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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 電磁加速式打樁機(jī)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 建筑施工領(lǐng)域的打樁機(jī)分重力錘式和柴油錘式兩種。前者落錘沉重，整機(jī)龐大，不便運(yùn)輸；后者以柴油爆燃為動(dòng)力，噪聲大、尾氣排放嚴(yán)重，不符合未來施工“節(jié)能減排，綠色低碳”的趨勢(shì)。為保證樁機(jī)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(jī)擁有無噪聲污染、無尾氣排放；動(dòng)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(diǎn)。
- 詳細(xì)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(diǎn)，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(chǎng)潛力非常可觀。 在對(duì)現(xiàn)有的打樁技術(shù)進(jìn)行分析后，可知新型打樁機(jī)必須擁有以下特點(diǎn)： 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(dòng)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(chǎng)地低噪聲、低廢氣指標(biāo)； 4 打樁機(jī)樁擊動(dòng)力參數(shù)隨施工場(chǎng)地條件變化可調(diào)，可控性好，易于使用。 而采用電磁能作動(dòng)力來源的電磁彈射技術(shù)則同時(shí)擁有以上優(yōu)點(diǎn)。 在對(duì)各種電磁彈射方式進(jìn)行進(jìn)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(chǎng)中的物質(zhì)阻止線圈在其周圍建立磁通的能力。這個(gè)原則的外在表現(xiàn)是：任何一個(gè)磁場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生磁動(dòng)力矩，以使周圍磁阻小的物體盡可能地進(jìn)入其磁力線回路，而永磁鐵吸引鐵磁性物體就是這個(gè)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(gè)強(qiáng)電流，這個(gè)強(qiáng)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(shí)控制牽引著末端帶有抓鉤的卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jìn)行樁擊。 以上便是電磁加速式打樁機(jī)基本的工作流程?？紤]到施工現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)一步修改細(xì)化，這時(shí)，全電化操縱所帶來的“參數(shù)易修改”優(yōu)點(diǎn)便可以很好地體現(xiàn)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的：設(shè)計(jì)一種電磁加速式打樁機(jī)，替代目前應(yīng)用于建筑施工領(lǐng)域的柴油式打樁機(jī)，消除其動(dòng)力來源（柴油）不可再生性強(qiáng)、尾氣排放和噪聲污染嚴(yán)重的缺點(diǎn)，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(yán)格的要求。 基本思路：以電能作為樁擊動(dòng)力來源；以電磁場(chǎng)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(chǎng)作為具體加速方式。 創(chuàng)新點(diǎn)：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(qiáng)磁場(chǎng)，利用“磁阻最小原理”對(duì)鋼制落錘進(jìn)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(shí)，由于引入了電磁場(chǎng)作為直接動(dòng)力，故每次的樁擊效果可用電容組（柜）的承壓、容值兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行全電化控制，方便操作。 主要技術(shù)指標(biāo)：本作品是實(shí)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(dòng)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(jìn)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(jī)整體高度），消除了其重心過高易倒塌傷人的危險(xiǎn)性，降低了其各型支撐部件的費(fèi)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(shí)考慮動(dòng)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(jìn)而使樁擊次數(shù)減少。這樣可以加快工程進(jìn)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(yùn)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?fù)?，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(jìn)行調(diào)節(jié)，隨時(shí)適應(yīng)當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的打樁需求。 5、電磁加速式樁機(jī)的落錘要求為鋼制，符合市場(chǎng)上所生產(chǎn)的重錘材質(zhì)，改裝時(shí)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(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.2011年4月，在學(xué)校“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中，獲特等獎(jiǎng)。 2.已提交相關(guān)專利四項(xiàng)，發(fā)明專利已進(jìn)入實(shí)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(jī)上帶來的諸多優(yōu)點(diǎn)。
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(chǎng)展示
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)：采用磁阻式電磁炮初級(jí)線圈拓?fù)鋪戆l(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(shì)：加速力峰值大，有效減少落錘加速距離；在保留原重錘時(shí)可加快施工進(jìn)度，在保留原施工進(jìn)度時(shí)可減小重錘質(zhì)量及設(shè)備成本，加大運(yùn)輸靈活度；消除柴油錘的尾氣排放污染和爆燃噪聲，有效擴(kuò)大了重錘式打樁機(jī)的應(yīng)用范圍；可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況隨時(shí)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(jī)在進(jìn)行此種改造后將會(huì)更好地適應(yīng)城市建設(shè)過程和污染、噪聲標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入之前所不能進(jìn)入的領(lǐng)域。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：落錘式打樁機(jī)其價(jià)格僅為旋挖式和靜壓式的10%到15%，價(jià)格便宜、易于使用。而在解決了困擾此種打樁機(jī)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(jī)就可以應(yīng)用與之前無法應(yīng)用的領(lǐng)域，這必將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大其市場(chǎng)。
同類課題研究水平概述
- 1 本作品對(duì)應(yīng)的拓?fù)湓蜑殡姶排诘囊环N——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(jìn)行加速。但其在國際范圍內(nèi)的研究非常少，在對(duì)SCI、EI檢索源期刊進(jìn)行全面檢索后，所找出的146篇線圈(電磁)炮中，僅有8篇是對(duì)磁阻式電磁炮的描述和仿真。而我們?cè)谧稍兞酥袊姶虐l(fā)射學(xué)會(huì)后得知，國內(nèi)對(duì)此種磁阻型電磁加速裝置的研究也基本未開始，故而對(duì)其進(jìn)一步深入研究的空間很大，其將來在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)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(xiàng)中花費(fèi)了一年時(shí)間來進(jìn)行磁阻式電磁炮的研究和制作?，F(xiàn)采用4級(jí)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(xiàng)參數(shù)均排名前列，技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟，故而我們對(duì)此種電磁加速模式在落錘式打樁機(jī)的應(yīng)用上有很大的信心和把握。 3 國內(nèi)對(duì)于此種無刷式電磁加速技術(shù)的應(yīng)用十分罕見。我們進(jìn)入中國專利局進(jìn)行檢索，查閱了對(duì)落錘式打樁機(jī)的各型改進(jìn)。發(fā)現(xiàn)其均為對(duì)傳統(tǒng)打樁模式邊邊角角上的性能優(yōu)化，從未對(duì)其加速方式進(jìn)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(jī)進(jìn)行使用范圍擴(kuò)展，搶占市場(chǎng)范圍，故而我們的應(yīng)用一旦投入使用，必然會(huì)對(duì)傳統(tǒng)打樁行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)效益和實(shí)際應(yīng)用帶來巨大提升。
