能减排”指标愈发严格的要求。 基本思路：以电能作为桩击动力来源；以电磁场可吸引、加速铁磁性物体作为原理依据；以大电流在螺线管中感生的磁场作为具体加速方式。 创新点：采用电容组（柜）高压放电所产生的大电流在螺线管中感生出强磁场，利用“磁阻最小原理”对钢制落锤进行加速。此种电磁力峰值极大且无噪声污染、无尾气排放，是一种全新的落锤加速方式；同时，由于引入了电磁场作为直接动力，故每次的桩击效果可用电容组（柜）的承压、容值两个参数进行全电化控制，方便操作。 主要技术指标：本作品是实际样品的缩小版本，可使100g落锤经30cm导轨加速，获得>20m/s的初速度（相当于400g落锤从100cm处自由落体的桩击动量），从而能在数次循环桩击过程后将桩打入预定深度。
科学性、先进性
- 1、采用峰值加速度很高的电磁力可大幅度缩短加速所需的距离（即减小桩机整体高度），消除了其重心过高易倒塌伤人的危险性，降低了其各型支撑部件的费用。 2、采用电磁力可在更短的距离内将落锤加速到更高速度，此时考虑动量定理并分两种情况： （1）重锤质量不变，但获得的速度更大，使得单次桩击作用力更大，进而使桩击次数减少。这样可以加快工程进度，降低人工成本； （2）单次击打力不变，可使重锤质量减小，各型支撑部件数量减少，使其更方便运输。 3、电磁加速属于无刷式感应加速，落锤加速过程无声无息，消除了噪声污染和尾气排放。 4、本作品来源于磁阻式电磁炮的拓扑，单次锤击力度取决于电容柜电压和容量值，可调性好，可以方便的在工地上进行调节，随时适应当地当时的打桩需求。 5、电磁加速式桩机的落锤要求为钢制，符合市场上所生产的重锤材质，改装时加入线圈和电容柜即可投入使用，无结构性变化，投产方便快捷，前景广阔。
获奖情况及鉴定结果
- 1.2011年4月，在学校“挑战杯”全国大学生学术科技作品竞赛中，获特等奖。 2.已提交相关专利四项，发明专利已进入实质审查阶段
作品所处阶段
- 缩小比例样品已制作完成，此样品能全面地反映出电磁弹射技术应用在打桩机上带来的诸多优点。
技术转让方式
- 尚无
作品可展示的形式
- 模型、样品、现场展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点：采用磁阻式电磁炮初级线圈拓扑来发射钢制重锤,可调节末端速度（即桩击力度），使用方便灵活。 优势：加速力峰值大，有效减少落锤加速距离；在保留原重锤时可加快施工进度，在保留原施工进度时可减小重锤质量及设备成本，加大运输灵活度；消除柴油锤的尾气排放污染和爆燃噪声，有效扩大了重锤式打桩机的应用范围；可根据施工现场情况随时调节落锤的打击力大小，可控性良好。 适应范围：任意一款落锤式打桩机在进行此种改造后将会更好地适应城市建设过程和污染、噪声标准，进入之前所不能进入的领域。 经济效益预测：落锤式打桩机其价格仅为旋挖式和静压式的10%到15%，价格便宜、易于使用。而在解决了困扰此种打桩机应用最大的难题——汽缸噪声、尾气排放和体积庞大之后，此种应用了全新技术的打桩机就可以应用与之前无法应用的领域，这必将会进一步扩大其市场。
同类课题研究水平概述
- 1 本作品对应的拓扑原型为电磁炮的一种——磁阻式电磁炮，这种电磁炮适于将大质量/超大质量的钢质物体进行加速。但其在国际范围内的研究非常少，在对SCI、EI检索源期刊进行全面检索后，所找出的146篇线圈(电磁)炮中，仅有8篇是对磁阻式电磁炮的描述和仿真。而我们在咨询了中国电磁发射学会后得知，国内对此种磁阻型电磁加速装置的研究也基本未开始，故而对其进一步深入研究的空间很大，其将来在工业生产的各个领域均拥有着不可估量的应用前景。 2 在完成本作品之前，我们已经在科技立项中花费了一年时间来进行磁阻式电磁炮的研究和制作。现采用4级加速模式的电磁炮在全球范围内的非官方研究所作品中各项参数均排名前列，技术应用已经成熟，故而我们对此种电磁加速模式在落锤式打桩机的应用上有很大的信心和把握。 3 国内对于此种无刷式电磁加速技术的应用十分罕见。我们进入中国专利局进行检索，查阅了对落锤式打桩机的各型改进。发现其均为对传统打桩模式边边角角上的性能优化，从未对其加速方式进行根本性改变，这种治标不治本的办法无法从本质上帮助落锤式打桩机进行使用范围扩展，抢占市场范围，故而我们的应用一旦投入使用，必然会对传统打桩行业的工业生产效益和实际应用带来巨大提升。
