振动锤的设计计算

1、振动锤的设计计算振动锤是20世纪末迅速发展起来的一种桩工机械，具有施工噪音低、可进行沉拔桩作业、施工范围广等特点；可进行钢管桩、全套管灌注桩、钢板桩、PHC桩、异型桩、薄壁筒桩（外径8002000mm壁厚100250mm中心充满地基土，现浇灌注而形成的混凝土筒形桩体。）等多种桩型施工。它具有施工速度快、功能多、适应地质广、运输方便和环保等特点，已广泛应用于国内外工程建设的众多领域。一、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、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、振动冲击锤的设计原理。强迫振动与土桩系统共振理论可将振动锤、桩和

2、土壤的系统简化为如下图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：F=FmaxSindt+3）系统的运动微分方程为.MX=Fmax（8t+®0）-Px-CX务为激振力的初相位角M参振质量c-土壤的弹性系数B阻力系数Fmax最大激振力最大激振力Fmaxmor222.(，n-')24B2m0每块偏心块的质量r偏心块的偏心距虫偏心块转动角速度即激振器干扰力的角频率(1)式移项整理得Mx+Px+cx=Fmaxsin(wt+40)2设为=0时，上式表达为x+2Bx+8nx=fmaxSint.(2)B阻尼系数B=''/2M0n无阻尼系

3、统的自振圆频率环=收2Fmr，fmax单位质量最大激振f_厂maxOmaxMM的解为x=r-Bt(cicosn1tc2sinn2D'gn2f2-4B24Sin3J.©?0干扰力与振动位移之间的相位差式（3）的前项为齐次方程的通解，其物理特征是衰减振动，是系统对干扰力的瞬间响应，很快消失。后项为方程的特解，其物理特征是表示系统在简谐干扰力作用下的强迫振动。这样上式可表达为x=asin(tfmax.sin(t-0)'、mor(，n2-2)24B22.M,，n4224B，41n令z一,1n6n6n0n、morM2当"t+ao=90啊，并将fmax=VPL代入得0m

4、ax.2'、morx二-.(n2-2)24B22M,2n2Z2B1.(1-Z2)242Z2="7=2Mn当切t+u0=270、时，x为负值令z=Z2,(1-Z2)242Z2.m°rMZ2.(1-Z2)242Z2Z2.(1-Z2)242Z2m°rMA（振幅）=Z22.m°r；(1-Z2)242Z2.M(4).A2-,22X2,4Z(1-Z)Z2A国为稳定振幅，又称为极限振幅。由以上式子看出，当Z=1时，出现共振。当Z>3以上，振幅A=A，这时振动体的振幅不因外界条件变化而变化，也就是说，当振动体无阻尼系统的自振圆频率m或阻力系数P改变时，振幅

5、基本保持稳定不变。考虑到土壤参与振动的影响，实际振幅小于稳定振幅。二、激振器的设计计算激振器的主要参数为：频率、激振频率、偏心力矩、激振力、激振器质量、振幅及功率。设计过程可按以下步骤进行：1、根据使用目的和地层情况确定振动器的类型、变频、变矩的方式。2、选择激振器的频率、角频率和振幅。3、初步估算激振器和钻具的质量。4、计算偏心矩。5、计算动力机功率。6、校核激振力。7、计算最大拔桩力。8、进行振动锤的激振器的结构设计，并根据实际设计情况修改估算的参数。9、进行零件的计算和校核，要注意校核轴的自振频率，偏心轮轴的轴承多选用双列球面向心轴承，与轴承配合其表面粗糙度要达到陟，配合采用过渡H7/n

6、6、N7/h6、H8/n7、N8/h7酉己合。(一)相关参数的估算：(1)激振力选择激振力时，一方面要满足钢护筒下沉条件的要求，即激振力F要大于各土层极限动侧摩阻力之和Tv,Tv=LZTiHiF>Tv=LZTiHi(5)L钢护筒的内外壁周长单位为m%为对应i段的单位动摩擦阻力饱和砂土、软粘土为6KPa,饱和砂土、软粘土(有砾石)为8KPa,塑硬性粘土为15KPa。T为对应i段的钢护筒沉入深度单位为m;另一方面，激振力F与振动锤激振体质量M(振动锤、夹持器、钢护筒三5:_F_:10者总重量)的比值要满足协调方程：3一M-3(6)。(2)振动锤沉桩克服桩端动阻力的估算根据桩的类型、尺寸和土壤

