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基本信息
- 項目名稱：
- 電磁加速式打樁機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 建筑施工領(lǐng)域的打樁機分重力錘式和柴油錘式兩種。前者落錘沉重，整機龐大，不便運輸；后者以柴油爆燃為動力，噪聲大、尾氣排放嚴重，不符合未來施工“節(jié)能減排，綠色低碳”的趨勢。為保證樁機行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，本作品采用新型的電磁彈射技術(shù)加速落錘。通過已制作完成的樣品可看到，此種電磁加速式打樁機擁有無噪聲污染、無尾氣排放；動力來源（市電）清潔綠色；操作性、可控性好；制造和使用成本低等諸多優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 電磁彈射技術(shù)是未來工業(yè)、軍事領(lǐng)域重要的前沿應(yīng)用技術(shù)，它具有峰值作用力大、無聲加速、無廢氣排放、可控性好等諸多優(yōu)點，其在相關(guān)領(lǐng)域的部分應(yīng)用（如軍事領(lǐng)域中的電磁炮）即將改變傳統(tǒng)軍事模式。而其在工業(yè)領(lǐng)域的推廣剛剛開始，說明其市場潛力非?？捎^。 在對現(xiàn)有的打樁技術(shù)進行分析后，可知新型打樁機必須擁有以下特點： 1 大幅度提高加速力峰值以縮短加速距離、減小落錘質(zhì)量； 2 打樁動力來源必須綠色清潔以符合低碳環(huán)保要求； 3 落錘加速過程無噪聲，無尾氣排放以符合施工場地低噪聲、低廢氣指標(biāo)； 4 打樁機樁擊動力參數(shù)隨施工場地條件變化可調(diào)，可控性好，易于使用。 而采用電磁能作動力來源的電磁彈射技術(shù)則同時擁有以上優(yōu)點。 在對各種電磁彈射方式進行進一步的研究后，考慮到發(fā)射物體為質(zhì)量很大的鋼制圓柱狀落錘，我們最終選定使用電磁彈射領(lǐng)域中的“磁阻式”電磁彈射方式加速落錘。 磁阻式電磁彈射的應(yīng)用原理是“最小磁阻原則”，即磁力線總是要沿著磁阻最小的路線閉合。所謂磁阻，是指處于磁場中的物質(zhì)阻止線圈在其周圍建立磁通的能力。這個原則的外在表現(xiàn)是：任何一個磁場都會產(chǎn)生磁動力矩，以使周圍磁阻小的物體盡可能地進入其磁力線回路，而永磁鐵吸引鐵磁性物體就是這個原理的體現(xiàn)之一。本作品中，鐵磁性物體即為落錘，通電的螺線管即為磁鐵；而為獲得較大的吸引力矩，需要為螺線管通一個強電流，這個強電流在本作品中通過電容放電產(chǎn)生。這樣，螺線管，電容就建立起了電磁式樁擊的最核心部分。 在每一次樁擊過后，控制單元開啟充電回路再次為電容充電，同時控制牽引著末端帶有抓鉤的卷揚機轉(zhuǎn)動，將完成樁擊的落錘提起至合適位置，等待電容充電完畢后再次進行樁擊。 以上便是電磁加速式打樁機基本的工作流程?？紤]到施工現(xiàn)場的環(huán)境和條件不同，樁擊流程和參數(shù)可以在此基礎(chǔ)上進一步修改細化，這時，全電化操縱所帶來的“參數(shù)易修改”優(yōu)點便可以很好地體現(xiàn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計目的：設(shè)計一種電磁加速式打樁機，替代目前應(yīng)用于建筑施工領(lǐng)域的柴油式打樁機，消除其動力來源（柴油）不可再生性強、尾氣排放和噪聲污染嚴重的缺點，以符合未來建筑施工領(lǐng)域?qū)Α肮?jié)能減排”指標(biāo)愈發(fā)嚴格的要求。 基本思路：以電能作為樁擊動力來源；以電磁場可吸引、加速鐵磁性物體作為原理依據(jù)；以大電流在螺線管中感生的磁場作為具體加速方式。 創(chuàng)新點：采用電容組（柜）高壓放電所產(chǎn)生的大電流在螺線管中感生出強磁場，利用“磁阻最小原理”對鋼制落錘進行加速。此種電磁力峰值極大且無噪聲污染、無尾氣排放，是一種全新的落錘加速方式；同時，由于引入了電磁場作為直接動力，故每次的樁擊效果可用電容組（柜）的承壓、容值兩個參數(shù)進行全電化控制，方便操作。 主要技術(shù)指標(biāo)：本作品是實際樣品的縮小版本，可使100g落錘經(jīng)30cm導(dǎo)軌加速，獲得>20m/s的初速度（相當(dāng)于400g落錘從100cm處自由落體的樁擊動量），從而能在數(shù)次循環(huán)樁擊過程后將樁打入預(yù)定深度。
科學(xué)性、先進性
