〔大学论文〕DZ60振动打桩锤的设计（含word文档） .pdf

摘要 振动桩锤是惯性振动机械的一种，属于振动利用机械中的平面双轴式激振 器。振动桩锤是利用机械振动减少桩与土壤间的摩擦力，并依靠其自重或外加 压力作用下达到沉桩的目的。振动桩锤分机械式和液压式两类，液压振动锤应 用较少。振动桩锤采用机械式定向激振器。它由两根装有相同的偏心块并相向 转动的轴组成，两根轴上的偏心块所产生的离心力在水平方向上的分力相互抵 消，而垂直方向上的分力叠加。振动桩锤主要由电动机、导杆、压缩弹簧、减 振粱、振动箱、皮带轮等组成。具有贯入力强、沉桩质量好、坚固耐用 、故 障少、结构紧凑、低噪音、高效率、无污染等优点。 关键词：关键词：振动机械、振动桩锤、惯性振动、减振弹簧 abstractabstract the vibration hammer is one kind of the inertial oscillation machinery, belongs to in the vibration use machinery the plane double shaft type driver.the vibration hammeruses friction to reduce theforce between the mechanical vibrations pile and the soil, and depends upon it to be self-possessed or the sur- pressure function issues the goal of stake sinking. the vibration hammer divides the mechanical type and the hydraulic pressure type two kinds, the hydraulic pressure vibration hammer application are less. the vibration hammeruses the mechanical type direction detection driver. it is loaded with same lack of impartiality the piece and the opposite direction rotation axis by two is composed, on two axes lack of impartiality the piece produces the centrifugal force offsets or counteract one another in the horizontal side upward force component, but in vertical direction force component superimposition. the vibration hammer mainly by the electric motor, the guide rod, the compression spring, horizontal beam reducing inspires,a vibration box of body, the belt pulley and so on is composed. has the penetrating power strongly, the quality of stake sinking is good, firm durable, the breakdown few, the structure is compact, the low noise, the high efficiency, does not have merit and so on pollution. keykey wordwords s:vibrates the machineryvibratory pile hammer the inertial oscillationthe spring reducing inspires 目录 摘要.i abstract.ii 第 1 章绪论.1 第 2 章振动机械的用途、分类、工作原理及构造2 2.1 振动机械的用途和分类 2 2.1.1振动机械的组成. 2 2.1.2 振动机械的用途 3 2.1.3 振动机械的分类. 4 2.2 惯性振动机械的工作原理与构造 5 2.2.1惯性激振器的形式. 