（机械电子工程专业论文）无共振电动振动桩锤的研究.pdf

摘要 工程振动技术的不断进步，有力的推动了振动桩锤的应用与发展，一大批能够实现无 级调频调矩的新型振动桩机应运而生。但是在实际工程应用中，这些新型的振动桩机存在 一系列的问题，如调频调矩困难，制造和使用不便，容易影响桩工作业进度等。因此，非 常有必要用全新的思维和创新技术对振动桩锤进行改进，为提高机械设计和振动桩机的技 术水平提供理论依据。 本文构思了一款无共振电动振动桩锤，介绍了振动桩锤的基本结构及其各部分的工作 原理，详细分析了无共振电动振动桩锤的三大特点。 通过分析研究传统振动桩锤避免共振的原理，设计了一款激振器无共振偏心轮，对其 避振原理做了详细的介绍，并通过建立偏心轮动滑块运动受力平衡方程，分阶段定性的分 析了偏心轮动滑块的整个运动过程。采用m a t l a b 软件仿真并定量的验证了无共振偏心 轮避振方案的可行性。 通过运用a n s y s 软件，对无共振电动振动桩锤的箱体结构进行了有限元静力学分析， 确定了箱体结构的应力集中区域并找出了原设计中的一些不足之处，从而制定一系列的改 进措施，对箱体结构做了优化处理，使结构的强度达到了设计和使用的要求。 论文最后运用有限元网格局部细化再分析方法对箱体结构的有限元计算结果进行了 验证，使得两次网格细化后的计算结果误差值不大于5 ，从而确立了最优的网格划分方 案，提高了箱体结构有限元分析计算的精度。 关键词：振动桩锤；无共振；网格局部细化；变参数 a b s t r a c t a l o n g 丽t l lt l l ed e v e l o p m e n to fe n g i n e e r i n gv i b r a t i o nt e c l l i l o l o g y i tp o w e r m lb o o s t st ot h e v i b r a t i o np i l eh a i i u n e ri nt h ea p p l i c a t i o na 1 1 dd e v e l o p m e n t ，a i l db e i n gal a 唱en u m b e ro fn e w t y p e o fn or e s o n a j l c ev i b r a t i o np i l eh 觚吼e r s b u ti n 也ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g 印p l i c a t i o n ，t h e s en e w v i b r a t i o np i l em a c h i i l e sh a v es e r i e so fp r o b l e m s ，s u c ha sd i 伍c u l tt oc h a l l g em em o m e n t ，n o te a s y t op r o d u c 锄du s e ，t e n d st oa f r e c tp i l e sw o f i 【i n gp r 0 黟e s s i i lo r d e rt o p r o v i d ec e n a i nt l l e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v et 1 1 e m e c h a i l i c a l d e s i g n a | l d t e c l l i l o l o g yl e v e io fv i b r a t i o np i l em a c l l i n e ，i t i sq u i t en e c e s s a r ) ，t ou s en e wt h j l l l ( i n ga 1 1 d i i l l l o v a t i v et e c l l i l o l o g yt oi m p r o v ev i b r a t i o np i l eh a m m e r t h j sp a p e rd e s i g n san or e s o n a n c ee l e c 仃i cv i b r a t i o np i l eh a i i l m e r ，i n 们d u c e st h eb a s i c s t l l l c t u r eo ft 1 1 ev i b r a t i o np i l eh a m m e ra 1 1 di t sw o 越n gp r i n c i p l eo fv a d o u sp a r t s t h e ni ta i l a l y s i s t l l et l l r e ec h a r a c t e r i s t i c so ft 1 1 en 0r e s o n a n c ee l e c t r i cv i b r a t i o np i l eh 舭吼e rd e t a i l e d 1 1 1 ep 印e ra l l a l y s i s 恤面n c i p l eo fa v o i