打桩机激振器毕业设计说明书

本科生毕业设计（论文）- 1 -目录第一章 前言31.1 桩工机械的分类和发展历程31.1.1 我国桩工机械的发展历程31.1.2 国外桩工机械的发展历程41.1.3 国内外振动打桩机的发展历程 41.2 振动打桩机的主要结构和工作原理61.3 振动沉拔桩锤调频调矩技术研究现状 71.3.1 单极或两级调矩存在的问题 71.3.2 无极调频调矩的意义 71.3.3 调频调矩机构研究现状71.4 本课题的提出与主要的研究内容 10第二章 无极调频调矩振动桩锤结构分析112.1 振动桩锤的原理分析 112.2 振动桩锤稳态特性调节分析 112.3 振动锤的主要参数的设计计算 122.3.1 激振器振幅132.3.2 激振频率142.3.3 激振力152.3.4 偏心力矩的确定152.3.5 振动功率16第三章 振动器的结构设计193.1 偏心块的设计193.1.1 偏心块材料的选择193.1.2 偏心块的结构设计193.2 电动机选择203.3 激振器齿轮设计203.3.1 齿轮的结构形式213.3.2 齿轮的结构设计213.3.3 齿轮的受力分析213.3.4 齿轮强度校核223.3.5 齿轮的结构设计23本科生毕业设计（论文）- 2 -3.4 主动轴的设计243.4.1 确定主动轴的最小轴径243.4.2 主动轴的结构设计253.4.3 主动轴的强度校核263.5 从动轴的结构设计273.5.1 确定从动轴的最小轴径273.5.2 从动轴的结构设计.283.5.3 从动动轴的强度校核.283.6 轴承的选择303.7 键连接的校核计算323.8 联接螺栓的校核计算333.9 减振弹簧的设计计算333.9.1 减振弹簧的结构选择.343.9.2 选取螺旋弹簧的类型代号.343.9.3 选取弹簧的材料.343.9.4 圆柱螺旋弹簧的设计计算.343.10 箱体的设计36第四章 总结与展望394.1 论文总结 394.2 展望 39第五章 心得体会40参考文献41致谢42本科生毕业设计（论文）- 3 -第一章 前言1.1 桩工机械的分类和发展历程桩工机械主要用于各种桩基础、地基改良加固、地下连续墙及其它特殊地基基础等工程的施工。按施工设施的不同，桩工机械又可以分为夯锤打桩机、静力沉桩机和振动桩锤。夯锤打桩有柴油打桩机和蒸汽打桩机。由于使用不便，蒸汽锤早己基本被淘汰。柴油锤利用柴油燃烧产生的爆破力及锤的自由落体冲击力对桩进行打击，产生冲击机械能，克服土体对桩的阻力，破坏静力平衡状态，从而达到沉桩的目的。但柴油锤在施工过程中存在噪声大、振动大和油烟污染等缺陷，在城市建筑基础施工中，柴油锤的使用受到越来越多的限制。静力沉桩机适应于软土地区桩基础施工。该方法以桩机自身的质量作为反作用力，利用液压油压力将桩强制性压入土中，工作过程无噪声、无振动、无空气污染，也可以实现拔桩，效率较高。振动桩锤是通过偏心回转激振器产生纵向振动，利用桩土振动降低桩土摩擦力和桩端阻力，从而轻松地使桩下沉，它的突出优点是噪声小，此外，效率高、机器重量轻、造价低。该方法主要应用于各类钢板桩和钢管桩的沉拔作业，也可以用于混凝土桩施工。振动打桩机按动力可分为电动振动打桩机和液压振动打桩机。1.1.1 我国桩工机械发展历程解放前，我国几乎没有桩工机械、打桩机制造业。20 世纪 50 年代初期，我国基础施工全部使用旧中国从国外进口遗留下来的蒸气式打桩机和笨重的落锤。一五期间，由于国家重点建设工程的需要，我国开始仿制国外 31t 单作用和双作用蒸气式打桩机以及原苏联的 B系列振动桩锤，开始有了以仿制为主的桩工制造业。