（机械设计及理论专业论文）液压振动锤桩振系统建模仿真.pdf

摘要 随着高层建筑和大型港口及桥梁对桩基础要求和社会对建筑施工环保要求的 不断提高，桩基施工设备的进一步发展已变得越来越迫切。振动沉桩机凭借其独 特的性能和优势，己逐渐成为了各国研究和发展的重点。 液压振动桩锤是一种以油压力为驱动力产生偏心激振、强迫桩土振动，使沙 土液化以实现轻松沉桩的新型环保型桩工机械。国内液压振动桩锤设计理论很落 后，也没有自己成熟的产品；国外液压振动锤问世己有二十多年历史，产品相对 成熟，但对沉桩理论、尤其对沉桩阻力研究还远远不够。国内外液压振动桩锤产 品存在着这样的共同问题：一方面，目前各种液压振动桩锤液压控制技术水平低 下，功能普遍比较简单，另一方面，调频调矩机构复杂，导致机械故障率普遍较 高，制约了设备向高性能的发展。论文主要研究内容和结论概括如下 一、本文对国内外振动桩锤的发展进行了综合叙述和分析。介绍了振动锤的 理论研究现状、国内外的发展现状、桩锤结构原理以及典型的液压系统。并对振 动桩锤无级调频调矩机构进行了详细的总结分析。 ， 二、研究液压振动桩锤打击过程中的两自由度数学模型，基于数学模型进行 计算机仿真及分析。根据桩锤振动过程仿真曲线结果，研究桩锤振动过程中，桩 锤位移、速度、加速度变化规律，仿真研究结果将对液压振动锤的改进和参数优 化设计提供指导。并为进一步研究生产样机提供了理论依据。 关键词：液压振动锤； 计算机仿真；两自由度 w i t ht h ec o n t i n u o u s l yr i s i n gd e m a n do ft h e p i l ef o u n d a t i o no fh i g h b u i l d i n g ， l a r g e s c a l ep o r t ，b r i d g ea n dt h e r e f o r et h er i s i n gd e m a n do fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni n p i l ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n ，t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fp i l e c o n s t r u c t i n ge q u i p m e n t h a sb e e nb e c o m i n gm o r ea n dm o r e u r g e n t b a s e do ni t ss p e c i a le x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a n da d v a n t a g e ，v i b r a t o r yp i l i n gm a c h i n eh a ss t e a d i l yb e c o m et h ef o c u st ob es t u d i e d a n dd e v e l o p e di nt h ew o r l d a h y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l eh a m m e ri san e wt y p eo fe n v i r o n m e n t - f r i e n d l yp i l e m a c h i n ew h i c hd e p e n d so no i lp r e s s u r et og e n e r a t ee c c e n t r i cv i b r a t i o na n df o r c e st h e s o i lt ov i b r a t es ot h a tt h es o i lc a nb el i q u e f i e df o re a s yp i l es i n k i n g t h ed o m e s t i c t h e o r yo fh y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l eh a m m e rf a l l sb e h i n da n dt h e r ea r en om a t u r e p r o d u c t so fo u ro w n ；i no v e r s e a s ，t h eh y d r a u l i cv i b r a t o r yh a m m e rh a sc o m eo u tf o r m o r et h a n2 0y e a r s ，t h e i rp r o d u c t sa r em u c hm o r cm a t u r e ，b u tt h e i rr e s e a r c h e sf o rt h e t h e o r yo fp i l es i n k i n ge s p e c i