5 2.2.3 线性或近似线性的近共振类惯性机械 12 2.2.4 非线性惯性振动机械 13 2.2.5 冲击式惯性振动机械 14 2.3 桩工机械的分类和工程应用 14 2.3.1 桩工机械的分类 15 2.3.2 桩工机械在工程技术中的应用 15 2.4 振动桩锤的工作原理和构成 15 2.4.1 振动桩锤的工作原理 15 2.4.2 振动桩锤的构成 17 2.4.3 沉桩原理 18 第 3 章电机的选择和计算 20 3.1 选择电动机应综合考虑的问题 20 3.2 选择电动机 20 第 4 章振动桩锤的主参数计算 22 4.1 激振力的计算 22 4.2 计算实际振幅 23 4.2.1 根据提供的频率选择工作土壤的类型 23 4.2.2 振幅 a 的确定 23 4.3 计算实际偏心力矩 24 4.4 功率的计算 25 第 5 章减振弹簧的设计与计算 27 5.1 减振弹簧的结构选择 27 5.1.1 选取螺旋弹簧的类型代号 27 5.1.2 选取弹簧的材料并确定其主要性能参数 27 5.2 圆柱螺旋弹簧的设计计算 27 5.2.1 确定单根弹簧的最大工作载荷 27 5.2.2 选择旋绕比 28 5.2.3 计算钢丝直径 28 5.2.4 计算弹簧中径 28 5.2.5 计算弹簧圈数 29 5. .2. .6 计算试验载荷 30 5.2.7 自由高度 30 5.2.8 弹簧的节距 31 5.2.9 弹簧的螺旋角 31 5.2.10 弹簧的稳定性验算 32 5.2.11 弹簧的强度验算 32 5.2.12 共振验算 33 第 6 章 v 带传动的设计计算 35 6.1v 带的计算 35 6.2v 带轮材料和尺寸的确定 35 第 7 章经济分析与资源分析 39 结论.40 参考文献参考文献 41 专题论文.42 致谢.49 附录 1 中文译文 50 附录 2 英文原文 64 第 1 章绪论 在一般情况下，振动是一种不需要的、有害的现象，应该加以消除或隔 离；但在某些场合，振动式需要的和有益的，应该加以利用。 振动有益的场合很多，例如，各种乐器的振动，可形成美妙的乐音，感动 人们；人类及高等动物的耳膜振动、声带振动。心脏搏动及呼吸运动，则是与 生命现象紧密联系的振动；在工程技术中，各种振动机械利用振动完成许多特 殊的工艺过程；在日常生活中，许多振动机具帮助人们扩展自己的工作能力。 随着现代建筑业的飞速发展，桩基础已从木桩逐渐发展为钢筋混凝土桩或 钢桩。校基础的施工方法和施工机械也有了巨大的发展。桩的类型大体上可分 为两大类：预制桩和就地灌注桩。预制桩主要采用锤击的方法将其打入土壤 中。其施工机械也从刚开始坠锤、蒸汽锤和柴油锤，发展到振动锤。振动锤是 结合我国具体特点计算的新型产品，是公路、桥梁、机场、建筑等基础施工的 理想设备。具有贯入力强、沉桩质量好、坚固耐用 、故障少、结构紧凑、低 噪音、高效率、无污染等优点。 dz 振动锤主要用于有动力电源的各建筑工地和港口、地下铁道、桥梁、 高层建筑等桩基施工工程。它是广泛适用于丘陵、平原、干填土和湖泊地区、 池塘淤泥层以及各种松土基础用袋装沙井、塑料纸板等工法加固软基的设备。 第 2 章振动机械的用途、分类、工作原理及构造 2.1 振动机械的用途和分类 振动机械在工程技术中的用途很广泛，如振动加工，振动拉丝，振动压 印，物料的筛分、破碎、输送等。最近 30 多年来，应用振动原理而工作的机 械（简称振动机械）得到了迅速的发展，它们在矿山和冶金工厂、选煤厂、化 工厂、发电厂、铸造厂、建筑工地、水泥厂，以及粮食和食品加工厂中得到了 广泛的应用。据不完全统计，目前已用于手工业生产中的振动机械有几十种之 多，例如，振动给料机、振动输送机、振动筛、概率筛、振动离心脱水机、振 动冷却机、振动球磨机、振动光饰机、振动落砂机、振动成型机、振动夯土 机、振捣器、振动压路机、振动沉拔桩机、振动试验台、动平衡试验机和各种 形式的激振器等。这些振动机在工业的各个部门中已发挥了重要的作用。 2.1.1振动机械的组成 振动机械通常是由激振器、工作机体及弹性元件三个部分组成（2-1a）。 1.激振器 用以产生周期变化的激振力，使工作机体产生持续的振动。常用的激振 器有惯性激振器、弹性连杆式激振器、电磁式激振器、液压式或气动式激振 器，以及凸轮式激振器等。 2.工作机体或平衡机体 如输送槽、筛箱、台面和平衡架体等。但在 一些振动机中无平衡架体。 为了完成各种工艺过程，它们通常作周期性的运动。 3.弹性元件（弹簧） 包括隔振弹簧（其作用是支承振动机体，使机体实现所要求的 振动，并 减小传给基础或结构架的动载荷）、主振弹簧（即共振弹簧或称蓄能弹簧）和 连杆弹簧（传递激振力等）。在一些振动机械中无弹性元件。 振动机械与其它类型的机械相比，优点是结构简单、制造容易、重量较 轻、金属消耗量少、成本低、能耗小、安装方便、维修容易等。某些振动机械 也存在着振幅不够稳定、调整复杂、传给地基的振动较大、零部件工作寿命较 短及噪声较大等缺点。 2.1.2 振动机械的用途 1.物料的输送 利用振动的槽体（或管体），可使物料沿指定方向作滑行运动或抛掷运 动，从而达到输送物料的目的。用管体封闭的振动输送机，能输送含有矽尘的 矿物及其它有害或有毒的物料，有利于环境保护和人体健康。这两个优点是其 它输送设备所不能比拟的。 2.物料的筛分、选别、脱水、冷却和干燥 因为振动可使物料松散地和均匀地分布于工作面上，同时在振动面上物 料受重力（在离心力场中则为离心力）、冲击力、摩擦力和惯性力的频繁作 用，所以在输送物料的过程中，可有效地完成诸如筛分、脱水、冷却和干燥等 各种工艺过程；在溜槽、滑道中安置适当的挡铁或缺口，还可完成工件的排序 或选别。 3.物料的破碎、粉磨，物件的清理和工件的光饰 利用振动可使物料（或物件）内部的裂纹易于形成，并迅速展开；利用 振动可加剧物料（或物件）与研磨介质之间的相互摩擦和撞击，从而可有效地 实现破碎或粉磨物料，完成物件清理、铸件落砂和工件（或刀具）光饰等各种 工艺过程。 