厂家都是施工部门的修配厂，当时还没有专业的桩工机械、打桩机生产厂，所以 50 年代是我国桩工机械、打桩机行业的萌芽时期。60 年代初，一机部成立第五局工程机械局，将上海电工机械厂改为上海工程机械厂，定点生产桩工机械、打桩机，成为我国最早生产桩工机械、打桩机的专业生产厂。并将一机部建筑机械研究所第二研究室定为桩工机械、打桩机研究室，开始了我国自行研制桩工机械、打桩机的成长时期。70 年代是我国桩工机械、打桩机行业发展时期，这个时期成立了桩工机械、打桩机行业组，有桩工机械、打桩机行业制造企业 10 余家，能生产 4 大类、30 多个品种，年产量 400 余台。80 年代是我国桩工机械、打桩机行业壮大时期。1984 年成立了中国建筑机械化协会桩工机械、打桩机分会，有桩工机械、打桩机行业制造企业 20 余家，上海同济大学、哈尔滨建筑大学、南京建工学院、东北大学等高等院校也开始从事桩工机械、打桩机新产本科生毕业设计（论文）- 4 -品、新技术、新原理的研究，能生产 10 大类、50 多个品种、200 多种规格、型号的桩工机械、打桩机产品。90 年代是我国桩工机械、打桩机行业高速发展时期。行业制造厂家已发展到 30 余家，并形成了部属研究所、企业研究所、院校研究所(室)3 个层次的科研设计力量，能生产 400 多种规格、型号的桩工机械、打桩机产品，销售收入达 6.5 亿元。进入 21 世纪后，随着我国各种基础设施建设和住房建设的快速发展，桩工机械、打桩机制造业及其市场得到了前所未有的高速发展，形成了几十家专业生产企业及上百个产品型号的规模。1.1.2 国外桩工机械的发展历程世界上桩工机械比较发达的国家主要是德国、意大利、和日本，最先进的设备和工法一般也是这三个国家首先开发的。其次美国、英国、法国、荷兰等国的桩工机械也比较发达。在整个桩工机械市场上，宝峨、土力、卡萨格兰地的销售也是居世界前三。1.1.3 国内外振动打桩机的发展历程振动打桩机是随着振动机械的发展而发展起来的，两位日本科技工作者曾进行了振动机械的模型试验，他们在一载荷板上安装了激振器，载荷板在一定激振频率激振力的作用下在土壤中下沉，发现了振动作用下土壤的“液化”现象，即通过振动可在相当程度上减小土颗粒间的摩擦。1934 年俄国的巴尔喀教授首先将这一原理应用到建筑工程中，他将一个激振器安装在管桩或板桩上使其振动，结果只用静拔桩力的1/l01/5 就能将桩拔出，依据这一原理研制出了振动沉拔桩机。但是在苏联的建设工程中普遍使用振动沉拔桩机还是在二次世界大战以后川。如将苏联的振动沉拔桩机按照打入桩种类加以区分，其主要类型为，以沉入 H 型钢桩、板桩为主的 BT 型、V 型、Vp 型和 VP 型。VP 型振动沉拔桩机是 1950 年由列宁格勒铁路技术研究所泰塔尔尼可夫博士发展改进的机型，它分为 1 型250 型数种，它对通常的土层，在深度 20m 以内，仅以振动即可沉入;对深度 20m 以上至 25m 以内，需定时清除管内积土才能沉入，对 25m 以上则要并用送气法或射水法进行沉入。vP 型振动沉桩机 1957 年曾用于我国武汉长江大桥的管桩沉入工程，由于在这一工程中仅以 12 个月的工期，就完成了深达30-76m 的管桩沉入工作，因而受到了国际上的关注。同时在武汉长江大桥建设时期，我国试制了苏制 BII1 型振动桩锤，成为当时激振力最大的振动桩锤。20 世纪 60 年代，为南京长江大桥中 3.6 预制力混凝土管桩下沉，又研制了大型振动桩锤中一 250型。激振力可达 250kN。此后多年，国内振动桩锤的研制工作基本停步不前。