a l l yf o rt h er e s i s t a n c eo fp i l es i n k i n ga r en o te n o u g h t h e d o m e s t i ca n df o r e i g nh y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l eh a m m e r sh a v ec o m m o np r o b l e m s ：o n o n eh a n d ，a tp r e s e n tt h eh y d r a u l i cc o n t r o le n g i n e e r i n gl e v e lo fv a r i o u sh y d r a u l i c v i b r a t o r yp i l eh a m m e r si sp r e v a l e n t l yl o wa n dt h ef u n c t i o n sa r ea us i m p l e ；o nt h e o t h e rh a n d ，i t sf r e q u e n c ya n da m p l i t u d em o d u l a t i o nf r a m e w o r k sa r ec o m p l e x ，s ot h a t t h em a c h i n e r yf a i l u r er a t ei sp r e v a l e n t l yh i g h ，t h e r e f o r e ，t h ed i r e c t i o nt o w a r d sh i g h p e r f o r m a n c eo ff a c i l i t i e si sr e s t r i c t e d t h em a j o rc o n t e n ta n dc o n c l u s i o no ft h i sp a p e r a r eg e n e r a l i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i st h e s i s h a sac o m p r e h e n s i v e d e s c r i p t i o na n da n a l y s i sa b o u tt h e d e v e l o p m e n to fv i b r a t i o np i l eh a m m e ra th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r w eh a v e i n t r o d u c e dt h et h e o r e t i c a l s t u d ys t a t u s o fv i b r a t o r yh a m m e r , d o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to ft h es t a t u s ，s t r u c t u r ep r i n c i p l ea n dt y p i c a lh y d r a u l i c s y s t e mo fp i l eh a m m e r a n dw eh a v ead e t a i l e ds u m m a r ya n da n a l y s i sa b o u tt h e s t e p l e s sf r e q u e n c ya n da m p l i t u d em o d u l a t i o nf r a m e w o r k sa n dv i b r a t i o ni s o l a t i o n s y s t e mo fh y d r a u l i cv i b r a t i o nh a m m e r s e c o n d l y , a nt w od e g r e eo ff r e e d o mm a t h e m a t i c a lm o d e ld u r i n gp i l i n go f h y d r a u l i cv i b r a t i o nh a m m e ri sg i v e n b a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e l ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n da n a l y s i si sc a r r i e do u t t h ec h a n g i n gr u l eo fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o nc a nc o m et oad e c i s i o nf r o ms i m u l a t