打樁機激振器畢業(yè)設計說明書

1、第一章 前言31.1 樁工機械的分類和發(fā)展歷程31.1.1 我國樁工機械的發(fā)展歷程3國外樁工機械的發(fā)展歷程4 1.1.3 國內外振動打樁機的發(fā)展歷程 4振動打樁機的主要結構和工作原理6振動沉拔樁錘調頻調矩技術研究現(xiàn)狀71.3.1 單極或兩級調矩存在的問題71.3.2 無極調頻調矩的意義7調頻調矩機構研究現(xiàn)狀7本課題的提出與主要的研究內容10第二章 無極調頻調矩振動樁錘結構分析112.1 振動樁錘的原理分析11振動樁錘穩(wěn)態(tài)特性調節(jié)分析112.3 振動錘的主要參數(shù)的設計計算 12 2.3.1 激振器振幅13 2.3.2 激振頻率14 2.3.3 激振力15 2.3.4 偏心力矩的確定15 2.3.

2、5 振動功率16第三章 振動器的結構設計193.1 偏心塊的設計193.1.1 偏心塊材料的選擇193.1.2 偏心塊的結構設計19 電動機選擇20激振器齒輪設計203.3.1 齒輪的結構形式213.3.2 齒輪的結構設計213.3.3 齒輪的受力分析213.3.4 齒輪強度校核223.3.5 齒輪的結構設計233.4 主動軸的設計243.4.1 確定主動軸的最小軸徑243.4.2 主動軸的結構設計253.4.3 主動軸的強度校核26從動軸的結構設計273.5.1 確定從動軸的最小軸徑273.5.2 從動軸的結構設計.283.5.3 從動動軸的強度校核.283.6 軸承的選擇303.7 鍵連接

3、的校核計算323.8 聯(lián)接螺栓的校核計算333.9 減振彈簧的設計計算333.9.1 減振彈簧的結構選擇.343.9.2 選取螺旋彈簧的類型代號.343.選取彈簧的材料.343.圓柱螺旋彈簧的設計計算.343.10 箱體的設計36第四章 總結與展望394.1 論文總結39展望39第五章 心得體會40參考文獻41致謝42第一章 前言1.1 樁工機械的分類和發(fā)展歷程樁工機械主要用于各種樁基礎、地基改良加固、地下連續(xù)墻及其它特殊地基基礎等工程的施工。按施工設施的不同，樁工機械又可以分為夯錘打樁機、靜力沉樁機和振動樁錘。夯錘打樁有柴油打樁機和蒸汽打樁機。由于使用不便，蒸汽錘早己基本被淘汰。柴油錘利用柴

4、油燃燒產生的爆破力及錘的自由落體沖擊力對樁進行打擊，產生沖擊機械能，克服土體對樁的阻力，破壞靜力平衡狀態(tài)，從而達到沉樁的目的。但柴油錘在施工過程中存在噪聲大、振動大和油煙污染等缺陷，在城市建筑基礎施工中，柴油錘的使用受到越來越多的限制。靜力沉樁機適應于軟土地區(qū)樁基礎施工。該方法以樁機自身的質量作為反作用力，利用液壓油壓力將樁強制性壓入土中，工作過程無噪聲、無振動、無空氣污染，也可以實現(xiàn)拔樁，效率較高。振動樁錘是通過偏心回轉激振器產生縱向振動，利用樁土振動降低樁土摩擦力和樁端阻力，從而輕松地使樁下沉，它的突出優(yōu)點是噪聲小，此外，效率高、機器重量輕、造價低。該方法主要應用于各類鋼板樁和鋼管樁的沉拔

5、作業(yè)，也可以用于混凝土樁施工。振動打樁機按動力可分為電動振動打樁機和液壓振動打樁機。解放前，我國幾乎沒有樁工機械、打樁機制造業(yè)。20 世紀50 年代初期，我國基礎施工全部使用舊中國從國外進口遺留下來的蒸氣式打樁機和笨重的落錘。一五期間，由于國家重點建設工程的需要，我國開始仿制國外31t單作用和雙作用蒸氣式打樁機以及原蘇聯(lián)的B系列振動樁錘，開始有了以仿制為主的樁工制造業(yè)。廠家都是施工部門的修配廠，當時還沒有專業(yè)的樁工機械、打樁機生產廠，所以50 年代是我國樁工機械、打樁機行業(yè)的萌芽時期。60年代初，一機部成立第五局工程機械局，將上海電工機械廠改為上海工程機械廠，定點生產樁工機械、打樁機，成為我國

6、最早生產樁工機械、打樁機的專業(yè)生產廠。并將一機部建筑機械研究所第二研究室定為樁工機械、打樁機研究室，開始了我國自行研制樁工機械、打樁機的成長時期。70年代是我國樁工機械、打樁機行業(yè)發(fā)展時期，這個時期成立了樁工機械、打樁機行業(yè)組，有樁工機械、打樁機行業(yè)制造企業(yè)10余家，能生產4大類、30多個品種，年產量400余臺。80 年代是我國樁工機械、打樁機行業(yè)壯大時期。1984 年成立了中國建筑機械化協(xié)會樁工機械、打樁機分會，有樁工機械、打樁機行業(yè)制造企業(yè)20余家，上海同濟大學、哈爾濱建筑大學、南京建工學院、東北大學等高等院校也開始從事樁工機械、打樁機新產品、新技術、新原理的研究，能生產10 大類、50