d i n gr e s o n a i l c e 舶mt 1 1 e 仃a d i t i o n a lv i b r a t i o np i l e h a i i u i l e r ，n l e nd e s i g l l sak i n do fe c c e n t r i cw h e e lo fm ee x c i t a t i o nd e v i c e 、杭t i l o u tr e s o n 觚c e t h e v i b r a t i o na b s o r b e rp r i r l c i p l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n de s t a b l i s h e sm ef o r c ee q u i l i b r i u i n e q u a t i o n so ft ：h es l i d em o t i o n ，t i l e na i l a l y s i st h ew h 0 1 em o v e m e n tp r o c e s so ft l l ee c c e n t r i cw h e e l s m o v i n gs l i d eb l o c kb yt h em e t h o do fs t a g i n gq u a l i t a t i v e u s i i 唱t l l em a t l a b s o r w a r es i m u l a t i o n t op r o v et l l ea v o i d i n gr e s o i 埘1 c eo fm ee c c e 删cw h e e lv i b r a t i o ni sf e a s i b l e b e i n gs t a t i c 锄a l y s i so ft l l e6 l l i t ee l e m e n tt ot h eb o x t ss t n j c t u r eo fm en ov i b r a t i o nm o d e s v i b r a t i o np i l ek l i r 吼e rb yu s i n gt h ea n s y s ，d e t e n n i i l e st 1 1 es t r e s sc o n c e n 仃a t i o na r e ai nt h e s 句r u c t u r e ，锄df i n d so u ts o r n ed e f i c i e n c i e si n t h eo r i g i l l md e s i g n，a 1 1 d l e nt a k e ss o m e i m p r 0 v e m e n tm e a s u r e st oi r n p r 0 v et h es 仃i l c t u r e ss t r l e n 舀h ，a i l dm a k e sm es 臼m c t u r e ss n e n 舀ht o r e a c h 廿1 ed e s i g i l i n g 锄du s i n gr e q u i r e m e n t s f i n a l l y ，t l l ep a p e ru s i n gt l l ef i n i t ee l e m e m 酊dr e f i n e m e n t 衄d1 0 c a la i l a l y s i st op r o v et h e r e s u l t sw h i c hc o m e s 行o mt h es 伽l c t u r eo ft l l ef i i l i t ee l e m e n ta r ev e r i f l e d ，a n dm a ：k e st h ee r r o r r e s u l t s 丘d mt 、7 旧面dr e f i l l i n g sc a l c u l a t i o ni sn om o r et h a n5 ，t oe s t a _ b l i s ht 1 1 eb e s t 鲥dp 撕i t i o n p l a l l ，t h e nc a l li i n p r o v et i l ec a l c u l a t i o na c c u m c yw h e nu s i n gt h ef i n i t e e l e r n e n tt oa n a l y s et h e 对n 】c t i 】r e s k e yw o r d s ：v i b r a t i o np i l eh 舭吼e r ；n or e s o n a n c e ；l o c a l 酣dr e f i n e m e n t ；v a r i a b l ep a r 锄e t e r s 1 1 振动桩机的概述 第一章绪论 在日常生活中，大多数的振动对人体有害，但也有一些振动可以加以利用。