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湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 生 姓 名： 牛文建
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（2）班
學(xué) 號(hào)： 103010201
指導(dǎo)教師： 馬克新
2015 年 3 月 26 日
VIBRATORY HAMMER EXCITERS
Although there are many varitations in design and construction ,the vast majority of vibratory hammer are of the configuration like this .Briefly ,there are two main components of the system: the exciter , which produces the actual vibrating force ,and the power pack, which provides the usable energy for the motors on the hammer to spin the eccentrics.
We first need to look at the exciter; it is divided into three parts;
1)Vibrator case :This contains the eccentric weights and does the actual vibration. Thus, these eccentrics must be somehow both driven and synchronized.
The most common way to accomplish this is a gear system. The gears can actually function in various ways , depending upon how they are set up . Generally the eccentrics are mounted to the gear system , either partially or entirely; in either case the mounting is rigid. In some vibratory hammers, this rigidity is insured by insured by making the gear a one piece eccentric .Several types of gears have been used in vibratory hammer, including spur, helical ,and bevel. All types work best when the teeth are small but strong enough to transmit the power. Large teeth have two been used extensively in vibratory hammers over the years , but small ones are quieter , more efficient, and more reliable.
Other schemes of synchronization are: a) there are no gears , and most of the time the amplitude of the system synchronizes their rotation ,each eccentric driven by its own motor , or b) the gears are synchronized by a chain and each eccentrics is driven individually .
In any case , the dynamics forces generated by the eccentrics is transmitted to the case by the use of antifriction bearings , which also facilitate rotation. These can be cylindrical , spherical (“screen” bearings) ,or ball , but to work properly they must be sufficiently large for the load and adequately lubricated ,either by a pump system or well designed splash system .
Geared eccentrics can be connected to the motor either by pinion, or through belts or chain drives. For the latter two the motor is mounted on the static weight ; a pinion drive require that the motor be mounted directly to the vibrator case .Pinions are used as torque converters, which make optimum used of motors at their preferred operating speeds.
2)Clamp: This connects the vibrator case to the pile and thus transmits the vibrator’s power from the vibrator case to the pile. Generally speaking , most clamps pinch the pile using a hydraulic cylinder and jaws , thus making a frictional connection . A few vibrators actually bolt or pin the pile to the vibrator case , as was done with the old Vulcan or MKT impact extractors . Some clamps (Foster) use some kind of leverage to enable the use of a small cylinder to generate a large force . For hydraulic clamps ,both lever and direct cylinder clamps are shown.
3) Suspension: This is connected to the vibrator case by rubble or metal springs. In driving this provides additional weight to the system to force the pile into the ground without degrading the vibration of the system, although with most units additional bias weight can be attached to the suspension. In extraction the suspension system transmits static pull while dampening out vibration and thus protects the crane boom. For this to be effective the springs must be sufficiently soft and the bias weight sufficiently heavy to insure a suspension natural frequency that is much lower than the vibrator’s operating frequency. Occasionally additional static weight is helpful during and the weights which accomplish this (called “base weighst”) are attached to the suspension.
Impact-Vibration Exciters
Although impact –vibration hammers share common constructional features with their vibratory relatives , there are important differences .In common with more conventional vibratory hammers, it contains counter rotating eccentrics which impart vertical vibrations ;however, these are contained in a head which is not rigidly connected to the pile but is free to some degree . This freedom enables the units to impact the pile at a rate higher than conventional impact hammers . The alternating force of the eccentrics takes the place of the air , steam ,diesel combustion or hydraulic fluid in 4 moving the head up and down like a ram, with impact at either the top , bottom,or both ends of its “stroke”. Although this can produce variations in the eccentric rotational speed of up to 40%(as opposed to the 50% or so normal for vibratory hammers), this variation generally does not impede the continuous , stable operation of the equipment.
Some of the various parts of these hammer are dicussed below:
Exciter/Head : The exciter of these machines is similar in general principle to strictly vibrating machines ,with eccentrics driven by motors. With impact –vibration hammers ,the exciter has a constant source of amplitude within the springs ,and so the eccentrics are usually not synchronized with gears ,each one driven by a motor. Beaing life with these machine is critical ,and many of them must be used in the vibratory mode a good deal of their operation.
Frame/Springs : Frame design of these machines is critical since the frame provides both the regulation of the machine and its connection to the pile. The regulating springs are generally coil springs . The machine’s vibration within the springs is regulated by both the springs rate and the pretensioning of the springs . The latter can be either fixed or regulated by hydraulic or electric means . Part of the machine’s force on the pile is also transmitted by the springs if the frame is clamped to the pile.
Pile Connection: The most elementary of impact-vibration machines have no pile connection(or frame) at all and rest on the top like impact hammers .Although hydraulic clamps similar to ones in vibratory hammers can be used , other schemes to keep the frame on the pile include simply making the frame heavy than the upward springs force or bolting the machine to the pile.
Power Packs for Vibratory and Impact-Vibration Equipment
Turning to the power pack, a few vibrators , such as the bodine-guild resonant drivers ,some of the early Soviet vibrodrilling machines ,and some Japanese units ,drive rotating eccentrics straight from diesel or gasoline engines by mechanical couplings . However , most vibratory or impact-vibration hammers transmit energy from the prime mover to the eccentrics through either electric or hydraulic systems. Since construction site are usually remote , transportable power sources have been developed for vibratory hammers. These are referred to as power packs ( for hydraulic units) or generator sets ( for electric units) . These units are similar for both vibratory and impact-vibration equipments .
Electrics system : these usually employ three-phase induction motors driven at a single frequency, which has encourage the development of many system to vary the eccentric moment and thus the driving force .In some case electric vibratory hammers can be driven from a nearby three-phase mains , obviating the need for a generator set. The hammers thus only requires a switchbox to control it . A separate , small power pack , driven with an electric motor , is required to operate the hydraulic clamp , if there is one . This can either be on the ground or mounted on the static overweight . Electric systems are less and less popular because of maintenance and reliability consideration.
Hydraulic system: for a varity of reason hydraulic system have become dominant, and the major manufactures , such as Vulcan ,ICE ,and MKT, employ hydraulic drive almost exclusively. These system use a diesel engine to drive a hydraulic pump ,which In turn drives the motor on the exciter . A reservoir of varying size is used to store hydraulic fluid in case of leakage , fluid low , both in starting and stopping the 6 machine and during operation .Beyond these basic , these are specific differences between the various hydraulic power packs available; They are :
1) Pump Driven or Gearbox :the hydraulic pump is connected to the engine through a pump drive; sometimes this pump drive is a gearbox as well , acting as a speed changer to optimize the pump , while in others a direct drive is employed , eliminating gear losses.
2) Clamp Pumps :some units have separate pumps for the hydraulic clamp and some integrate these into the main power source .Impact-vibration hammers that do mot have a clamp on them do not have a clamp on them do not need a clamp circuit.
3) Variation of Frequency and Force :Both of these can be varied either by using varied displacement pumps in the power pack or by simply varying the engine speed. Variable disable displacement pumps can have very sophisticated flow control mechanisms.
4) Control Type : These units can employ air ,electric, or manual controls for the hydraulic circuitry .Manual controls are the simplest; however ,they confine the operate the machine . Remote controls allow more economical and there is better access to the parts for severice.
5) Enclosure : some power packs have a sheets metal enclosure and some do not . The principal advantage of an enclosed power pack is protection from weather and criminal activity . Enclosures are also helpful if they provide sound deadening , although many do not. Open power packs are more economical and there is better access to the parts of service.
6) Open and Close Loop Hydraulic System: Both appear on power pack in this application . Closed loop systems allow for better controlled starting , running ,and stopping of themechines , but have traditionally been more complicated, and the power packs less adaptable to other applications.
In some cases, the crane hydraulic system can be employed to power the vibratory hammer. Although this eliminates the external power pack and diesel engine , all of the control and operating features of these integral power units are the same.
