（机械设计及理论专业论文）调频调矩液压振动桩锤结构分析及新型液压系统研究.pdfVIP

、i l 卜 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 液压振动桩锤齿轮箱的频繁损坏是导致无级调频调矩液压振动桩锤问世近 1 0 年仍无法推广应用的关键因素。本文从机械设计和动力学角度分析了现有的 大螺旋齿轮传动调矩型振动桩锤设计和力学问题，提出了一种新型结构方案，设 计研究了相应的新型液压控制系统。 本文首先从高速回转引起齿轮箱升温和巨大离心力对传动轴造成弯曲等方 面出发，根据振动桩锤大螺旋角齿轮传动的运动状态，按照齿轮优化设计理论推 导出了齿轮侧隙及其齿厚公差的优化计算公式，提高了齿轮箱的承载能力。 根据以相位差调节手段进行调矩的振动桩锤一土振动特性，从桩一土振动力 学的角度，建立激振器运动学和动力学方程，得出相位差调节过程齿轮传动系统 的负载力公式通过对激振力为1 6 0 0 n 的激振器建模和仿真，发现在调矩过程 齿轮传力系统载荷是额定负载的5 6 倍，这使得齿轮结构难以承受。据此，论 文提出了一种构造简化的新型结构方案，完全取消了现有的油缸推动和齿轮传动 调矩结构，调矩调频完全通过对液压马达转速的控制来实现。 本文根据液压振动桩锤的负载特性，提出了新型液压控制方案新方案采用 电液比例调速控制系统，负载敏感泵控系统，提高了马达转速的控制性能，既解 决了负载变化剧烈时速度不受影响的问题，又可达到系统能耗最低的日标。针对 振动可能使偏心块产生驱动力这一问题，设计了背压自适应控制系统，既防止了 马达吸空，又避免了能量浪费。新型液压系统功能齐全、元件少。论文还对激振 力为1 6 0 0 n 的振动桩锤关键液压元件进行了选型计算分析。 论文对新型液压控制系统的关键环节一电液比例调速系统进行了建模、仿真 和实验研究。研究结果表明，系统具有一定的稳定性和较好的刚度特性，在不需 要任何控制算法的条件下，调速系统基本能满足调频调矩沉桩作业的要求。 论文提出的新型结构方案和控制系统大大提高了设备的可靠性，研究成果为 液压振动桩锤向机电一体化控制和智能控制发展打下了基础。 关键词：液压振动锤，调频调矩结构，液压控制 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg e a rc a s eo fv i b r a t o r yh y d r a u l i cp i l eh a m m e rb e i n gb r o k e n f r e q u e n t l yi st h ek e yf a c t o ro f t h eu n e x t e n d i n go fi tw h i c hh a v ec a l n eo u t f o rt e ny e a r s t h i sp a p e ra n a l y s i st h ed e s i g na n dd y n a mp r o b l e mo f c u r r e n tg r e a th e l i xg e a rv i b r a n c yp i l eh a m m e rf r o mt h em e c h a n i cd e s i g n a n dd y n a m i c sa s p e c t t h e nt h i sp a p e rb r i n gan e ws c h e m eo f t h es t r u c t u r e a n dd e s i g nt h er e l e v a n th y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rs t a r tf r o mt h eg e a rc a s e st e m p e r a t u r ea s c e n d i n ga r o s i n g b y t h eh i g hs p e e dt u m i n ga n dt h eb e n do ft h et r a n s m i s s i o ns h a f tc a u s eb y t h eb i gc e n t r i f u g a lp u l l a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n ts t a t eo ft h eg r e a t h e l i xg e a r - d r i v e no ft h ev i b r a n c yp i l eh a m m e ra n dt h ed e s i g nt h e o r yo f t h eg e a ro p t i m i z i n g ，t h i sp a p e re d u c et h eo p t i m i z i n gc a l c u l a t ef o r m u l ao f t h es i d eg a pa n dt o o t ht h i c k n e s so ft h eg e a r i ti n c r e a s et h ec a r r y i n g c a p a c i t yo f t h eg e a rc a s e a c c o r d i n gt ot h ev i b r a n c yp