7、多個品種、200 多種規(guī)格、型號的樁工機械、打樁機產品。90 年代是我國樁工機械、打樁機行業(yè)高速發(fā)展時期。行業(yè)制造廠家已發(fā)展到30 余家，并形成了部屬研究所、企業(yè)研究所、院校研究所(室)3個層次的科研設計力量，能生產400多種規(guī)格、型號的樁工機械、打樁機產品，銷售收入達6.5億元。進入21 世紀后，隨著我國各種基礎設施建設和住房建設的快速發(fā)展，樁工機械、打樁機制造業(yè)及其市場得到了前所未有的高速發(fā)展，形成了幾十家專業(yè)生產企業(yè)及上百個產品型號的規(guī)模。世界上樁工機械比較發(fā)達的國家主要是德國、意大利、和日本，最先進的設備和工法一般也是這三個國家首先開發(fā)的。其次美國、英國、法國、荷蘭等國的樁工機械也比較

8、發(fā)達。在整個樁工機械市場上，寶峨、土力、卡薩格蘭地的銷售也是居世界前三。振動打樁機是隨著振動機械的發(fā)展而發(fā)展起來的，兩位日本科技工作者曾進行了振動機械的模型試驗，他們在一載荷板上安裝了激振器，載荷板在一定激振頻率激振力的作用下在土壤中下沉，發(fā)現(xiàn)了振動作用下土壤的“液化”現(xiàn)象，即通過振動可在相當程度上減小土顆粒間的摩擦。1934 年俄國的巴爾喀教授首先將這一原理應用到建筑工程中，他將一個激振器安裝在管樁或板樁上使其振動，結果只用靜拔樁力的1/l01/5就能將樁拔出，依據(jù)這一原理研制出了振動沉拔樁機。但是在蘇聯(lián)的建設工程中普遍使用振動沉拔樁機還是在二次世界大戰(zhàn)以后川。如將蘇聯(lián)的振動沉拔樁機按照打入

9、樁種類加以區(qū)分，其主要類型為，以沉入H 型鋼樁、板樁為主的BT 型、V 型、Vp 型和VP 型。VP型振動沉拔樁機是1950年由列寧格勒鐵路技術研究所泰塔爾尼可夫博士發(fā)展改進的機型，它分為1 型250 型數(shù)種，它對通常的土層，在深度20m 以內，僅以振動即可沉入;對深度20m 以上至25m 以內，需定時清除管內積土才能沉入，對25m 以上則要并用送氣法或射水法進行沉入。vP型振動沉樁機1957年曾用于我國武漢長江大橋的管樁沉入工程，由于在這一工程中僅以12個月的工期，就完成了深達30-76m的管樁沉入工作，因而受到了國際上的關注。同時在武漢長江大橋建設時期，我國試制了蘇制BII1 型振動樁錘，

10、成為當時激振力最大的振動樁錘。20 世紀60 年代，為南京長江大橋中3.6 預制力混凝土管樁下沉，又研制了大型振動樁錘中一250型。激振力可達250kN。此后多年，國內振動樁錘的研制工作基本停步不前。近十多年來，由于石油工程及橋梁工程的需要，大型振動樁錘的研制有了新的進展，最引人注目的是北京建筑機械綜合研究所與浙江振中機械廠聯(lián)合研制的DZJ 系列振動樁錘，這類振動樁錘的最大激振力已達1800kN，電機功率為240kW。他們由于采用了偏心力矩液壓調整裝置，使起動力矩為零，采用星一三角起動，對電網的沖擊很小，深受用戶的歡迎。由于振動沉樁機具有優(yōu)良的技術性能，尤其拔樁更顯其獨特的優(yōu)越性，戰(zhàn)后蘇聯(lián)發(fā)展

11、起來的振動沉拔樁施工技術給世界各國產生了重要影響，推動了法國、德國、波蘭、美國以及日本等國開始生產各種類型的振動沉拔樁機，如西德的西恩克及明尤拉公司制造了以沉入和拔出鋼管樁為主要目的的振動沉拔樁機;法國的曾爾.諾爾曼迪公司制造了可以使樁同時產生垂直振動和圓周運動的振動沉拔樁機，并制造了沖擊式打樁機，可以沉入直徑500600m，長度20m的鋼管樁。美國吉爾多困恩斯特拉克蕭恩公司制作的振動打樁機，系以發(fā)明者波大依那的名字命名的稱為“波大依那”打樁機，這種振動打樁機可0.783.26分鐘的時間內，將前端封閉、直徑325mm、長21.6m的鋼管樁，或以2.7 分鐘的時間將前端封閉、直徑為914mm、長

12、17.4m的鋼管樁沉入地下，因而引起世界各國的關注。這種振動打樁機采用了接近于鋼管固有頻率，以每分鐘6000 轉的高頻率振動而引發(fā)樁共振的原理，它以500HP 的汽油發(fā)動機作為動力，因此消耗功率相當大。日本振動沉拔樁機的發(fā)展，是1906年以東洋棉花公司進口的蘇聯(lián)VP-1型振動打樁機為起點，第一次進口30 臺很快銷售一空.在這種效果的刺激作用下，大發(fā)工業(yè)公司率先著手制作，接著日平產業(yè)、浦和重工、三菱重工、久保田鐵工、豐田機械等多達十多家制造公司也相繼投入生產，由此揭開了日本發(fā)展振動打樁機的序幕。其中日平產業(yè)是以制造功率在巧1530HP左右小型機械為主的制造廠，所生產的打樁機僅適用于沉入78mm左