4.松散物料的成型与紧实 利用振动可以显著减小物料的内摩擦系数，增加其“流动性”，因而是 物料易于成型与紧实。 5.土壤或砂石对夯实、振捣及沉拔桩等 利用振动可减小土壤、砂石和其它混合物的内摩擦力，可降低土壤对贯 入物体（桩或管）的阻力，因而可有效地完成夯土、压路、振捣和沉拔桩等工 作，并可大大减轻工人对体力劳动。 6.仪器、机器及其零件的测试 利用激振器对机体进行振动试验；利用振动试验台或振动测量仪测定仪 器、机器及其零部件的参数；利用振动原理对回转零部件进行动平衡试验等。 7.其它用途 利用振动可以加快铸件或焊接结构内部形成晶粒重新排列的过程，缩短 消除内应力对时间等。 可以预料，振动机械的用途将会不断扩大，其规格和品种将会日益增 多。它们在我国实现四个现代化的过程中将会发挥更大对作用。 2.1.3 振动机械的分类 利用合适的激振器、驱动工作台面、工作管体或槽体以实现要求的振 动，达到处理特定的物料或物件，完成一定工艺过程的机械，称为振动机械， 它是振动利用中重要而应用广泛的一部分。 对振动机械进行分类的目的是：按照振动机械对类型，分别地对它们进 行分析研究，找出它们的共性与特性，便于了解与掌握各种振动机械的特点， 以使他们得到更合理的使用。振动机械可以按照它们的用途、结构特点以及动 力学特性进行分类。 1.按用途分类 表 2-1 按用途对振动机械进行了分类，并列举了各种常见振动机械的名 称。 2.按驱动装置（激振器）的形式分类 （1）惯性式振动机（图 2-1） 它是由惯性激振器驱动。惯性激振器通常是由偏心块、主轴、轴承和轴 承座等所组成（图 2-1b）。工作机体的振动是由偏心块回转运动时产生的周 期变化的离心力引起的。目前惯性式振动机在工业部门中得到了广泛的应用。 例如，惯性振动筛、振动球磨机、振动落砂机、振动成型机和振动振捣器等。 图 2-1惯性式振动机 a）惯性振动机简图b）惯性激振器 1激振器2工作机体3弹性元件 4偏心块5主轴6轴承和轴承座 （2）弹性连杆式振动机 它是由弹性连杆式激振器驱动的，弹性连杆式激振器是由偏心轴、连杆 及链杆端部的弹簧所组成。工作机体借弹性连杆激起振动。目前用于工业中的 该类振动机有弹性连杆式振动输送机、振动冷却机和重介质振动溜槽机等。弹 性连杆式振动机构通常用于长度较大的振动机中。 （3）电磁式振动机 它是由电磁激振器驱动的。电磁激振器是由铁心、线圈及衔铁所组成。 交流电流或脉动电流通过线圈，使电磁铁产生周期变化的电磁吸力，从而使工 作机体产生振动。目前用于手工业中的该类振动机有电磁振动给料机、电磁振 动输送机、电磁振动筛和电磁振动试验台等。 （4）其它振动机 他们由风动式激振器、液压式振动器和凸轮式振动器驱动。该类振动机 与前述三类振动机的工作原理及计算方法有所不同。 3.按动力学特性分类 表 2-2 是按照动力学特性对振动机械进行分类。分为线性非共振类振动 机、线性近共振类振动机、非线性振动机、冲击式振动机。 除了按照前述特性进行分类外。还常常按照振动质体对数目及自由度的 数目对振动机进行分类。 2.2 惯性振动机械的工作原理与构造 2.2.1惯性激振器的形式 惯性振动机是由带偏心块的惯性激振器驱动的。惯性激振器可分为以下几 种。 1.单轴式惯性激振器 单轴式惯性激振器有两种结构，一种如图 2-2a 所示，一种如图 2-3 所 示。它通常产生沿圆周方向变化的激振力。当轴两端的偏心块具有不同的安装 相位时，还会产生沿圆周方向变化的激振力偶。 图 2-2 各种惯性激振器 a）单轴式惯性激振器b）、c）双轴式惯性激振器 d）多轴式惯性激振器 图 2-3 单轴式圆盘偏心块 激振力幅值 p=m 2 r（n），r=e 表 2-1 振动机械按用途分类 类别用途机 器 名 称 输送物料类 物料输送、给料、预防 料仓起拱、作闸门用 振动给料机；水平 振动输送机；振动料 斗 ； 垂 直 振 动 输 送 机；仓壁振动器 选分冷却类 筛分、选别、脱水、冷 却、干燥 振动筛；共振筛； 弹簧摇床；惯性四 轴摇床；重介质振动 溜 槽 ； 振 动 离 心 摇 床 ； 振 动 离 心 脱 水 机 ； 槽 式 振 动 冷 却 机 ； 塔 式 振 动 冷 却 机；振动干燥机 研磨清理类 粉磨、光饰、落砂、清 理、除灰 振动球磨机；振动 光 饰 机 ； 振 动 落 砂 机；振动除灰机； 矿车清底用振动器 成型紧实类成型、紧实 石 墨 电 极 振 动 成 型 机；耐火砖振动成型 机；混凝土预制件振 动成型机；振动造型 机 振捣打桩类 夯土、振捣、压路、沉 拔桩、挖掘、装载、凿 岩 振动夯土机；插入 式振捣器；附着式振 捣器；振动压路机； 振动沉拔桩机；电 铲振动斗齿；振动装 载机；风动或液压冲 击器 试验测试类测示、试验 试验用激振器；振 动试验台；动平衡试 验机；振动测试仪器 其他振动时效等振动时效用振动台 2.双轴式惯性激振器 图 2-2b 所示对双轴式惯性激振器对两轴，通常作反方向等速回转，所以 当两轴上的偏心块质量及偏心距相等时，在 y-y 方向上两轴偏心块产生的惯性 力互相抵消，因此，该激振器将产生一个直线的、大小变化的激振力。当轴两 端的偏心块具有不同的安装相位时（图 2-2c），还会产生定向周期变化的激 振力偶。平面双轴式激振器激振力的产生如图 2-4 所示。 