振動(dòng)打樁機(jī)激振器
雖然在設(shè)計(jì)和施工中有很多變化，但絕大多數(shù)的振動(dòng)樁錘結(jié)構(gòu)都像這樣。簡(jiǎn)單的說，打樁機(jī)系統(tǒng)由兩個(gè)核心組件構(gòu)成：激振器——產(chǎn)生激振力；電源箱——提供能源使得位于振動(dòng)樁錘上的馬達(dá)帶動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)。
我們首先看一看激振器，它由三部分組成；
1）激振箱 ：包含偏心塊，它能產(chǎn)生振動(dòng)。因此這些偏心塊一定是以某種方式被同步驅(qū)動(dòng)。
最常被用來實(shí)現(xiàn)這種同步驅(qū)動(dòng)的是齒輪系統(tǒng)。齒輪有多種運(yùn)用方式，這取決于它們是怎樣被安裝的。通常齒輪系統(tǒng)被整體或局部的安裝在激振器中，無論哪一種情況下，它都是被精確的安裝。在某些振動(dòng)樁錘中，齒輪配對(duì)加工以確保其精度。某些型號(hào)的齒輪被運(yùn)用到振動(dòng)樁錘中，包括直齒，園齒和圓錐持輪。這些齒輪齒形雖小但工作良好，強(qiáng)度足夠傳遞動(dòng)力。大型齒輪雖然多年來廣泛的運(yùn)用在振動(dòng)樁錘中，但是小齒輪更輕巧、更有效也更可靠。
其他的同步方案中不存在齒輪系統(tǒng)，方案一：大多數(shù)的振動(dòng)系統(tǒng)中每一個(gè)偏心塊由獨(dú)立的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，振幅隨著旋轉(zhuǎn)改變。方案二：由同步齒輪鏈條驅(qū)動(dòng)，偏心塊仍由獨(dú)立的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。
無論在那種情況下，由偏心塊產(chǎn)生的激振力由潤(rùn)滑軸承旋轉(zhuǎn)傳遞到箱體內(nèi)，這些軸承的滾珠可以是圓柱形、球形的，但是為良好工作，必須有足夠的強(qiáng)度和充分的潤(rùn)滑，潤(rùn)滑是由液壓系統(tǒng)或者是設(shè)計(jì)良好的油滴飛濺潤(rùn)滑來實(shí)現(xiàn)。
偏心塊既不是通過齒輪也不是帶和鏈傳動(dòng)連接到馬達(dá)上的，后兩者中馬達(dá)是被靜態(tài)安裝的；齒輪傳動(dòng)需要馬達(dá)直接被安裝在激振器箱體上，齒輪被用作旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化原件以便充分利用馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速。
2）壓鉗：用來連接激振器和樁錘，因此傳遞遞激振器產(chǎn)生的激振力至樁錘?？偟膩碚f，大多數(shù)的壓鉗采用液壓缸和下顎擠壓樁錘而產(chǎn)生摩擦連接。實(shí)際上一些振動(dòng)樁機(jī)采用螺栓或者螺釘將樁錘直接安裝在激振器箱體上，正如一些老式的Vulcan 和MTK的沖擊樁錘。一些壓鉗（福特斯）采用某種類型的杠桿以使缸體產(chǎn)生很大的擠壓力，對(duì)于液壓壓板來說，通常采用杠桿和直壓板。
3）懸架：懸架通過墊圈或金屬彈簧安裝在激振器箱體上，大多數(shù)的部件都可以增加偏心塊重量，通過驅(qū)動(dòng)這些額外增加系統(tǒng)重量而不減少系統(tǒng)的振動(dòng)以使樁錘打入地面。在拔樁過程中，懸架傳遞靜拉力而不損壞起重吊臂。為了確保懸架的振動(dòng)頻率低于激振器工作頻率，彈簧和偏心塊必須有足夠彈性和重量。有時(shí)候，適當(dāng)?shù)脑黾討壹艿闹亓坑欣碛赏瓿纱驑哆^程。
沖擊振動(dòng)樁錘
盡管沖擊振動(dòng)打樁機(jī)和其它類型的打樁機(jī)一樣都具有類似的結(jié)構(gòu)，但是還是存在顯著的區(qū)別。和傳統(tǒng)的打樁樁錘相同，它包括旋轉(zhuǎn)的偏心塊來產(chǎn)生豎直方向上的激振力，但是，沖擊樁錘的樁錘不是剛性的連接而是自由的還具有一定程度的自由度。這種自由連接的方式保證了沖擊樁錘比傳統(tǒng)樁錘上升的高度更高。偏心塊產(chǎn)生可變換的激振力取代了壓縮空氣、柴油燃燒或者液壓油驅(qū)動(dòng)樁體上升或下降，在樁體上身到頂部和底部時(shí)都能產(chǎn)生沖擊力。盡管偏心塊旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生高達(dá)40%的變速范圍（相對(duì)于正常樁錘的50%），但是變速范圍不影響設(shè)備的整體連續(xù)運(yùn)行。
激振器/ 連接頭：沖擊樁錘的激振器與嚴(yán)格的振動(dòng)打樁機(jī)激振器大體相似，其偏心塊都是有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。隨著沖擊樁錘運(yùn)動(dòng)，激振器有連續(xù)的振幅，因此激振器不與齒輪同步驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)偏心塊都由獨(dú)立的馬達(dá)帶動(dòng)。設(shè)備中齒輪的壽命是至關(guān)重要的，因此大部分的齒輪振動(dòng)模式下才能正常運(yùn)行。
箱體/彈簧：箱體的設(shè)計(jì)是機(jī)器中至關(guān)重要的一項(xiàng)，不僅提供機(jī)器的調(diào)節(jié)同時(shí)也連接樁錘。一般的調(diào)整彈簧是卷彈簧。機(jī)器的振動(dòng)是由彈簧的彈性比和彈簧的預(yù)緊力調(diào)節(jié)的。
樁錘連接：沖擊樁錘沒有任何的樁錘連接裝置因而就像停留在頂部的樁錘，盡管液壓夾具在振動(dòng)樁錘中能夠被運(yùn)用，其他方案中為了樁錘的箱體連接而箱體的重力大于向上的彈簧彈性力或者是直接采用螺栓連接。
振動(dòng)樁錘和沖擊樁錘的動(dòng)力裝置
提到動(dòng)力裝置，像一些蘇聯(lián)早期的振動(dòng)打鉆機(jī)和日本的柴油或汽油驅(qū)動(dòng)偏心塊豎直旋轉(zhuǎn)的機(jī)械連接裝置。但是，大多數(shù)的振動(dòng)樁錘通過電子或液壓系統(tǒng)將原始動(dòng)力傳遞給偏心塊?？紤]到施工地點(diǎn)通常偏遠(yuǎn)，振動(dòng)樁錘的便攜式動(dòng)力部分已經(jīng)改良。它們是經(jīng)常被提及的馬達(dá)（液壓裝置）和電動(dòng)機(jī)（電氣裝置）。這些裝置在振動(dòng)樁錘和沖擊樁錘中類似。
電氣系統(tǒng)：通常采用單頻三相感應(yīng)電機(jī)，它能夠調(diào)整偏心塊的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而調(diào)節(jié)激振力。在某些情況下，電氣振動(dòng)打樁機(jī)能夠采用附近的三相輸電總線驅(qū)動(dòng)。因此樁錘僅僅需要一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)就能控制。單獨(dú)分開小型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置需要啟動(dòng)液壓夾鉗如果配備的話，它可以靜態(tài)安裝在地面或其它部位，由于保養(yǎng)和可靠性差，電氣系統(tǒng)難受歡迎。
液壓系統(tǒng)：有很多理由解釋液壓系統(tǒng)將成為主流，像Vulcan ,ICE ,and MKT都專門采用了液壓裝置。液壓系統(tǒng)采用柴油電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵，液壓泵驅(qū)動(dòng)激振器上的馬達(dá)?；赜拖溆脕韮?chǔ)存因在開機(jī)或關(guān)機(jī)中導(dǎo)致的液壓油漏油和油路。除了這些基本的特點(diǎn)之外，一下還有顯著的液壓動(dòng)力箱的特點(diǎn)：
1）液壓泵/變速箱：液壓泵通過液壓馬達(dá)與電機(jī)相連，有時(shí)候液壓驅(qū)動(dòng)也是變速箱，起著調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速的作用，有時(shí)候被直接運(yùn)用到其它設(shè)備中以消除齒輪磨損。
2）液壓壓鉗：有些設(shè)備能將液壓泵與液夾鉗分隔開，有的則將兩者連接起來成為主要的動(dòng)力部分。沖擊樁錘沒有液壓夾鉗，因此也不需要液壓回路.