13、右較短的板樁，這種打樁機采用400一800rPm 的激振頻率.由于其振動耗能低，因而得到了較廣泛的應用.然而，因這種機械的功率小，所以不僅不能打入H 型鋼和鋼管等支承樁，就連拔出大型建筑工程使用的長鋼樁也難以勝任。為了適應這種需要，日平產業(yè)又設法由對樁施加強制振動到施加振動沖擊，終于使得原來只靠強制振動不能拔出的鋼樁得以成功拔出.豐田機械也以日平產業(yè)相同的設計原理，制成了振動沖擊式打樁機。兩者不同之處只是日平產業(yè)是利用空氣墊蓄積向下運動能而增大向上運動能，以加大沖擊時的沖量，而豐田機械則是利用橡膠墊。對于振動沖擊打樁機的看法，日本建調神戶株式會社的研究人員認為，如果能夠給樁體以與其固有頻率相等

14、的沖擊頻率，就會引發(fā)樁體的共振而提高拔樁效果。然而，像這樣高的沖擊頻率，在實際上可不必一定要求它與固有頻率相等，也可以是它的倍數(shù)，有了這樣的倍振動頻率，就可以通過振動打樁機的振動控制裝置將其變換成沖擊。而振動打樁的效果問題，歸根結底是如何將樁體的強制振動傳給和樁接觸的土層，以引起土壤物理性能的改變，從而減小摩擦力。如果通過振動不足以使土壤發(fā)生變化，而樁和土的接觸仍是固體摩擦，或者是固體粘接時，采用沖擊法是必要的。但這樣的土質情況不會經常遇到，通常僅以振動即可使土壤改變物理特性的情形占多數(shù)，問題的關鍵使如何選定足以使土壤產生變化的振動參數(shù)。他們認為振動沖擊式打樁機在工作范圍上局限性很大，但具有較

15、好的拔樁效果。日本振動打樁機的發(fā)展在19061946年主要以仿制為主，之后對提高振動打樁機的貫入能力作了一些嘗試，并取得了一定的成效。像三菱重工業(yè)公司生產的V一5振動打樁機，曾在日本琵琶湖大橋工程中沉入了154 根直徑1.2m及1.5m，長33m的大口徑鋼管樁作橋墩基礎。利用這種振動打樁機將所用樁在松軟淤泥質粘土層和淤泥質砂土層內，沉入到23m的深度。而建調神戶株式會社生產的KM2一12000型振動打樁機，曾以57分鐘的時間，將直徑480 啞，長29m 的前端封閉鋼管樁貫入至N 值(標準貫入值)50 以上的地層2m深。對振動沉拔樁機的研究，早期關注的重點是振動沉拔樁機自身的參數(shù)對沉拔樁效果的影

16、響，建立了一系列樁一土振動系統(tǒng)模型，并根據(jù)振動系統(tǒng)模型來確定振動沉拔樁機振動參數(shù)。像日本建調神戶株式會社1966 年以后生產的振動沉拔樁機，是把樁體視為均質彈性體的同時，把樁前端接觸的地基視為彈性系數(shù)較小的彈性體，然后選參數(shù);同時，在拔樁時，又把樁的周邊視為被彈性系數(shù)較小的土所包裹，并假設這樣的土和土之間有著彈性連接。因此，根據(jù)這種模型可以設想，由樁和土組成的振動系統(tǒng)，有著某固有的振動頻率，如給它以適當頻率的強制振動，即可引發(fā)樁的共振，這時就會因土的彈性系數(shù)較小，使它的彈性在極短的時間內遭到破壞，從而帶來土的塑性變形。這一振動體系的缺陷是，按照這種模型制作的振動沉拔樁機，在遇含水量低的土層或粘

17、性較大的土層時，所需的拔樁時間較長。而美國“波大依那”打樁機的原理依據(jù)是，把土視為純塑性變形，把樁視為均質彈性體，通過給樁體施加以和樁固有頻率一致的強制振動，引發(fā)樁體產生共振，使樁產生最大限度的伸縮，然后對樁端施加以必要的壓力，使樁迅速沉入地基土中tls.由于樁的固有頻率很高，所以根據(jù)這種模型制作的振動沉拔樁機偏心軸轉速也很高，功率消耗也很大。振動沉拔樁機由樁架和振動樁錘兩大部分組成，而振動樁錘對振動沉拔樁機的性能起著至關重要的作用。早期的振動樁錘為電機驅動，振動頻率及偏心塊偏心力矩不能調整。由于在不同的土層施工需要振動樁錘有不同的振動頻率和振幅，隨后又出現(xiàn)了偏心塊偏心力矩和偏心軸轉速可有級調

18、整的振動樁錘，即通過手動改變固定偏心塊與活動偏心塊間的夾角來調節(jié)偏心力矩:通過更換皮帶輪或傳動齒輪來改變偏心軸轉速。電機驅動的振動樁錘存在著調速不便，體積大等缺點.隨著液壓技術的迅速發(fā)展和不斷完善，液壓馬達驅動的振動樁錘應運而生，因液壓馬達與電動機相比具有調速方便，體積小，重量輕等優(yōu)點，使得液壓振動錘擁有強大的作業(yè)能力、優(yōu)越的控制性和電動錘無法比擬的優(yōu)越性。在發(fā)達國家，電動錘大部分已被液壓振動錘所取代。但是在國內，液壓振動錘才剛剛起步。1.2 振動打樁機的主要結構和工作原理振動打樁機的振動錘主要由原動機、 振動器和減振裝置組成。1.原動機原動機是振動打樁機的動力元件，一般采用異步電機或液壓電機