i l eh a m m e r - s o i lv i b r a t i o ni d e n t i t yo f m o m e n ta d j u s t i n gb ya n g l ed i f f e r e n c em e t h o da n df r o mt h ep i l e s o i l d y n a m i c sp o m to f v i e w , t h i sp a p e rc o n s t i t u e t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s e q u a t i o no f t h e v i b r a t i o ne x c i t e r w ec a l lg e tt h el o a df o r c ef o r m u l ao f t h e a n g l ea d j u s t i n gg e a rs y s t e m t h r o u g ht h em o d e l i n ga n ds i m u l i n ko f t h e v i b r a t i o ne x c i t e rw h i c hc a l lp r o v i d ev i b r a t i o nf o r c e ( 1 6 0 0 n ) ，w ef m do u t t h a tt h el o a d0 nt h eg e a rs y s t e mi s5o r6t i m eo ft h er a t e dl o a di nt h e p r o c e s so f m o m e n ta d j u s t i n g t h eg e a rs t r u c t u r ec a l l tb e a rt h a tl o a d t h e n t h i sp a p e rm a k ean e ws i m p l es t r u c t u r ew h i c hc a n c e lt h ec u r r e n to i l c y l i n d e rp u l l i n g a n d g e a rd r i v i n g s t r u c t u r eo fm o m e n ta d j u s t i n g c o m p l e t e l y t h em o m e n ta d j u s t i n ga n dt h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o nc a r r y o u tb yt h eh y d r a u l i cm o t o rc o n t r o l l e db yc o n t r o ls y s t e m i ns u c c e s s i o np a p e rr e s e a r c ht h en e wh y d r a u l i cc o n t r o ls c h e m e a c c o r d i n g t ot h el o a dc h a r a c t e r i s t i co ft h e h y d r a u l i cv i b r a t i o np i l e h a m m e r , n e ws c h e m eu s et h ee l e c t r o h y d r a l i cp r o p o r t i o n a lt i m i n gc o n t r o l s y s t e ma n dl o a ds e n s i t i v i t yp u m pc o n t r o ls y s t e mw h i c hi m p r o v et h e c o n t r o lc a p a b i l i t yo ft h em o t o rr o t a t es p e e d i tr e s o l v et h ee f f e c tw h i c h 中南大学硕士学付论文a b s t r a c t a c u t ec h a n g eo fl o a dp u to nt h er o t a t es p e e da n dr e a l i z et h el o wp o w e r w a s t e a i m i n ga tt h ep r o b l e mv i b r a t i o np u to nt h ee c c e n t r i c i t yb l o c ks o m e d r i v ef o r c e ，t h i sp a p e rd e s i g nt h eb a c k u pp r e s s u r ea u t o m a t i c l l ya d j u s t i n g c o n t r o ls y s t e m i tp r e v e n tt h es u c ke m p t ya n da v o i dt h ee n e r g yw a s t e n e w h y d r a u l i cs y s t e mi sm o r ep o w e r f u la n dh a sf e wc