i o np l o td u r i n gv i b r a t i o np r o c e s so f p i l eh a m m e r r e s e a r c ho ns i m u l a t i o nw i l lb ei n s t r u c t i v ei ni m p r o v i n ga n do p t i m i z i n g i i d e s i g no fi t sp a r a m e t e ra n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i st of u r t h e rr e s e a r c hp r o d u c t i o n p r o t o t y p e k e yw o r d s ：h y d r a u l i cv i b r a t i o np i l i n gh a m m e r ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；t w o d e g r e eo ff r e e d o m i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： a 试， ：? 期：二髫年争月扫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 作者签 导师签 相应方框内打“4 ) 日期：以年月砂日 日期：铅年f 月a 口日 第一章绪论 1 1 研究背景 本课题来源于美国打桩设备有限公司液压振动锤的国产化项目。课题提出的背 景：随着桥梁建设、港口建设、铁路建设和高层建筑规模的扩大，越来越多的基 础设施建设中需要越来越多的桩基设备。液压振动锤突出优点是环境振动小、噪 声低、不排放任何有害气体、沉桩过程对预制桩损害小、机器重量轻、造价低【1 】【2 1 。 液压振动桩锤是利用油压力作为动力，驱动偏心块的回转和进行系统控制，与电 动振动锤相比，穿透力更强、效率更高、适用地质范围更广。振动锤不仅能施工 预制桩，而且适合施工灌注桩0 1 。因此液压振动锤越来越成为国际土木施工的首 选。但是在我国的实际情况是，桩基施工中还停留在柴油冲击锤普遍流行的时代， 特别是在房屋建造项目施工中更是占有绝对的比例。虽然近年来液压静力压桩机 得到了长足的发展，但是由于其体积庞大，作业场地要求太高等因素严重制约其 成为通用的桩基施工设备。综上所述液压振动锤在我们具有广阔的发展前景。液 压振动锤现阶段在我国没有发展起来的原因是国产化严重不足，进口这种大型设 备花费巨大，且维修养护费用巨大，花费周期很长。以a p e 4 0 0 d 双联锤为例：一 台a p e 4 0 0 d 到口岸的报价是9 5 万美元，入关、运输、安装、调试等完成后，基本 上要花费1 0 0 0 万人民币左右。后期的维修与保养费用就更吓人了，美国维修人员 的日费用为7 0 0 美圆，其中还不含吃、住、行的费用。配件全部由美国空运，_ 颗螺帽1 4 元人民币，其它的可想而知了。液压振动锤因为频率高的缘故，加大了 加工难度，所以造价太高，目前只有一些大型工程公司采购了几套，以美国a p e 和i c e 为主，例如一航局4 套a p e 4 0 0 型，中铁大桥局4 套a p e 4 0 0 型，二航局2 套i c e 4 0 0 型。另有几个小公司采购了a p e 2 0 0 型振动锤，用于下沉钢管桩。 a p e 液压振动锤要是国产化成功，对于中国基础工程建设，特别是桩基施工建 设的意义将会是里程碑式的。国内有几家小厂正在模仿a p e 的产品，如武汉中铁 机械设计院，上海得倍佳机械公司，但是还仅仅局限与1 5 0 型以下。具体的困难 是两方面，发动机功率过小，加工设备达不到要求。本项目选用康明斯6 3 0 的发动机，在实验中取得了比较满意的结果。 前苏联从1 9 3 4 年开始研究振动参数的变化对土壤阻力的影响，并试制了世界上 最早的“巴尔堪 型和“罗斯金型振动沉桩机。1 9 4 9 年高尔基水电站的格型围 堰中，使用了b t 一5 型振动沉桩机，沉桩条件是在饱和水的砂土中将钢板桩沉入9 1 2 m 深，费用少，与气动沉桩机相比施工费用节约4 6 ，同时不需要辅助设备。基 于上述优点，振动沉桩机在前苏联得到广泛应用，并研制了如b i i 一2 型和1 0 0 型新 型振动沉桩机，沉桩效率也有很大提高。目前俄罗斯仍比较注重振动沉桩的发展， 并在施工中广泛应用 4 1 。 在日本，大发工业于1 9 5 9 年最早研制振动沉桩机，随后汽车制造、日平产业、 浦贺重工、新三菱重工、古河矿业、林制作所、久保田铁工、山口兴业、丰田机 械等都相继开始试制。但由于振动沉桩机沉桩性能受土质条件的限制，在软土层 沉桩速度较快而在坚硬土层或粘土层速度较慢，故其应用受到限制。由于柴油打 桩机在坚硬土层中具有很大的打击力，充分显示其优越性，因此在日本占据了主 导地位。但到了6 0 年代后期，由于“公害一引起人们的注意，柴油打桩机在市区 被禁用，因此又促进振动沉桩机的发展。