为研究液压桩锤的工作特性,提高桩锤系统的抗冲击性能,分析了桩锤冲击过程中各组成部件的运动和受力状况。以振动学理论为基础,建立了系统的力学模型以及动力学微分方程;利用模态分析的方法求解该微分方程,得到了桩锤系统的振动规律,通过求导进一步获得了速度、加速度以及各部件之间的相互作用力随时间变化的规律;并应用相关软件对冲击过程进行了仿真分析,研究结果表明冲击过程中砧铁的加速度变化剧烈,应采取一定控制策略将波动控制在合理范围之内。

Φ6.5 m砧铁属于特大型异形锻件,在液压打桩锤工作过程中需承受强烈振动和交变载荷,针对其采用传统自由锻工艺制造时存在的原材料损耗严重、三向性能差异大等问题,提出了Φ6.5 m砧铁锻件近净成形技术,总体工艺方案为自由锻制坯+胎膜锻成形。采用Forge锻造有限元仿真软件,对Φ6.5 m砧铁锻件的充型过程进行仿真,通过对载荷-行程曲线、充型效果、等效应变的点追踪、金属流动情况、应力状态、等效应变和动态再结晶的分析,优化了成形关键工艺参数及方法,经生产验证,与传统自由锻工艺相比,锻件减重63770 kg,单件节约钢锭126000 kg,解决了充型锻造压力超出设备极限载荷、锻件纤维组织流线不连续等问题,实现了Φ6.5 m砧铁锻件的近净成形。

基于瞬时冲击数值模拟分析,对2500 kJ液压打桩锤用砧铁及砧铁-替打组合结构进行深入数值仿真分析,针对所给出的8种砧铁和替打结构几何构型方案,从加工材料质量、能量传递效率、应力分布等方面进行了对比分析,综合考虑各项因素确定了砧铁及砧铁-替打组合结构的最优几何构型和材料要求。文中所建议的砧铁及砧铁-替打组合结构可满足最大冲击能2500 kJ作业时结构安全系数不小于2.5的要求;同时,冲击能量传递效率大于80%。