19、，要求在強烈的振動狀態(tài)下能可靠的運轉，并且要有較高的啟動力矩和過載能力。此外，振動樁錘也有采用液壓馬達的，可以實現(xiàn)無極調頻。本文主要采用電動機，以便適用于廣范圍的樁基工程。2.振動器振器包括軸、偏心塊、齒輪等，為了適應不同類型的樁錘以及土壤環(huán)境，可以采用改變偏心塊中固定塊與活動塊之間的相位差來達到調矩的目的。（如圖所示）3.減振器為了避免將振動樁錘產生的振動傳至樁架在吊鉤與減震器之間必須減振，減振器一般是由壓縮彈簧組成，由于彈簧的減振作用，使振動器所產生的較大振幅傳速到吸振器時將大為減弱。因此，在沉、拔樁時可獲得良好的減振效果。4. 夾樁器振動樁錘工作時必須與樁剛性連接，這樣才能把振動樁錘所產

20、生不斷變化大小和方向的激振力傳給樁體。因此，振動樁錘都有夾樁器，一般為于激振器的下面。夾樁器將樁夾緊，使樁與振動樁錘成為一體，一起振動。夾樁器有液壓式、氣動式和直接式。目前最常用的是液壓式。振動打樁機采用的是偏心塊式激振器，利用偏心塊回轉產生所需的激勵力，由震動樁錘利用夾頭將震動傳給樁體，用樁的振動使其周邊的土壤液化，減小土壤與樁的摩擦阻力使樁沉入或拔出土壤，利用這一原理，打樁時由于樁的地盤反力急劇降低，靠震動樁錘與樁的重量使樁下沉，拔樁時靠起重機等的引拔力將樁拔起。其激振結構是在軸上裝有幾組固定的或可調的具有相同質量的偏心塊左右對稱分布，由于反向回轉時偏心塊水平分力互相抵消，垂直分力互相疊加

21、，使得回轉軸的振動本體發(fā)生上下振動，當振動樁錘和樁連接在一起進行沉樁時，激振力使振動樁錘產生和激振頻率一致的振動，振動使樁周圍的土壤處于液化狀態(tài)，大大降低了樁側和樁端的阻力，樁便依靠重力下沉。如下圖就是振動器工作原理示意圖圖 1.1 振動器工作原理示意圖1.3 振動沉拔樁錘調頻調矩技術研究現(xiàn)狀1.3.1 單極或兩級調矩存在的問題由于振動樁錘具有貫入力強、使用方便、施工速度快、成本低等特點，因此應用廣泛，但是目前使用的電力驅動振動樁錘（單極調矩或兩級調矩）存在如下問題:（1）根據(jù)不同的土壤固有頻率和阻力大小，應對振動樁錘作相應的頻率和力矩調整，以接近土壤頻率，使沉樁阻力最小，功率利用系數(shù)最高。但

22、普通型振動樁錘在運轉過程中不能變頻變幅，給施工帶來許多不便;（2）起動和關閉振動樁錘的過渡過程，通過共振區(qū)出現(xiàn)啟動電流大、耗時長、運轉平穩(wěn)性差、噪聲高、容易燒壞電機和損壞軸承等;（3）過渡過程工作頻率較低，引起樁架共振，對設備和臨近施工現(xiàn)場的建筑物結構有一定損害。尤其是施工噪聲較大，嚴重影響施工現(xiàn)場周圍居民的生活。1.3.2 無極調頻調矩的意義無極調頻調矩振動樁錘有以下幾點優(yōu)勢：（1）根據(jù)不同的土壤固有平率和阻力大小，應對振動樁錘作出相應的頻率和力矩調整；在城市施工時，只要適當?shù)恼{整振動樁錘的偏心力矩，操作人員便可以將振幅降至沉樁所需的最低水平，以限制傳至周圍環(huán)境區(qū)域的最大土粒振動速度，消除對

23、鄰近施工現(xiàn)場建筑物結構的損害。（2）通過硬固地層時，沒有強烈振動。普通振動錘通過加壓方式進行沉樁，遇到硬土地時，沉樁阻力突然增大，偏心塊的轉速和樁錘振動頻率降低，造成較強的振動。而可調頻頻率力矩樁錘在穿過硬土地時，可調整偏心力矩以保持頻率的穩(wěn)定。因此，無極調頻調矩打樁機的出現(xiàn)解決了打樁機不能廣泛的適應土壤特性的難題，在建筑和樁基工程中得到了廣泛的運用。國內目前大部分都是電動錘，由于電工系統(tǒng)本身的局限性，難以實現(xiàn)調頻，隨著交流電機調頻技術的高速發(fā)展，有少數(shù)電動振動錘也采用了電機調頻的技術，在國外，樁工機械較發(fā)達的國家，目前大部分都采用液壓振動錘，液壓技術本身的優(yōu)勢就是便于控制，它們大部分都實現(xiàn)了

24、無級調頻。針對振動打樁機的工作特性，國內外都在其無樁機共振施工的實現(xiàn)問題上進行了不斷的研究。目前，所采取的普遍方法是調節(jié)激振器的偏心力矩，而激振器偏心力矩的調節(jié)是通過改變偏心塊的相互位置來實現(xiàn)的。圖1.2所示即為國內一些產品所采用的變矩原理圖。活動偏心塊3用銷軸2與固定偏心塊1相連，固定偏心塊上有幾個不同位置上的銷孔，使兩個偏心塊產生不同的相對位置偏差，從而使振動樁錘的偏心力矩發(fā)生變化。圖 1.2 偏心塊力矩分析示意圖當可調偏心塊和固定偏心塊的夾角為時，合成的偏心力矩可按以下公式計算：(1.1)因此偏心塊的結構和相位差就決定了振動樁錘的工作頻率和工作力矩的范圍，按照振動打樁機工作頻率和工作力矩