随着振动沉桩机承担沉桩的任务日益广 泛，沉桩地质条件更加复杂，促使振动沉桩机向大型高效发展。截止到八十年代 末，日本的桩机品种最多，共有十家公司4 9 种型号【5 】。 德国的振动沉桩机是在前苏联以后发展起来的，它的技术参数及构造形式均与 前苏联不同，一般采用高频振动，频率在2 5 - 5 0 h z 之间，产生的激振力和振幅均 较小。他们认为土壤的自振频率在2 2 h z 左右，因此振动沉桩机的频率选择尽量接 近这个范围。德国生产的振动沉桩机有米勒、申克两家公司1 1 种型号，大部分产 品频率可以调整。 、 美国和其它西欧国家使用振动沉桩机的时间较晚，它们在基础施工中广泛采用 蒸汽打桩锤、气动打桩锤以及钻孔机械，因此振动沉桩机在打桩工程中并不占有 重要地位。随着“公害一问题的突出，才开始重视振动沉桩机。法国的p t c 公司生 产5 种型号的振动沉桩机，美国福斯特公司和克宁公司生产1 1 种型号的振动沉桩 机。7 0 年代中期，美国m k t 公司研制成功第一台装有偏心块激振器的液压振动沉桩 机，使桩机发展进入了一个新阶段。该机种因具有贯入力强，噪音低，沉桩质量 好，振动污染小，使用方便，亦可水下作业等优点，受到建筑界的重视并得以迅 速发展，西方发达国家已普遍推广使用液压振动沉桩机睁射。 在我国，自2 0 世纪5 0 年代建造武汉长江大桥时首次使用苏制振动桩锤以来， 振动沉桩机因构造简单、操作方便，已成为我国桩基础施工的主要设备之一。如 前所述，振动桩锤又是沉桩机的主要部分，其发展水平直接影响着沉桩机的工作 性能。我国电动式振动锤的发展已经非常成熟，从几千瓦到几百千瓦都能自行设 计制造，比较大的生产厂家有：浙江振中工程机械股份有限公司，兰州建筑通用 机械总厂，浙江瑞安八达工程机械厂等。在b a u m ac h i n a2 0 0 6 上，浙江振中公司 展出的功率达4 8 0 k w 的双电机驱动、可调偏心力矩振动锤，是目前世界上最大的电 驱动可调振动锤之一，这表明在电动锤领域我国已处于世界领先水平。与电动振 动锤相比，液压振动锤在我国只是刚刚起步，液压振动锤应向高频、调频调幅的 方向发展。2 0 0 2 年，由( 武汉) 中铁工程机械研究设计院首次研制成功了具有我 国自主知识产权的系列高频液压振动锤，但因液压站费用的制约目前我国尚无生 2 产大型液压振动锤的厂家，许多大型施工工程仍需进口大型液压振动锤来满足施 工要求。从国际上的趋势看，液压振动锤逐步要替代电动振动锤 9 1 。 1 2 振动沉桩研究现状 1 2 1 关于振动沉桩的几种理论 目前各国在选择振动桩锤参数时所依据的理论主要有两个，即共振理论和振 动冲击理论。由于对整个振动系统所作的假设不同，共振理论又有三个分支p o 。 ( 1 ) 将振动锤和桩视为独立的系统。当桩的振动频率与土壤颗粒的自振频率 一致时，土壤颗粒产生共振。此时，土壤颗粒有足够的振动速度和加速度，能迅 速破坏桩与土壤之间的粘结力，使两者之间由压紧状态过渡到瞬时分离状态。桩 的侧面阻力大大降低，促成其顺利沉入土中。由于土壤颗粒的自振频率较低，一 般在l o - 2 0 h z 左右，中频振动锤就是根据这一理论设计的。 ( 2 ) 把桩看作均质刚体，土壤为其弹性支承，共同组成一个单自由度的振动 系统。使振动锤的强迫振动频率接近这个体系的自振频率，桩便产生最大纵向振 动而贯入土中。这是高频振动桩锤的设计原理。 ( 3 ) 把桩看作均质弹性体，使振动锤的强迫振动频率接近桩的纵向振动自振 频率。由于桩的共振最大限度的增加了弹性变形量，从而贯入土中。由于桩的自 振频率很高，桩的运动速度比土壤的反弹要快，使土壤分子不能实现弹性变形， 颗粒间的结合遭到破坏，使之产生“液化一。同时，由于桩的弹性变形，横截面直 径也会随纵向拉伸压缩而缩小和增大，从而破坏桩与土壤的接触。这是超高频振 动锤的设计理论依据。 根据振动锤能达到的最高频率所在范围，可将振动桩锤频率范围划分成上述 几种类型。 、 i 不管怎样，以上各种理论的共同点在于都是利用振动破坏土壤的粘结力，进 而使土壤产生“液化一现象，降低桩的侧面摩擦阻力。桩在土中沉入时除遇到侧 面阻力外，还遇到端部阻力，所以对密实的粘土以及土壤中的硬质土层，实现沉 桩首先必须克服端部阻力。 振动冲击理论认为，对于坚硬地层来说，桩的下沉不仅仅靠桩与锤的自重破坏 底端土层，还要靠桩运动时端部对土壤产生的冲击作用，使之产生塑性交形。在 这种理论指导下，设计了振动冲击联合作用的振动锤。 由以上可以看出，共振理论强调振动频率对沉桩的影响，而振动冲击理论则 突出了冲击对沉桩的影响。从沉桩的过程来看，沉桩必须克服桩侧摩擦力和桩端 阻力。桩在土中振动时，桩侧土受到的力为桩与土之间竖直方向的往复摩擦力， 桩侧土在这种摩擦力的作用下产生振动，桩与土之间的摩擦力大小决定了桩侧土 振幅的高低。桩在振动时对桩端土的作用力为周期性的冲击力。由此看来，振动 3 沉桩的本质是通过振动减小桩侧摩擦阻力，而通过冲击克服桩端阻力，来达到沉 桩的目的。从沉桩的效果来看，振动桩锤在软土中施工效率很高，但与冲击锤相 比，振动锤穿越硬土层的能力要差得多。振动桩锤在可振动液化的土层中施工时， 提高设备穿越桩端土的能力是提高其作业能力的关键。 