o m p o n e n t t h i s p a p e ra l s od os o m ew o r ko nt h et y p ec h o o s i n gc a l c u l a t i n ga n da n a l y s i so f t h e1 6 0 0 nv i b r a t i o np i l eh a m n q e r sk e y c o m p o n e n t a tl a s tt h ep a p e rd ot h em o d e l i n g 、e m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a t i o n w o r ko ft h ee l e c t r o h y d r a l i cp r o p o r t i o n a lt i m i n gs y s t e mw h i c hi st h ek e y t a c h eo ft h en e wh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c hr e s u l tt o l dt h a t t h es y s t e m ss t a b i l i t ya n dr i g i d i t yc h a r a c t e ri sg o o d w i t h o u ta n yc o n t r o l a r i t h m e t i c ，t h es p e e dg o v e r n i n gs y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e p i l ed r i v i n gw o r k t h ep a p e rs o l v et h e p r o b l e mo ft h ei l l o g i c a l s t r u c t u r eo ft h e h y d r a u l i c v i b r a t i o np i l eh a m m e r t h en e ws t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o l s y s t e mi m p r o v et h ec r e d i b i l i t yg r e a t l y t h er e s e a r c hr e s u l ts e tu pt h eb a s e o ft h ee l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a la n dt h ei n t e l l e c t c o n t r o lo ft h e h y d r a u l i cv i b r a t i o np i l eh a m m e r k e y w o r d s ：h y d r a u l i cv i b r a t o r yp i l e d r i v i n g ，m a c h i n a r yo ff f e q u e n c y a n de c c e n t r i cm o m e n t a d j u s t m e n t ，h y d r a u l i cc o n t r o l 1 - 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：邀作者签名：哇遴坠日期：生年址月丑日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名童邀导师签名叠施日期：兰必丝月幽 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 桩工机械的分类和特点 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，蒸汽锤已基本被淘汰。 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( 三者统称为一次 公害) ，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“1 。 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，效率较高啪h 】。 振动沉桩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。目前，被主要用于大型桩基础、桥梁基础施工中4 1 。 振动沉拔桩按动力可分为电动振动桩锤和液压振动沉拔桩锤；按激振频率可 分为低频( 5 1 2 h z ) 、中频( 1 2 - - 2 5 h z ) 和高频( 3 8 - - 4 2 h z ) 、超高频( 约1 0 0 h z ) 1 1 1 6 1 1 2 国内外振动沉拔桩机发展概况 1 2 振动沉拔桩机研究的概况 振动沉拔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。