近十多年来，由于石油工程及桥梁工程的需要，大型振动桩锤的研制有了新的进展，最引人注目的是北京建筑机械综合研究所与浙江振中机械厂联合研制的 DZJ 系列振动桩锤，这类振动桩锤的最大激振力已达 1800kN，电机功率为 240kW。他们由于采用了偏心力本科生毕业设计（论文）- 5 -矩液压调整装置，使起动力矩为零，采用星一三角起动，对电网的冲击很小，深受用户的欢迎。由于振动沉桩机具有优良的技术性能，尤其拔桩更显其独特的优越性，战后苏联发展起来的振动沉拔桩施工技术给世界各国产生了重要影响，推动了法国、德国、波兰、美国以及日本等国开始生产各种类型的振动沉拔桩机，如西德的西恩克及明尤拉公司制造了以沉入和拔出钢管桩为主要目的的振动沉拔桩机;法国的曾尔.诺尔曼迪公司制造了可以使桩同时产生垂直振动和圆周运动的振动沉拔桩机，并制造了冲击式打桩机，可以沉入直径 500600m，长度 20m 的钢管桩。美国吉尔多困恩斯特拉克萧恩公司制作的振动打桩机，系以发明者波大依那的名字命名的称为“波大依那”打桩机，这种振动打桩机可 0.783.26 分钟的时间内，将前端封闭、直径 325mm、长 21.6m 的钢管桩，或以 2.7 分钟的时间将前端封闭、直径为914mm、长 17.4m 的钢管桩沉入地下，因而引起世界各国的关注。这种振动打桩机采用了接近于钢管固有频率，以每分钟 6000 转的高频率振动而引发桩共振的原理，它以500HP 的汽油发动机作为动力，因此消耗功率相当大。日本振动沉拔桩机的发展，是 1906 年以东洋棉花公司进口的苏联 VP-1 型振动打桩机为起点，第一次进口 30 台很快销售一空.在这种效果的刺激作用下，大发工业公司率先着手制作，接着日平产业、浦和重工、三菱重工、久保田铁工、丰田机械等多达十多家制造公司也相继投入生产，由此揭开了日本发展振动打桩机的序幕。其中日平产业是以制造功率在巧 1530HP 左右小型机械为主的制造厂，所生产的打桩机仅适用于沉入 78mm 左右较短的板桩，这种打桩机采用 400 一 800rPm 的激振频率.由于其振动耗能低，因而得到了较广泛的应用.然而，因这种机械的功率小，所以不仅不能打入 H 型钢和钢管等支承桩，就连拔出大型建筑工程使用的长钢桩也难以胜任。为了适应这种需要，日平产业又设法由对桩施加强制振动到施加振动冲击，终于使得原来只靠强制振动不能拔出的钢桩得以成功拔出.丰田机械也以日平产业相同的设计原理，制成了振动冲击式打桩机。两者不同之处只是日平产业是利用空气垫蓄积向下运动能而增大向上运动能，以加大冲击时的冲量，而丰田机械则是利用橡胶垫。对于振动冲击打桩机的看法，日本建调神户株式会社的研究人员认为，如果能够给桩体以与其固有频率相等的冲击频率，就会引发桩体的共振而提高拔桩效果。然而，像这样高的冲击频率，在实际上可不必一定要求它与固有频率相等，也可以是它的倍数，有了这样的倍振动频率，就可以通过振动打桩机的振动控制装置将其变换成冲击。而振动打桩的效果问题，归根结底是如何将桩体的强制振动传给和桩接触的土层，以引起土壤物理性能的改变，从而减小摩擦力。如果通过振动不足以使土壤发生变化，而桩和土的接触仍是固体摩擦，或者是固体粘接时，采用冲击法是必要的。但这样的土质情况不会经常遇到，通常仅以振动即可使土壤改变物理特性的情形占多数，问题的关键使如何选定足以使土壤产本科生毕业设计（论文）- 6 -生变化的振动参数。他们认为振动冲击式打桩机在工作范围上局限性很大，但具有较好的拔桩效果。日本振动打桩机的发展在 19061946 年主要以仿制为主，之后对提高振动打桩机的贯入能力作了一些尝试，并取得了一定的成效。