1 2 2 振动沉桩建模研究现状 、一、国外：国外研究和生产液压振动锤走在前面的国家主要有美国( a p e 、i c e 、 m k t ) 、瑞典( c a t e r p i l l a r 、m i ds t v i b r o ) 、德国( k u r p p 、p v e 、d e l m a g ) 、荷兰( h e r a 、 w e d e r h o r s t ) 和日本( 日本产业公司、建调神户、日本车辆) 等。它们大部分产品都 具有多级或无级调频功能，而具有无级调矩功能的主要是美国和德国几家公司， 无级调矩方案都是通过大螺旋角人字形齿轮的轴向移动进行相位差的调节。 在振动沉桩理论技术和产品发展成熟的国家，不但产品比较成熟，而且已经形 成了一套比较成熟、完善的理论体系。振动沉桩理论是多学科综合，需要将桩基 工程、机械设计理论、振动力学、波动力学、土力学和土动力学糅合到一起的复 杂系统，这样的理论才能更好应用于工程实践1 1 0 。美国、德国、瑞典和日本在这 方面的工作做的较好。美国在这方面做了大量理论和实践研究工作，经过 h o l e y m a n 1 1 l ，s m a r t ，v i k i n g 和r a u s c h e t l 2 l 等几代专家的相继努力，在以非线性 振动和波动力学为基础的振动沉桩研究取得了显著的成果，在大量的实验研究基 础上，他们对频率、振幅、弹性桩、土、振动系统、沉桩阻力、沉桩效率等都进 行了深入理论建模研究，而且建模紧密结合工程实践，致力解决桩锤的沉桩能力、 作业效率方面的问题。 1 9 9 2 年，m a s s a r s c h 对桩一土共振进行过详细研究，其中考虑了土的质量和 硬度特性，以正确预估土的共振效应。s m a r t 、v i k i n g 等人曾探讨过最优极限惯入 速度的问题，s m a r t 研究认为的极限惯入推荐速度为6 2 m m s ，而v i k i n g 认为是 8 m m s 。b e r n h a r d 根据d a v i s s o n 能量方程修正后，得出了桩锤特性参数。 国外常用的建模方法是：1 9 8 9 年，r a u s h c e 等人研究的c a s e 建模法解决沉桩过 程瞬态地基阻力问题：2 0 0 2 年，v i k i n g 、h o l e y m a n 等人研究的积分法解决刚性桩 的加速度，瞬时穿越速率等问题，1 9 6 0 年，s m a r t 等人研究的波动方程解决桩侧、 桩端阻尼力的问题。 、 二、国内：国内6 0 年代就开始引进电机驱动的振动锤产品，到目前电动锤的 生产厂家少说也有二、三十家，但液压振动锤研究设计开发的单位却可谓风毛麟 角，目前只有北京建机所( d z j 系列) 和中铁机械院( v s 系列) 研究开发中、低频液 压振动锤，中铁机械院的高频锤( h f v 系列) 正处于试制阶段。在液压振动锤调矩方 面，目前市面上并没有成熟的国产产品。浙江振中在振动锤研究方面具有初步的 成效【州4 1 。 4 1 3 本文主要研究内容 本文分为五章： 第一章：课题的研究背景，包括课题研究的来源、目的、意义和目的。然后对 国内外振动桩锤的发展进行了综合叙述和分析。介绍了振动沉桩的研究理论和建 模研究理论。 第二章：本章介绍了振动锤的分类，振动锤基本的原理。然后又分析了振动 锤的一个典型的液压系统。 第三章：研究液压振动桩锤打击过程中的数学模型，包括机械与振动研究当 中介绍的单自由度振动沉桩模型，然后在单自由度模型的基础上进行了进一步的 两自由度建模分析。且提供了拉格朗日能量方程和牛顿第二定律分解法两种不同 的求解方法。以后在类似的振动问题分析中可以根据实际情况选择不同的方法来 求解。在两自由度振动模型的基础上求出了系统的两个固有频率。 第四章：基于数学模型进行仿真及分析。根据桩锤振动过程仿真曲线结果， 研究桩锤振动过程中，桩锤位移、速度、加速度变化规律，仿真研究结果将对液 压振动锤的改进和参数优化设计提供指导。并为进一步研究生产样机提供了理论 依据。 第五章：振动沉桩试验研究，验证激振频率和偏心力矩对沉桩效果的影响。 说明仿真研究有一定的实际意义。 第二章液压振动锤基本原理分析 2 1 振动桩锤的分类 振动桩锤按工作原理可分为振动式和振动冲击式两类；按动力装置与振动器 连接方式可分成刚性振锤与柔性振锤两种；按振动频率可分成低频( 1 5 2 0 h z ) ，中 频( 2 0 - 6 0 h z ) ，高频( 1 0 0 - 1 5 0 h z ) 与超高频( 1 5 0 h z 以上) 四种。若按原动机还可分成 电动式、气动式与液压动力式三种i l l 【2 1 。图2 1 表示了三种类型的振动桩锤。 ( a ) 刚性振动锤 1 一激振器 2 一电动机 3 一传动机构 4 一夹桩器 - ) b ) 图2 1 振动锤的型式 ( b ) 柔性振动锤： 1 一激振器 2 一弹簧 3 一底架 4 一电动机 5 一传动带 ( c ) 振动冲击锤 1 一激振器 2 一桩帽 3 一砧头 4 一弹簧 1 刚性振动锤( 图2 1 a )它的特点是电动机直接固定在激振器上，工作时电 动机与激振器起振动。