例如：在 工程技术应用中，人们就利用振动沉桩的原理发明了振动桩机，并将其用于沉拔桩作业， 不仅大量节省了劳动力，而且对工程建设起了强有力的推动作用。 振动桩机按照动力源的不同主要可以分为机械式和液压式两类。 机械式振动桩机主要由机械式激振器、桩具夹持装置、传动装置、电动机以及起吊装 置等组成。在工作时由电机带动激振器，激振器内偏心轮产生的简谐机械振动使得桩基“液 化”，从而减少桩侧面与桩基间的摩擦阻力，并依靠其自重或外加压力克服桩端面的阻力 而穿破地层以达到沉桩的目的n 1 。其结构如图1 1 所示。 图1 1 机械式振动桩机图1 2 液压式振动桩机 液压式振动桩机是一种快速、高效、污染少的环保型振动桩机，其工作时利用液压马 达带动主动轴旋转，由一组或多组偏心轮同向旋转产生垂直方向上的激振力，强迫桩基振 动，使得桩基的内摩擦减小、强度降低，从而使桩体快速沉入桩基中，由于液压元件传递 功率较为方便，噪音较小，故应用较为普遍口3 。其结构如图1 2 所示。 1 2 国内外振动桩机的研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外振动桩机的研究现状 2 0 0 6 年在湖南长沙召开的中国工程机械工业协会桩工机械分会年会上，有关专家 就指出：桩工机械是建筑工程机械中不可或缺的重要组成部分，并且将在未来的现代化建 设中发挥越来越重要的作用口1 。因为不管从工程造价还是施工工期来看，基础工程都要占 全部工程相当大的比例，例如：桥梁、码头等水下基础要占全部工程的1 3 至1 2 ，一部分 工业与民用建筑的地基基础工程将占到全部工程的1 3 左右，因此桩工机械的不断发展与进 步，对建筑机械化事业有着极其重要的促进作用。 但是，由于桩机工作时需满足各种复杂的地质条件，所以振动桩机具有多品种、多规 格型号、专用性较强、生产批量不大的特性，也正是因为这种特性，制约了整个桩工机械 行业的规模化发展进程h 1 。 振动桩机的重要组成部分是振动桩锤，振动桩锤各零部件的组成、传动方式以及整体 布局的合理与否决定了振动桩机的性能优劣。 早期的振动桩锤激振器主要由单个偏心轮构成，如图1 3 所示： j q精 u 图1 3 早期凸轮式激振器的偏心轮结构 该偏心轮类似于凸轮机构，存在固定的偏心距，因此在桩机的整个工作过程中，激振 器将会全频率输出振动畸3 ，由于桩机沉桩时的固有频率一般小于桩锤的激振频率，因此在 设备加速过程与减速过程中必将引起系统的短暂共振。当共振发生时，系统零部件所受载 荷和应力将会成倍增大，使其更加容易损坏，进而缩短整个桩机的使用寿命1 。 为了改善振动桩锤的性能，使其具有相应的避振效果，许多学者对偏心轮的结构和功 能进行了分析和研究。 张立新口，在半圆形或扇形偏心轮的基础上，对偏心轮的结构形式做了改进，将凸轮式 偏心轮改为圆形偏心轮，并且偏心轮的内部( 局部) 为空腔，通过在空腔内填充与偏心轮 比重不同的物质，使得偏心轮的重心与圆心不重合，从而在工作时能够产生激振力，该偏 心轮可以通过下线调整振动参数获得不同的激振力和激振频率。 王明阳1 以激振力为l o t 的振动桩机激振器为例，用s o l i d w o r k s 自带的有限元分析 软件c o s m o s 例o r k 对整体直角式、整体弯角式等四种结构形式的偏心轮进行了结构分 析和有限元计算，研究了每一种偏心轮的优缺点，为改进设计和现场使用提供了理论依据。 王会华口1 运用三维软件u g 对偏心轮进行了设计。将偏心轮制成盒状，利用盒内的小 钢球的流动控制，达到调幅的目的，并通过实例对其偏心距计算方法进行了分析，提高了 准确度，减少了设计人员的工作量，初步实现了用调节偏心轮的方法来实现调节激振频率 的功能。 国内虽然已经有学者对偏心轮结构做了相应的分析和研究，但是这些新设计的偏心轮 结构比较复杂，而且操作麻烦，调频的效果也不是特别明显。 随着计算机技术的迅猛发展，各种工程分析软件，如a n s y s 、n a s t ra n 、a b a q u s 等，都具有强大的有限元分析能力和数值计算能力，学者们纷纷开始分析研究桩锤的动态 性能和桩一土系统理论，建立起了振动桩机沉桩理论。有限元工程分析软件在振动桩机研 究上的广泛应用，推动了振动桩锤技术不断地向前发展。 霍晓强n 们结合实践经验，对振动桩机的主要参数进行了分析，并总结得出相应参数的 计算方法，通过数据分析，得出振动桩机的主要参数应合理选择以有效克服桩侧摩擦阻力， 并尽量提高桩端对土壤的冲击力。 蒋云飞n u 以农用振动桩机为例，提出了一种更加全面，更能反映工作效果的频域仿真 法，建立振动桩机的双自由度数学模型，运用m a t l a b 软件仿真了振动桩锤在不同参数 盛汉型嵌大堂亟士堂僮论文筮3 页 下的幅频响应，分析了各参数之间的关系，为振动桩机的优化设计提供了依据。 李羊林n 幻研究开发了一种手持式液压振动桩机，并对其结构进行了设计和改进，性能 和沉桩效果明显得到提高。 马辉n 3 3 以振动桩机一土系统为研究对象，通过理论研究和实验分析，建立起土壤应力 一应变滞回模型以及振动桩机一土系统两自由度力学模型，为桩机工作系统进行动态特性 分析及预测提供了理论依据。 