25、的范圍劃分，振動打樁機可以分為有極調頻調矩和無極調頻調矩。有級調矩:手動拆箱多級調矩式：此方案采用手動調節(jié)偏心塊結構，以達到調節(jié)偏心塊偏心矩的目的。這種調矩方案由于需要停機拆箱手工調整，很不方便且拆箱調矩勞動強度極大。無極調矩節(jié)機構主要有以下幾種形式可供選擇：（1）碰塊兩級式靠馬達的正反轉，使活動偏心塊與固定偏心塊因接觸碰塊側面不同，從而改變它們的夾角，以達到改變偏心力矩的目的;該方法與國內手動調整原理相似，結構簡單，但變矩級別有限;(2) 滑移齒輪式利用大螺旋角人字齒輪的軸向移動，使與其嚙合的兩組同步齒輪相對旋轉，從而達到無級調整偏心力矩的目的;該機構雖然能實現(xiàn)無級調頻，但結構較復雜，且對齒

26、輪同步精度要求很高，可靠性較差;(3) 四軸調整軸式調整軸上制造了兩段旋向相反的大導程螺旋花鍵，兩端鍵上各裝一齒輪，其中一個齒輪與下面的同步齒輪相嚙合，另一個齒輪則通過中間齒輪與上面的同步的齒輪相嚙合，軸向滑動調整軸，下組偏心塊相對上組偏心塊轉動，亦可以達到無級調頻的目的。但是該級機構龐大，對精度要求非常高，控制性差，成本很高。綜上所述，國內外現(xiàn)存振動樁錘各種調矩的方案中，或者調節(jié)能力差，或者機構復雜，個別盡管提出了調矩控制方案，但控制方案并不理想，實用價值并不高.這就需要我們提出一種新的調頻調矩方案。1.4 本課題的提出與主要的研究內容由于在道路與橋梁的建筑中，一般采用激振力較小的振動打樁機

27、，由于其結構較小，移動方便，適應能力強。下面我就在給定的激振力為200KN的打樁機，進行設計計算。綜合以上三種偏心距調節(jié)機構，本文主要研究內容如下：1.振動打樁機的發(fā)展歷史和原理分析；2.根據(jù)給出的工程參數(shù)（打樁形式為激振力打樁，激振力為200KN)，偏心塊、軸和齒輪等各部件的設計；3.振動打樁機的零部件設計及其強度較核。第二章 調頻調矩振動樁錘結構分析2.1 無極調頻調矩振動樁錘的原理分析獨立調頻調矩新方案如下圖2.1所示：圖 2.1 振動打樁機振動器示意圖設計的振動樁錘激振器采用單層結構，如圖2.1所示是激振器的示意圖。4個完全相同的偏心塊均勻布置。同層的兩根軸通過同步齒輪嚙合，保證上下各

28、層內成對的偏心塊能同步運轉。對于頻率的調節(jié)，通過調速閥調節(jié)液壓馬達的流量，來做到無級調節(jié)各液壓馬達的轉速，實現(xiàn)振動頻率的調節(jié)。通過改變上下兩層偏心塊的相位差，改變偏心力矩的大小，從而簡單巧妙的實現(xiàn)振幅獨立調節(jié)。2.2 振動樁錘穩(wěn)態(tài)特性調節(jié)分析上、下層偏心塊合成激振力見圖2.2，、分別為上下兩層偏心塊回轉產生的離心力，、分別為下層兩偏心塊產生的離心力，、分別為各偏心塊的瞬時轉角，、分別為上層和下層偏心塊的轉速。 圖 2.2 偏心塊合成激振力示意圖經過激振力合成，可得y方向上的激振力為：F( t ) = （2.1）式中：m -偏心塊質量；r -偏心距。穩(wěn)態(tài)工作時，上、下兩層偏心塊的轉速相等，即=，

29、同時穩(wěn)態(tài)角相差=，那么：（2.2）式中：同步轉速；F激振力在y方向分力F( t )的幅值，由式（2.2）可以看出：改變穩(wěn)態(tài)角和角速度就可以改變激振力振幅和頻率，穩(wěn)態(tài)角和角速度均可由電動機控制。振動錘主要參數(shù)的設計與計算振動打樁機目前已經成為建筑及基礎工程施工的重要設備，其發(fā)展水平直接影響工程施工的質量和效率，由此振源振動器主要參數(shù)的選擇至關重要。主要參數(shù)包括：振動器振幅、激振頻率、偏心力矩、激振力和振動功率等。具體參數(shù)選擇如下。振幅振動沉樁機沉樁，一定要有足夠的振幅，使振動力大于周圍土體的瞬間全部彈性壓力，并使樁端產生大于地基土的破壞力，方能使樁上下沖擊土壤使之下沉。最小振幅由振動錘的偏心力矩

30、與振動體的質量決定。（2.3）式（2.3）中，M:偏心力矩；QB為機重；QP為樁重。在公路與鐵路施工規(guī)范中規(guī)定：mm(對輕土地基),mm(對其它地基)日本規(guī)范中推薦(mm)采用土壤的貫入標準值N(見表)來估算，我國也大多沿用這種方法。即取下面兩式的平均值（2.4）式（2.4）中，N為土壤貫入錘擊數(shù)。實際振幅應取1.5。當然，隨著振幅的增大，沉樁速度不斷加快(如圖所示)，直至趨于某一極限值A。因此，振幅A的選擇范圍應為：。表2.1 土壤的貫入標準值土壤類型N/mm比較疏松沙土04疏松沙土410密實沙土1030中等密實沙土3050比較密實沙土50軟粘土24中等硬度粘土48硬度粘土815較硬粘土15