1 9 3 4 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 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 动，结果只用静拔桩力的1 1 0 l 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m 。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b t 型、v 型、v p p 型和、，p 型。v p 型振动沉拔桩机是 1 9 5 0 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l 型2 5 0 型数种，它对通常的土层，在深度2 0 m 以内，仅以振动即可沉入；对深 度2 0 m 以上至2 5 m 以内，需定时清除管内积土才能沉入，对2 5 m 以上则要并用送 气法或射水法进行沉入。v p 型振动沉桩机1 9 5 7 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1 2 个月的工期，就完成了深达3 0 m 7 6 m 的管桩沉入工作，因而受到了国际上的关注“御。 同时在武汉长江大桥建设时期，我国试制了苏制b i l l 型振动桩锤，成为当 时激振力最大的振动桩锤。2 0 世纪6 0 年代，为南京长江大桥由3 6 m 预制力混凝 土管桩下沉，又研制了大型振动桩锤中- - 2 5 0 型。激振力可达2 5 0 0 k n 。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d z j 系列振动桩锤，这类振动桩锤的最大激 振力已达1 8 0 0 l 【n ，电机功率为2 4 0 k w 。他们由于采用了偏心力矩液压调整装置， 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5 0 0 6 0 0 m ，长度2 0 m 的钢管桩埘。 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，这种振动打桩机可以在0 7 8 3 2 6 分 钟的时间内，将前端封闭、直径3 2 5 m m 、长2 1 6 m 的钢管桩，或以2 7 分钟的时 间将前端封闭、直径为9 1 4 n m l 、长1 7 4 i i i 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6 0 0 0 转的高频 率振动而引发桩共振的原理，它以5 0 0 h p 的汽油发动机作为动力，因此消耗功率 相当大3 。 日本振动沉拔桩机的发展，是1 9 6 0 年以东洋棉花公司进口的苏联v p - 1 型振 动打桩机为起点。第一次进口3 0 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 2 叠 广 - 中南大学硕士学位论文第一章绪论 机的序幕。其中日平产业足以制造功率在1 5 3 0 h p 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7 8 m m 左右较短的板桩，这种打桩机采用4 0 0 8 0 0 r p m 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1 。 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1 9 6 0 1 9 6 4 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1 5 4 根直径1 2 m 及1 5 m ， 长3 3 m 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2 3 m 的深度。而建调神户株式会社生产的k m 2 1 2 0 0 0 型振动打桩机，曾以5 7 分钟的时间，将直径4 8 0 m ，长2 9 m 的前端封 闭钢管桩贯入至n 值( 标准贯入值) 5 0 以上的地层2 m 深“l i d 。 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1 9 6 6 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 3 中南大学硕士学付论文第一章绪论 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，通过给桩体旌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“”。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。 除了研究振动沉拔桩机的沉桩拔桩效果，随着社会对环境保护意识的增强， 人们为减小振动沉拔桩机的振动对周围环境的影响，进行了大量的研究。e t 本京 都大学教授、工学博士昌昭次郎等，在土木工程学会发行的供工程技术人员使 用的振动手册一书中这样认为，对地基的振动，其频率越高，振幅就愈小且硬 度减弱得也愈快“”。应用振动打桩机可以把强制振动提高到现在的几倍以上，如 再用能够引发桩的自身产生纵向振动那样高的共振点沉入，那就可以显著减少地 基振动。只是这样的振动打桩机，由于造价昂贵而难以应用于实际。 