3）可便頻率和力矩：這兩者均可調(diào)節(jié)通過使用不同排量的液壓泵或者獨(dú)單的調(diào)節(jié)每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可變排量的液壓泵由非常復(fù)雜的流量調(diào)節(jié)機(jī)制。
4）控制類型：液壓回路的控制單元可以使用空氣、電或者手動(dòng)控制。手動(dòng)控制是最簡(jiǎn)單的，但是這限制了設(shè)備的工作范圍。遠(yuǎn)程控制提供了更多的彈性操作但是增加了成本也導(dǎo)致了更多的問題。
5）殼體：一些動(dòng)力箱有薄板包裹，一些則沒有。殼體的作用能保護(hù)動(dòng)力箱不受空氣影響和防止事故。不管配不配備隔音設(shè)備，殼體也是很有用的。開放式的動(dòng)力箱更經(jīng)濟(jì)也便于拆裝零件。
6）開放式和封閉式的液壓回路系統(tǒng)：兩者共同出現(xiàn)在動(dòng)力箱上，閉合式的液壓回路系統(tǒng)能更好的控制啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，但是與傳統(tǒng)的控制相比越來越復(fù)雜，使得與其他元件的兼容性減低。
在某些情況下，液壓起重系統(tǒng)能夠被運(yùn)用到振動(dòng)樁錘的沉拔中。盡管減少了外部動(dòng)力箱和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，但是動(dòng)力裝置的所有控制和操作特點(diǎn)都是一樣的。
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
目錄
第一章 前言………………………………………………………………………………3
1.1 樁工機(jī)械的分類和發(fā)展歷程………………………………………………………3
1.1.1 我國(guó)樁工機(jī)械的發(fā)展歷程…………………………………………………3
1.1.2 國(guó)外樁工機(jī)械的發(fā)展歷程…………………………………………………4
1.1.3 國(guó)內(nèi)外振動(dòng)打樁機(jī)的發(fā)展歷程……………………………………………4
1.2 振動(dòng)打樁機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理………………………………………………6
1.3 振動(dòng)沉拔樁錘調(diào)頻調(diào)矩技術(shù)研究現(xiàn)狀………………………………………… 7
1.3.1 單極或兩級(jí)調(diào)矩存在的問題………………………………………………7
1.3.2 無極調(diào)頻調(diào)矩的意義………………………………………………………7
1.3.3 調(diào)頻調(diào)矩機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀……………………………………………………7
1.4 本課題的提出與主要的研究?jī)?nèi)容……………………………………………… 10
第二章 無極調(diào)頻調(diào)矩振動(dòng)樁錘結(jié)構(gòu)分析…………………………………………11
2.1 振動(dòng)樁錘的原理分析……………………………………………………… ……11
2.2 振動(dòng)樁錘穩(wěn)態(tài)特性調(diào)節(jié)分析……………………………………………………11
2.3 振動(dòng)錘的主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)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
2.3.5 振動(dòng)功率……………………………………………………………………16
第三章 振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………19
3.1 偏心塊的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………19
3.1.1 偏心塊材料的選擇…………………………………………………………19
3.1.2 偏心塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………19
3.2 電動(dòng)機(jī)選擇………………………………………………………………………20
3.3 激振器齒輪設(shè)計(jì)…………………………………………………………………20
3.3.1 齒輪的結(jié)構(gòu)形式……………………………………………………………21
3.3.2 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………21
3.3.3 齒輪的受力分析……………………………………………………………21
3.3.4 齒輪強(qiáng)度校核………………………………………………………………22
3.3.5 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………23
3.4 主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………24
3.4.1 確定主動(dòng)軸的最小軸徑……………………………………………………24
3.4.2 主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………25
3.4.3 主動(dòng)軸的強(qiáng)度校核…………………………………………………………26
3.5 從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………27
3.5.1 確定從動(dòng)軸的最小軸徑……………………………………………………27
3.5.2 從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).…………………………………………………………28
3.5.3 從動(dòng)動(dòng)軸的強(qiáng)度校核.………………………………………………………28
3.6 軸承的選擇………………………………………………………………………30
3.7 鍵連接的校核計(jì)算………………………………………………………………32
3.8 聯(lián)接螺栓的校核計(jì)算……………………………………………………………33
3.9 減振彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………33
3.9.1 減振彈簧的結(jié)構(gòu)選擇.………………………………………………………34
3.9.2 選取螺旋彈簧的類型代號(hào).…………………………………………………34
3.9.3 選取彈簧的材料.………………………………………………………34
3.9.4 圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算.…………………………………………………34
3.10 箱體的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………36
第四章 總結(jié)與展望……………………………………………………………………39
4.1 論文總結(jié)…………………………………………………………………… ……39
4.2 展望…………………………………………………………………………… …39
第五章 心得體會(huì)………………………………………………………………………40
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………41
致謝…………………………………………………………………………………………42
第一章 前言
1.1 樁工機(jī)械的分類和發(fā)展歷程
樁工機(jī)械主要用于各種樁基礎(chǔ)、地基改良加固、地下連續(xù)墻及其它特殊地基基礎(chǔ)等工程的施工。按施工設(shè)施的不同，樁工機(jī)械又可以分為夯錘打樁機(jī)、靜力沉樁機(jī)和振動(dòng)樁錘。
夯錘打樁有柴油打樁機(jī)和蒸汽打樁機(jī)。由于使用不便，蒸汽錘早己基本被淘汰。柴油錘利用柴油燃燒產(chǎn)生的爆破力及錘的自由落體沖擊力對(duì)樁進(jìn)行打擊，產(chǎn)生沖擊機(jī)械能，克服土體對(duì)樁的阻力，破壞靜力平衡狀態(tài)，從而達(dá)到沉樁的目的。但柴油錘在施工過程中存在噪聲大、振動(dòng)大和油煙污染等缺陷，在城市建筑基礎(chǔ)施工中，柴油錘的使用受到越來越多的限制。
靜力沉樁機(jī)適應(yīng)于軟土地區(qū)樁基礎(chǔ)施工。該方法以樁機(jī)自身的質(zhì)量作為反作用力，利用液壓油壓力將樁強(qiáng)制性壓入土中，工作過程無噪聲、無振動(dòng)、無空氣污染，也可以實(shí)現(xiàn)拔樁，效率較高。
振動(dòng)樁錘是通過偏心回轉(zhuǎn)激振器產(chǎn)生縱向振動(dòng)，利用樁土振動(dòng)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(diǎn)是噪聲小，此外，效率高、機(jī)器重量輕、造價(jià)低。該方法主要應(yīng)用于各類鋼板樁和鋼管樁的沉拔作業(yè)，也可以用于混凝土樁施工。振動(dòng)打樁機(jī)按動(dòng)力可分為電動(dòng)振動(dòng)打樁機(jī)和液壓振動(dòng)打樁機(jī)。
1.1.1我國(guó)樁工機(jī)械發(fā)展歷程
解放前，我國(guó)幾乎沒有樁工機(jī)械、打樁機(jī)制造業(yè)。20 世紀(jì)50 年代初期，我國(guó)基礎(chǔ)施工全部使用舊中國(guó)從國(guó)外進(jìn)口遺留下來的蒸氣式打樁機(jī)和笨重的落錘。一五期間，由于國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)工程的需要，我國(guó)開始仿制國(guó)外31t單作用和雙作用蒸氣式打樁機(jī)以及原蘇聯(lián)的BⅡ系列振動(dòng)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(dāng)時(shí)還沒有專業(yè)的樁工機(jī)械、打樁機(jī)生產(chǎn)廠，所以50 年代是我國(guó)樁工機(jī)械、打樁機(jī)行業(yè)的萌芽時(shí)期。60年代初，一機(jī)部成立第五局——工程機(jī)械局，將上海電工機(jī)械廠改為上海工程機(jī)械廠，定點(diǎn)生產(chǎn)樁工機(jī)械、打樁機(jī)，成為我國(guó)最早生產(chǎn)樁工機(jī)械、打樁機(jī)的專業(yè)生產(chǎn)廠。并將一機(jī)部建筑機(jī)械研究所第二研究室定為樁工機(jī)械、打樁機(jī)研究室，開始了我國(guó)自行研制樁工機(jī)械、打樁機(jī)的成長(zhǎng)時(shí)期。70年代是我國(guó)樁工機(jī)械、打樁機(jī)行業(yè)發(fā)展時(shí)期，這個(gè)時(shí)期成立了樁工機(jī)械、打樁機(jī)行業(yè)組，有樁工機(jī)械、打樁機(jī)行業(yè)制造企業(yè)10余家，能生產(chǎn)4大類、30多個(gè)品種，年產(chǎn)量400余臺(tái)。80 年代是我國(guó)樁工機(jī)械、打樁機(jī)行業(yè)壯大時(shí)期。1984 年成立了中國(guó)建筑機(jī)械化協(xié)會(huì)樁工機(jī)械、打樁機(jī)分會(huì)，有樁工機(jī)械、打樁機(jī)行業(yè)制造企業(yè)20余家，上海同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)、南京建工學(xué)院、東北大學(xué)等高等院校也開始從事樁工機(jī)械、打樁機(jī)新產(chǎn)品、新技術(shù)、新原理的研究，能生產(chǎn)10 大類、50 多個(gè)品種、200 多種規(guī)格、型號(hào)的樁工機(jī)械、打樁機(jī)產(chǎn)品。90 年代是我國(guó)樁工機(jī)械、打樁機(jī)行業(yè)高速發(fā)展時(shí)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(gè)層次的科研設(shè)計(jì)力量，能生產(chǎn)400多種規(guī)格、型號(hào)的樁工機(jī)械、打樁機(jī)產(chǎn)品，銷售收入達(dá)6.5億元。進(jìn)入21 世紀(jì)后，隨著我國(guó)各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和住房建設(shè)的快速發(fā)展，樁工機(jī)械、打樁機(jī)制造業(yè)及其市場(chǎng)得到了前所未有的高速發(fā)展，形成了幾十家專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)及上百個(gè)產(chǎn)品型號(hào)的規(guī)模。
