高频液压振动锤的系统设计

高频液压振动锤的系统设计摘要：本课题源自于我的SRTP项目。本论文主要介绍高频液压振动锤的一些基本情况及我们所设计的部分。高频液压振动锤具有非常广阔的使用前景，因为它的主要优点是环保、高效以及适用范围广。高频液压振动锤的主要组成有起重机吊索、减振器、动力源、夹桩器。我将重点介绍振动锤的工作原理，以及与机械相关的减振器、动力源、夹桩器。关键词：振动 工作原理减振器激振器夹桩器具1. 高频液压振动锤的历史和现状第一台高频液压振动锤出现在前苏联， 一台代号为BT-5的振动锤由D.Barkan研制出来， 并投入的生产使用。随着时代的发展，高频液压振动锤技术逐渐在全世界散布开来， 如法国的PTC 和TRA，德国的MGF，日本的TOMEN，美国的ICE，如今的高频液压振动锤技术已经相当成熟，广泛地运用于各种生产建设活动中。目前，具有我国自主知识产权的高频液压振动锤只有武汉中铁研制完成。究竟高频液压振动锤与普通的振动锤有什么区别呢？为什么它能赢得世界的认可？它的优点有哪些呢？首先，与以前的打桩机相比，这是一种环保型的桩工机械。施工时振感小、噪声低、不扰民。其次，它是一种高效的桩工机械。一般来说，高频液压振动锤的施工效率是普通桩工机械的10倍。另外，它是一种比较轻便的桩工机械。整套设备运输只需2辆中型卡车，施工时转场非常方便。除此之外，它是一种相对比较价廉的桩工机械。相对于旋挖钻机等施工设备，在完成相当工作量的前提下，价格更便宜。它还有一个比较突出的优点就是它对地质的适用范围很广。人们可根据地质情况和工程需要选用不同系列、不同激振力的高频液压振动锤作为施工机械，穿透卵石层、沙层、建筑垃圾等地质层的能力很强，除了不能入岩，其它任何地质条件都能适应。因此，总的说来，高频液压振动锤是一种多功能的桩工机械，目前在桩基础领域中具有良好应用和推广前景。2. 高频液压振动锤的理论基础振动式打桩机是利用激振器产生的强迫振动,使土壤颗粒发生位移, 破坏土层的结构强度, 摩擦阻力显著下降出现所谓的假液化特性, 在打桩机与桩体自重的作用下, 使桩体沉入土层. 它广泛运用在各种桩工工程中。、高频振动理论液压振动器高频振动时，把桩体看作为一个均质的刚体，土壤视为弹塑形体，为桩的弹性支承。桩与土壤组成一个单自由度的振动体系。桩只作纵向振动，桩身各处具有同样的振幅和振动频率。使振动器的强迫振动频率接近这一体系的自振频率，桩产生纵向振动，贯入土中。在分析桩的振动时只计入粘滞阻力，并认为阻力是运动速度的线性函数。液压振动器高频振动时振动打桩理论。、关于振动沉桩机理的分析理论为了了解高频振动沉桩的机理，首先对施工中的打桩锤的振动沉桩过程进行描述。当振动器产生的垂直激振力作用在桩体上时，随着桩身的贯入，激振力沿桩体传至土壤中，此时，土壤对桩的侧面及先端处所产生的贯入阻力由于动载作用发生变化而减小，桩体在激振力和振动器及桩体的自重作用贯入土中，也就是说当振动器打桩时，在桩体侧面振动的土壤的结合状态发生变化，降低了土壤抵抗力。对砂石质土壤来说，随着产生的振动，土壤颗粒之间的构造发生紊乱，瞬时强度降低，造成土壤结构的“流动化”现象。而对泥砂、粘性土质土壤来说，由于振动桩体的侧面的土壤结构被搅乱，其自然状态的构造组织被破坏，土壤的密度发生变化，粘着力急骤减小，土壤刚度亦明显降低。据资料显示，摩擦力的减小受振动加速度的大小的支配，振动加速度增大会引起摩擦力的急剧减小，特别是砂质土壤场合，这种倾向会更加明显。将减小到静摩擦力的1/20，粘性土则减至静摩擦力的3/20。