李湖胜n 4 1 研究了液压振动桩锤沉桩过程中的两自由度数学模型，运用m a t l a b 软件 对其进行计算机仿真分析，并根据桩锤振动过程仿真得到相应的桩锤位移、速度、加速度 变化规律，为液压振动桩锤的改进和参数优化设计提供指导。 张志华n 司根据振动桩机沉桩的原理，建立起沉桩运动方程，对混凝土桩振动沉入过程 中的振幅计算进行了相应的分析与探讨，为避免发生共振或过大振幅而破坏桩体采取适当 的工程措施提供了理论依据。 魏会文n 们指出了无级调频调矩液压振动桩锤无法推广的因素，并由此提出了一种新型 的结构方案，根据相位差调节手段进行调矩，建立激振器运动学和动力学方程，对振幅、 偏心距等进行了相应的分析。通过比较分析证明了该方案能够有效提高设备的可靠性。 王凯口7 3 以振动桩机和土为研究对象，对二者进行了适当的简后，建立起有限元模型， 用a n s y s 软件对其沉桩过程进行计算机仿真，将不合理的参数进行了优化，研究结果为 桩机的改进提供了理论依据。 于国平n 羽分析了振动桩锤主要参数之问的关系，建立了动力学模型，并相应的进行了 力振动分析，用振型叠加法求出了系统的动力学响应。 刘桂花n 钔建立了振动桩锤的运动微分方程，对振动桩锤运转工况的动力学特性做了具 体的分析，研究了振动桩锤振幅对沉桩效率的影响，为开发新型振动桩锤调幅机构提高沉 桩效率提供了理论依据。 通过学者的不断探索和研究，建立起了相对比较完善的沉桩理论和调幅调频技术理 论，为新型振动桩机的出现打下了理论基础。 边弘晔乜们提出了一种通过液压装置来产生周期性激振力的新型振动桩机，根据其运动 过程建立系统动力学模型，对桩机的沉桩过程进行仿真分析，得到振动桩机的位移曲线图， 为振动桩机的设计和改进提供了参考依据。 车仁伟乜妇设计了一种新型的激振器，建立了动力学模型，通过相应分析得出：改变偏 心距就可以改变激振力，从而改变振幅以适应土层和土质的变化，已达到最佳的沉桩速度 和效果。 王欣丽乜2 1 介绍了e p l 8 0 新型振动桩锤，与传统振动桩锤相比，具有能在无偏心力矩的 条件下启动，能够克服振动桩机在启动和停止阶段产生的短暂共振现象，并且在正常工作 过程中可以方便的调节偏心力矩等优点。 符懋敬研制了一种新型宽频带激振器，在原有振动测试系统基础上，将电动式激振 与压电式激振相结合，并通过其进行了空载加速度频响测试和力频响测试，验证了新型激 振器在2 0 恐2 0 尼眈较宽范围内激振的可能性。 赵玉成乜帕设计了一种可以产生宽频激振的偏心轮机构，并运用质点动力学的基本方 程，建立偏心轮运行过程中不同时段内的动力学模型，通过仿真算例，验证了机构设计的 可行性和新型激振器的优越性，为改变现有振动桩锤激振频率单一或稀少，提供了宽频激 振器的设计方法。 刘伟乜研究开发了一种新型的z z y l 6 0 型振动沉桩机，建立桩机一土系统的动力学模 型，进行了相应的分析，得出振幅和频率的调节在振动沉桩过程中的重要影响，并得出当 工作频率与土壤固有频率接近或者相等时，振动桩锤沉桩效果最佳，通过计算机程序的仿 真以及现场的实验，证明了这一结论，为我国在液压振动桩机的研究和开发方面提供了一 定的研究基础。 罗春雷晗刚深入研究桩一土作用机理，提出了一种新型的四轴振动桩锤结构，并以此研 究了新型机电液控制方案，分析了传统避振方案的优缺点，研究了新型四轴振动桩锤的一 系列特性，为振动避振技术的发展提供了一定的理论基础。 a b o o m i n a t l l a i l 晗 研究了桩一土系统在不同参数的作用下其幅频响应和动态响应，通过 一系列的实验分析，采集了不同的数据进行比较，为桩锤性能的改进提供了理论参考。 日本京都大学教授、工学博士昌昭次郎噜钔对减小振动桩机的振动对周围环境的影响进 行了大量的研究，分析得出：对于地基的振动，其频率越高，振幅就越小且硬度减弱的也 越快，将其应用于振动桩机，将能有效的减少噪音污染。 相较于国内而言：国外振动桩机的研究起步时间较早，通过不断的创新和改进，发展 至今，技术已非常成熟。桩机产品主要以液压振动桩锤为主，居于世界领先位置的国家主 要有俄罗斯、日本、美国等国家瞳9 1 。 近年来，为了有效降低共振的危害，俄罗斯开始从事电磁锤的研究。这种桩锤内部设 有中心磁极和励磁线圈，工作时通过电磁感应产生电磁力推动推杆运动，产生的频率范围 比较宽，可达1 0 舷1 0 0 0 0 勉，且没有机械传动装置，结构简单、噪音小、效率高，能够 有效降低共振的危害且使用不受环境条件的限制。 在日本，小型液压振动桩锤大多利用液压挖掘机的动力源，而大中型的振动桩锤则从 液压站得到动力，合理的动力源分配是日式振动桩锤事业的一大特色口训。例如将小型液压 振动桩锤安装在小松p c i l o 7 履带式挖掘机上，通过挖掘机的运动，能够快速的实现不同 场地间的转换，增强了振动桩机的灵活性，其主要特点是增加了振动桩锤的工作方向，适 用于狭小空间内的侧向操作口。 美国i c e 公司生产的液压振动沉拔桩机有中频、高频多种规格，适用于各种不同地质 条件的施工要求呤羽。例如i c e 4 4 b 型液压振动桩机，最大激振力为1 8 6 6 危，最大振幅3 0 所所， 可以实现振动频率8 0 0 1 8 0 0 印聊的无级调速，工作时仅需吊机配合使用，操作容易，设备 整体强度高、体积小、重量轻，产生的噪音低，并且密封性能好，可以适应任何施工环境。 