1.1.2國(guó)外樁工機(jī)械的發(fā)展歷程
世界上樁工機(jī)械比較發(fā)達(dá)的國(guó)家主要是德國(guó)、意大利、和日本，最先進(jìn)的設(shè)備和工法一般也是這三個(gè)國(guó)家首先開發(fā)的。其次美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、荷蘭等國(guó)的樁工機(jī)械也比較發(fā)達(dá)。在整個(gè)樁工機(jī)械市場(chǎng)上，寶峨、土力、卡薩格蘭地的銷售也是居世界前三。
1.1.3國(guó)內(nèi)外振動(dòng)打樁機(jī)的發(fā)展歷程
振動(dòng)打樁機(jī)是隨著振動(dòng)機(jī)械的發(fā)展而發(fā)展起來的，兩位日本科技工作者曾進(jìn)行了振動(dòng)機(jī)械的模型試驗(yàn)，他們?cè)谝惠d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(dòng)作用下土壤的“液化”現(xiàn)象，即通過振動(dòng)可在相當(dāng)程度上減小土顆粒間的摩擦。1934 年俄國(guó)的巴爾喀教授首先將這一原理應(yīng)用到建筑工程中，他將一個(gè)激振器安裝在管樁或板樁上使其振動(dòng)，結(jié)果只用靜拔樁力的1/l0~1/5就能將樁拔出，依據(jù)這一原理研制出了振動(dòng)沉拔樁機(jī)。但是在蘇聯(lián)的建設(shè)工程中普遍使用振動(dòng)沉拔樁機(jī)還是在二次世界大戰(zhàn)以后川。如將蘇聯(lián)的振動(dòng)沉拔樁機(jī)按照打入樁種類加以區(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(dòng)沉拔樁機(jī)是1950年由列寧格勒鐵路技術(shù)研究所泰塔爾尼可夫博士發(fā)展改進(jìn)的機(jī)型，它分為1 型~250 型數(shù)種，它對(duì)通常的土層，在深度20m 以內(nèi)，僅以振動(dòng)即可沉入;對(duì)深度20m 以上至25m 以內(nèi)，需定時(shí)清除管內(nèi)積土才能沉入，對(duì)25m 以上則要并用送氣法或射水法進(jìn)行沉入。vP型振動(dòng)沉樁機(jī)1957年曾用于我國(guó)武漢長(zhǎng)江大橋的管樁沉入工程，由于在這一工程中僅以12個(gè)月的工期，就完成了深達(dá)30-76m的管樁沉入工作，因而受到了國(guó)際上的關(guān)注。同時(shí)在武漢長(zhǎng)江大橋建設(shè)時(shí)期，我國(guó)試制了蘇制BII1 型振動(dòng)樁錘，成為當(dāng)時(shí)激振力最大的振動(dòng)樁錘。20 世紀(jì)60 年代，為南京長(zhǎng)江大橋中3.6 預(yù)制力混凝土管樁下沉，又研制了大型振動(dòng)樁錘中一250型。激振力可達(dá)250kN。此后多年，國(guó)內(nèi)振動(dòng)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(dòng)樁錘的研制有了新的進(jìn)展，最引人注目的是北京建筑機(jī)械綜合研究所與浙江振中機(jī)械廠聯(lián)合研制的DZJ 系列振動(dòng)樁錘，這類振動(dòng)樁錘的最大激振力已達(dá)1800kN，電機(jī)功率為240kW。他們由于采用了偏心力矩液壓調(diào)整裝置，使起動(dòng)力矩為零，采用星一三角起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小，深受用戶的歡迎。
由于振動(dòng)沉樁機(jī)具有優(yōu)良的技術(shù)性能，尤其拔樁更顯其獨(dú)特的優(yōu)越性，戰(zhàn)后蘇聯(lián)發(fā)展起來的振動(dòng)沉拔樁施工技術(shù)給世界各國(guó)產(chǎn)生了重要影響，推動(dòng)了法國(guó)、德國(guó)、波蘭、美國(guó)以及日本等國(guó)開始生產(chǎn)各種類型的振動(dòng)沉拔樁機(jī)，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(dòng)沉拔樁機(jī);法國(guó)的曾爾.諾爾曼迪公司制造了可以使樁同時(shí)產(chǎn)生垂直振動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)沉拔樁機(jī)，并制造了沖擊式打樁機(jī)，可以沉入直徑500~600m，長(zhǎng)度20m的鋼管樁。
美國(guó)吉爾多困恩斯特拉克蕭恩公司制作的振動(dòng)打樁機(jī)，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(jī)，這種振動(dòng)打樁機(jī)可0.78~3.26分鐘的時(shí)間內(nèi)，將前端封閉、直徑325mm、長(zhǎng)21.6m的鋼管樁，或以2.7 分鐘的時(shí)間將前端封閉、直徑為914mm、長(zhǎng)17.4m的鋼管樁沉入地下，因而引起世界各國(guó)的關(guān)注。這種振動(dòng)打樁機(jī)采用了接近于鋼管固有頻率，以每分鐘6000 轉(zhuǎn)的高頻率振動(dòng)而引發(fā)樁共振的原理，它以500HP 的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，因此消耗功率相當(dāng)大。
日本振動(dòng)沉拔樁機(jī)的發(fā)展，是1906年以東洋棉花公司進(jìn)口的蘇聯(lián)VP-1型振動(dòng)打樁機(jī)為起點(diǎn)，第一次進(jìn)口30 臺(tái)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(chǎn)業(yè)、浦和重工、三菱重工、久保田鐵工、豐田機(jī)械等多達(dá)十多家制造公司也相繼投入生產(chǎn)，由此揭開了日本發(fā)展振動(dòng)打樁機(jī)的序幕。其中日平產(chǎn)業(yè)是以制造功率在巧15~30HP左右小型機(jī)械為主的制造廠，所生產(chǎn)的打樁機(jī)僅適用于沉入7~8mm左右較短的板樁，這種打樁機(jī)采用400一800rPm 的激振頻率.由于其振動(dòng)耗能低，因而得到了較廣泛的應(yīng)用.然而，因這種機(jī)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(zhǎng)鋼樁也難以勝任。為了適應(yīng)這種需要，日平產(chǎn)業(yè)又設(shè)法由對(duì)樁施加強(qiáng)制振動(dòng)到施加振動(dòng)沖擊，終于使得原來只靠強(qiáng)制振動(dòng)不能拔出的鋼樁得以成功拔出.豐田機(jī)械也以日平產(chǎn)業(yè)相同的設(shè)計(jì)原理，制成了振動(dòng)沖擊式打樁機(jī)。兩者不同之處只是日平產(chǎn)業(yè)是利用空氣墊蓄積向下運(yùn)動(dòng)能而增大向上運(yùn)動(dòng)能，以
加大沖擊時(shí)的沖量，而豐田機(jī)械則是利用橡膠墊。對(duì)于振動(dòng)沖擊打樁機(jī)的看法，日本建調(diào)神戶株式會(huì)社的研究人員認(rèn)為，如果能夠給樁體以與其固有頻率相等的沖擊頻率，就會(huì)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(shí)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(dòng)頻率，就可以通過振動(dòng)打樁機(jī)的振動(dòng)控制裝置將其變換成沖擊。而振動(dòng)打樁的效果問題，歸根結(jié)底是如何將樁體的強(qiáng)制振動(dòng)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(dòng)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(shí)，采用沖擊法是必要的。但這樣的土質(zhì)情況不會(huì)經(jīng)常遇到，通常僅以振動(dòng)即可使土壤改變物理特性的情形占多數(shù)，問題的關(guān)鍵使如何選定足以使土壤產(chǎn)生變化的振動(dòng)參數(shù)。他們認(rèn)為振動(dòng)沖擊式打樁機(jī)在工作范圍上局限性很大，但具有較好的拔樁效果。日本振動(dòng)打樁機(jī)的發(fā)展在1906~1946年主要以仿制為主，之后對(duì)提高振動(dòng)打樁機(jī)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(chǎn)的V一5振動(dòng)打樁機(jī)，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(zhǎng)33m的大口徑鋼管樁作橋墩基礎(chǔ)。利用這種振動(dòng)打樁機(jī)將所用樁在松軟淤泥質(zhì)粘土層和淤泥質(zhì)砂土層內(nèi)，沉入到23m的深度。而建調(diào)神戶株式會(huì)社生產(chǎn)的KM2一12000型振動(dòng)打樁機(jī)，曾以5~7分鐘的時(shí)間，將直徑480 啞，長(zhǎng)29m 的前端封閉鋼管樁貫入至N 值(標(biāo)準(zhǔn)貫入值)50 以上的地層2m深。
對(duì)振動(dòng)沉拔樁機(jī)的研究，早期關(guān)注的重點(diǎn)是振動(dòng)沉拔樁機(jī)自身的參數(shù)對(duì)沉拔樁效果的影響，建立了一系列樁一土振動(dòng)系統(tǒng)模型，并根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)模型來確定振動(dòng)沉拔樁機(jī)振動(dòng)參數(shù)。像日本建調(diào)神戶株式會(huì)社1966 年以后生產(chǎn)的振動(dòng)沉拔樁機(jī)，是把樁體視為均質(zhì)彈性體的同時(shí)，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(shí)，在拔樁時(shí)，又把樁的周邊視為被彈性系數(shù)較小的土所包裹，并假設(shè)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(shè)想，由樁和土組成的振動(dòng)系統(tǒng)，有著某固有的振動(dòng)頻率，如給它以適當(dāng)頻率的強(qiáng)制振動(dòng)，即可引發(fā)樁的共振，這時(shí)就會(huì)因土的彈性系數(shù)較小，使它的彈性在極短的時(shí)間內(nèi)遭到破壞，從而帶來土的塑性變形。這一振動(dòng)體系的缺陷是，按照這種模型制作的振動(dòng)沉拔樁機(jī)，在遇含水量低的土層或粘性較大的土層時(shí)，所需的拔樁時(shí)間較長(zhǎng)。而美國(guó)“波大依那”打樁機(jī)的原理依據(jù)是，把土視為純塑性變形，把樁視為均質(zhì)彈性體，通過給樁體施加以和樁固有頻率一致的強(qiáng)制振動(dòng)，引發(fā)樁體產(chǎn)生共振，使樁產(chǎn)生最大限度的伸縮，然后對(duì)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(dòng)沉拔樁機(jī)偏心軸轉(zhuǎn)速也很高，功率消耗也很大。