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日j 的夹角来调节偏心力矩f 通过更换皮带轮或 中南犬学硕士学位论文第一章绪论 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。 无级调频调矩振动桩锤具有如下优势： 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；在城市施工时，只要适当 调整振动桩锤的偏心力矩，操作 人员便可将振幅降至沉桩所需的 最低水平，以限制传至周围环保 区域的最大土粒振动速度，消除 对临近施工现场建筑物结构的损 害。 ob 图卜1 振动桩锤穿过硬固地层时工况 通过硬固地层时，没有强烈振动。如图l - l a 所示，普通振动锤通过加压方 式进行沉桩，遇到硬固地层时，沉桩阻力增大，偏心块的转速和桩锤振动频率要降 低，造成较强烈振动。而变频变幅高频振动桩锤，在穿过硬固地层时，可调整偏心 力矩以保持频率的稳定，其工况如图卜l b 。 起动和关闭振动桩锤时可避免通过共振区。图i - 2 所示为变频变幅振动 桩锤在达到设计转速之后才开始振动，在关闭振动桩锤及偏心块转速下降之前先 减小偏心力矩和振幅，从而消除了通过 共振区时出现的有害振动传至桩架及 土壤。并消除了起动负载过大的问题。 总之，液压控制式变频变幅高频振 动桩锤是具有国际先进技术水平的桩 工机械。运用机电液一体化技术开发其 智能控制装置，以优化贯入振动，这是 振动桩锤的一个发展方向。 二、调频调矩结构研究现状 图卜2 起动与关闭过渡过程工况 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。 针对振动沉拔桩机的工作特性，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 - - 3 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l 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。 中南大学硕七学位论文第一章绪论 &积讯z 双妙 m = 、l m f + m t + 2 m i m 2 c o s e t 而国外所采用的变矩原理图如图l 一4 所示。 图1 - 4 a 所示，上下轴旋转偏心块的相位差q = l s o o 时，两对振动轴无论转速 多高，其合成偏心力矩为零，振幅为零，产生的激振力相互抵消，不会有振动输 出。在这种状态下，将振动轴转速从零升高到共振频率之上，使振动避开共振区。 图l - 4 b 、c 、d 中，利用调幅装置，改变偏心块位置，使两相对轴的偏心块 之间的相位差分别为q = 1 3 5 0 、q = 9 0 。和q = 4 5 0 。这样，使其合成偏心力矩和振 幅值分别为最大值的2 5 、5 0 9 6 和7 5 。因此，在工作过程中，只要利用调幅装置， 将相位角q 改变到相应值，就会获得工作所需的振幅值和激振力。 图1 - 4 e 中，两相对轴同相位，即q ：o o 时，合成偏心力矩及振幅值均为最大 值，此时可以获取最大设计激振力。 液压控制式偏心力矩调整机构主要有以下几种型式可供选择“”： ( 1 ) 碰块两级式，靠马达的正反转，使活动偏心块与固定偏心块因接触碰 块侧面不同，从而改变它们的夹角，以达到改变偏心力矩的目的；该方法与国内 手动调整原理相似，结构简单，但变矩级别有限； ( 2 ) 滑移齿轮式，利用大螺旋角人字齿轮的轴向移动，使与其啮合的两组 同步齿轮相对旋转，从而达到无级调整偏心力矩的目的；该机构虽然能实现无级 调频，但结构较复杂，且对齿轮同步精度要求很高，可靠性较差： ( 3 ) 四轴调整轴式，调整轴上制造了两段旋向相反的大导程螺旋花键，两 端键上各装一齿轮，其中一个齿轮与下面的同步齿轮相啮合，另一个齿轮则通过 中间齿轮与上面的同步的齿轮相啮合，轴向滑动调整轴，下组偏心块相对上组偏 心块转动，亦可以达到无级调频的目的；但是，该级机构庞大，对精度要求非常 高，控制性差，成本很高。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 两组偏心块的相对位置相位差q i ；幅值 ，。删l 一 c)(d) 图l 一4 激振器变矩原理图 综上所述，国内外现存振动桩锤各种调矩的方案中，或者调节能力差，或者 机构复杂，个别尽管提出了调矩控制方案，但控制方案并不理想，实用价值并不 高液压控制式变频变矩振动桩锤是具有国际先进技术水平的桩工机械，运用机 电液一体化技术开发其智能控制装置，以优化贯入振动，这是振动桩锤的一个发 展方向。因此研究一套既具有实用性又具有智能化的控制系统的液压振动桩锤是 当前工程机械领域一个紧迫的课题。 在振动沉桩领域，目前全世界都是采用本文前面所述的齿轮传动刚性同步， 这种同步方式可靠，却存在两大缺点，一个是机械结构过于复杂，另一个是齿轮 等传力件易于损坏。这些导致了无级调频调矩液压振动桩锤问世近l o 年仍无法 推广应用的关键因素。 三、调频调矩控制研究现状 作者通过互联网检索研究了国外几家振动桩锤的产品使用说明书中的液压 7 虹 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 系统原理图“吼 1 9 j 发现它们在控制上都大同小异。