这类振动桩锤对电动机的要求较高，通常使用耐振电动 机。由于电动机的质量也作为振子质量的一部分，所以这类振动桩锤振幅较小， 降低了锤的效率。 2 柔性振动锤( 图2 1 b )电动机与激振器之间有一组减振弹簧，若弹簧的刚 度选择适当，可使电动机受到的振动冲击减到最低，同时还加大了冲击的力量。 这类振动桩锤虽然结构合理，但构造复杂，到目前为止未能推广使用。 6 3 振动冲击锤( 图2 1 c ) 工作时激振器产生的振动通过弹簧耦合系统对冲击 砧头进行撞击，这种既振动又冲击的振动桩锤用于坚实土壤上沉桩，但电动机损 坏严重。 除大型箱式振动桩锤外，多数振动桩锤既可用于沉桩也可用于拔桩。拔桩时 在吊钩与激振器之间有一组减振弹簧可大大削弱传到吊钩上的振动力。 2 2 国外液压振动桩锤结构原理及其液压系统分析 2 2 1 液压振动桩锤工作原理 采用振动沉桩的最佳效果是让桩周边土壤的自振频率能与振动机的频率接近 引起共振。因而若能使振动桩锤的振频在一定范围内变化，以求得引起桩土共振 的频率就成为近年来振动桩锤的研制方向f l 卯。通过更换齿轮啮合位置来改变振动 频率，这种机械式更改频率的方式在实际使用中很难发挥作用，操作也很不方便。 近年来，随着液压技术的发展与成熟，国外各公司相继研制了多种大型液压振动 桩锤 1 6 1 。 大型液压振动桩锤由于消耗功率大，动力源一般采用柴油机。柴油机的输出 轴通过耦合器直接驱动液压泵。柴油机与液压泵合在一起组成了动力柜，可用汽 车拖动或整体运输。液压泵输出的高压油通过电液控制系统、输油管送至振动桩 锤上的液压马达。液压马达输出轴通过齿轮带动偏心块轴使振动机振动。同时， 另有一路液压油送至夹卡液压缸。大型液压振动桩锤的减振器与前面介绍的弹簧 式减振器有所不同。如f u n d e xm - - 4 5 0 型液压振锤采用的是空气悬挂减振系统。 振动部分被4 个空气减振器悬挂在静止的机架上，在拔桩时可将振动锤传到吊钩 与桩架上的激振力大大削弱。i c e 型液压振锤的减振器是合成橡胶块，根据上拔力 的大小，可选1 6 块、2 4 块或更多的橡胶块组合成减振器。这种减振器弹性大，韧 性高，隔振效果很好1 1 7 】。 2 2 2 液压振动桩锤典型液压系统的工作原理 各厂家液压振锤的液压系统工作原理大致相仿，这里详细介绍一种典型液压振 锤液压回路的工作原理。 图2 2 为某中频锤的液压回路。发动机e 带动了三个液压泵p 1 、p 2 、p 3 。主 泵p 1 、p 2 给振动桩锤液压马达供应液压油，p 3 泵的流量较小，给夹卡液压缸供应 压力油。， 主液压泵控制回路中有两个电磁控制插装式流量阀与两个插装式溢流阀。插装 阀具有控制流量与压力方向的复合功能，由于压降低，适应性快，可以快速转接， 对大流量高压系统的切换十分有利，可以克服通常换向阀在切换时产生的冲击。 在未按下起振按钮时，流量控制阀c a l 、c a 2 和溢流阀c b l 、c b 2 的背压端与油箱 7 相通，液压油可以较小的压力克服c a i 、c a 2 、c b i 、c b 2 弹簧的阻力，打开阀c a l 、 c a 2 、c b i 、c b 2 ，使油从换向阀v 2 的中位返回油箱。 按下起振按钮后，电磁换向阀v 2 切换到左位( f o r ) ，此时c a i 、c b 2 的背压为 零，两个阀打开。同时蓄能管a c 中的压力使c a 2 、c b i 的背压增加，切断回流通 路，液压油打开c a i 进入液压马达m ，同时打开溢流阀r v 5 ，使溢流阀b v 背压失 压，液压马达m 的回流可迅速经阀b v 、通过c b 2 返回油箱，液压马达在几秒钟内 便可达到全速。 开始工作时，油箱温度不高，当温度不超过3 8 时，温控开关b 1 未接通，电 磁换向阀v 3 不动作，液压油不经过冷却器脏而经过单向阀c v 2 返回油箱。油箱温 度达到3 8 时，t s i 接通，v 3 动作，液压油经冷却器h e 返回油箱。流量阀c a 2 与溢流阀c b i 因背压被关闭后，由于背压接在蓄能胶管a c 回路中，油压升高时， 胶管膨胀，使c b i 与c a 2 的背压升高平缓，因而c b i 与c a 2 的关闭也平稳，液压 马达的起动也更平稳。 ” ， 当液压油压力超过3 3 i m p 8 时，通过溢流阀c b i 节流孔的先导油打开了溢流 阀r v i ，使c b i 与c b 2 的背压降低，高压油可稍打开此两个阀进行卸荷，直到高压 油压力降到3 3 i m p a 以内。 。 i 。 若要停锤，只需按动停锤按钮，电磁换向阀v 2 回到中位，液压回路又处于空 载状态。此时，r v 5 失压，由弹簧关闭，液压马达m 回路切断，液压马达m 被高压 油制动。 夹持器的液压控制回路是独立回路，泵p 3 输出的高压油由电磁换向阀v 1 控制。 为了使夹卡液压缸的压力不失压，夹持器钳口不松动，在回路中接人了压力开关 p s i ，当油压达到3 1 m p a 时，p s i 动作，v 1 回到中位，夹卡液压缸处于保压状态，若 由于内泄，油缸压力小于2 9 m p a ，n p s l 重新动作使v 1 切换到左位，继续给夹卡液 压缸供油。 