振動(dòng)沉拔樁機(jī)由樁架和振動(dòng)樁錘兩大部分組成，而振動(dòng)樁錘對(duì)振動(dòng)沉拔樁機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用。早期的振動(dòng)樁錘為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，振動(dòng)頻率及偏心塊偏心力矩不能調(diào)整。由于在不同的土層施工需要振動(dòng)樁錘有不同的振動(dòng)頻率和振幅，隨后又出現(xiàn)了偏心塊偏心力矩和偏心軸轉(zhuǎn)速可有級(jí)調(diào)整的振動(dòng)樁錘，即通過手動(dòng)改變固定偏心塊與活動(dòng)偏心塊間的夾角來調(diào)節(jié)偏心力矩:通過更換皮帶輪或傳動(dòng)齒輪來改變偏心軸轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)樁錘存在著調(diào)速不便，體積大等缺點(diǎn).隨著液壓技術(shù)的迅速發(fā)展和不斷完善，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)樁錘應(yīng)運(yùn)而生，因液壓馬達(dá)與電動(dòng)機(jī)相比具有調(diào)速方便，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，使得液壓振動(dòng)錘擁有強(qiáng)大的作業(yè)能力、優(yōu)越的控制性和電動(dòng)錘無法比擬的優(yōu)越性。在發(fā)達(dá)國(guó)家，電動(dòng)錘大部分已被液壓振動(dòng)錘所取代。但是在國(guó)內(nèi)，液壓振動(dòng)錘才剛剛起步。
1.2 振動(dòng)打樁機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理
振動(dòng)打樁機(jī)的振動(dòng)錘主要由原動(dòng)機(jī)、 振動(dòng)器和減振裝置組成。
1.原動(dòng)機(jī) 原動(dòng)機(jī)是振動(dòng)打樁機(jī)的動(dòng)力元件，一般采用異步電機(jī)或液壓電機(jī)，要求在強(qiáng)烈的振動(dòng)狀態(tài)下能可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且要有較高的啟動(dòng)力矩和過載能力。此外，振動(dòng)樁錘也有采用液壓馬達(dá)的，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)頻。本文主要采用電動(dòng)機(jī)，以便適用于廣范圍的樁基工程。
2.振動(dòng)器 振器包括軸、偏心塊、齒輪等，為了適應(yīng)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(dòng)塊之間的相位差來達(dá)到調(diào)矩的目的。（如圖2.1所示）
3.減振器 為了避免將振動(dòng)樁錘產(chǎn)生的振動(dòng)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(dòng)器所產(chǎn)生的較大振幅傳速到吸振器時(shí)將大為減弱。因此，在沉、拔樁時(shí)可獲得良好的減振效果。
4. 夾樁器 振動(dòng)樁錘工作時(shí)必須與樁剛性連接，這樣才能把振動(dòng)樁錘所產(chǎn)生不斷變化大小和方向的激振力傳給樁體。因此，振動(dòng)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(dòng)樁錘成為一體，一起振動(dòng)。夾樁器有液壓式、氣動(dòng)式和直接式。目前最常用的是液壓式。
振動(dòng)打樁機(jī)采用的是偏心塊式激振器，利用偏心塊回轉(zhuǎn)產(chǎn)生所需的激勵(lì)力，由震動(dòng)樁錘利用夾頭將震動(dòng)傳給樁體，用樁的振動(dòng)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(shí)由于樁的地盤反力急劇降低，靠震動(dòng)樁錘與樁的重量使樁下沉，拔樁時(shí)靠起重機(jī)等的引拔力將樁拔起。其激振結(jié)構(gòu)是在軸上裝有幾組固定的或可調(diào)的具有相同質(zhì)量的偏心塊左右對(duì)稱分布，由于反向回轉(zhuǎn)時(shí)偏心塊水平分力互相抵消，垂直分力互相疊加，使得回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)本體發(fā)生上下振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)樁錘和樁連接在一起進(jìn)行沉樁時(shí)，激振力使振動(dòng)樁錘產(chǎn)生和激振頻率一致的振動(dòng)，振動(dòng)使樁周圍的土壤處于液化狀態(tài)，大大降低了樁側(cè)和樁端的阻力，樁便依靠重力下沉。如下圖1.1就是振動(dòng)器工作原理示意圖
圖 1.1 振動(dòng)器工作原理示意圖
1.3 振動(dòng)沉拔樁錘調(diào)頻調(diào)矩技術(shù)研究現(xiàn)狀
1.3.1 單極或兩級(jí)調(diào)矩存在的問題
由于振動(dòng)樁錘具有貫入力強(qiáng)、使用方便、施工速度快、成本低等特點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛，但是目前使用的電力驅(qū)動(dòng)振動(dòng)樁錘（單極調(diào)矩或兩級(jí)調(diào)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(yīng)對(duì)振動(dòng)樁錘作相應(yīng)的頻率和力矩調(diào)整，以接近土壤頻率，使沉樁阻力最小，功率利用系數(shù)最高。但普通型振動(dòng)樁錘在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不能變頻變幅，給施工帶來許多不便;
（2）起動(dòng)和關(guān)閉振動(dòng)樁錘的過渡過程，通過共振區(qū)出現(xiàn)啟動(dòng)電流大、耗時(shí)長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性差、噪聲高、容易燒壞電機(jī)和損壞軸承等;
（3）過渡過程工作頻率較低，引起樁架共振，對(duì)設(shè)備和臨近施工現(xiàn)場(chǎng)的建筑物結(jié)構(gòu)有一定損害。尤其是施工噪聲較大，嚴(yán)重影響施工現(xiàn)場(chǎng)周圍居民的生活。
1.3.2 無極調(diào)頻調(diào)矩的意義
無極調(diào)頻調(diào)矩振動(dòng)樁錘有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
（1）根據(jù)不同的土壤固有平率和阻力大小，應(yīng)對(duì)振動(dòng)樁錘作出相應(yīng)的頻率和力矩調(diào)整；在城市施工時(shí)，只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整振動(dòng)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(dòng)速度，消除對(duì)鄰近施工現(xiàn)場(chǎng)建筑物結(jié)構(gòu)的損害。
（2）通過硬固地層時(shí)，沒有強(qiáng)烈振動(dòng)。普通振動(dòng)錘通過加壓方式進(jìn)行沉樁，遇到硬土地時(shí)，沉樁阻力突然增大，偏心塊的轉(zhuǎn)速和樁錘振動(dòng)頻率降低，造成較強(qiáng)的振動(dòng)。而可調(diào)頻頻率力矩樁錘在穿過硬土地時(shí)，可調(diào)整偏心力矩以保持頻率的穩(wěn)定。因此，無極調(diào)頻調(diào)矩打樁機(jī)的出現(xiàn)解決了打樁機(jī)不能廣泛的適應(yīng)土壤特性的難題，在建筑和樁基工程中得到了廣泛的運(yùn)用。
1.3.3調(diào)頻調(diào)矩機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)目前大部分都是電動(dòng)錘，由于電工系統(tǒng)本身的局限性，難以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，隨著交流電機(jī)調(diào)頻技術(shù)的高速發(fā)展，有少數(shù)電動(dòng)振動(dòng)錘也采用了電機(jī)調(diào)頻的技術(shù)，在國(guó)外，樁工機(jī)械較發(fā)達(dá)的國(guó)家，目前大部分都采用液壓振動(dòng)錘，液壓技術(shù)本身的優(yōu)勢(shì)就是便于控制，它們大部分都實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)頻。
針對(duì)振動(dòng)打樁機(jī)的工作特性，國(guó)內(nèi)外都在其無樁機(jī)共振施工的實(shí)現(xiàn)問題上進(jìn)行了不斷的研究。目前，所采取的普遍方法是調(diào)節(jié)激振器的偏心力矩，而激振器偏心力矩的調(diào)節(jié)是通過改變偏心塊的相互位置來實(shí)現(xiàn)的。圖1.2所示即為國(guó)內(nèi)一些產(chǎn)品所采用的變矩原理圖?；顒?dòng)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(gè)不同位置上的銷孔，使兩個(gè)偏心塊產(chǎn)生不同的相對(duì)位置偏差，從而使振動(dòng)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(dāng)可調(diào)偏心塊和固定偏心塊的夾角為Φ時(shí)，合成的偏心力矩可按以下公式計(jì)算：
………………………………(1.1)
因此偏心塊的結(jié)構(gòu)和相位差就決定了振動(dòng)樁錘的工作頻率和工作力矩的范圍，按照振動(dòng)打樁機(jī)工作頻率和工作力矩的范圍劃分，振動(dòng)打樁機(jī)可以分為有極調(diào)頻調(diào)矩和無極調(diào)頻調(diào)矩。
有級(jí)調(diào)矩:手動(dòng)拆箱多級(jí)調(diào)矩式：此方案采用手動(dòng)調(diào)節(jié)偏心塊結(jié)構(gòu)，以達(dá)到調(diào)節(jié)偏心塊偏心矩的目的。
這種調(diào)矩方案由于需要停機(jī)拆箱手工調(diào)整，很不方便且拆箱調(diào)矩勞動(dòng)強(qiáng)度極大。
無極調(diào)矩節(jié)機(jī)構(gòu)主要有以下幾種形式可供選擇：
（1）碰塊兩級(jí)式 靠馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，使活動(dòng)偏心塊與固定偏心塊因接觸碰塊側(cè)面不同，從而改變它們的夾角，以達(dá)到改變偏心力矩的目的;該方法與國(guó)內(nèi)手動(dòng)調(diào)整原理相似，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但變矩級(jí)別有限;