像三菱重工业公司生产的 V 一 5 振动打桩机，曾在日本琵琶湖大桥工程中沉入了 154 根直径 1.2m 及 1.5m，长 33m 的大口径钢管桩作桥墩基础。利用这种振动打桩机将所用桩在松软淤泥质粘土层和淤泥质砂土层内，沉入到 23m 的深度。而建调神户株式会社生产的 KM2 一 12000型振动打桩机，曾以 57 分钟的时间，将直径 480 哑，长 29m 的前端封闭钢管桩贯入至 N 值(标准贯入值)50 以上的地层 2m 深。对振动沉拔桩机的研究，早期关注的重点是振动沉拔桩机自身的参数对沉拔桩效果的影响，建立了一系列桩一土振动系统模型，并根据振动系统模型来确定振动沉拔桩机振动参数。像日本建调神户株式会社 1966 年以后生产的振动沉拔桩机，是把桩体视为均质弹性体的同时，把桩前端接触的地基视为弹性系数较小的弹性体，然后选参数;同时，在拔桩时，又把桩的周边视为被弹性系数较小的土所包裹，并假设这样的土和土之间有着弹性连接。因此，根据这种模型可以设想，由桩和土组成的振动系统，有着某固有的振动频率，如给它以适当频率的强制振动，即可引发桩的共振，这时就会因土的弹性系数较小，使它的弹性在极短的时间内遭到破坏，从而带来土的塑性变形。这一振动体系的缺陷是，按照这种模型制作的振动沉拔桩机，在遇含水量低的土层或粘性较大的土层时，所需的拔桩时间较长。而美国“波大依那”打桩机的原理依据是，把土视为纯塑性变形，把桩视为均质弹性体，通过给桩体施加以和桩固有频率一致的强制振动，引发桩体产生共振，使桩产生最大限度的伸缩，然后对桩端施加以必要的压力，使桩迅速沉入地基土中 tls.由于桩的固有频率很高，所以根据这种模型制作的振动沉拔桩机偏心轴转速也很高，功率消耗也很大。振动沉拔桩机由桩架和振动桩锤两大部分组成，而振动桩锤对振动沉拔桩机的性能起着至关重要的作用。早期的振动桩锤为电机驱动，振动频率及偏心块偏心力矩不能调整。由于在不同的土层施工需要振动桩锤有不同的振动频率和振幅，随后又出现了偏心块偏心力矩和偏心轴转速可有级调整的振动桩锤，即通过手动改变固定偏心块与活动偏心块间的夹角来调节偏心力矩:通过更换皮带轮或传动齿轮来改变偏心轴转速。电机驱动的振动桩锤存在着调速不便，体积大等缺点.随着液压技术的迅速发展和不断完善，液压马达驱动的振动桩锤应运而生，因液压马达与电动机相比具有调速方便，体积小，重量轻等优点，使得液压振动锤拥有强大的作业能力、优越的控制性和电动锤无法比拟的优越性。在发达国家，电动锤大部分已被液压振动锤所取代。但是在国内，液压振动锤才刚刚起步。1.2 振动打桩机的主要结构和工作原理本科生毕业设计（论文）- 7 -振动打桩机的振动锤主要由原动机、 振动器和减振装置组成。1.原动机 原动机是振动打桩机的动力元件，一般采用异步电机或液压电机，要求在强烈的振动状态下能可靠的运转，并且要有较高的启动力矩和过载能力。此外，振动桩锤也有采用液压马达的，可以实现无极调频。本文主要采用电动机，以便适用于广范围的桩基工程。2.振动器 振器包括轴、偏心块、齿轮等，为了适应不同类型的桩锤以及土壤环境，可以采用改变偏心块中固定块与活动块之间的相位差来达到调矩的目的。（如图 2.1所示）3.减振器 为了避免将振动桩锤产生的振动传至桩架在吊钩与减震器之间必须减振，减振器一般是由压缩弹簧组成，由于弹簧的减振作用，使振动器所产生的较大振幅传速到吸振器时将大为减弱。因此，在沉、拔桩时可获得良好的减振效果。4. 夹桩器 振动桩锤工作时必须与桩刚性连接，这样才能把振动桩锤所产生不断变化大小和方向的激振力传给桩体。