- 1、采用峰值加速度很高的電磁力可大幅度縮短加速所需的距離（即減小樁機整體高度），消除了其重心過高易倒塌傷人的危險性，降低了其各型支撐部件的費用。 2、采用電磁力可在更短的距離內(nèi)將落錘加速到更高速度，此時考慮動量定理并分兩種情況： （1）重錘質(zhì)量不變，但獲得的速度更大，使得單次樁擊作用力更大，進而使樁擊次數(shù)減少。這樣可以加快工程進度，降低人工成本； （2）單次擊打力不變，可使重錘質(zhì)量減小，各型支撐部件數(shù)量減少，使其更方便運輸。 3、電磁加速屬于無刷式感應(yīng)加速，落錘加速過程無聲無息，消除了噪聲污染和尾氣排放。 4、本作品來源于磁阻式電磁炮的拓撲，單次錘擊力度取決于電容柜電壓和容量值，可調(diào)性好，可以方便的在工地上進行調(diào)節(jié)，隨時適應(yīng)當(dāng)?shù)禺?dāng)時的打樁需求。 5、電磁加速式樁機的落錘要求為鋼制，符合市場上所生產(chǎn)的重錘材質(zhì)，改裝時加入線圈和電容柜即可投入使用，無結(jié)構(gòu)性變化，投產(chǎn)方便快捷，前景廣闊。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.2011年4月，在學(xué)?！疤魬?zhàn)杯”全國大學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競賽中，獲特等獎。 2.已提交相關(guān)專利四項，發(fā)明專利已進入實質(zhì)審查階段
作品所處階段
- 縮小比例樣品已制作完成，此樣品能全面地反映出電磁彈射技術(shù)應(yīng)用在打樁機上帶來的諸多優(yōu)點。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 尚無
作品可展示的形式
- 模型、樣品、現(xiàn)場展示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點：采用磁阻式電磁炮初級線圈拓撲來發(fā)射鋼制重錘,可調(diào)節(jié)末端速度（即樁擊力度），使用方便靈活。 優(yōu)勢：加速力峰值大，有效減少落錘加速距離；在保留原重錘時可加快施工進度，在保留原施工進度時可減小重錘質(zhì)量及設(shè)備成本，加大運輸靈活度；消除柴油錘的尾氣排放污染和爆燃噪聲，有效擴大了重錘式打樁機的應(yīng)用范圍；可根據(jù)施工現(xiàn)場情況隨時調(diào)節(jié)落錘的打擊力大小，可控性良好。 適應(yīng)范圍：任意一款落錘式打樁機在進行此種改造后將會更好地適應(yīng)城市建設(shè)過程和污染、噪聲標(biāo)準(zhǔn)，進入之前所不能進入的領(lǐng)域。 經(jīng)濟效益預(yù)測：落錘式打樁機其價格僅為旋挖式和靜壓式的10%到15%，價格便宜、易于使用。而在解決了困擾此種打樁機應(yīng)用最大的難題——汽缸噪聲、尾氣排放和體積龐大之后，此種應(yīng)用了全新技術(shù)的打樁機就可以應(yīng)用與之前無法應(yīng)用的領(lǐng)域，這必將會進一步擴大其市場。
同類課題研究水平概述
- 1 本作品對應(yīng)的拓撲原型為電磁炮的一種——磁阻式電磁炮，這種電磁炮適于將大質(zhì)量/超大質(zhì)量的鋼質(zhì)物體進行加速。但其在國際范圍內(nèi)的研究非常少，在對SCI、EI檢索源期刊進行全面檢索后，所找出的146篇線圈(電磁)炮中，僅有8篇是對磁阻式電磁炮的描述和仿真。而我們在咨詢了中國電磁發(fā)射學(xué)會后得知，國內(nèi)對此種磁阻型電磁加速裝置的研究也基本未開始，故而對其進一步深入研究的空間很大，其將來在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域均擁有著不可估量的應(yīng)用前景。 2 在完成本作品之前，我們已經(jīng)在科技立項中花費了一年時間來進行磁阻式電磁炮的研究和制作?，F(xiàn)采用4級加速模式的電磁炮在全球范圍內(nèi)的非官方研究所作品中各項參數(shù)均排名前列，技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟，故而我們對此種電磁加速模式在落錘式打樁機的應(yīng)用上有很大的信心和把握。 3 國內(nèi)對于此種無刷式電磁加速技術(shù)的應(yīng)用十分罕見。我們進入中國專利局進行檢索，查閱了對落錘式打樁機的各型改進。發(fā)現(xiàn)其均為對傳統(tǒng)打樁模式邊邊角角上的性能優(yōu)化，從未對其加速方式進行根本性改變，這種治標(biāo)不治本的辦法無法從本質(zhì)上幫助落錘式打樁機進行使用范圍擴展，搶占市場范圍，故而我們的應(yīng)用一旦投入使用，必然會對傳統(tǒng)打樁行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)效益和實際應(yīng)用帶來巨大提升。