图 2-4 平面双轴式惯性激振器 激振力幅值 p/npy=2 0 m 2 r， x p=0 3.多轴式惯性激振器 最常见的为图 2-2d 所示的四轴式惯性激振器，通常产生两种频率的激振 力。 目前单轴式和双轴式惯性激振器得到了相当广泛的应用，多轴式惯性激 振器仅在少数机器中应用。 2.2.2线性或近似线性的非共振类惯性振动机械 该类振动机具有以下特点： 1）振动机的弹簧刚度为常数或近似于常数。 2）机器在远离共振的状态下工作，工作频率与固有频率 0 之比 0 z，通 常在 210 范围内选取。 3）由于固有频率远小于工作频率，所以弹簧的刚度很小，因而，传给地 基的动载荷小，振动机有良好的隔振性能。 4）振动机通常采用单质体振动系统，构造比较简单。 由于该类振动机具有结构简单、隔振良好等优点，目前在工业中应用相当 广泛。 1.常用单轴式惯性振动机械的用途 （1）单轴惯性振动筛单轴惯性振动筛的筛箱通常作圆周振动或近似 于圆形的椭圆运动。它通常用于选矿厂、选煤厂、水泥厂和化工厂，对各类物 料进行筛分。 （2）振动球磨机振动球磨机用于物料的细磨与超细磨，其粉碎细度 可达几微米。目前它在粉末冶金工厂、化工厂及其他工厂中，得到了比较广泛 的应用。 （3）振动光饰机振动光饰机常用来去除机械加工件、冲压件和锻铸 件的毛刺和氧化皮，也可用作工件的尖边倒圆、除锈和抛光等加工。此外，这 种加工方法还可以磨去刃具的虚刃，进而延长它的使用寿命。 表 2-2 振动机械按动力学特性分类表 振动机类型 动力学状态的 特点 常用激振器对 形式 振 动 机 名 称 线性非共振类 振动机 线性或近似于 线性非共振（ 0 ?） 惯性激振器、 风动式激振 器、液压式激 振器等 单轴或双轴惯性振动筛； 自同步概率筛；自同步振动 给料机；双轴振动输送机； 双轴振动落砂机；单轴振 动球磨机；惯性式振动光饰 机；惯性振动成型机；插 入式振捣器；振动压路机； 惯性式振动试验台；惯性 振动冷却机 线性近共振类 振动机 线性或近似于 线性近共振（ 0 ） 惯性激振器、 弹性连杆式激 振器、电磁激 振器等 电磁振荡给料机；惯性式 近共振给料机；弹性连杆 式、惯性式及电磁式近共振输 送机；线性共振筛；槽式 近共振冷却机；振动炉排； 现行振动离心脱水机；电 磁式螺旋振动上料机 非线性振动机 非线性、非共 振（ 0 ?），或 近共振（ 0 ） 惯性式激振 器、弹性连杆 式激振器、电 磁式激振器 非线性振动给料机；非线 性振动输送机；非线性共振 筛；弹簧摇床；振动离心 摇床；附着式振捣器；非 线性振动离心脱水机；振动 沉拔桩机 冲击式振动机 非线性、非共 振（ 0 ?），或 近共振（ 0 ） 惯性激振器、 电磁式激振 器、风动式或 液压式激振器 等 蛙式振动夯土机；振动钻 探机；振动锤锻机；冲击 式电磁振动落砂机；冲击式 振动造型机；振动夯土机 （抛离式）；风动式冲击 器；液压式冲击器 （4）插入式振捣器单个插入式振捣器通常用于振捣小型的混凝土制 件。在大型工程中，可应用多个振捣器联合工作。 （5）振动料斗振动料斗将各种松散物料向受料装置给料，广泛用于 各工业部门。 （6）单轴式惯性圆锥破碎机惯性圆锥破碎机应用范围广泛，除在粉 末冶金工业中用于破碎金属碎屑、硬质金属切割片和粒状金属外，尤其成功的 用于耐火材料及不同的建筑材料的破碎。例如，在金属和钢铁碎片的连续再处 理厂，每小时可破碎200m的粉末 50-70kg。用惯性破碎机粉碎造纸用的纤维 半制品，比用传统的盘式墨迹效果好得多。惯性破碎机在冶金、建材、陶瓷、 造纸、食品、废弃物的加工处理，以及其它许多工业部门中的道理广泛的应 用。这对于破碎作业工艺的改革、降低能耗、提高生产率都具有实际意义。 （7）振动压路机振动压路机与早期使用的依靠静压的压路机相比， 用于宰割做工成长引入了振动，大大地提高了工作效率。振动压路机是修建高 速公路、一般道路、机场、大坝等工程中不可缺少的机械设备。 2.常用双轴式惯性振动机械的用途 （1）振动成型机(振动台)这种振动机是钢筋混凝土构件厂的主要成 型机械，用于大批生产空心板、排版以及厚度不大顶梁柱构件等。 （2）振动筛振动筛用于筛分一些松散得易分离的材料的部分。 （3）振动桩机用于振动沉拔桩的振动桩机如图 2-5 所示，该类机械 用于将桩沉入土壤和将已沉入土壤中的桩拔出。 （4）双激振器振动圆锥破碎机这种破碎机较之单轴式振动圆锥破碎 机，能获得粒度特性好的破碎产品。在对硬度较低的鹅卵石和硬度较高的岩石 破碎试验中，给料粒度小于 40mm，排料粒度小于 3mm 的 80以上，小于 5mm 的在 90以上，破碎产品为晶粒体，片状体和粉状体极少，完全达到君主制 砂的要求。 （5）振动烘干机振动烘干机可用于粮食、药材、食品等的烘干作业 中。 （6）垂直振动输送机振动输送机常用于物料的冷却与输送，每台机 器的最大输送高度一般为 6-8m。其输送量一般不大于 20th。 2.2.3 线性或近似线性的近共振类惯性机械 目前应用于工业中的线性近共振式惯性振动机械有振动炉排、惯性共振式 给料机、惯性共振式振动输送机、惯性式共振筛等。这类振动机械具有以下特 点： 1）弹性元件（弹簧）的刚度为常数或近似于常数，所以可按线性振动系 统或近似于线性系统进行分析研究。 