(2) 滑移齒輪式 利用大螺旋角人字齒輪的軸向移動(dòng)，使與其嚙合的兩組同步齒輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到無級(jí)調(diào)整偏心力矩的目的;該機(jī)構(gòu)雖然能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)頻，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且對(duì)齒輪同步精度要求很高，可靠性較差;
(3) 四軸調(diào)整軸式 調(diào)整軸上制造了兩段旋向相反的大導(dǎo)程螺旋花鍵，兩端鍵上各裝一齒輪，其中一個(gè)齒輪與下面的同步齒輪相嚙合，另一個(gè)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(dòng)調(diào)整軸，下組偏心塊相對(duì)上組偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)，亦可以達(dá)到無級(jí)調(diào)頻的目的。但是該級(jí)機(jī)構(gòu)龐大，對(duì)精度要求非常高，控制性差，成本很高。
綜上所述，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)存振動(dòng)樁錘各種調(diào)矩的方案中，或者調(diào)節(jié)能力差，或者機(jī)構(gòu)復(fù)雜，個(gè)別盡管提出了調(diào)矩控制方案，但控制方案并不理想，實(shí)用價(jià)值并不高.這就需要我們提出一種新的調(diào)頻調(diào)矩方案。
1.4 本課題的提出與主要的研究?jī)?nèi)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(dòng)打樁機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)較小，移動(dòng)方便，適應(yīng)能力強(qiáng)。下面我就在給定的激振力為200KN的打樁機(jī)，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
綜合以上三種偏心距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
1.振動(dòng)打樁機(jī)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(shè)計(jì)；
3.振動(dòng)打樁機(jī)的零部件設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度較核。
第二章 調(diào)頻調(diào)矩振動(dòng)樁錘結(jié)構(gòu)分析
2.1 無極調(diào)頻調(diào)矩振動(dòng)樁錘的原理分析
獨(dú)立調(diào)頻調(diào)矩新方案如下圖2.1所示：
圖 2.1 振動(dòng)打樁機(jī)振動(dòng)器示意圖
設(shè)計(jì)的振動(dòng)樁錘激振器采用單層結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示是激振器的示意圖。4個(gè)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，保證上下各層內(nèi)成對(duì)的偏心塊能同步運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于頻率的調(diào)節(jié)，通過調(diào)速閥調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的流量，來做到無級(jí)調(diào)節(jié)各液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的調(diào)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(jiǎn)單巧妙的實(shí)現(xiàn)振幅獨(dú)立調(diào)節(jié)。
2.2 振動(dòng)樁錘穩(wěn)態(tài)特性調(diào)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(zhuǎn)產(chǎn)生的
離心力，、分別為下層兩偏心塊產(chǎn)生的離心力，、分別為各偏心塊的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角，ω、ω分別為上層和下層偏心塊的轉(zhuǎn)速。
圖 2.2 偏心塊合成激振力示意圖
經(jīng)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(zhì)量；
r ----偏心距。
穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，上、下兩層偏心塊的轉(zhuǎn)速相等，即ω=ω，
同時(shí)穩(wěn)態(tài)角相差 =，
那么： ………………………………（2.2）
式中：ω……同步轉(zhuǎn)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ω就可以改變激振力振幅和頻率，
穩(wěn)態(tài)角和角速度ω均可由電動(dòng)機(jī)控制。
2.3振動(dòng)錘主要參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
振動(dòng)打樁機(jī)目前已經(jīng)成為建筑及基礎(chǔ)工程施工的重要設(shè)備，其發(fā)展水平直接影
響工程施工的質(zhì)量和效率，由此振源振動(dòng)器主要參數(shù)的選擇至關(guān)重要。主要參數(shù)包括：振動(dòng)器振幅、激振頻率、偏心力矩、激振力和振動(dòng)功率等。具體參數(shù)選擇如下。
2.3.1激振器振幅
振動(dòng)沉樁機(jī)沉樁，一定要有足夠的振幅，使振動(dòng)力大于周圍土體的瞬間全部彈性壓力，并使樁端產(chǎn)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(dòng)錘的偏心力矩與振動(dòng)體的質(zhì)量決定。
……………………………………（2.3）
式（2.3）中，M:偏心力矩；QB為機(jī)重；QP為樁重。
在公路與鐵路施工規(guī)范中規(guī)定：mm(對(duì)輕土地基),mm(對(duì)其它地基)日本規(guī)范中推薦(mm)采用土壤的貫入標(biāo)準(zhǔn)值N(見表2.1)來估算，我國(guó)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(shí)際振幅應(yīng)取,a=1.25～1.5。
當(dāng)然，隨著振幅的增大，沉樁速度不斷加快(如圖2.3所示)，直至趨于某一極限值A(chǔ)。因此，振幅A的選擇范圍應(yīng)為：。
表2.1 土壤的貫入標(biāo)準(zhǔn)值
土壤類型
N/mm
比較疏松沙土
0～4
疏松沙土
4～10
密實(shí)沙土
10～30
中等密實(shí)沙土
30～50
比較密實(shí)沙土
≥50
軟粘土
2～4
中等硬度粘土
4～8
硬度粘土
8～15
較硬粘土
15～30
非常硬粘土
≥30
圖2.3 沉樁速度與激振器振幅之間的關(guān)系
2.3.2激振頻率
振動(dòng)沉樁機(jī)激振頻率等同于偏心塊的角頻率，當(dāng)振動(dòng)沉樁機(jī)激振頻率接近于振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，沉樁過程功率消耗最低，作業(yè)效率達(dá)到最佳。而振動(dòng)系統(tǒng)拘固有頻率不僅與振動(dòng)沉樁機(jī)本身結(jié)構(gòu)及其技術(shù)參數(shù)有關(guān)，而且與土壤的參數(shù)有關(guān)。
當(dāng)樁在土壤中振動(dòng)時(shí)，在一定的激振力作用下土壤與樁之間的側(cè)摩擦阻力遭到破壞，并且隨著頻率的增加，土壤對(duì)樁側(cè)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(gè)臨界值，稱為起始頻率當(dāng)頻率逐漸增大超過時(shí)，樁在土中慢慢下沉。隨著激振頻率的增加，土壤對(duì)樁側(cè)摩擦阻力 進(jìn)一步減小，樁與土之間的滑移進(jìn)一步增大，沉入速度增加。當(dāng)頻率達(dá)到時(shí)， 樁與土壤之間的振幅差值達(dá)到最大值，稱為破壞頻率。此后，隨著頻率的進(jìn)一步提高，樁的振幅不再加大，而是趨于一個(gè)穩(wěn)定值，頻率過高會(huì)引起功率消耗過多。因此，沉樁過程中激振頻率應(yīng)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(dòng)樁錘的激振力與頻率有關(guān)，頻率越高，激振力越大。激振力與頻率的平方成正比。對(duì)于低頻錘(15～20Hz)，主要通過強(qiáng)迫振動(dòng)與土體共振達(dá)到使樁下沉的目的。此種頻率下的振幅一般為7～20mm，主要用于鋼管樁與鋼筋混凝土管樁的下沉。中頻(20～60Hz)，振動(dòng)時(shí)的激振加速度很大，但振幅較小，通常僅為3～8mm，對(duì)粘土層，樁下沉很困難，但適應(yīng)在松散的沖積層與松散砂土中沉樁。高頻(100～150Hz)，利用樁的彈性波對(duì)土壤進(jìn)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(dá)到拔樁的最佳效果。近來國(guó)內(nèi)正在開發(fā)研究的液壓振錘就可做到無級(jí)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(jiān)實(shí)粘土
含礫石粘土
含沙的礫石土
100～200
90～100
70～75
60～70
50～60
2.3.3激振力
激振力F是反映振動(dòng)沉樁機(jī)綜合能力的一個(gè)參數(shù)，樁沉入土中時(shí)，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(dāng)施加振動(dòng)力以后，樁與土之間的摩擦力會(huì)急劇下降。最小激振力應(yīng)大于土壤在振動(dòng)
狀態(tài)下的動(dòng)摩阻力，二者之間的關(guān)系為：
………………………………（2.5）
式（2.5）中，F(xiàn)1：土壤的動(dòng)摩擦阻力。
土壤的動(dòng)摩擦阻力F1可用下式（2.6）進(jìn)行計(jì)算：
………………………………（2.6）
式（2.6）中，
U0：樁的外周長(zhǎng)；
：i 段土壤的動(dòng)摩擦阻力；
：對(duì)應(yīng)i段土壤的樁長(zhǎng)；
：土體的振動(dòng)影響系數(shù)，對(duì)低頻振動(dòng)的鋼筋樁及管柱，取μ=0.6～0.8，其余取μ=1。
2.3.4偏心力矩的確定
偏心力矩愈大，克服硬質(zhì)土層的能力愈強(qiáng)。若已知振幅和參振質(zhì)量，根據(jù)振幅計(jì)算公式(2.7)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）
2.3.5振動(dòng)功率