31、30非常硬粘土30圖2.3 沉樁速度與激振器振幅之間的關系振動沉樁機激振頻率等同于偏心塊的角頻率，當振動沉樁機激振頻率接近于振動系統(tǒng)的固有頻率時，沉樁過程功率消耗最低，作業(yè)效率達到最佳。而振動系統(tǒng)拘固有頻率不僅與振動沉樁機本身結構及其技術參數(shù)有關，而且與土壤的參數(shù)有關。當樁在土壤中振動時，在一定的激振力作用下土壤與樁之間的側摩擦阻力遭到破壞，并且隨著頻率的增加，土壤對樁側面的摩擦阻力逐漸減小，樁易被振入。同激振器振幅一樣激振頻率也有一個臨界值，稱為起始頻率當頻率逐漸增大超過時，樁在土中慢慢下沉。隨著激振頻率的增加，土壤對樁側摩擦阻力 進一步減小，樁與土之間的滑移進一步增大，沉入速度增加。當頻率

32、達到時， 樁與土壤之間的振幅差值達到最大值，稱為破壞頻率。此后，隨著頻率的進一步提高，樁的振幅不再加大，而是趨于一個穩(wěn)定值，頻率過高會引起功率消耗過多。因此，沉樁過程中激振頻率應選擇在破壞頻率左右。為保證激振力，必要的激振速度可由下式確定振動樁錘的激振力與頻率有關，頻率越高，激振力越大。激振力與頻率的平方成正比。對于低頻錘(1520Hz)，主要通過強迫振動與土體共振達到使樁下沉的目的。此種頻率下的振幅一般為720mm，主要用于鋼管樁與鋼筋混凝土管樁的下沉。中頻(2060Hz)，振動時的激振加速度很大，但振幅較小，通常僅為38mm，對粘土層，樁下沉很困難，但適應在松散的沖積層與松散砂土中沉樁。高

33、頻(100150Hz)，利用樁的彈性波對土壤進行高能沖擊迫使樁下沉，主要用于硬土層。拔樁作業(yè)最理想的狀態(tài)是振錘與土壤共振。若能改變頻率，就可達到拔樁的最佳效果。近來國內正在開發(fā)研究的液壓振錘就可做到無級變頻的目的。表2.2 激振頻率參考表地層類型最佳激振頻率/含飽和水的砂石土含沙粘土堅實粘土含礫石粘土含沙的礫石土10020090100707560705060激振力F是反映振動沉樁機綜合能力的一個參數(shù)，樁沉入土中時，激振力F必須大于樁與土之間的摩擦阻力。靜止的樁與土之間的摩擦力為靜摩擦力，當施加振動力以后，樁與土之間的摩擦力會急劇下降。最小激振力應大于土壤在振動狀態(tài)下的動摩阻力，二者之間的關系為

34、：（2.5）式（2.5）中，F(xiàn)1：土壤的動摩擦阻力。土壤的動摩擦阻力F1可用下式（2.6）進行計算：（2.6）式（2.6）中，U0：樁的外周長；：i 段土壤的動摩擦阻力；：對應i段土壤的樁長；：土體的振動影響系數(shù)，對低頻振動的鋼筋樁及管柱，取µ0.8，其余取µ=1。偏心力矩愈大，克服硬質土層的能力愈強。若已知振幅和參振質量，根據(jù)振幅計算公式()可以求出偏心力矩Me。偏心力矩的選擇也必須大于某一數(shù)值，即：（2.7）振動樁錘理論功率的確定。振動沉樁是利用樁的振動使其周邊土壤液化，減小樁與土壤的摩擦阻力，達到沉樁的目的。在沉樁過程中，有部分土壤附著在樁周邊同時振動，也吸收了一部分

35、能量。土壤的彈性系數(shù)也隨樁入土深度而變化，所以很難找到一個計算模型完整地描述振動沉樁的運動過程。為簡化起見，通常采用圖的計算模型進行計算。圖2.4 振動樁錘計算模型為振動機產生的激振力，為偏心塊的轉速，Q為樁與錘的重量，c為土壤的彈性常數(shù)，f為阻尼系數(shù)。如圖所示，設x為運動體系的坐標，系統(tǒng)的運動方程為（2.8）令為系統(tǒng)的激振頻率，所以式(2.8)可寫成:（2.9）上述式（2.9）方程為一個穩(wěn)定解和一個齊次方程解之和。由于齊次方程解是一個衰減過程，實際上只有穩(wěn)定解起作用，穩(wěn)定解可寫成：（2.10）式（2.10）中，（2.11）（2.12）中，0為動態(tài)放大系數(shù)；A0為靜態(tài)振幅；為位移與振動力的相角

36、。（2.13）激振力在振動中的每一循環(huán)中做的功可用式（2.14）表示：（2.14）每一工作循環(huán)的周期因而功率為:（2.15）在打樁過程中，振動樁錘的偏心距要求出達到起振力的最小起振頻率為于是式（2.15）可寫成（2.16）該式就是振動錘功率的一般表達式。共振時（2.17）（2.18）共振時的功率為（2.19）（2.20）當=0.5時，最小共振功率為：（2.21）顯然，非共振時的功率式()要小于式()與式()。由于土壤彈性常數(shù)與阻尼系數(shù)很難測定，所以采用式()與式()來計算功率較困難。有的采用下式來計算功率N(kw)（2.22）式中，M的單位為N·m，Q的單位為N，g=980。為考慮土

37、壤振動質量影響所增加的系數(shù)，對砂土=1.1，對粘土=1.2。若考慮軸承發(fā)熱消耗的功率，上式還需乘以系數(shù)，若再考慮機械效率，則可再乘以系數(shù)，=1.11.15，=1.1，式()最終可寫成:（2.23）第三章振動器的結構設計3.1 偏心塊的設計3.1.1 偏心塊材料的選擇偏心塊材料采用Q235，其密度= 7.8 × 10 Kg/m 。整個激振器由4個偏心塊組成，2根軸上各分布2個。考慮到安裝及維修方便，其結構采用并排式。3.1.2 偏心塊的結構設計半圓偏心塊面積和偏心距的設計計算。由一般半圓偏心塊的外形如圖所示，其面積和偏心距的計算公式如下：圖 3.1 偏心塊的結構示意圖面積：（3.1）偏