1 2 2 振动桩机的未来发展趋势 振动桩机技术的不断改进与发展，给工程建设带来了极大的便捷，但同时也面临着巨 大的挑战。落后的桩工机械和桩基础施工技术已经不能适应目前快速发展的大型基础设施 建设的需要，尤其是在人们对生存环境要求越来越高的今天，那些在城市基础设施建设中， 存在能耗高、噪音大、油污严重、工作频率单一等一系列问题的旧桩工机械已经逐渐被淘 汰，取而代之的是能耗低、噪音小、无污染并且能够实现无级调频调矩的新型桩工机械。 1 3 本课题的研究目的和意义 经过不断地改进和发展，国内新型振动桩机的设计和研究工作已经取得了明显的进 展，桩机的结构和性能都比较完善，但是仍存在一些问题。例如：调频调矩时需增加额外 的设备、调频调矩效率不高、设备整体体积庞大等，为了能够有效地解决上述问题，笔者 通过全新的思维方式，设计研究了一款新型的无共振电动振动桩机。 盍垫鲑垫盘堂亟堂焦途塞箍三亟 2 0 0 8 年全球金融危机发生后，中国政府推出“四万亿”投资的经济刺激计划，其中有 近一半的资金投向了交通基础设旌和城乡电网建设，因此在未来一段时间内，加快和推进 城市基础设施建设的进程仍是政府工作的重中之重，所以作为保障城市基础设施建设顺利 进行的基础中的基础，桩工机械的生产和研发就显得尤其重要。 其次，随着城市人口受教育程度的不断提升，对其自身生存环境要求也越来越高，那 些在城市基础设施建设过程中的存在高耗能、高噪音、高油污的“三高”桩工机械，已经 无法再适应社会发展的需要。因此，必须掌握和运用新的科学技术，创造出全新的低耗能、 低噪音、低污染的“三低”桩工机械，而且设备整体结构简单，操作方便易懂。可以预见： 新型的振动桩机将具有非常广阔的市场前景。 最后，我国基础设施建设的快速发展急需有更加先进技术支持的桩工机械设备，而国 内的设备和国外的同行业相比在技术和制造能力上存在很大的差距，仍有一系列的问题急 待解决。因此，开发价廉物美、符合中国国情的振动桩机已成为目前国内桩工机械行业发 展的当务之急。 1 4 本课题研究的主要内容 笔者在查阅大量文献资料的基础上，以激振器无共振偏心轮为研究对象，构思设计了 一款无共振的电动振动桩锤，其结构如图1 4 所示： 图1 4 无共振电动振动桩锤结构图 本文着重分析了偏心轮无共振的原理，用m a t l a b 软件分阶段仿真偏心轮可动滑块 的运行轨迹并检验比较了无共振激振器的避振效果，从而证明激振器无共振偏心轮构思和 设计的合理性。设计计算了无共振振动桩机的相关零部件，运用a n s y s 软件对振动桩机 的激振箱箱体进行结构静力学的有限元分析，校核箱体在载荷作用下的强度，找出结构的 应力集中位置，并根据分析结果重新设计箱体结构进行有限元分析，直至强度条件满足设 计和工作的要求。具体的研究内容如下： 1 、构思设计了一款无共振电动振动桩锤，介绍了桩锤的各组成部分，并对该款桩锤 箍鱼亟盛这歪邀盘堂亟堂僮论文 的特点做了详细的介绍； 2 、分析指出共振现象在工程机械领域的利弊关系，并由此设计了一款激振器无共振 的偏心轮，使其在正常工作中能够避免与设备的共振： 3 、详细介绍了无共振偏心轮的工作过程及避振原理，并用m a t l a b 软件仿真了在不 同激励作用下偏心轮可动滑块的运动轨迹，比较其不同激励下的动力学性能，检验其避振 的效果； 4 、运用有限元软件a n s y s ，对激振器箱体进行了静力学分析，找出工作中箱体结构 可能存在的应力集中位置，根据分析结果重新优化设计箱体结构，并采用有限元网格密化 技术对箱体进行多次分析比较，从而使箱体的结构满足设计和使用的要求。 1 5 本章小结 本章主要介绍了振动桩机的相关定义和简要分类，比较分析国内外振动桩机的研究和 发展现状，剖析我国桩工行业面对的发展形式以及存在的一系列问题，并提出相应的解决 方法，进而展望了整个桩工机械行业的未来发展趋势。 笔者总结了本文的研究目的和意义，简要罗列了研究的主要内容，提出了本文的设计 创新点： 一、设计的无共振偏心轮采用两偏心块一定一动对称分布，通过调节可动偏心块的质 量、起始旋转半径、弹簧刚度等参数，使得可动偏心块能够在偏心轮转到远大于系统共振 频率的转速时才开始产生偏心，从而避开了偏心轮起始阶段和停止阶段的共振。通过理论 推导可动偏心块的动态方程和m a t l a b 仿真其运动轨迹，充分证明了电动偏心轮式振动 桩机全程无共振工作的性能。 二、对激振器箱体结构进行有限元计算的过程中，运用了有限元网格局部细化再分析 技术，在整体粗网格划分的基础上对应力集中区域采用等级1 和等级2 两种方式进行网格 细化，并对细化后得到的计算结果做了误差分析，使误差值不超过5 ，提高了箱体有限 元分析的精度。 2 1 振动桩锤 第二章无共振电动振动桩锤的研究 振动桩锤是振动桩机的重要组成部分，主要结构包括减振系统、传动系统以及振动系 统。振动桩锤工作时，通过吸振横梁上的起吊装置与起重机相连，可以在垂直方向上进行 沉桩作业，与挖掘机相连，可以在桩基的侧向上进行沉桩作业。 