参考资料 1 8 - 2 3 研究成果可知，分析国外振动桩锤产品的液压系统原理， 发现它们在控制上都大同小异。有如下共同特点： 1 系统较简单。 。 2 对于调频系统，多数通过采用双泵并联供油系统，改变供油油泵数量实现 有级调节，这种方式简单可靠，但功能单一，且振动沉桩作业过程中不能在线调 节：有的通过改变液压泵的排量实现无级调频，但调速范围除受变量机构调节范围 不够宽的局限性约束外，还受负载变化和泄漏等因素的影响，且低速承载能力很 差：配有柴油发电机的，大多数都采用了柴油机变频。 ， 3 都有蓄能器进行液压系统吸振和消除流量脉冲。 ， 4 有的设计了沉桩到位自动停机系统，原理也很简单：当无法再往下沉入时， 系统压力自然达到最大，此时顺序压力控制阀使得溢流阀卸荷。 8 图2 2 振动锤液压系统图 p 1 、p 2 、p 3 一液压泵c a i 、c a 2 - - 插装式流量控制阀c b l 、c b 2 一插装式溢流阀v 1 、v 2 、v 3 一 电磁换向阀m 一液压马达e 发动机r v l 、r v 2 、r v 3 、r v 4 、r v 5 一溢流阀b v 制动阀t s l 、 t s 2 温控开关h e 一冷却器c v l 、c v 2 、( 2 v 3 、c v 4 、；c v 5 、；c v 6 、c v 7 - - 单向阀a c 一蓄 能胶管f 2 一过滤器m p - - 手泵q d l 、q d 2 、q d 3 、q d 4 、q d 5 一活动接头 9 5 液压系统主要是液压传动系统。基本上没有采取电液比例或伺服控制元 件，更没有采用任何自动控制、智能控制系统。 可见，液压振动桩锤目前主要还是停留在液压传动水平上，难以提高设备可 靠性、环保性，设备无法自动适应沉桩作业环境变化，难于在提高作业工效上实 现突破。只有充分借助液压控制、电液控制、自动控制乃至智能控制的现代技术 优势，才能使液压振动沉桩设备适应当前高度现代化、信息化的潮流，从根本上 提高整体性能。 与国内生产的振动沉桩机相比，国外发达国家振动沉桩机有以下几个方面的 特点，也代表了当今振动沉桩机发展的方向。 液压驱动高频振动沉桩机的日益普及。电机驱动的振动沉桩机存在着配套 件使用寿命不高、调频调幅困难等缺点；同时受电机转速限制，不能实现高频振 动，因而其振动污染和噪声污染较大，且合格品的噪声级只达1 0 5 d b 。随着环保意 识的增强，液压高频振动沉桩机将逐步占领电机驱动的振动沉桩机的市场并取而 代之。 遥控调频调幅技术。国外液压振动沉桩机大多可通过遥控对振动频率进行 无级调节，有的还可对振幅进行遥控调节。 智能化作业。利用c a n 总线反馈控制系统，及时显示沉桩时的油压、频率、 振幅、实际沉桩深度等数据，并根据土壤实际情况自动调整其性能参数，以达到 更高效的使用。 无级变频变矩功能的实现。由于地质条件复杂多变，为了提高施工效率， 要求振动沉桩机能够方便地调整激振频率和振幅，以适应不同的地质条件，达到 最佳施工效率。同时，为了使振动沉桩机适应城市建设的需要，必须开发能实现 无振动启动和停机的环保型桩机。 振动锤是振动沉桩机的主要部分，其发展水平直接影响着沉桩机的工作性能。 国内现有的振动沉桩设备多数都由电机驱动，由于电机驱动的振动锤存在着调速 不便、体积大等缺陷，寻找能保证在工作过程中改变振动参数的新结构成为振动 沉桩机的研究热点。随着液压传动技术的迅速发展和不断完善，人们开始将液压 技术应用于振动沉桩机。而目前，我国在液压振动沉桩机的研发生产振动锤是振 动沉桩机的主要部分，其发展水平直接影响着沉桩机的工作性能。国内现有的振 动沉桩设备多数都由电机驱动，由于电机驱动的振动锤存在着调速不便、体积大 等缺陷，寻找能保证在工作过程中改变振动参数的新结构成为振动沉桩机的研究 热点。随着液压传动技术的迅速发展与使用方面与世界发达国家相比存在着非常 大的差距。与电机驱动的振动锤相比，液压振动锤有如下优点： 采用液压变量系统可实现无级调频，以便适应于不同的土质，调频十分方 便； l o 采用封闭式钢结构，可以适于水下作业； 采用单独动力站，可向大功率方向发展； 采用高频振动，振动污染小、噪音低； 可方便更换多种液压夹桩器； 可实现机电一体化控制，智能化作业，达到更高效的使用。 2 3 本章小结 本章介绍了振动锤的分类，振动锤基本的原理。然后又分析了振动锤的一个 典型的液压系统。这有助于对振动锤的结构特征有一个清晰的了解，在了解清楚 振动锤的结构和功能特征以后，才可以对液压锤的各零部件需要的强度，刚度， 硬度等指标进行评估，为以后国产化采购国内零部件打好基础。 第三章桩振系统建模分析 3 1 振动沉桩机基本构成 振动沉桩机主要由起重机械和振动锤两部分构成。起重机械用于起吊桩锤和桩 以及其它辅助装置。振动锤主要由激振器、夹桩器和动力站组成。为了有效减少 激振器传给起重机械的有害振动，激振器与起重机械之间的连接体为弹性悬挂装 置，一般为弹簧减振装置，并能有效减小噪声。图3 1 为不带起重机械部分的振 动沉桩机结构示意图。 图3 1 振动沉桩机结构示意图卜减振装置( 弹簧悬挂)2 一激振器( 包含液压马达、偏 心块振动器) 激振器是振动锤的关键部件，由液压马达驱动，通过齿轮传动，带动成对偏心 块旋转，从而产生激振力。