38、心距：（3.2）（3.3）（3.4）（3.5）（3.6）式（3.1）中：偏心塊大圓弧弦長；偏心塊小圓弧弦長；大圓弧半中心角；小圓弧半中心角；其中：偏心塊產生的激振力（3.7）（3.8）3.2 電動機的選擇由于本設計的是激振力較小的振動打樁機，F(xiàn)=200KN。最大轉矩Tmax=25N·m，最大轉速為1800r/min。由公式P=，得，P=47.1KW。由常用機械傳動和軸承效率的概略值可知，圓柱齒輪傳動效率1=0.98，V帶傳動效率2=0.95，滾動軸承3=0.98，可得電動機的功率P0由公式得，P0=52.7KW。查閱機械設計手冊可得，電動機型號為Y160M2-8，同步轉速750r/m

39、in。查表得電動機的同步轉速750r/min查表知電動機的機座中心高為160mm，外伸軸徑為42mm，外伸軸長度為110mm。電動機的主軸和工作軸的傳動比：3.3 激振器齒輪設計3.3.1 齒輪的結構形式根據(jù)總體布置設計，激振器上、下兩層均采用對稱布置，有偏心塊的主、從動軸由一對齒輪嚙合傳動，由于只起到傳遞扭矩的作用，其傳動比i=1,以使主、從動軸等速反向旋轉。通過激振器結構設計兩軸中心距取為130mm。3.3.2 齒輪的結構設計齒輪采用材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，7級精度。結構型式采用標準圓柱直齒輪，兩齒的幾何參數(shù)完全相同選取模數(shù)m=2.5 ，壓力角為 = 20°。

40、齒輪參數(shù)如下：分度圓直徑：=130 mm；齒數(shù)：Z=52；齒頂高： =2.5 mm；齒根高：×；齒全高：；齒頂圓直徑：=135mm；齒根圓直徑：；齒厚：S=；齒寬：b= = 130×0.38 = 50mm。3.3.3 齒輪的受力分析齒輪的受力分析中，為作用于齒面的正壓力，垂直于齒面，為作用于齒面的圓周力，為作用于齒輪的徑向力。其中： 主動軸的轉矩：T ·m×0.95 = 14.5 N·m齒面的圓周力： =N =223.1N；齒輪的徑向力： =81.2N；齒面的正壓力： =237.1N。3.3.4 齒輪強度校核（1）齒根彎曲疲勞強度校核計算公式：

41、（3.9）式(3.9)中：為齒形系數(shù)；為載荷作用于齒頂時的應力校正系數(shù)；為齒寬系數(shù)；K為載荷系數(shù)。其中，（3.10）（3.11）上式（3.10）中，為使用系數(shù)；為動載系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)；齒向載荷分布系數(shù)。根據(jù)上訴數(shù)據(jù)，查機械設計手冊，得：=1.25，=1.15，=1，=1.189。所以，=MPa由于，= 52.80MPa = 350MPa故齒輪的齒根彎曲疲勞強度滿足設計要求。（2） 齒面接觸疲勞強度校核計算公式：（3.12）式（3.12）中：為區(qū)域系數(shù)（標準直齒輪時，=，=2.5）；為彈性影響系數(shù)，；u為齒數(shù)比。查機械設計手冊，可得：。又由，上述中可知，=2.5，K=1.71，F(xiàn)t=223

42、.1N,u=1.1。將數(shù)據(jù)代入式（3.12）中，得：故齒輪的齒面接觸勞強度滿足設計要求。綜上所述，齒輪強度滿足設計要求。由于兩個齒輪的傳動比為1，性質相同。故，在此不再檢驗另一齒輪。3.3.5 齒輪的結構設計由于齒輪直徑d = 120mm 200mm 故采用整體式齒輪設計齒輪結構如下圖所示：圖3.2 齒輪結構圖3.4 主動軸的設計3.4.1 確定軸的最小軸徑先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45號鋼，調質處理。據(jù)計算公式：（3.13）式（3.13）中：P為軸傳遞的功率，kW；n為軸的轉速,r/min；（3.14）式（3.14）中：為扭轉切應力，MPa。由于改軸只做單向旋轉，無軸向載荷，所以

43、取較大值，A0取較大值。根據(jù)表3.1，查得：=35MPa，A0=110。式（3.13）中，n=1500r/min。將數(shù)據(jù)代入式（3.13），得：mm所以，軸的最小直徑d=表3.1 軸常見幾種材料的及值軸的材料/MPaQ235-A、201525149126Q275、(1Cr18Ni9Ti)20351351124525451260340Cr、35SiMn、3Cr33555112973.4.2 主動軸的結構設計軸的各段軸頸尺寸如下表3.2所示：表3.2 主動軸的各段尺寸位置直徑/mm長度/mm說明I-II3528軸承配合處，軸承長18套筒長10mmII-III4011軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長1

44、1mmIII-IV455IV-V4045偏心塊安裝處，偏心塊尺寸40x45(mm)V-VI45105此處為避讓從動軸偏心塊，L=45+45+15(mm)VI-VII4045偏心塊安裝處，偏心塊尺寸40x45（mm）VII-VIII455VIII-IX4011軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長11mmIX-X3518軸承配合處X-XI3474齒輪安裝處，尺寸34x50（mm），套筒長24mm主動軸的尺寸簡圖如下圖所示：圖3.3 主動軸的結構簡圖3.4.3 主動軸的強度校核（1）主動軸受力分析根據(jù)軸的結構圖，畫出軸的載荷分析。在確定軸的支撐點時，從手冊中查得值，作出軸的彎矩圖和扭矩圖，圖如下所示：圖