振动桩锤发展至今，其技术已经基本成熟，但是还存在一些问题，如： 一噪音问题 振动桩锤与柴油锤、冲击式锤相比，噪音较小，但是由于振动桩锤是通过强迫振动使 桩体下沉的，始终存在着噪音的问题，其中电动振动桩锤的噪音相比于液压振动桩锤更大 一些； 二体积问题 机械式振动桩锤是通过电机驱动偏心轮产生高频激励的，当要求输出的激振力较大 时，就需要相应的增加电机的功率以及偏心轮的偏心质量和偏心距，使得桩锤的整体体积 增大，降低其灵活性，不利于在不同工作场地问的快速转换； 三共振问题 由于振动桩锤是利用周期性的简谐振动来完成作业的，而桩基的白振频率一般都比桩 锤的激振频率低，所以，当振动桩锤加速或减速通过该自振频率区域时，必将产生短暂时 间内的共振，引起振动桩锤零部件的应力高度集中，降低其使用寿命。 虽然振动桩锤的技术已经比较成熟，但是对存在的问题仍需不断地改正，尤其是共振 问题，对桩锤的使用寿命影响很大，需要运用新的思维来解决这一问题。 2 2 无共振电动振动桩锤的研究 2 2 1 无共振电动振动桩锤的结构分析 为了能够有效地解决振动桩锤在工作过程中与桩基存在的共振问题，笔者构思设计了 一款无共振的电动振动桩锤，其主要结构如下图所示： 1 吸振横梁；2 电动机；3 减振弹簧；4 激振器 图2 1 无共振电动振动桩锤的基本结构示意图 根据图2 1 所示：无共振电动振动桩锤主要有吸振横梁1 、电动机2 、减振弹簧3 以及 激振器4 组成，电动机2 安装在激振器4 的箱体盖上。工作时，先用起重机的吊钩，将振 动桩锤垂直吊起搁在桩顶，然后启动电机，电机的输出端通过皮带传动带动激振器工作， 激振器内装有偏心轮，偏心轮的高速旋转产生垂直方向上的高频激振力，经夹钳作用于桩 体，完成桩体下沉或上拔的作业，并且通过减振弹簧吸收和缓冲振动。 2 2 2 无共振电动振动桩锤的特点分析 电动振动桩锤在国内的技术相对比较成熟，是目前市场上较为普及且发展迅速的桩工 机械，与液压振动桩锤相比，它的主要特点是： 一、既可沉桩又可拔桩 由于振动锤是靠减小桩和土壤间的摩擦阻力而达到沉桩目的，在桩和土壤间摩擦阻力 减小的情况下，仅用稍大于桩和锤重的力即可将桩拔起，因此，电动振动锤不仅适用于沉 桩，同样适用于拔桩口3 1 。 二、施工操作较为方便 电动振动锤工作时，只需用起重机吊起即可，不用设置导向桩架，操作简单； 三、具有环保功能 电动锤施工时噪音低，污染小。 通过查阅大量的相关文献资料，笔者构思设计出这一款无共振电动振动桩锤，与其他 电动振动桩锤相比，主要有如下特点： 特点一：桩锤整体布局更紧凑，结构更简单、操作更方便； 振动桩锤整体采用对称分布，使设备重心和激振力的方向尽可能的处在同一条直线 上，减少了工作过程中的侧向偏置力，能够有效地抑制桩锤的晃动，降低噪音，桩锤侧面 结构布局图如下所示； 1 带轮传动；2 电动机；3 电机机座；4 激振器箱体 图2 2 桩锤侧面结构布局图 振动桩锤整体的布局比较紧凑，轴向与径向尺寸比例适中，使得振动桩锤体积减小， 易于搬运和及时的转换工作场地，增强其灵活性； 振动桩锤各零部件结构简单，易于制造、更换和维修。 特点二：桩锤减振系统减振性能高； 为了能够有效地降低激振器产生的高频激振力对桩锤其他设备的影响，笔者设置了置 顶式减振系统。 减振系统中，笔者在激振器上下两侧各对旋设置了两对减振弹簧，保证了设备运行的 平稳性，减振弹簧采用比普通圆柱螺旋压缩弹簧性能优越的变参数弹簧泓 3 础作为主要的减 振元件。 查阅相关资料分析比较普通圆柱螺旋弹簧和变参数螺旋弹簧在自由高度三= 3 4 0 聊m ， 弹簧丝直径d = 2 5 朋m ，弹簧中径d = 1 0 0 肌朋，材料为6 0 & 2 c ，蹦等相同的参数条件下，受 1 0 f 载荷作用时的应力、应变和位移情况如下表所示碍6 。： 表2 1 普通圆柱螺旋压缩弹簧的性能参数 位置 参数 x 如m )y 如聊)z 如m ) 结果 应力( 加2 ) 4 6 4 7 6 1 1 8 4 9 4 53 0 4 7 7 2 7 8 9 4 8 4 e + 9 位移) 2 4 5 5 3 45 7 4 3 7 73 1 0o 0 7 2 表2 2 中间圆柱、两端圆锥弹簧的性能参数 位置 参数x b 历) y m )z b m ) 结果 应力( 朋2 ) 3 8 9 6 42 0 1 3 8 32 3 6 0 3 97 4 8 0 6 5 e + 9 位移如) 8 7 5 7 5 55 6 0 3 9 l2 4 0 o 0 6 比较上表的各参数可以看出变参数螺旋弹簧具有明显的优势，在1 m 载荷作用下，应 力比普通圆柱螺旋弹簧小了o 4 1 4 1 9 p + 9 p 口，位移变形量小了o 0 1 2 m ，证明了在相同变形 量的条件下，变参数弹簧的承载能力相对较大，所以本次设计中，笔者选择采用中间圆柱、 两端圆锥的变参数螺旋弹簧作为桩锤减振系统的主弹簧。缺点是这种弹簧的制作难度较 大，基本结构如下图所示： 图2 3 变参数( 中间圆柱、两端圆锥) 弹簧的结构示意图 特点三：激振器能够实现无共振作业； 无共振电动振动桩锤中，笔者运用了最新设计的激振器无共振偏心轮，使得振动桩锤 在工作过程中实现了无共振作业。无共振偏心轮保证了振动桩锤只在越过共振区之后才产 生激振力，不仅实现了完全的避振，而且使得电机轻载启动，缩短了启动时间。