强夯机的技术现状与发展_王欣

在第十一届中国国际工程机械展览会上，强夯机进入了人们的视野。

如果说强夯机之前的发展还是默默无闻，那么在展会上随处可见的强夯机把悄然成长的强夯机行业带到了人前。

从杭州重型等专业生产厂家数十年的积累和发展，到徐工建机、中联重科、三一科技等工程机械龙头企业的集体涉足，使强夯机这个由来已久、火在当下的产品在展会上一经亮相便引起广泛关注。

这当然离不开国内工程建设的需要。

随着我国“十二五”规划的全面展开，国内大规模的城镇化建设、工程建设仍将持续，地基处理工程越来越广泛，施工工法也越来越先进。

强夯工法作为一种适应性广、高效、经济的施工工法，已广泛应用于工业与民用建筑、开山填淤、围海造田、山区回填、码头、机场和公路等基础建设的各个领域。

强夯机技术也随之得到了史无前例的快速发展，目前已由履带起重机的替代品逐渐转为专用强夯机。

1　强夯机类型强夯机是一种用于土石方填平后夯实工程的机械强夯机的技术现状与发展T echnical current situation and development of the dynamic compaction machinery设备，是基于强夯法原理设计的工程机械。

该设备具有作业频率高、设备频繁承受冲击载荷、作业现场情况恶劣等特点，是工程机械中十分特殊的设备。

按夯击能大小，强夯机可以分为低能级(300tm 以下)、中能级（300～600tm）和高能级（600tm以上)。

不同能级具有不同冲击影响深度，能级越高，影响深度越大，施工效率越高。

强夯机能级的选择与强夯工艺不无关系，目前占70%的市场份额都集中在300～400tm能级。

按结构形式，强夯机主要分为两大类，一类是变幅臂式强夯机，源于履带起重机结构形式，如图1a所示，现在已由履带起重机这种替代品发展成为以其结构为基础的专用强夯机。

另一类是固定臂式强夯机，如国外较早研制的三角臂架式强夯机及斜三角臂架式强夯机，如图1b所示。

这类产品国内外均做到了1000tm以上能级，如国内中化岩土的1000～2000tm以上不等的强夯机、徐工的1000tm 强夯机。

按夯锤下落方式可分为脱钩式落锤和非脱钩式落锤两种。

前者是通过脱钩装置使夯锤与吊钩脱□ 大连理工大学 王欣，郑亚辉大连益利亚工程机械有限公司　白朝阳，潘志毅b)固定臂式强夯机图1　按结构形式划分的强夯机a) 变幅臂式强夯机离，实现自由落锤。

进行下一次的落锤前，通过人工挂钩。

后者的夯锤无论提升还是下落都是通过起升钢丝绳始终与强夯机的机构连接，实现带载高速落锤。

与前者比，这种方式落锤后无需人工挂钩，进而提高作业效率。

2　产品技术现状与发展谈到强夯机，不得不提及强夯工艺，两者是密不可分的。

较早的夯击法和重锤夯实法，只要求较小的夯锤自重（2～7t）和提升高度（2～9m)，一般工程起重机即可达到相应夯实效果，因此多以履带起重机为替代品。

而随着强夯工艺的不断发展，基于梅纳（L.Menard）1969年创立的强夯工艺而发展起来的现代地基夯实技术，对夯锤重量和提升高度的要求越来越高，替代品的致命弱点也随应用的增多而越来越突显。

因此业界开始不断改进替代产品，并转型为专用产品，同时还开发新结构形式的专用强夯机，以适应强夯的工作特点。

2.1　变幅臂式强夯机的技术现状与发展变幅臂式强夯机源于履带起重机，最开始是将履带起重机作为强夯机的替代品使用，它可以灵活而方便地完成提锤和落锤动作，并可实现灵活移位，因此广泛用于强夯施工领域。