2）振动机械主振系统的频率比为 0 0 z =，一般为 0.751.3（常用的为 0.750.95），即机器在近共振情况下工作。单隔振系统的频率比 0 0 z =通 常仍按远超共振的状态进行选择，通常取 0 z210。 3）由于在近共振状态下工作，所需的集镇力较小，通常为非共振类振动 机所需激振力的 1/21/8，因而其传动部机构紧凑，尺寸小而且耐用。 4）当采用单质体振动系统时。由于缺少隔振弹簧，所以会将较大的动载 荷传给地基。当采用双质体系统时，虽然可以采用隔振措施，但结构较复杂， 机器重量也会相应增大。 5）近共振振动机械工作点（频率比）的调整，要比非共振类振动机械复 杂一些。 图 2-5 振动桩机 1底座2立柱3斜撑 4双轴激振器5）顶部滑轮组 2.2.4 非线性惯性振动机械 工业用非线性惯性振动机械，可分为硬特性非线性振动机械和软特性非线 性振动机械两类。硬特性非线性振动机械的主振固有频率随振幅的增加而增 大，软特性非线性振动机械地主真固有频率随振幅的增加而减小。 非线性振动机械具有以下特点： 1）弹性元件具有非线性的性质，即弹性力与位移的关系，并非是直线关 系，弹簧刚度不是常数。 2）非线性振动机械与线性振动机械相比，具有较大的振动加速度（在频 率与振幅相同的条件下），这有利于提高机器的工艺指标。 3）硬特性非线性振动机械工作机体的振幅，比线性振动吉祥物定得多， 使该种振动机械有较良好的工作性能。 4）某些软特性非线性振动机械可以获得不对称的速度曲线，这对完成某 些工艺过程（如摇床选矿）是必不可少的。 5）对非线性振动机械，可以很方便地利用增减弹簧预压量的方法（对弹 性力为曲线变化的压缩弹簧），或利用调整弹簧间隙的方法（对带有间隙的非 线性弹簧），来改变机器的工作点（频率比）。 非线性惯性振动机械包括：非线性惯性共振筛、非线性卧式振动离心脱 水机、弹簧摇床和振动离心摇床等。前两种为硬特性非线性共振机械，后两种 为软特性非线性振动机械。 2.2.5 冲击式惯性振动机械 利用冲击振动的机械有蛙式夯土机、振动锤锻机、振动钻探机、冲击式 振动落砂机、冲击式振动造型机等。冲击式振动机械是非线性振动机械的一个 特例。根据理论计算与试验都可以证明，冲击情况下物体产生的加速度，比一 般线性振动机械工作的最大加速度大几倍、几十倍，甚至几百倍。因而利用冲 击可以产生很大的冲击力，这对压实土壤，使物体产生塑性变形，岩石发生破 坏或碎裂，促使铸件上的型砂剥落都是十分重要的。 2.3 桩工机械的分类和工程应用 本次设计的 dz 振动桩锤是振动桩机的主要组成部分，如前所述，振动桩 机属于双轴式惯性振动机械，是桩工机械的一种。 建筑物的全部载荷都要通过基础传递给地基。基础大体可分直接基础、桩 基础和沉箱基础。其中桩基础具有承载力大，沉积量小和施工方便等特点，被 广泛应用于手工业与民用建筑、桥梁、港口、海上井台以及软地基加固等基础 工程中。桩工机械是直接完成各种桩基础的施工机械，由桩锤或钻具与桩架组 成。 2.3.1 桩工机械的分类 桩工机械按预制桩和灌注桩施工方式的分类及特点见表 2-3。 2.3.2 桩工机械在工程技术中的应用 桩工振动机械主要用于基础的夯实、振捣与沉拔桩。利用振动可减小土 壤、砂石和其他混合物的内摩擦力，可降低土壤对贯入物体（桩或管）的阻 力，因而可有效地完成夯实、压路、振捣、沉拔桩等。dz 振动锤主要用于有 动力电源的各建筑工地和港口、地下铁道、桥梁、高层建筑等桩基施工工程。 它是广泛适用于丘陵、平原、干填土和湖泊地区、池塘淤泥层以及各种松土基 础用袋装沙井、塑料纸板等工法加固软基的设备。 2.4 振动桩锤的工作原理和构成 振动桩锤是利用机械振动减少桩与土壤间的摩擦力，并依靠其自重或外加 压力作用下达到沉桩的目的。振动桩锤分机械式和液压式两类，液压振动锤应 用较少。 2.4.1 振动桩锤的工作原理 振动桩锤采用机械式定向激振器。它由两根装有相同的偏心块并相向转动 的轴组成，如图 2-6 所示。两根轴上的偏心块所产生的离心力在水平方向上的 分力相互抵消，而垂直方向上的分力叠加，其合力成为激振力，其方向是激振 器两轴连线的垂直方向，大小周期性变化，桩在这一激振的力作用下沿其纵向 轴线产生强迫振动，克服阻力而沉入土中。 表 2-3 桩工机械的分类及特点 类 型 施工方 式 类别主要特点 预制桩施工机械 打入法 柴油打桩 机 施工性能好，使用方便，在预制桩施工中使用最广泛，但有 振动、噪声及油烟污染。筒式柴油桩锤的软土起动性能差 汽动打桩 机 以蒸气或空气为动力，配套设备庞大，但可作为低公害、超 大型的施工机械 液压打桩 机 以液压为动力，冲击力可以调节，而且低公害，可以在水下 打桩 振动法 振动沉拔 桩机 结构简单，使用方便，效率较高，但在紧密粘土、粉沙及卵 石中效果较差 压入法压桩机 以静压力压桩，工作时噪声低，无振动，但设备笨重 灌注桩施工机械 取土成 孔法 长螺旋钻 孔机 可连续切土和排土，成孔速度快，适于地下水位较低的地区 施工 反循环钻 孔机 将切下来的土制成泥浆后排出，适于地下水位较高地区及大 直径的深基础施工 回转斗钻 孔机 以伸缩钻杆连接的钻斗断续取土，在地下水位较低的地区可 免去泥浆护壁 全套管钻 孔机 在冲抓斗取土的同时将钢管压入土中，设备较复杂，成孔速 度慢，但对地质条件的适应能力较强 挤土成 孔法 与预制桩 施 工机械相 同 将钢管打入土中，然后边拔管边灌注混凝土。