无共振偏 心轮的基本结构如下所示： 童 1 圆形偏心轮；2 可动滑块；3 螺栓：4 弹簧；5 螺钉；6 固定滑块 图2 4 无共振偏心轮的基本结构示意图 图2 4 中所示为无共振偏心轮的基本结构，将传统的凸轮式偏心轮设计成圆形偏心轮 1 ，并在该基础上，将偏心滑块设计成左右对称，由弹簧4 两边顶住偏心滑块，并用螺钉5 固定左边的偏心滑块6 ，只有右边的可动偏心滑块2 能够克服弹簧作用力而产生移动，引 起滑块质量偏心，从而产生激振力。 静止时，两偏心滑块都由弹簧抵住；偏心轮开始旋转时，两偏心滑块将做圆周运动， 当偏心轮刚开始旋转时，由于转速较小，可动偏心滑块产生的离心力无法克服弹簧预紧力， 滑块不产生偏心，偏心轮无激振力输出；当转速升高到一定值( 远大于最大共振频率) 后， 可动偏心滑块产生的离心力克服弹簧预紧力，开始产生偏心位移，偏心轮有激振力输出， 随着转速升高，偏心位移量增大，直至到达设定的极限位移量，输出最大的激振力。 通过合理的调节偏心块质量、起始旋转半径以及弹簧预紧力三者之间的关系，就可以 满足一定频率内的避振要求。但是考虑到实际设计制造过程中存在的一些限制条件，如： 偏心轮尺寸的约束、弹簧预紧力大小的约束等，需要对这些相关因素进行科学的计算分析。 盛垫登垫盘堂亟堂僮途塞 簋j l 亟 2 3 本章小结 本章主要介绍了振动桩锤存在的一些问题，根据这些问题构思设计了一款无共振电动 振动桩锤，介绍了桩锤的结构布局及其工作原理，详细分析了无共振振动桩锤的特点： 一、桩锤整体布局更紧凑，结构更简单、操作更方便； 二、桩锤减振系统减振性能更高； 三、激振器能够实现无共振作业，从而明显提高了振动桩机的工作寿命，而且更加环 保。 根据无共振电动振动桩锤避振的原理，提出了激振器无共振偏心轮的设计结构，并对 其工作原理做了简要的介绍。 3 1 共振现象及其危害 第三章无共振偏心轮避振机理研究 白振亦称共振，即系统在周期性外力( 激振力) 作用下发生受迫振动，当外力的频率 跟系统的固有频率接近或相等时，其振幅将明显增加，甚至造成设备瞬间破坏，此种现象 称其为共振现象口7 1 。 共振现象在日常生活中十分普遍。由共振引起的破坏有时是非常严重的。例如在工程 机械领域中由于机器在工作时轴盘类元件的转动( 如活塞轴的转动、凸轮的转动等) ，会 产生周期性的应力，使得机器的零部件可能产生共振而受到损坏，进而影响整个设备的使 用寿命，尤其是在一些大型冶金设备中，如果因共振现象引起设备的故障，将会导致大量 财产的损失。因此，必须设法消除共振给工程机械领域所带来的不良影响。 3 2 引起传统振动桩锤共振的原因及常规处理方案 3 2 1 振动桩锤的共振 在桩工机械中，振动桩机是利用激振器产生周期性的简谐激励“液化”土壤，减少桩 侧面与土壤间的摩擦阻力，并依靠其自重或外加压力克服桩端面的阻力而穿破地层以达到 沉桩的目的呻1 。 1 激振器2 夹钳3 桩体 图3 1 振动桩锤沉桩示意图 当采用常规施工方法( 标准工法) 时，由于偏心轮的振幅在工作过程中是不可调节的 ( 即偏心块的偏心距在工作过程中是固定的) ，工作过程中偏心轮将全频率输出振动，因此 振动锤从静止状态达到工作状态( 如从0 4 0 勉) ，必然经过共振区( 在土壤中沉桩的固有 频率约为1 5 2 0 勉) 口训。在偏心轮的转速加速到这一区间时，由于共振现象，振动锤的振 动速度及加速度将数倍甚至数十倍于正常工作阶段的值，使振动锤整体及桩身受到超额冲 盛垫銎垫盘堂亟堂焦迨塞箍1 3 亟 击载荷的影响，易导致振动锤零部件受损，影响其使用寿命，如图3 2 所示： i 过渡频率 i j l 共振匀 蛊 造成强j 9 i 振动 七( s ) 无强剥j 夤动七( s ) 图3 2 共振与非共振的示意图 传统振动桩锤正常工作时，在起始和停止阶段必须经过共振区，所以桩锤在一次工作 过程中将会产生两次共振，如图3 3 所示： 图3 3 振幅在起动与停止阶段的变化示意图 图中：4 起动阶段内的共振幅值； 爿2 停止阶段内的共振幅值。 通过上图幅值的变化情况可以看出：偏心块在起动阶段f ：时间内出现短暂的共振 现象，引起振幅突变，共振幅值4 明显大于正常工作振幅；在停止阶段f 3 f 4 时间内同样 出现短暂的共振现象，引起振幅突变，共振幅值么，也明显大于正常工作振幅，所以，传统 振动桩机的一次工作过程中存在两次共振现象。 这两次共振产生较大的振幅并使相关元件承受超额的应力，形成高幅值脉动应力，极 易造成相关器件的疲劳损坏。 3 2 2 传统振动桩锤的避振方案 避免共振传统的方法主要是利用外部液压装置调节两偏心轮之间的相位角，使两偏心 轮之间的重合度不一致，从而调节偏心轮的偏心矩以实现无极调频调矩的功能h 叫。其主要 工作原理如下： 在马达启动阶段，液压系统使上、下两对振动轴上的偏心块相位差为1 8 0 0 ，此时两根 振动轴无论转速多高，产生的激振力都将相互抵消，不会有振动输出。保持这种状态直到 箍! 垒亟盍返型邀盘堂亟堂僮途窒 振动轴的转速升高到共振频率之上，就能避开起始阶段的共振区。然后，再利用液压调幅 装置，使偏心块之间产生相位差，根据实际的工况条件，按照设计值选择所需要的振幅或 激振力值。当相位差为0 0 时，即两对振动轴同相位时，激振力及振幅值达到最大。同理， 当需要停止振动时，先将两对振动轴的相位差调到l8 0 0 ，此时无振动输出，然后，使马达 逐渐停止转动，这样就避开了停止阶段的共振区。