振動(dòng)樁錘理論功率的確定。振動(dòng)沉樁是利用樁的振動(dòng)使其周邊土壤液化，減小樁與土壤的摩擦阻力，達(dá)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(shí)振動(dòng)，也吸收了一部分能量。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(gè)計(jì)算模型完整地描述振動(dòng)沉樁的運(yùn)動(dòng)過程。為簡(jiǎn)化起見，通常采用圖2.4的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。
圖2.4 振動(dòng)樁錘計(jì)算模型
圖2.5中為振動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的激振力，為偏心塊的轉(zhuǎn)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2.5所示，設(shè)x為運(yùn)動(dòng)體系的坐標(biāo)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(gè)穩(wěn)定解和一個(gè)齊次方程解之和。由于齊次方程解是一個(gè)衰減過程，實(shí)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）
式（2.11～2.12）中，β0為動(dòng)態(tài)放大系數(shù)；A0為靜態(tài)振幅；α為位移與振動(dòng)力的相角。
…………………………………（2.13）
激振力在振動(dòng)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(dòng)樁錘的偏心距要求出達(dá)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(dòng)錘功率的一般表達(dá)式。共振時(shí)
……………………（2.17）
…………………（2.18）
共振時(shí)的功率為
………………………………（2.19）
……………………（2.20）
當(dāng)λ=0.5時(shí)，最小共振功率為：
………………………………（2.21）
顯然，非共振時(shí)的功率式(2.14)要小于式(2.17)與式(2.19)。由于土壤彈性常數(shù)與阻尼系數(shù)很難測(cè)定，所以采用式(2.17)與式(2.18)來計(jì)算功率較困難。有的采用下式來計(jì)算功率N(kw)
………………………（2.22）
式中，M的單位為N·m，Q的單位為N，g=980。為考慮土壤振動(dòng)質(zhì)量影響所增加的系數(shù)，對(duì)砂土=1.1，對(duì)粘土=1.1～1.2。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(jī)械效率，則可再乘以系數(shù)，=1.1～1.15，=1.1，式(2.22)最終可寫成:
………………………（2.23）
第三章振動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 偏心塊的設(shè)計(jì)
3.1.1 偏心塊材料的選擇
偏心塊材料采用Q235，其密度ρ = 7.8 × 10 Kg/m 。整個(gè)激振器由8個(gè)偏心塊組成，4根軸上各分布2個(gè)?？紤]到安裝及維修方便，其結(jié)構(gòu)采用上下分離式。
3.1.2 偏心塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
半圓偏心塊面積和偏心距的設(shè)計(jì)計(jì)算。由一般半圓偏心塊的外形如圖3.1所示，其面積和偏心距的計(jì)算公式如下：
圖 3.1 偏心塊的結(jié)構(gòu)示意圖
面積： ……………………（3.1）
偏心距：
…………………………………（3.2）
…………………………………（3.3）
…………………………………（3.4）
……………………………（3.5）
……………………………（3.6）
式（3.1）中：
—偏心塊大圓弧弦長(zhǎng)；
—偏心塊小圓弧弦長(zhǎng)；
—大圓弧半中心角；
—小圓弧半中心角；
其中：偏心塊產(chǎn)生的激振力
……………………………（3.7）
………………………………（3.8）
3.2 電動(dòng)機(jī)的選擇
由于本設(shè)計(jì)的是激振力較小的振動(dòng)打樁機(jī)，F(xiàn)=200KN。
最大轉(zhuǎn)矩Tmax=25N.M,最大轉(zhuǎn)速為1800r/min。
由公式P=，
得，P=47.1KW。
由常用機(jī)械傳動(dòng)和軸承效率的概略值可知，
圓柱齒輪傳動(dòng)效率η1=0.98，V帶傳動(dòng)效率η2=0.95，滾動(dòng)軸承η3=0.98，
可得電動(dòng)機(jī)的功率P0由公式得，P0=52.7KW。
查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得，電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y160M2-8，同步轉(zhuǎn)速750r/min。
查表得電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速750r/min
查表知電動(dòng)機(jī)的機(jī)座中心高為160mm，外伸軸徑為42mm，外伸軸長(zhǎng)度為110mm。
電動(dòng)機(jī)的主軸和工作軸的傳動(dòng)比：
3.3 激振器齒輪設(shè)計(jì)
3.3.1 齒輪的結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)總體布置設(shè)計(jì)，激振器上、下兩層均采用對(duì)稱布置，有偏心塊的主、從動(dòng)軸由一對(duì)齒輪嚙合傳動(dòng)，由于只起到傳遞扭矩的作用，其傳動(dòng)比i=1,以使主、從動(dòng)軸等速反向旋轉(zhuǎn)。通過激振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩軸中心距取為130mm。
3.3.2 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
齒輪采用材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS ，7級(jí)精度。結(jié)構(gòu)型式采用標(biāo)準(zhǔn)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α = 20°。
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：= 1.25×=3.125mm；
齒全高：= 5.625mm；
齒頂圓直徑：=135mm；
齒根圓直徑：=123.75mm；
齒厚：S== 3.927mm；
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(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩：T = 15.3N·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(qiáng)度校核
（1）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
計(jì)算公式：
……………………………（3.9）
式(3.9)中：
為齒形系數(shù)；
為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)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(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得：
=1.25，=1.15，=1，=1.189。
。
所以，
==1.71
=MPa
=52.80MPa
由于，
= 52.80MPa ≤= 350MPa
故齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
（2） 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
計(jì)算公式：
………………………（3.12）
式（3.12）中：
為區(qū)域系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)，=，=2.5）；
為彈性影響系數(shù)，；
u為齒數(shù)比。
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可得：
。
又由，上述中可知，
=2.5，
K=1.71，
Ft=223.1N,
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(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
綜上所述，齒輪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。
由于兩個(gè)齒輪的傳動(dòng)比為1，性質(zhì)相同。故，在此不再檢驗(yàn)另一齒輪。
3.3.5 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于齒輪直徑d = 120mm ≤ 200mm 故采用整體式齒輪設(shè)計(jì)
齒輪結(jié)構(gòu)如下圖3.2所示：
圖3.2 齒輪結(jié)構(gòu)圖
3.4 主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
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(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。
據(jù)計(jì)算公式：
………………………………（3.13）
式（3.13）中：
P為軸傳遞的功率，kW；
n為軸的轉(zhuǎn)速,r/min；
……………………………（3.14）
式（3.14）中：
為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。
由于改軸只做單向旋轉(zhuǎn)，無軸向載荷，所以取較大值，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 = 11.7mm
表3.1 軸常見幾種材料的及值
軸的材料
/MPa
Q235-A、20
15~25
149~126
Q275、(1Cr18Ni9Ti)
20~35
135~112
45
25~45
126~03
40Cr、35SiMn、3Cr3
35~55
112~97
3.4.2 主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的各段軸頸尺寸如下表3.2所示：
表3.2 主動(dòng)軸的各段尺寸
位置
直徑/mm
長(zhǎng)度/mm
說明
I-II
35
28
軸承配合處，軸承長(zhǎng)18套筒長(zhǎng)10mm
II-III
40
11
軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長(zhǎng)11mm
III-IV
45
5
偏心塊左端定位軸段，軸肩高2.5mm長(zhǎng)5mm
IV-V
40
45
偏心塊安裝處，偏心塊尺寸40x45(mm)
V-VI
45
105
此處為避讓從動(dòng)軸偏心塊，L=45+45+15(mm)
VI-VII
40
45
偏心塊安裝處，偏心塊尺寸40x45（mm）
VII-VIII
45
5
偏心塊左端定位軸段，軸肩高2.5mm長(zhǎng)5mm
VIII-IX
40
11
軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長(zhǎng)11mm
IX-X
35
18
軸承配合處
X-XI
34
74
齒輪安裝處，尺寸34x50（mm），套筒長(zhǎng)24mm