7、种类，利用以下经验公式估算和检验该振动锤能否克服桩端阻力，下沉至要求的深度，换言之，即振动体系的重量应大于桩端动阻力。端动阻力：对于粘性土，桩端动阻力:R=8NSe”.0652对于砂性土，桩端动阻力:/r0.0652R=4NSe(8)振动体系重量：M>RVRv-桩端动阻力，NoN-桩沉入深度土层的最大标准贯入击数标嘏入击MSPT）N/击楣士05睇0-2O510很搬25软10-20械510中建2030中密10-20硬30。0密2030很硬40以上解30以上极硬2S桩的横截面面积，cmoe-自然对数的底。（3）振幅理想振幅由偏心矩除以振动锤激振体质量M（振动锤、夹持器、钢护筒三者总重量）而求

8、得，实际工作振幅A受激振力、频率、土壤弹性影响而改变，为了有效下沉钢护筒，Ao（起始振幅）WAWAc（上限振幅），使得振动力大于护筒周围土壤的瞬间全部弹性力，并破坏钢护筒周围土壤，减少阻力。美国ICE公司认为：各类型的土质对最小振幅要求有所不同。在沙质的土壤里，用ICE振动锤工作，最小振幅为3mm。在粘土里，最小振幅为6mm。在水下的沙质土壤中，最小振幅为2mm就足够了。法国PTC公司根据30年的经验，用于评估沉桩的最小振幅列入下表评估沉桩最小幅A0mm(SPT)包谕釉士壤中千创，魏和H中干酬却仲幅Au时的林栗业填城卜5231202.253.25150101533.502.C15-303.53

9、.752503040/。?52.754。504.753.75>50>5675忸丹忧方法典将非如%1UH以材,以雕踝斛.要求实际工作振幅A>A0(4)频率各类型地层的激振圆频率班层类型制率丁ad/s含惭味的砂质土100-120鬓性拈土及含如土90100跋拈土7075含砾石的砂质土6070含砂的砾石土5060由表可以看出，各种地层对应的频率为819.1Hz,当Z>3以上，振幅AnAs若振动锤的振动频率f>60Hz时，除岩层外，其它各地层都可以沉桩。频率f=n/60Hzn偏心块转速r/min振动锤振动频率：低频f<15Hz,在较软土壤，振幅15-36mm。中频f=

10、15-25Hz,是强迫振动与土层共振下沉的，振幅7-20mm,适用粘高频f=25-60Hz,此类振动加速度很大，振幅3-8mm,适宜砂土层。超高频f>60Hz以上，用于硬土层。(5)功率大型振动锤的功率都在250KW以上，对现场电源稳定性要求很高，通常用柴油机作为动力源。以上相关参数的估算为客户对振动锤的选型提供参考依据，也对设计人员提供设计的最基本的计算依据。(二)计算激振力F='m0r2sin(10)F激振器激振力(N)m0-单块偏心块质量(kg)r偏心块的偏心距(m)0激振器的角频率(rad/s)*离心力与垂线的交角。（三）实例计算：例：有一管桩，外径D=1000mm,管壁

11、厚14mm,全长21m,要沉桩20m,在其地层先沉入16m饱和砂土，然后再沉入4m硬性粘土。计算钢管重量：7149kg2.222、4H7.851000=（10421007.851000=计算各土层极限动侧摩阻力之和Tv:5为对应i段的单位动摩擦阻力，饱和砂土、软粘土为6KPa,饱和砂土、软粘土（有砾石）为8KPa,塑硬性粘土为15KPa。T为对应i段的钢护筒沉入深度单位为mL钢护筒的内外壁周长单位为m33Tv=LxiHi=（10.972）二（8101615104）=1164701N=1165KN根据要求F>兀，设计时，选择激振力F=1600KN计算桩端动阻力Rv：对于粘性土，桩端动阻力：

12、R.=8NSe0°652KN选择桩沉入深度土层的最大标准贯入击数，N=40桩的横截面面积S,cm2o_2222S=72=433.7cm2R、=8NSe00652=840433.7e。0652=130024N=13268kg估计激振力为1600KN的振动锤的总重量为6000kg。夹具重量为250kg。吊具重量为250kg。振动体系总重量M=7149+6000+250+250=13649kg根据要求：（振动体系重量）M>RV（桩端动阻力）M=13649kg>R=13268kg,符合要求。计算偏心力矩选择工作频率为35Hz,=2兀X35=219.9rad/s,F=1600黑10