这种替代品一般用于较低能级的夯实作业中，如50t履带起重机强夯能级在300tm左右，70～80t履带起重机强夯能级在400tm左右。

之所以称为变幅臂式，是因为其臂架可以绕其根部铰点进行转动，实现臂架的变幅。

在不同作业场合，可以应用不同幅度来实现强夯作业，使作业更为灵活。

但随着强夯能级的增加，作业强度与频次的增加，履带起重机这种替代品越来越表现出其不足，也真正体现了两者工作特点的不同。

首先，工作级别不同。

履带起重机是作为安装用起重机，工作强度适当，工作频次一般，因此工作级别不高，大吨位(300t以上)在A1～A3，中小吨位在A3～A4。

而强夯机工作频次要远高于履带起重机，工作级别一般会达到A7以上，属于疲劳机械。

因此工作级别不同，势必使这种替代品频繁出现疲劳现象，寿命短。

其次，作业性质不同。

履带起重机用于起重安装作业，作业过程平稳，吊载与卸载都要保证平稳。

除非发生意外，通常不允许有突然卸载工况，因此在设计时重点考虑的是起重机结构强度问题。

而强夯机从作业效率角度需要快速卸载。

这种快速卸载过程，对强夯设备冲击很大，单单强度设计是不够的。

由此，这些明显不同的作业特点，使履带起重机在强夯施工领域的应用力不从心。

尽管有采用在臂头增设门架的方式（图2）以分担臂架变幅载荷，来减少臂架振动冲击，但由于地质复杂，这种载荷分配不能得到很好的保证，而且给起重机移位等也带来诸多不便。

为此，很多企业在履带起重机结构形式基础上，通过改进，研制了专用强夯机，国外企业以Liebherr公司为典型代表，其研制了一机多用的HS 系列400～1200tm产品（图3），具有强夯、起重、抓斗、拉铲、搓管、连续墙抓斗等功能。

国内以杭重为首的专业生产企业开始逐渐转型为以履带起重机结构形式为基础的专用强夯机。

随着市场需求量的不断增加，宇通重工、中联重科、三一重工、徐工先后研制了此类300～500tm的专用强夯机。

BICES 2011展会上，南车也推出了此类500tm的专用强夯机。

具体改进措施如下。

1）结构增强性改进　从疲劳理论，对履带起重机的主机与臂架进行结构加强，臂头也采用外伸式，防止落锤后吊钩反弹到臂架上产生冲击。

国内图2　带有门架的变幅臂式强夯机图3　Liebherr的HS系列多功能强夯机企业均在此方面进行了改进，如图4所示。

值得提出的是杭重在BICES 2011展会上展出的强夯机臂架杆件采用角钢形式，从某种程度上改善了焊接形式，提高抗疲劳性。

2）臂架减振措施改进　由于履带起重机采用的是柔性变幅，变幅索具仅能承受拉力不能承受压力。

当夯锤卸去后，臂架会因能量突然释放有向车后方转动的趋势，变幅索具不能承压的特点导致其无法抵抗臂架这种运动趋势，因此必须通过防后倾来阻止此向运动。

防后倾在履带起重机中仅是偶尔使用，与这种反复出现振动冲击的强夯机相比，设计相对薄弱。

因此，为有效阻止或减少臂架反复振动，需要对防后倾加强。

各企业不仅对防后倾进行了结构加强，在防后倾的位置设计和数量方面也开展了研究并实施。

例如宇通重工400tm能级的强夯机(图4b)，将防后倾两端的铰点分别移至臂架标准节和人字架顶端，这使防后倾的力臂增加，有效减小冲击载荷，同时连接于臂架上的铰点位置提高，也对臂架减振起到一定作用。

中联重科的300tm能级的强夯机则安装了双防后倾装置，如图4c所示，进一步阻止了臂架的反复振动。

3）主机减振措施改进　夯锤脱钩下落不仅对臂架产生很大的冲击，同时会关联到主机结构，尤其转台部分自重较大，由于配重作用，重心靠后，其振动对回转支承及下车都具有较大影响，同时也会与臂架振动产生耦合效应。

为进一步减少主机振动，很多企业在转台尾部下方安装油缸式支腿，以吸收冲击能，减缓冲击，图5是南车强夯机后支腿举例。

图4　国内企业的变幅臂式强夯机a) 杭重300tm强夯机b) 宇通400tm强夯机c) 中联300tm强夯机d) 徐工400tm强夯机e) 三一400tm强夯机f) 南车500tm强夯机4）脱钩技术的改进与非脱钩技术的应用　众所周知，落锤的传统方式是通过脱钩器将吊钩与夯锤在空中脱开，然后夯锤自由下落。