主動(dòng)軸的尺寸簡(jiǎn)圖如下圖3.3所示：
圖3.3 主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.4.3 主動(dòng)軸的強(qiáng)度校核
（1）主動(dòng)軸受力分析
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖，畫出軸的載荷分析。在確定軸的支撐點(diǎn)時(shí)，從手冊(cè)中查得值，作出軸的彎矩圖和扭矩圖，圖如下3.4所示：
圖 3.4彎矩和扭矩圖
（2）主動(dòng)軸上載荷分布
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xiǎn)截面，計(jì)算出軸的彎矩。
反作用力在水平面內(nèi)，
=52N，=275N。
在豎直面內(nèi)，
=4484N，=4792N。
彎矩在水平面內(nèi)，
=13052N·mm
在豎直面內(nèi)，
=237652N·mm，=220552N·mm，=13052N·mm。
軸的扭矩及總彎矩為：
N·mm，=237666N·mm。
（3）主動(dòng)軸的強(qiáng)度校核
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，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(qiáng)度。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈沖循環(huán)變應(yīng)力，取軸的計(jì)算應(yīng)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(diào)質(zhì)處理，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，
= 70MPa
因此σ ≤ ，故滿足強(qiáng)度要求，因此軸的設(shè)計(jì)合理。
3.5 從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.5.1 確定從動(dòng)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(diào)質(zhì)處理。
據(jù)式（3.13），式中:
= 100
P = = 2.35Kw
n = 1500r/min
所以，從動(dòng)軸的最小直徑= 11.7mm
3.5.2 從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
從動(dòng)軸的各段軸頸如下表3.2所示：
表3.2 從動(dòng)軸的各段尺寸
位置
直徑/mm
長(zhǎng)度/mm
說明
I-II
35
21
軸承配合處，留3mm與端蓋配合位置
II-III
40
64
軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長(zhǎng)64mm
III-IV
45
5
偏心塊左端定位軸段，軸肩高2.5mm長(zhǎng)5mm
IV-V
40
90
兩塊偏心塊安裝處，偏心塊尺寸40x45(mm)
V-VI
45
5
偏心塊右端定位軸段，軸肩高2.5mm長(zhǎng)5mm
VI-VII
40
64
軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長(zhǎng)64mm
VII-VIII
35
18
軸承配合處
VIII-IX
40
74
此處為齒輪安裝處
從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖3.5所示，
圖3.5 從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.5.3 從動(dòng)軸的強(qiáng)度校核
（1）從動(dòng)軸受力分析
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖，畫出軸的載荷分析。在確定軸的支撐點(diǎn)時(shí)，從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得值，作出從動(dòng)軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖3.6所示：
圖3.6 從動(dòng)軸軸的彎矩圖和扭矩圖
（2）從動(dòng)軸上載荷分布
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)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(xiǎn)截面，現(xiàn)
計(jì)算出軸的彎矩。
反作用力在水平面內(nèi)，
FH1=52.4N，F(xiàn)H2=170.7N；
在豎直面內(nèi)，
FV1=4562N，F(xiàn)V2=4718.9N。
彎矩在水平面內(nèi)，
MH1=12939.8N·mm；
在豎直面內(nèi)，
MV1=465769N·mm，MV2=383174N·mm。
所以，從動(dòng)軸的扭矩及總彎矩為：
T=15000N·mm，M1=465769N·mm。
（3）從動(dòng)軸的強(qiáng)度校核
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，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(qiáng)度。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈沖循環(huán)變應(yīng)力，取軸的計(jì)算應(yīng)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(diào)質(zhì)處理，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得= 70MPa。
因?yàn)?，所以軸的設(shè)計(jì)合理。
3.6 軸承的選擇
振動(dòng)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(dòng)。一般振動(dòng)樁錘齒輪與軸承常采用飛濺潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果一般，如果軸承配合面
因產(chǎn)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(jìn)一步加劇摩擦，溫度將進(jìn)一步升高。為解解決這一問題，常采用大游隙的軸
承。但是因?yàn)閺较蛴蜗都哟?，將降低軸承支承系統(tǒng)的剛度，從而降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的
固有頻率，所以必須認(rèn)真考慮滾動(dòng)軸承的支承剛度對(duì)固有特性的影響。在分析確
定支承剛度對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有特性的影響后，就可以用于對(duì)振動(dòng)打樁機(jī)滾動(dòng)
軸承的選擇和設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)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(dòng)軸承的徑向剛度對(duì)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(duì)零件裝配和幾何精度的反應(yīng)
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(dòng)。如果支承的剛度要求比較高，可采用圓錐滾子軸承。而對(duì)載荷大、
沖擊比較嚴(yán)重的振動(dòng)樁錘，一般常選用調(diào)心滾子軸承。這里，我們?cè)O(shè)計(jì)的是小激振力的振動(dòng)打樁機(jī)，所以在這里選擇調(diào)心球軸承。這里選擇型號(hào)為1207K的調(diào)心球軸承。
滾動(dòng)軸承的剛度是指為了使?jié)L動(dòng)軸承的內(nèi)外套圈之間產(chǎn)生單位的相對(duì)彈性位移，所需要實(shí)施的外部載荷，單個(gè)滾動(dòng)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(dāng)滾動(dòng)軸承有預(yù)緊或游離時(shí)，軸承的徑向彈性位移的值分別為：
………………………（3.17）
式（3.17）中：
為軸承彈性位移系數(shù)；
為軸承沒有徑向游隙時(shí)的彈性位移，um；
g為軸承的預(yù)緊量或游隙量，預(yù)緊取負(fù)號(hào)，游隙取正號(hào)，um。
對(duì)于振動(dòng)打樁機(jī)常選的調(diào)心球軸承，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，得：
………………………………（3.18）
當(dāng)箱體座孔與軸承的外圈或者當(dāng)軸頸與軸承的內(nèi)圈為間隙配合時(shí)，在其徑向載荷F的作用下，兩個(gè)相互配合的表面之間產(chǎn)生的接觸彈性位移為：
……………………………（3.19）
式（3.19）中，
為直徑上的配合間隙或過盈值，um；
為系數(shù)，其值n可由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，
……………………………（3.20）
式（3.20）中，
b為軸承套寬度，cm；
d為配合面的直徑，cm。
計(jì)算取軸承外徑，計(jì)算取軸承內(nèi)徑。
當(dāng)箱體座孔與軸承外圈或者當(dāng)軸頸與軸承內(nèi)圈為過盈配合時(shí)，在其徑向載荷F的作用下，兩個(gè)相互配合的表面之間產(chǎn)生的接觸彈性位移值為：
…………………………（3.21）
上式（3.21）中，
為系數(shù)。當(dāng)軸承內(nèi)圈與軸頸是錐體配合時(shí)，可取0.05，間隙為零時(shí)，可取0.25。
滾動(dòng)軸承的剛度是隨載荷的變化而變化的，即實(shí)際剛度為動(dòng)剛度，根據(jù)振動(dòng)打樁機(jī)工作的實(shí)際情況，軸承的徑向載荷主要是偏心塊的離心力，而偏心塊的離心力主要與轉(zhuǎn)速有關(guān)。根據(jù)以上計(jì)算軸承剛度的方法進(jìn)行計(jì)算，可以得到徑向載荷F與軸承的徑向剛度k的關(guān)系曲線如圖3.7所示：
圖3.7 軸承的載荷—?jiǎng)偠惹€
1207K型號(hào)的調(diào)心球軸承為圓錐孔。其基本信息如下：
基本尺寸：；
基本額定載荷：=15.8kN；
極限轉(zhuǎn)速：n=10000r/min。
3.7 鍵連接的校核計(jì)算
鍵連接具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了廣泛的應(yīng)用，激振器中軸與軸上零件的徑向固定均采用了普通平鍵連接。
平鍵連接可能的失效形式有:
（1）靜連接時(shí)，鍵、軸槽和輪轂槽中較弱零件的工作面可能被壓潰；
（2）動(dòng)連接時(shí)，工作面出現(xiàn)過度磨損；
（3）鍵被剪斷。
實(shí)際上，平鍵連接最容易發(fā)生的失效形式通常是壓潰和磨損，一般不會(huì)發(fā)生鍵被剪斷的現(xiàn)象（除非有嚴(yán)重過載）。因此鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算一般只需要進(jìn)行擠壓或耐磨性計(jì)算。本設(shè)計(jì)中所有的鍵均采用靜聯(lián)結(jié)，所以只需要進(jìn)行擠壓強(qiáng)度的校核計(jì)算。
擠壓強(qiáng)度校核計(jì)算公式為：
………………………………………（3.22）
式（