但无论在任何土质结构下，当振动加速度增至10g(重力加速度)时，摩擦力不再减小，而趋于某一极限值。另外，振动打桩理论的成立，有两个因素起着重要作用，它们是桩的振幅量及振动时桩的弹性变形量和土质弹性变形量的比值。桩的振幅量一般与土壤种类，土壤刚度(常用N值表示)成比例。由以往的经验得知，钢板桩打入砂质土壤时的最小振幅量A0=0.8N+1，粘性土壤时A0=1.6N+1。另外，振幅还与振动频率、液压振动器的重量有一定的关系。综合上述，根据振动打桩理论，桩的贯入状态可以决定其参数属性，并得到以下的经验结论。1、桩的贯入速度同激振或桩的加速度)大小成比例;2、桩的振幅同桩的贯入速度成比例;3、液压振动器与桩的断面积成正比;4、随着N值的增大，液压振动器重量亦需增大。3. 高频液压振动锤的整体构造如右图所示，这是一个高频液压振动锤的整体示意图，由起重机吊索(crane line)，吸振器 (suppressor)，动力源(gear case)，夹桩器(clamp)等部分组成。1吸振器(减振器):一般由弹簧螺旋组成，我们这里用的是具有特殊性能的橡胶做吸振元件，通过螺栓固定，原理图如图。2振动箱(激振器): 高频液压振动锤的振动是右齿轮中的偏心齿轮运动产生的 偏心齿轮如右图。通过偏心齿轮同步反向回转产生垂直振动力, 安装偏心齿轮可以一对两对甚至多对. 使各对偏心齿轮回转有两种形式：1.单电动机通过传动机构, 驱动同步齿轮, 使各对偏心齿轮回转；2.偏心齿轮直接安装在特殊设计的惦记机转轴上, 省去许多出动机构, 减少启动力矩。我们的研究内容选择的是可调的偏心齿轮。3夹桩器(夹具)它是夹紧状桩的机构, 实现振动器和桩的刚性联结, 端部可适应不同桩的截面进行更换, 我们的设计目标有两中方案，见右图。方案一是利用液压系统中的油缸进行固定加紧, 方案二是在方案一的基础上利用杠杆原理, 优点是有较大的效率。4原动机(振动源):我们的系统采用液压马达驱动.5振动频率的调节:我们的方案是采用液压马达驱动有地面控制, 实现无级调速.4. 减振器由于打桩时，与桩相连接的部分振动十分剧烈，这种振动如果直接传递到起重机上会导致严重后果，因此必须在动力源和起重机吊索之间加一个减振器。下图是美国专利中的一个减振器的示意图。我们主要参考了这个方案进行减振器的设计。减振器一端连接吊索, 一端连接振动箱, 利用具有特殊减振能力的橡胶材料进行减振和连接,橡胶用螺栓进行固定。5. 激振器这是振动锤的重要组成部分之一，它是产生振动的源泉。激振器主要通过偏心齿轮产生向上或者向下的激励力。如下图所示。显然，从外形上我们就可以看到这是一种特殊的齿轮。正是这种特殊，产生了它的四种工作状态。状态是一个有效的工作状态，此时，这对啮合的偏心齿轮重心在最下面，产生了一个很大的向下的激励力，将桩向下推进。当转过90度后，达到状态，此时偏心齿轮的作用力都指向啮合点，正好相互抵消，没有作用。再转过90度后，转变成有效的工作状态，偏心齿轮重心位于最上端，产生了一个很大的向上的激励力，将桩上拉。最后再转过90度，变成状态，此时两个偏心齿轮的作用力正好都背对着啮合点又相互抵消，没有作用。经过这四个状态就完成了一个旋转周期，桩被激振器带动着上下受迫运动，当频率达到与土壤的共振频率时，振幅非常大，能迅速破坏桩和土壤间的粘合力和弹性力。从试验得知共振时土壤的弹性力衰减的很快，桩可通过自重下沉。下图中的右图显示了两对偏心齿轮的相对位置和运动的传递关系。