有如下特点： 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，这就是i c e 所谓 的沉桩到位自动停机系统； 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基本的液压传动水平上，难以在提 高设备可靠性、环保性、提高设备对沉桩作业的柔性控制以自动适应沉桩作业环 境变化、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。 1 2 3 振动沉拔桩机的发展趋势 与国内生产的振动沉拔桩机相比，国外发达国家振动沉拔桩机有以下几个方 面的特点，也代表了当今振动沉拔桩机发展的方向。 ( 1 ) 液压驱动高频振动锤的日益普及 由于电机驱动的振动锤存在着激振频率调整不便以及电机使用寿命短，体积 大等缺点，限制了电动振动锤的发展，同时随着人们环保意识的增强及城市对噪 音、振动的限制，使振动桩锤向高频化发展。目前国外振动桩锤广泛使用的激振 频率在4 0 h z 左右“”。 ( 2 ) 遥控调频、调幅技术的使用 由于地质条件复杂多变，为了提高施工效率，要求振动锤能够方便地调整激 振频率和振幅，以适应不同的地质条件，达到最佳施工效率。国外液压振动锤大 多可以通过遥控对振动频率进行无级调节，有的还可以对振幅进行遥控调节“”。 ( 3 ) 履带式桩架的普遍应用 履带式桩架具有移动、转向方便、桩位调整快，施工效率高等优点，在各种 桩架中已成为使用最普遍的桩架；有些桩架还采用了一些新结构，如立柱可以伸 缩以便于桩架高度的调整和运输；立柱可以在水平面那1 8 0 度旋转，在竖直面内 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 可前后，左右倾斜一定角度以便调整桩的垂直度并可打斜桩“”。 ( 4 ) 电子监控及记录装置的应用 该装置可显示沉拔桩时的油压、频率、振幅、实际沉桩深度等数据，以便根 据实际情况选择合理的振动参数。 ( 5 ) 智能化作业 利用c a n 总线反馈控制系统，即时显示沉拔桩时的油压、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。 1 3 本课题的提出与主要研究内容 综上所述，调频调矩技术是无共振环保施工的前提，是振动桩锤适应千变万 化的地基土特性、实现参数合理调节、提高设备功效的关键环节，是液压振动桩 锤向机电一体化和智能化发展的基本技术保证。调频调矩振动桩锤齿轮箱频繁损 坏和落后的液压控制技术导致了调频调矩技术设备至今仍无法推广应用，严重制 约了振动桩锤性能的提升。 振动桩锤齿轮箱损坏的现场案例可见很多报道，且都认为是力学问题、制造 工艺问题或齿轮材料问题，然而，目前仍没有人系统地从动力学和运动学角度找 出调频调矩振动桩锤齿轮箱失效的根本原因。因而，从动力学和运动学角度入手 分析问题，从工艺、结构和控制角度提出有效解决措施，是调频调矩技术应用发 展的当务之急本课题正是在这种背景之下提出的。 本论文主要研究内容如下： 一、结构研究 1 从振动桩锤高速、大激振力这样的工作条件，分析齿轮箱的受力特征， 提出齿轮箱优化设计措施； 2 从桩一土振动角度分析传统调频调矩桩锤负载特性，针对传统桩锤结构特 征，找出沉桩作业时齿轮箱受损的根本原因； 3 采用一种新型调矩桩锤结构。 二、控制研究 1 研究设计功能齐全的新型电液控制方案； 2 对新型电液控制系统进行建模、仿真动态研究和现场实验研究。 9 中南大学硕士学付论文第二章调频调矩液压振动桩锤结构分析 第二章调频调矩液压振动桩锤结构分析 2 1 振动桩锤调频调矩已有结构及其存在的问题 一、有级调矩 1 手动拆箱多级调矩式嘲 此方案采用手动调节偏心块结构，以达到调节偏心块偏心矩的目的。这是振 动沉桩机普遍采用的一种调矩方案。其结构如图2 - 1 所示。 1 一v 带轮( 套于轴l o 上，图中表示出)2 、5 ，9 一固定偏心块3 - - 振动箱盖板 4 一可调整活动偏心块6 - - 止动销7 - - 固定铺轴8 - - 内六角扳手1 0 - - 偏心块传动轴 图2 - 1 传统有级调矩激振器结构 这种振动桩锤激振器的液压马达通过传动带将动力传给带轮l ，通过齿轮副 使附有两个偏心块的轴转动。偏心块离心力水平分力互相抵消，竖直方向分力互 相叠加。振幅调节是通过改变固定偏心块与活动偏心块之日j 的夹角来实现的。其 偏心块央角的调节方法为：活动偏心块4 利用销轴7 与固定偏心块5 相连，固定 偏心块上有3 个销孔，使两个偏心块产生了不同的位置差，从而使振动桩锤的偏 1 0 j 中南大学硕士学位论文 第二章调频调矩液压振动桩锤结构分析 心力矩发生变化。 图2 2 所示为偏心块的调整方法，活动偏心 块3 和销轴2 与固定偏心块l 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 桩锤的偏心矩发生变化。 图2 - - 3 为偏心块位置与偏心力矩之间 的关系图由于同一轴上固定偏心块与活动 偏心块之间夹角的变化，导致了回转体转动 图2 - 2 偏心力矩有级调整原理图 惯量的变化( 偏心力矩发生变化) ，从而实现了振幅和激振力的调节0 1 4 ”。 图2 3 偏心块位置与偏心力矩的关系 这种调矩方案由于需要停机拆箱手工调整，很不方便，尤其对于4 轴、6 轴 甚至8 轴偏心激振方式，拆箱调矩的劳动强度极大。 