因此，振动桩锤都有夹桩器，一般为于激振器的下面。夹桩器将桩夹紧，使桩与振动桩锤成为一体，一起振动。夹桩器有液压式、气动式和直接式。目前最常用的是液压式。振动打桩机采用的是偏心块式激振器，利用偏心块回转产生所需的激励力，由震动桩锤利用夹头将震动传给桩体，用桩的振动使其周边的土壤液化，减小土壤与桩的摩擦阻力使桩沉入或拔出土壤，利用这一原理，打桩时由于桩的地盘反力急剧降低，靠震动桩锤与桩的重量使桩下沉，拔桩时靠起重机等的引拔力将桩拔起。其激振结构是在轴上装有几组固定的或可调的具有相同质量的偏心块左右对称分布，由于反向回转时偏心块水平分力互相抵消，垂直分力互相叠加，使得回转轴的振动本体发生上下振动，当振动桩锤和桩连接在一起进行沉桩时，激振力使振动桩锤产生和激振频率一致的振动，振动使桩周围的土壤处于液化状态，大大降低了桩侧和桩端的阻力，桩便依靠重力下沉。如下图 1.1 就是振动器工作原理示意图本科生毕业设计（论文）- 8 -图 1.1 振动器工作原理示意图1.3 振动沉拔桩锤调频调矩技术研究现状1.3.1 单极或两级调矩存在的问题由于振动桩锤具有贯入力强、使用方便、施工速度快、成本低等特点，因此应用广泛，但是目前使用的电力驱动振动桩锤（单极调矩或两级调矩）存在如下问题:（1）根据不同的土壤固有频率和阻力大小，应对振动桩锤作相应的频率和力矩调整，以接近土壤频率，使沉桩阻力最小，功率利用系数最高。但普通型振动桩锤在运转过程中不能变频变幅，给施工带来许多不便;（2）起动和关闭振动桩锤的过渡过程，通过共振区出现启动电流大、耗时长、运转平稳性差、噪声高、容易烧坏电机和损坏轴承等;（3）过渡过程工作频率较低，引起桩架共振，对设备和临近施工现场的建筑物结构有一定损害。尤其是施工噪声较大，严重影响施工现场周围居民的生活。1.3.2 无极调频调矩的意义无极调频调矩振动桩锤有以下几点优势：（1）根据不同的土壤固有平率和阻力大小，应对振动桩锤作出相应的频率和力矩调整；在城市施工时，只要适当的调整振动桩锤的偏心力矩，操作人员便可以将振幅降至沉桩所需的最低水平，以限制传至周围环境区域的最大土粒振动速度，消除对邻近施工现场建筑物结构的损害。（2）通过硬固地层时，没有强烈振动。普通振动锤通过加压方式进行沉桩，遇到硬土地时，沉桩阻力突然增大，偏心块的转速和桩锤振动频率降低，造成较强的振动。本科生毕业设计（论文）- 9 -而可调频频率力矩桩锤在穿过硬土地时，可调整偏心力矩以保持频率的稳定。因此，无极调频调矩打桩机的出现解决了打桩机不能广泛的适应土壤特性的难题，在建筑和桩基工程中得到了广泛的运用。1.3.3 调频调矩机构研究现状国内目前大部分都是电动锤，由于电工系统本身的局限性，难以实现调频，随着交流电机调频技术的高速发展，有少数电动振动锤也采用了电机调频的技术，在国外，桩工机械较发达的国家，目前大部分都采用液压振动锤，液压技术本身的优势就是便于控制，它们大部分都实现了无级调频。针对振动打桩机的工作特性，国内外都在其无桩机共振施工的实现问题上进行了不断的研究。目前，所采取的普遍方法是调节激振器的偏心力矩，而激振器偏心力矩的调节是通过改变偏心块的相互位置来实现的。图 1.2 所示即为国内一些产品所采用的变矩原理图。活动偏心块 3 用销轴 2 与固定偏心块 1 相连，固定偏心块上有几个不同位置上的销孔，使两个偏心块产生不同的相对位置偏差，从而使振动桩锤的偏心力矩发生变化。图 1.2 偏心块力矩分析示意图当可调偏心块和固定偏心块的夹角为 时，合成的偏心力矩可按以下公式计算：(1.1)211221Mc