通常采用振动 桩锤，一般适用于直径在 500mm 以下的桩 其他施工机械 软地基 处理 振冲器以水平振动力挤压周围土体及填料，以提高地基承载力 深层搅拌 桩机就地将软土与输入的水泥浆强制搅和，使之硬结为水泥土 粉喷搅拌 桩机就地将软土与喷入的水泥等填料强制搅和使之硬结 地下连 续墙 地下连续 墙钻机 以多轴钻切土，制成泥浆后排出，施工时无振动，低噪声， 效率较高 地下连续 墙抓斗 采用抓斗取土，泥浆护壁，在地质条件适宜时可干式取土 图 2-6 振动桩锤 1原动机2减振器3激振器 2.4.2 振动桩锤的构成 振动桩锤主要由原动机、激振器和减震器等组成。 1.原动机振动桩锤一般采用异步电动机，但要求电动机能在强烈的振 动状态下可靠的运转，其次是要有较高的起动力矩和过载能力，故应选用耐振 电动机。此外，振动桩锤也有采用液压马达驱动的，可以实现无级调频。 2.激振器一般激振器都采用定向机械激振器，为了适应不同类型的桩 以及沉拔桩的要求，可以用改变偏心块中固定块与活动块之间的相互位置来达 到调整偏心力矩的目的，调整频率可以采用改变传动比的方法来实现。 3.减振器为了避免将振动桩锤产生的振动传至桩架，在吊钩与激振器 之间必须减振。减振器一般由压缩弹簧组成，但也可采用减振橡胶。 2.4.3 沉桩原理 沉桩原理有强迫振动与土壤共振、强迫振动与土桩系统共振、强迫振动与 桩体共振以及振动冲击几种理论，它们分别是中频振动锤、高频振动锤、超高 频振动锤以及振动冲击锤的设计原理。 如强迫振动与土桩系统共振理论可将振动锤、桩和土壤的系统简化为图 2-7 所示的单自由度的振动系统。以振动体静止时自然平衡位置为零点。列出 振动体微分方程式后进行推导，并令 2 n m =， n z =，可得出振动体的 振幅 2 222 2 4(1) zmr a m zz = + 式中激振器的角频率（ 1 s） r偏心块的偏心距（m） n 激振体的自振圆频率（ 1 s） m激振体的质量（kg） m偏心块的总质量（kg） 阻尼系数 图 2-7振动体系 由此可得出： （1）当 z 较大时（3z），振幅趋近于一定值，这是设计振动锤所要求 的。 （2）当1z时（ n ），振幅最大，即是共振工况，这时偏心力矩不 变也可使振幅增大，但不稳定。 第 3 章电机的选择和计算 3.1 选择电动机应综合考虑的问题 1、根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速 等要求，选择电动机类型。 2、根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁度等要求，考虑电动机的温 升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定通风冷却方式。所选 电动机功率应留有余量，负荷率一般去 0.80.9。 3、根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐 蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。 4、根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压级 数和类型。 5、根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要 求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机的额定转速。 除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的 供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、 运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。 根据参考文献7中表 16-1-5、16-1-6、16-1-8、16-1-20 可知：振动桩 锤的电动机属于带周期性变动负载的机械或启动条件沉重的无调速要求的机 械，故而采用绕线型电动机。电机外壳防护为 ip44。 3.2 选择电动机 根据振动频率和所需电机功率，并参照文献7中表 16-1-44，选择 yh 系 列高转差率三相异步电动机。该系列电动机是 y（ip44）派生系列，转差率 高，启动转矩大，启动电流小，机械特性软，能承受冲击载荷。电动机转子采 用高电阻铝合金制造。冷却方式为 ic0141，b 级绝缘。所选电动机的型号及主 要参数如表 3-1 所示。 表 3-1 所选电动机的主要性能参数 型号 同步转速 1500minr yh280s-4 额定功率75 在额定功率时 转速minr1395minr 电流 a144 负载持续率15 转差率7 效率86 功率因数 cos 0.92 堵转电流 额定电流5.5 堵转转矩 额定转矩2.6 最大转矩 额定转矩2.6 转动惯量 2 kgmg1.12 质量 kg562 根据公式计算工作时电机的实际转速： d t= 9550 n n p n = 1 1 9550p n 式中 d t电动机转矩（n mg ） n p额定功率 n p=75kw n n额定转速 n n=1480r/min 0 p实际功率 0 p=60kw 1 n实际转速（r/min） 将数据代入公式得 1 n=1116r/min， d t=513.44n mg。 