2 磁块两极式，靠液压马达在正、反转，使活动偏心块与固定偏心块因接 触碰块侧面不同，从而改变它们之间的夹角，以达到改变偏心力矩的目的。这种 方式结构简单，无须拆箱调整，但只能用于无共振起动和停机，由于在正、反转 瞬间碰块相撞产生很大冲击力，严重影响设备寿命，所以这种方式并不常用。 二、无级调矩 无级调矩原理的具体实施结构原理如图2 - 4 和图2 5 所示。 由液压缸2 和调角齿轮l 、3 组成的调角机构安装在激振器的左侧，其活塞 杆两端伸出缸筒，被固定在箱体两侧的端盖上。螺旋角旋向左右对称的调角齿轮 l 、3 采用大螺旋角，通过轴承装于缸筒外圆。上层同步齿轮4 分别与调节齿轮3 、 上层同步齿轮5 啮合，下层同步齿轮7 分别与调节齿轮l 、下层同步齿轮6 啮合。 上层液压马达m i 、m 。：反向回转，分别通过上层传动轴z 。、z 。：带动上层相应 的偏心块p 。、p 。上层相应同步齿轮4 、5 反向回转，下层液压马达m 2 。、m z 。反 向回转，分别通过下层传动轴z 2 i 、如带动下层相应的偏心块、p 。、下层相应 中南大学硕士学位论文第二章调频调矩液压振动桩锤结构分析 同步齿轮6 、7 反向回转。左侧液压马达m 。、m 2 。同向回转，右侧液压马达m 。、 m 2 。同向回转。调角机构中的调角齿轮l 、3 和液压缸2 的缸简随同向回转的左侧 同向齿轮4 、7 而回转，使得上、下同步齿轮4 、7 同步回转。 当需要改变 偏心力矩时，液 压力推动缸筒沿 活塞杆作轴向移 动，套在缸筒上 的调整齿轮则同 时跟进。由于调 整齿轮l 、3 大螺 旋角旋向左右对 称，驱动同步齿 轮4 、7 转过一个 相反的角度，上、 下层齿轮5 、6 也 变 象 图2 - 4 传统无级调矩结构原理图 是上心了角角偏当为力角少矩 中南大学硕士学位论文第二章调频调矩液压振动桩锤结构分析 启动。 采用这种调矩方式的振动锤存在如下主要问题： i 机械系统结构过于复杂，安装非常困难，故障率高。 2 齿轮损坏频繁，据有关文献介绍，新机器的齿轮传动系统使用寿命一般 不超过半年，而对旧机器，齿轮的频繁损坏，更换成了制约振动锤正常生产、严 重影响生产效率的主要原因“”。 正是由于齿轮系统的很不可靠，使得无级调矩型振动桩锤尽管问世已有近 l o 年时间，但却至今仍然难以推广应用。 2 2 传统结构中齿轮受损问题研究 2 2 1 非振动因素的影响 一、影响因素 振动桩锤的激振器是两个或四个反向旋转的偏心块，激振器工作时，齿轮高 速运转，齿轮及箱体温度变化较大，加之主轴转动时，因偏心块离心引起的主轴 弯曲也较大，故齿轮传动时常因发热而导致齿轮及轴失效。据文献。1 介绍及作者 本人在施工工地了解的情况，目前振动桩锤使用寿命普遍较短，主要是由于齿轮 传动所引起。 1 由于齿轮高速运转而引起升温。例如对于中频振动锤，主轴上传动齿轮 的线速度可达3 0 m s 左右，而且桩锤在具体施工时，受土壤弹性变形的影响，齿 轮的线速度还会因偏心块惯性的作用而增加嘲。因此在正常情况下，振动锤短时 工作后的齿轮及箱体温升很快。如按国际标规定合格的振动桩锤，在连续工作 6 0 m i n 后的齿轮温升可达7 5 1 0 0 ，油温可达5 0 “8 0 等等。振动锤的这种工作 状况，决定了其齿轮副必须要有较高的制造精度，尤其是要有合适的齿侧间隙， 才能保证齿轮副在高速啮合时不会因发热而导致过早的失效。 2 由于振动桩锤是一种偏心振动器，其主轴因偏心块离心力的作用而发生 弯曲。因此，在振动桩锤工作时，其齿轮传动副的实际中心距变动范围要比设计 时考虑的箱体中心距公差大得多，这会产生以下后果：( 1 ) 齿轮副的瞬时传动 比变动范围变大，使齿轮传动的冲击振动及噪声增大；( 2 ) 齿轮副因主轴弯曲而 使实际中心距变大时，会使齿轮的重迭系数减小，导致齿轮的承载力下降；( 3 ) 齿轮副因主轴弯曲使实际中心距变小时，齿轮副的径向间隙及侧向间隙变小，会 加速齿轮的发热，并破坏啮合齿面的润滑油膜层，从而进一步降低齿轮的寿命。 3 对于油缸一齿轮副传动调节上、下偏心块夹角实现调矩的结构，箱内机 构异常复杂，使得在高速回转受到上述各种力条件更加恶劣的同时，大螺旋角调 中南大学硕七学位论文第二章调频调矩液压振动桩锤结构分析 节齿轮副之间要受周向、轴向和径向等异常复杂的合理，在高速回转和振动转矩 的条件下，这些力的合力就不是简单的静力，而是很大的冲击力，这对齿轮传动 系统寿命的影响当然是非常巨大的。正因此，油缸一齿轮副传动调矩结构根本无 法在高速回转振动时进行偏心块夹角的在线调节。 二、改进措施 鉴于上述情况，为保证振动桩锤的工作可靠性及寿命，设计振动桩锤时必 须从以下几方面进行优化：一是从结构设计及制造公差上努力减小主轴的弯曲及 中心距偏差。尽量提高主轴的直径，减小轴承间的跨度，提高主轴的刚性，尽可 能缩小箱体中心距公差，提高轴孔间的形位公差，减小齿轮副中心距偏差等等； 二是要尽可能的使用斜齿轮，因为斜齿轮轮齿啮合的重叠系数要比直齿轮大，且 其齿面接触情况也优于直齿轮，因此斜齿轮啮合时的轮齿强度要大于直齿轮，同 时其传动要比直齿轮平稳，这可进一步减小齿轮传动时的冲击振动和噪声；三是 考虑主轴弯曲对中心距的影响，对齿轮侧隙进行必要修正，保证齿轮合理的侧向 间隙，保证齿轮在复杂的工况下能正常运转，从而保证齿轮副及振动桩锤有较高 的寿命。 中南大学硕士学位论文第二章调频调矩液压振动桩锤结构分析 如一齿轮材料的线膨胀系数； 如。箱体材料的线膨胀系数； f i 一齿轮温度； f 一箱体温度。 ( 2 ) 计算