13、3N的振动锤激振器当$=90%寸，根据F-m0r2sin-整理上式代入相应数据得偏心力矩3m°r=5=1600H33.1kg.m.口振幅的估算：估算振幅A古算=qmr=息49=4.8310-3m=4.83mm根据法国PTC公司30年的经验，用于评估沉桩的最小振幅表，可预知选择激振力为F=1600x103N,工作频率为35Hz的振动锤可以将该桩在该地层激振下沉20米。计算激振力6=904时或4=270"时F=£m0r。2sin*=33.1父(35父2)2=1600751七1600M103(N)0,'n2Z2.42Z2(1-Z2)2计算桩下沉20m时的实际振幅

14、A=_B_n2Mn对于振动系统应满足减振条件：Z>3,故取Z=4,可得219.9=二二=54.975rad/snZ4隔振弹簧的总刚度Ky2Ky=%(N/m)M激振体质量(kg)激振器的角频率rad/s22Ky=MZ=136494219.9=41250699N/m系统设计选择n=24个弹簧并联组成的弹簧-质量系统，系统的一个弹簧刚度：kyn4125069924=1718778=1.72106(N/m)又一k0.28MR-系统弹簧的内阻力系数=1.510.3s0.28M=1.510*17187780.2813649219.9=842974kg/2Mn84297421364954.9750.5

15、622Z2'、m0r=24233.1.42Z2(1-Z2)2.M,40.562242(1-42)2.136493=4.96x10m=4.96mm（下沉20m时的实际振幅）最大振幅的计算如果最后设计时，得出激振器的质量为2950kg（不含夹持器），则最大振幅Amax2m0r(11)Amax2morM激2M33.1一=0.02244m=22mm2950功率的计算功率包括维持激振体振动所需的功率Ni和机械损耗的功率N2,振动锤的总功率为N二1(NiN2)(KW)(12)在非共振工况时振动阻尼所消耗的功率NiC01000(KW)(13)轴承摩擦所消耗的功率(KW)(14)Nc=/“mr3d12

16、mio12000n传动效率。一般取0.95M激振体的质量。(kg)0激振体的角频率。(rad/s)m0偏心块质量。(kg)r偏心半径。(m)A振动体的振幅。(m)c=(0.10.14)Md1轴承平均直径。d1=(D+d)/2°(m)D、d轴承外径和内径。(m)N滚动轴承摩擦因数，一般取N=0.005-0.007。c0系数。对非定向振恸如单轴激振器系威振动系统C«=1;对定向振动，例如流撷系统、直线燕微,C0=0.5。N1=悬c2A2=盖(0.14M)2A20.5父0.14父13649M219.9葭(4.96父10)2c”“、八，=246.88KW1000N31-2mor20

17、00选用3618轴承，d=90mm,D=190mmd1=(0.090+0.19)/2=0.14=0.00633.1219.93014=147.8KW2000振动锤的总功率N=1(MN2)=24688147.8415KW0.95三、减振器的设计计算减振系统主要有三种：钢质螺旋弹簧减振器、空气组合弹簧减振器(要配有空气压缩机)、橡胶减振器。先试选用橡胶减振器橡胶减振器工作性能平稳，结构简单和价格低廉等优点，而得到了最广泛应用，为防止工作时，消耗能量转换成热能使温度过高而影响隔振器的性能。第一，橡胶隔振器不宜做得过大。第二，采用易于散热的措施或选用生热较少的橡胶材料。选用丁月青橡胶NBR,它耐油、耐

18、热性好，阻尼大，且与金属的粘合性也好，因为阻尼大，当工作频率通过共振区时，比较安全。橡胶减振器吸收高频振动能力强，其材料的弹性模量E和G比金属小得多，在工作量允许较大变形，常作动力机械和工程机械的隔振器。邵氏硬度范围H=30-70O当H=55-70时，其弹性模量：G=(10-17)>d05N/m2E=(3865)105N/m2设计时要控制硬度公差，硬度的变化范围为土3±5时，相应的弹性模量的变化范围为土12%±20%。具体要求请参看橡胶隔振器的设计。已知Tv=1165KNF=1600KNM=13649kg=133760N=133.76KN拔桩时，下橡胶减振器要最小要承受1600-1165-133.76=301.24KN已知激振