第 4 章振动桩锤的主参数计算 振动桩锤采用机械式定向激振器。它由两根装有相同的偏心块并相向转动 的轴组成，两根轴上的偏心块所产生的离心力在水平方向上的分力互相抵消， 而垂直方向上的分力叠加，其合力即激振力 f=2 2 0 sinm r 式中 0 m偏心块的质量（kg） r偏心块的偏心距（m） 激振器的角频率（ 1 s）=30 1 s 离心力与垂线的交角（） 4.1 激振力的计算 激振力 f 是反映振动桩锤综合能力的参数，桩在土中沉入时，激振器的激 振力 f 必须大于桩与土之间的摩擦阻力。根据给定的参考参数，当=90 时，激振力幅值 m f=276kn，将数据代入公式 f=2 2 0 sinm r 可得到 0 m r=15.54kgm。 又 2 0 mr=m (=a= 3 9.5 10m ) 可得激振体质量m=3250kg。 4.2 计算实际振幅 4.2.1 根据提供的频率选择工作土壤的类型 按照表 4-1 和给的参考振动频率值：=94.25 1 s，不难看出该振动桩锤 所配套的振动打桩机的工作土壤类型是：塑性粘土及含砂粘土。 4.2.2 振幅 a 的确定 激振器振幅是影响桩在土中沉入的主要因素。当振幅很小时，沉入并不发 生，只有当振幅超过某一定植时，才可能实现沉桩。 表 4-1 振动频率参考表 地层类型最佳频率 1 s 含饱和水的砂石土100200 塑性粘土及含砂粘土90100 坚实粘土7075 含砾石的粘土6070 含砂的砾石土5060 任务书中给的振幅值是 a9.5mm，实际振幅的计算公式如下， 2 0 222 2 2 4(1) zm r a m zz = + （4-1） （ 2 n m =， n z =） 式中同上 n 激振体的自振圆频率（ 1 s） m激振体的质量（kg） 0 m同上 r 同上 阻尼系数（kg s） 对于减振弹簧应满足减振条件：z3，取z=4，可得 n =7.5 1 s。 一个质量、n（n=8）个弹簧并联组成的弹簧质量系统的固有频率 n = 8k m 由此式可得弹簧刚度 k= 5 2.2510n m。 又0.28km=+ 弹簧的内阻力系数， 3 1.510s = 将数据带入此式中可得阻尼系数 =86059.5kg s 因此 2 n m =0.56 将以上计算所得数据代入公式（4-1）得实际计算振幅 3 9.710am =。 4.3 计算实际偏心力矩 激振器偏心力矩的大小对振动桩锤的性能又至关重要的影响，偏心力矩 愈大，克服硬质土层的能力愈强。计算公式 00 2mm gr= 将 0 m r=15.54kgm， 2 9.8gm s=代入上式得 0 304.58mn m=g 。 4.4 功率的计算 功率包括维持振动所需的功率 1 p和机械损耗的功率 2 p，振动桩锤的总功 率 12 ppp=+（4-2） 在非共振工况时振动所耗的功率 223 4 1 5 sin10 m r p m =（4-3） arcsin() a f =（4-4） 式中m振动桩锤偏心块的总质量（kg）， 0 2mm= 相位角（），即振幅滞后于激振力的角度 其他同前 将各参数数值代入公式（4-4）计算得出 相位角=16.6。 因此，将计算所得数值代入公式（4-3）可得 振动所消耗的功率 1 p=35.49kw。 机械损耗功率大部分消耗在轴承的摩擦发热上，其消耗的功率 34 2 510pkmrd = 式中k考虑其他机械损耗的系数，k=1.15 滚动轴承的当量摩擦系数，=0.005 d滚动轴承的内径，d=0.06m 其他参数同前 将数据代入公式可得 机械损耗的功率 2 p=4.48kw。 然后把 1 p和 2 p的数值代入公式（4-2）可得 振动桩锤的总功率 p=39.97kw。 第 5 章减振弹簧的设计与计算 5.1 减振弹簧的结构选择 弹簧刚度在前面已经算出：k= 5 2.2510n m。 减振弹簧一般是压缩弹簧，选取圆形截面的螺旋压缩弹簧，其主要性能与 应用：特性线呈线性，刚度稳定，结构简单，制造方便，应用较广，在机械设 备中多用作缓冲，减振，以及储能和控制运动等。 5.1.1 选取螺旋弹簧的类型代号 根据参考文献4中表 11-2-1 选取弹簧类型：冷卷压缩弹簧 y，两端 圈并紧并磨平，支承圈数 2 12.5n=:。 5.1.2 选取弹簧的材料并确定其主要性能参数 根据弹簧所受载荷特性及要求，选取 b 类油淬火回火硅锰合金弹簧钢丝， 许用应力参照文献5中表 8-10 按受类载荷的弹簧考虑，其 （0.350.4） b 。材料的抗拉强度 b 与钢丝直径有关。这里使用的减振弹 簧的钢丝直径比较大，所以 b 1600 a mp，再由文献5中表 2-103 得切变 模量 g 3 78.810 a mp。取试验切应力 0.35560 sba mp=。 5.2 圆柱螺旋弹簧的设计计算 5.2.1 确定单根弹簧的最大工作载荷 最大工作载荷 max f：对上弹簧取最大加压力 max 上 120 30 4 kn fkn=； 对下弹簧取最大拔桩力 max 下 150 37.5 4 kn fkn=。 