中间的是一个联系两对偏心齿轮的齿轮，主要作用是保证两对齿轮的同步转速。6. 夹桩器这部分主要是由我负责设计的。夹具是连接振动锤和桩的部分，并将振动器的功率传递到桩上。一般来说，大多数夹具都是用液压缸驱动，由此来产生摩擦力来夹桩。很少振动锤是通过螺栓或螺钉来夹住桩的。有些夹具装置是利用杠杆作用，使一个小功率的液压缸产生很大的压力。在设计中，我采用了上图中左边的方案，夹具通过液压缸产生的压力来夹住桩。夹紧桩时，设进油口压力为P1，出油口压力为P2，活塞的有效面积分为为A1和A2，且P1P2。此时，活塞左移，夹紧力为FP1A1P2A2。松开桩时，将进出油口通过换向阀调换即可，此时活塞右移松开桩。下图为我设计并用solidworks绘画的夹具简图。7. 高频液压振动系统的静压轴承的设计与密封原理、液体静压轴承及单向阀、小孔节流器的原理液体静压轴承是振动器活塞杆的支承。由于超高频液压振动器的活塞和活塞杆一起作高速往复运动，使活塞、活塞杆与油缸缸壁及密封的摩擦加剧，液压系统外泄漏量增加。为了降低摩擦引起的部件和密封的磨损和能量损失，减少内、外泄漏量，在振动器油缸两端与活塞杆接触部分安设了四油腔结构的静压轴承。为了使结构紧凑，将单向阀和小孔节流器设计在同一阀室内，如图4-1 (a).液压泵输出的压力油达到一定值时，单向阀打开，压力油经各个小孔节流器进入轴承油腔。由于小孔节流器调压作用，各油腔产生的承载力使活塞杆浮在中心位置，并能抵抗住活塞轴受到的偏载。尽管活塞作高频往复运动，但配有液体静压轴承后，活塞杆与静压轴承之间的润滑油产生承载油膜，从而起到了防止偏载、减小摩损与外泄的作用。达到了静压轴承摩擦阻力小，抗振性能好，支承刚度人的效果。图所示为超高频液压振动器的液体静压轴承供油系统，来自油泵的压力油，分别经过小孔节流器流入轴承上的各油腔中;滤油器和精滤油器双重过滤润滑油，防止杂物进入系统;溢流阀调定系统压力；单向阀防止压力油倒流，并配合蓄能器保证当油泵突然停止供油时，仍有压力油供应到静压轴承内，以实现稳态工作。其中小孔节流器用于压力补偿，是液体静压轴承的关键元件。图为静压轴承的结构图。开有四个对称油腔，油腔深度为Z1。周向封油面宽度为b1，轴向封油面宽度为L1；轴承长度为L轴承直径为D，主轴直径为Dn，半径间隙hn=D-D12。油腔之间被宽为b2，深度为Z2的轴向回油槽隔开，以防止相邻油腔中的压力油产生窜油现象。润滑油的循环过程如下:来自油泵的压力油，经过具有液阻的节流器流入轴承的各个油腔内，然后再通过轴与轴承之间的微小间隙，最后白回油槽集中起来经管路流回油箱， 由于轴与轴承之间的间隙很小，形成了很大的液阻，在轴承的油腔中得以保持液体压力(静压力)。液体静压轴承就是利用这个静压力和补偿元件的“调压作用”使轴浮动。8. 总结由于我们的知识水平还比较有限，对该项目只做了初步的大概的构思，因此本文中也只就高频液压振动锤的结构和原理做了一个比较简单的说明，希望各位老师见谅。参考文献1 Van Es, J. R. (Holland, NL); Bomer, J. A. (Holland, NL); Variable moment vibratorP. 美国专利: 20020104393, February 7, 2001.2 萧琴汉欣利V系列高频液压振动打桩机J. 工程机械与维修，2006年5期：153-1533 罗春雷，刘丹国外振动沉桩的分析方法J. 建筑机械，2005年06期.4 Don C. Warrington. Vibratory and Impact-V