这种脱钩器较早使用的是机械式，如图6a所示，有杠杆式脱钩器、三级减力脱钩器、回转式连杆脱钩器等。

将脱钩器一端连接钢丝绳，钢丝绳另一端置于主机上，当需要脱钩时，通过人工拉动钢丝绳，从而使脱钩器动作，夯锤从吊钩滑落。

目前更多的是将钢丝绳栓于主机上，当夯锤提升到一定高度，钢丝绳绷紧，自动脱钩。

为进一步实现快速脱钩，减少钩口磨损程度等，又推出液压式自动脱钩装置，如图6b所示，通过液压缸实现钩口自动打开和闭合动作。

但对于这种脱钩落锤方式，无论如何都需要人工挂钩，这给工作人员带来安全隐患，同时降低作业效率。

为此，国外企业（如Liebherr公司）率先开展了非脱钩技术的研究，即夯锤在下落时不与吊钩脱开，而是吊钩与夯锤一起下落、提升。

这就要求卷扬机构具备承受冲击的能力，并且不出现乱绳的现象。

为此，需要有良好的制动器，并配有相应检测装置，以使得夯锤落地瞬间，能够自动制动卷扬，制止乱绳现象，与此同时，减少起升倍率，进一步防止钢丝绳多层缠绕及乱绳现象。

这种非脱钩技术的另外一个优势是防止丢锤，但同样会带来技术问题，当夯锤落入湿地里并达到一定深度，夯锤与土壤间将存在一定的吸附力，这就需要强夯机的机构具有较大的提升力从而将夯锤从地下提起，对机构的承载能力有更高的要求。

目前国外Liebherr的产品具备此项功能，同时可以检测土壤的夯实深度。

国内各企业也都纷纷在进行此项技术的研究与开发。

此外，强夯机由于工作强度大，频次高，工作效率高等原因，在发动机功率、行走能力等方面都相比于履带起重机有所增强。

2.2　固定臂式强夯机技术现状与发展随着强夯能级的不断增大，履带起重机结构形式的强夯机发展受到限制，于是国内外企业突破这种结构形式开发了新结构形式的专用强夯机。

这种类型的臂架截面更大，管径大，受力小可有效减小疲劳，而且臂架一般不做变幅运动，无变幅机构，因此称之为固定臂式强夯机。

国外较早产品有三角臂式和斜三角臂式(图1b)。

三角臂式强夯机是将夯锤置于三角臂架内部作业，这使得臂架基本只受轴向载荷，冲击小，但强夯空间受限，难于实现场地角落的作业。

斜三角式强夯机是将夯锤置于臂架之外作业，因此臂架是斜三角形状。

这种机型占地面积较大，因为夯锤的提起将产生倾覆力矩，势必要通过杠杆原理在强夯机后方放置配重以保证整机不倾覆。

配重越轻，配重重心越远，因此影响占地面积。

由此看出，固定臂式强夯机的臂架结构简单，无变幅机构，能量完全由臂架来承担，而臂架截面大，因此冲击相对较小，尤其适用于高能级的强夯作业。

国内施工企业中化岩土由此也自行研发了同类型产品，并不断改进完善。

最初研制的800tm能级的产品，如图7所示，采用斜三角方式，并在臂架后方弦杆下连接油缸，以吸收冲击能，进一步减少臂架的振动。

此外在转台尾部下方增设油缸式支腿，减少主机的冲击。

为进一步减少臂架振动冲击，该公司又新开发图5　强夯机的后支腿形式a) 机械式脱钩器b) 液压式脱钩器图6　脱钩器了另一种臂架形式的强夯机，如图7c所示。

从力学角度，将臂架竖直放置，在臂架顶端增设对称臂头，使臂架尽量承受轴向载荷，避免横向载荷，同时将履带增宽增长，加大与地面的接触面积，使得整机更为平稳。