5.2.2 选择旋绕比 根据文献5中初选旋绕比 c5，则 曲度系数 1 410.615 1.31 44 c k cc =+= 。 5.2.3 计算钢丝直径 计算钢丝直径公式为 1 1.6 k fc d 将参数值代入公式中得到 上弹簧钢丝直径 上 d29.97mm； 下弹簧钢丝直径 下 d33.5mm。 参照表 5-1 选取系列值， 上 d30mm， 下 d35mm。 表 5-1 弹簧材料直径系列（mm） 第一 系列 0.10.120.140.160.20.250.30.350.40.45 0.50.60.70.80.91.01.21.62.02.5 3.03.54.04.55.06.08.0101216 20253035404550607080 5.2.4 计算弹簧中径 计算公式为 dcd= 由此可得 上弹簧中径 上 d450mm； 下弹簧中径 下 d175mm。 参照表 5-2 选取系列值， 上 d150mm， 下 d170mm。 5.2.5 计算弹簧圈数 根据文献5中表 8-13 中式 4 34 88 fgdgd k fd nc n =，得到弹簧圈数计 算公式 n 4 3 gd 8dk 代入参数值可得 上弹簧圈数 上 n10.5 圈； 下弹簧圈数 下 n13.4 圈。 按照表 5-3 选取系列值， 上 n10.5 圈。 下 n13.5 圈。 两端各取 1 圈支承圈，则弹簧的总圈数由公式 1之 +nnn 得 上弹簧总圈数 1上 n12.5 圈； 下弹簧总圈数 1下 n15.5 圈。 表 5-2 圆截面材料弹簧中径 d 系列（mm） 0.40.50.60.70.80.911.21.41.61.822.22.5 2.833.23.53.844.24.54.855.566.57 7.588.5910121416182022252630 353842454850252555860657075 80859095100105110115120125130135140145 150160170180190200210220230240250260270280 290300320340360380400450500550600650700 表 5-3 压缩弹簧的有效圈数 n 系列（圈） 22.252.7533.253.53.7544.25 4.54.7555.566.577.58 8.599.51010.511.512.513.514.5 1516182022252830 5. . . .2. . . .6 计算试验载荷 根据式 3 s d f = 8d , 得上下弹簧的试验载荷分别为 s上 f 4 3.9610 n， s下 f 4 5.5410 n。 5.2.7 自由高度 因为采用的是 y型端部结构，受力均匀性好。其自由高度计算公式 0 h nt+1.5d 节距 t 的估算公式是 1 f t=d+ n 式中 1 0.1d，f工作载荷下弹簧的形变量， max f f= k 。 对上弹簧，有形变量 上 f 133mm，节距 上 t 45.7mm， 自由高度 0上 h524.9mm。 对下弹簧，有形变量 下 f 167mm，节距 下 t 50.8mm， 自由高度 0下 h738.3mm。 参照表 5-4 取系列值， 0上 h550mm， 0下 h750mm。 表 5-4 压缩弹簧自由高度尺寸系列（mm） 4567891011121314151617 1819202224262830323538404245 48505255583065707580859095100 105110115120130140150160170180190200220240 260280300320340360380400420450480500520550 5806006206506807007207507808008509009501000 5.2.8 弹簧的节距 节距计算公式 0 h1.5d t= n 代入数据，得上下弹簧的节距分别为 上 t 48mm， 下 t 52mm。 5.2.9 弹簧的螺旋角 螺旋角计算公式如下 t = arctan d 将前面计算所得数据代入上式中，可得上下弹簧的螺旋角分别为 上 5.8， 下 5.5。 符合一般要求59 oo。 5.2.10 弹簧的稳定性验算 上下弹簧均采用两端固定支承，其高径比计算公式 0 h b= d 因此，上下弹簧的高径比分别为 上 b 3.7， 下 b 4.4 按照文献5中表 7-3 所列可知上下弹簧的高径比 b 均小于极限高径比 5.3，满足稳定性要求。 5.2.11 弹簧的强度验算 对于变载荷作用次数 3 n10 次弹簧，必须进行疲劳强度可靠度计算，以预 防可能出现的疲劳断裂。 由于振动桩锤实在 900r/min 左右的高速下带动偏心块旋转，形成上下振 动进行沉、拔桩作业的振动弹簧在动载荷作用下工作，所以必须进行疲劳可靠 性计算。 计算公式 安全系数 0min p max 0.75 s=s 式中 0 弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度，参照文献 4中表 11-2-16 选取 0b 0.3480mpa； max 最大工作载荷所产生的最大