45、3.4彎矩和扭矩圖（2）主動軸上載荷分布根據(jù)軸的結構簡圖及彎矩和扭矩圖可以看出左端偏心塊中心截面出處為危險截面，計算出軸的彎矩。反作用力在水平面內，=52N，=275N。在豎直面內，=4484N，=4792N。彎矩在水平面內，=13052N·mm在豎直面內，=237652N·mm，=220552N·mm，=13052N·mm。軸的扭矩及總彎矩為：N·mm，=237666N·mm。（3）主動軸的強度校核按彎扭合成應力校核軸的強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面，即右邊偏心塊中心線截面的強度。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋

46、轉，扭轉切應力為脈沖循環(huán)變應力，取軸的計算應力：（3.15）式（3.15）中，為軸所受的彎矩，N·mm；T為軸所受的扭矩，N·mm；W為軸的抗彎截面系數(shù)，N·mm。將上述的數(shù)據(jù)代入式（3.15）中，得：=37.16MPa。由已選軸的材料為40Cr，調質處理，由機械設計手冊查得，= 70MPa因此，故滿足強度要求，因此軸的設計合理。3.5 從動軸的結構設計3.5.1 確定從動軸的最小軸徑先初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為40 Cr，調質處理。據(jù)式（3.13），式中:= 100P =n = 1500r/min所以，從動軸的最小直徑3.5.2 從動軸的結構設計從動軸

47、的各段軸頸如下表所示：表3.2 從動軸的各段尺寸位置直徑/mm長度/mm說明I-II3521軸承配合處，留3mm與端蓋配合位置II-III4064軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長64mmIII-IV455IV-V4090兩塊偏心塊安裝處，偏心塊尺寸40x45(mm)V-VI455mm長5mmVI-VII4064軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長64mmVII-VIII3518軸承配合處VIII-IX4074此處為齒輪安裝處從動軸的結構簡圖如下圖所示，圖3.5 從動軸的結構簡圖3.5.3 從動軸的強度校核（1）從動軸受力分析根據(jù)軸的結構圖，畫出軸的載荷分析。在確定軸的支撐點時，從機械設計手冊中查得值，

48、作出從動軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖所示：圖3.6 從動軸軸的彎矩圖和扭矩圖（2）從動軸上載荷分布根據(jù)軸的結構圖及彎矩和扭矩圖可以看出左端偏心塊中心截面出處為危險截面，現(xiàn)計算出軸的彎矩。反作用力在水平面內，F(xiàn)H1=52.4N，F(xiàn)H2=170.7N；在豎直面內，F(xiàn)V1=4562N，F(xiàn)V2=4718.9N。彎矩在水平面內，MH1·mm；在豎直面內，MV1=465769N·mm，MV2=383174N·mm。所以，從動軸的扭矩及總彎矩為：T=15000N·mm，M1=465769N·mm。（3）從動軸的強度校核按彎扭合成應力校核軸的強度進行校核時，通常只

49、校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面，即右邊偏心塊中心線截面的強度。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈沖循環(huán)變應力，取軸的計算應力據(jù)公式（3.15），將上述的數(shù)據(jù)代入式（3.15），可得：=62.78MPa。由已選軸的材料為40Cr，調質處理，由機械設計手冊查得= 70MPa。因為，所以軸的設計合理。3.6 軸承的選擇振動樁錘在沉樁工作過程中，軸承系統(tǒng)將因受到很大的激振力而引起彈性振動。一般振動樁錘齒輪與軸承常采用飛濺潤滑，潤滑效果一般，如果軸承配合面因產生較大的摩擦而使軸承的溫升過高，熱膨脹偏大，將使軸承的徑向游隙減小，又進一步加劇摩擦，溫度將進一步升高。為解解決這一問題，常采用大游

50、隙的軸承。但是因為徑向游隙加大，將降低軸承支承系統(tǒng)的剛度，從而降低轉子系統(tǒng)的固有頻率，所以必須認真考慮滾動軸承的支承剛度對固有特性的影響。在分析確定支承剛度對轉子系統(tǒng)固有特性的影響后，就可以用于對振動打樁機滾動軸承的選擇和設計，結合系統(tǒng)本身的結構參數(shù)，使齒輪一軸承系統(tǒng)的固有特性符合系統(tǒng)的工作要求，防止出現(xiàn)共振而引起破壞。常用的幾種滾動軸承的徑向剛度對比。由圖可知，徑向剛度最大的是滾針軸承，最小的是球軸承。而深溝球軸承對零件裝配和幾何精度的反應敏感性比較小，而滾針軸承和滾子軸承剛好相反。所以采用深溝球軸承有利于減小系統(tǒng)的振動。如果支承的剛度要求比較高，可采用圓錐滾子軸承。而對載荷大、沖擊比較嚴重的振動樁錘，一般常選用調心滾子軸承。這里，我們設計的是小激振力的振動打樁機，所以在這里選擇調心球軸承。這里選擇型號為1207K的調心球軸承。滾動軸承的剛度是指為了使?jié)L動軸承的內外套圈之間產生單位的相對彈性位移，所需要實施的外部載荷，單個滾動軸承的徑向剛度可以定義為：（3.16）式（3.16）中：F為軸承的徑向載荷，N；為軸承徑向彈性位移，um；為箱體孔與軸承外圈之間的接觸變形，um；為軸承軸頸與軸承外圈之間的接觸變形，um；當滾動軸承