偏心块安装在齿轮轴上，齿轮和轴承一般采用油浴润 滑方式，频率较高时则采用循环油压力润滑。激振器的上部连接体为弹性悬挂， 多为橡胶弹簧减振，可有效地减少激振器传递给起重机或桩架的振动，且噪音较 小。 激振器的下部连接体为夹桩器，根据桩的不同类型，可配置单夹头、双夹头、 多夹头夹桩器等。 动力站由发动机、主副油泵、机罩和控制系统等组成，主泵主要为振动锤的 马达提供动力，副泵一般用于夹桩器夹紧，动力站出油口配有快速接头，以便液 压软管的拆装，控制系统配有直接控制和有线远程控制。 液压式振动桩锤保持了振动工法所具有的较高施工性和经济性等优点，又具 有低噪音，易调频、调幅，可水下作业等特点，且不受电力的限制，更适于野外 作业。因此，液压式振动桩锤能较好地满足城市建设、桥梁、港口等各种基础施 1 2 工工程的需要。 3 2 激振器工作原理 激振器是振动沉桩机主要工作部件，是桩振系统的振源。振动沉桩机工作时， 液压马达驱动偏心轴相向旋转( 如图3 2 所示) ，由于偏心块在偏心轴上的对称布 置，两组偏心质量块产生的离心力在水平方向相互抵消，在垂直方向相互叠加， 使桩产生垂直方向的上下振动，造成桩及桩周土体处于强迫振动状态，从而使桩 周土体强度显著降低并将桩端处土挤开，桩侧摩阻力和桩端阻力大大减小，于是 桩在自重及激振力作用下克服惯性阻力而逐渐沉入土中。激振器工作原理示意图 如图3 3 所示。 图3 2 旋转偏心块示意图 图3 3 激振器工作原理 3 3 桩机的单自由度数学模型及振动分析 振动沉拔桩机工作机构如图3 3 所示。振动锤是利用共振理论设计的。当桩的 强迫振动频率与地基土壤颗粒的自振频率一致时，土壤颗粒产生共振。土壤颗粒 有最大的振幅，足够的振动速度和加速度，能迅速破坏桩和土壤问的黏结力，使 桩身与土壤从压紧状态过渡到瞬问分离状态，沉桩阻力尤其侧面阻力迅速减小， 桩在自重作用下下沉。振动锤都是采用机械式振动器。它由转轴带动偏心块高速 旋转，从而产生一个离心力f = m r a 2 。离心力f 经由支承轴的轴承，振动器的外 壳传给桩。定向振动器是由两根装有偏心块的轴组成，这两根轴上装有相同的偏 心块，但两根轴相向转动，这时两根轴上偏心块所产生的离心力在水平方向上的 分力相互抵消，而在垂直方向上的分力则叠加起来，合力为 p = 2 m r o j 2s i n q ( 3 1 ) 式中：9 为离心力与水平线的夹角。 振动锤工作时，桩身与桩组成一体，由土壤支持着成为一个振动体系。要做一 些假设使之简化【矧。 假设： 土壤为弹塑体，其对桩的作用看作一个弹簧和一个阻尼器； 桩是绝对刚体； 分析桩的振动时只计入黏滞阻力，并认为阻力是运动速度的线性函数； 土壤的惯性不计入。 根据以上假设，由振动锤、桩和土壤1 2 7 1 组成的这一体系，简化后的模型如图 3 4 所示，是一个单自由度的振动系统。 图3 4 振动沉拔桩机示意图 1 4 x 图3 4 简化模型 图3 4 中，振动体的质量为m ，支持振动体的土壤总的弹簧常数为k ，激振力 为p ，阻力系数为c 。以振动体静止时自然平衡位置为零点，列出振动体的运动微 分方程式： m x + 锗+ 脐= p o s i n c o t ( 3 2 ) 上式两端除以m 得： x + 2 s c o x 。- + 。x = i os i n w t l m ( 3 3 ) 式中：s 为阻尼系数，s = c c o ，t 为时问、p 。为激振力的振幅，p = 2 m r c 0 2s i n q ，m 、 r 分别为振动器偏心块的质量和偏心距；蛾为振动体的自振圆频率，0 ) 1 1 = 七m 。 3 4 桩机的两自由度数学模型及振动分析 如图3 5 所示，激振器通过减振器与起重钢绳隔离。通过夹持器使桩与激振 器之间刚性连接，夹持器采用液压驱动。在上节我们简要介绍了机械研究与应 用中介绍的桩机的振动分析及单自由度数学模型。在下图我们发现，振动锤本 身并不是作为一个整体出现的，一般是有起吊机构吊装有减振横梁，减振横梁与 激振器之间有弹簧减振机构。参考文献 2 8 - - - 3 4 研究成果可知，我们尝试着将将 横梁单独作为一个独立质量块，将桩和激振器作为一个理想的质量块简化进行模 型分析。因此在这种情况下，我们理论上分析，振动沉桩机有两个自由度。我们 得到图3 6 所示的简化两自由度模型。 1 5 m l 一减振横梁质量 毛一提吊钢绳刚度 q 一提吊钢绳阻尼 彩一激振角频率 起吊钢绳 减振梁 减震弹簧 激振器 夹持器 y os i n c o t 、 z ： z ； li 图3 5 振动桩锤系统的组成 图3 6 两自f h 度力学模型 鸭一桩和激振器的质量 磊一激振力 岛一减振弹簧刚度 毛一土体刚度 岛一减振弹簧阻尼c 3 一土体阻尼 1 6 根据上述共振理论建立系统的力学计算模型，做以下假设： 将土壤视为弹塑性体，其对桩的作用看作一个弹簧和一个阻尼器； 桩有足够大的抵抗变形的能力，故可视桩为刚体，不考虑参振土体质量的 影响： 桩机对振动的作用视为一个阻尼器； 将土体的参振质量在某一瞬间视为不变值； 分析桩振动时，粘滞阻尼力是土壤运动速度的线性函数，弹性恢复力是土 壤运动位移的