如图3 4 所示： d 2 5 篙5 隔? r 溅1 图3 4 相位差式调频调矩法 相位差调频调矩法中有一种方案是采用滑移齿轮来进行调频调矩的，其结构如图3 5 所示： 1 活塞推杆；2 滑移齿轮；3 传动齿轮；4 传动齿轮 图3 5 滑移齿轮式调频调矩法 图3 5 中所示为滑移齿轮式调频调矩的示意图h ，当需要改变偏心力矩时，通过液压 力推动缸筒沿活塞杆l 作轴向移动，套在缸筒上的滑移齿轮2 同时跟进。由于滑移齿轮2 与传动齿轮3 、4 螺旋角旋向上下对称，所以当滑移齿轮2 转过一定角度时，传动齿轮3 和4 同向旋转且转过的角度相等，与传动齿轮3 和4 啮合的同步齿轮转过一个相反的角度， 这样，上层偏心块p 1 、p 2 分别与下层偏心块p 3 、p 4 构成两个相等的夹角。当这两个夹角 都为1 8 0 。时，偏心力矩为零。当这两个夹角都为零时，则偏心力矩为最大。调角齿轮位移 的多少决定了偏心力矩的大小。 这种方案只是建立在理论设计上。在实际工程应用中，由于其结构非常复杂，调整齿 轮在工作过程中所受冲击非常大，产生较大的噪音且齿轮使用寿命较低。 采用相位差调节法可以实现避振的效果，但是存在一系列的缺点，如：液压设备体积 庞大，使桩锤整体体积增大，转移场地不灵活，而且结构复杂，维修不方便，增加额外的 设备就使得制造成本增加等。 为了能够有效地解决共振的问题，同时又可以避免上述不足之处，笔者构思了一款新 虿矿圜m 习曾园 蛩蝌回盈懈印 相位角 蠢振力 蹙墨盘垫盘堂亟堂鱼诠塞笠! 三亟 型的激振器。该激振器由两个无共振偏心轮构成。 3 3 激振器无共振偏心轮的结构及其工作原理 笔者构思的无共振激振器偏心轮结构如图3 6 所示：将传统的凸轮式偏心轮设计为圆 形偏心轮1 ，并在该基础上，将偏心滑块设计成左右对称，由弹簧5 两边顶住偏心块，并 用螺钉3 固定偏心滑块2 ，只有可动偏心滑块4 能够克服弹簧作用力而产生移动。在马达 初始加速阶段，可动偏心滑块4 所受离心力较小而不能产生位移，因而整个激振器完全对 称，没有激振力输出。只有在偏心轮旋转至一定速度时，可动偏心滑块4 所受离心力才会 克服弹簧预紧力并且自身产生沿半径方向的偏移，也就产生了偏心质量和偏心力。一旦产 生位移后，其可动滑块4 所受离心力进一步增加，进一步压缩预紧弹簧产生更大的位移， 直至可动滑块4 到达极限位置为止。 函 卜圆形偏心轮；2 一固定偏心滑块；3 一螺钉；4 一可动偏心滑块；5 一弹簧 图3 6 无共振激振器的偏心轮结构示意图 无共振激振器偏心轮的工作过程可以分为两个阶段： 一、起始阶段 当偏心轮刚开始转动时，由于其转速很小，此时偏心块产生的离心力无法克服弹簧的 预紧力，故可动偏心滑块( 以下简称动滑块) 保持不动，无偏心质量产生，保持这种完全 对称的状态直到偏心轮转速升高至共振频率以上，从而避开起始阶段的共振区。随后，偏 心轮的转速进一步升高，动滑块产生的离心力进一步增加，克服弹簧预紧力开始产生位移 和偏心质量，激振器可输出振动。随着偏心块的偏心距和离心力的进一步增加，弹簧压缩 位移量也进一步增加，整个过程循环的最终结果是动滑块被移到极限位置，从而产生最大 的激振力。 当然，避振的前提条件是共振频率必须低于激振工作频率。这个条件在一般桩机工作 中均具备。 二、停止阶段 当停止工作时，偏心轮转速的逐渐下降，弹簧的预紧力与动滑块离心力之间的平衡被 箍! 鱼亟盛垫叠垫盘堂亟堂僮途窒 再次打破，在频率减小到共振区之前，动滑块已移回初始位置，无偏心距产生也无振动输 出，故同样能够避免停止阶段的共振区。 但是，这就要求系统的减速过程相对较长。若快速制动，有可能动滑块未回到初始对 称位置，转速就已达共振区，这样仍有可能输出激振力。经过后面的计算表明：一般的减 速可以完全避免在共振区有激振力输出。 此设计方案能够在偏心距为零时启动和停机，因此能够有效缩短电机的启动时间，减 少能耗，而且整套设计结构简单，操作简便，体积小，制作成本低。将偏心块做成两侧对 称单侧可调，不仅可以方便以后的维修和更换，还能够通过改变滑块的质量、弹簧刚度以 及滑道起始和最终半径等参数，产生不同力度和频率的激振力以满足不同工况的需要。 3 4 激振器无共振偏心轮的运动分析 无共振偏心轮的可动滑块在运动过程中受到弹簧预紧力、离心力尸、滑块加速度 车以及阻尼力c 害的作用，相互之间的关系比较复杂，进行相应的简化( 不考虑偏心轮 d tm 内侧与动滑块的摩擦力) ，研究动滑块的半径方向上力的平衡， 在偏心轮运转过程中，动滑块受力如下所示： p y x 出 f 砑 m d # ，d o p 图3 7 动滑块的受力情况分析图 图中：尸动滑块离心力； 只，弹簧预紧力； 忌弹簧刚度； x 以初始位置为基准的动滑块偏移量； c 等效阻尼系数； m 动滑块的质量； 国偏心轮角速度。 根据牛顿第二定律建立平衡方程： ，l 丝+ c 鱼+ 缸：尸一p ( 3 1 ) ，竹+ c + 船= ，一r l j 1 ， d td t 。 因为动滑块在运动过程中是沿偏心轮滑道方向偏移的，其运动速度较低，根据资料阻2 3 盍垫盘垫盘堂亟堂僮诠塞箍! z 亟 证明，在低速运动系统中，阻尼力c 拿对系统的影响不大，所以式( 3