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湖 南 科 技 大 學
英文文獻翻譯
學 生 姓 名： 牛文建
學 院： 機電工程學院
專業(yè)及班級： 機械設計制造及其自動化（2）班
學 號： 103010201
指導教師： 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.
振動打樁機激振器
雖然在設計和施工中有很多變化，但絕大多數(shù)的振動樁錘結構都像這樣。簡單的說，打樁機系統(tǒng)由兩個核心組件構成：激振器——產生激振力；電源箱——提供能源使得位于振動樁錘上的馬達帶動偏心塊旋轉。
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，它能產生振動。因此這些偏心塊一定是以某種方式被同步驅動。
最常被用來實現(xiàn)這種同步驅動的是齒輪系統(tǒng)。齒輪有多種運用方式，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。在某些振動樁錘中，齒輪配對加工以確保其精度。某些型號的齒輪被運用到振動樁錘中，包括直齒，園齒和圓錐持輪。這些齒輪齒形雖小但工作良好，強度足夠傳遞動力。大型齒輪雖然多年來廣泛的運用在振動樁錘中，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)的振動系統(tǒng)中每一個偏心塊由獨立的馬達驅動，振幅隨著旋轉改變。方案二：由同步齒輪鏈條驅動，偏心塊仍由獨立的馬達驅動。
無論在那種情況下，由偏心塊產生的激振力由潤滑軸承旋轉傳遞到箱體內，這些軸承的滾珠可以是圓柱形、球形的，但是為良好工作，必須有足夠的強度和充分的潤滑，潤滑是由液壓系統(tǒng)或者是設計良好的油滴飛濺潤滑來實現(xiàn)。
偏心塊既不是通過齒輪也不是帶和鏈傳動連接到馬達上的，后兩者中馬達是被靜態(tài)安裝的；齒輪傳動需要馬達直接被安裝在激振器箱體上，齒輪被用作旋轉轉化原件以便充分利用馬達工作轉速。
2）壓鉗：用來連接激振器和樁錘，因此傳遞遞激振器產生的激振力至樁錘?？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生摩擦連接。實際上一些振動樁機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生很大的擠壓力，對于液壓壓板來說，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，通過驅動這些額外增加系統(tǒng)重量而不減少系統(tǒng)的振動以使樁錘打入地面。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。有時候，適當?shù)脑黾討壹艿闹亓坑欣碛赏瓿纱驑哆^程。
沖擊振動樁錘
盡管沖擊振動打樁機和其它類型的打樁機一樣都具有類似的結構，但是還是存在顯著的區(qū)別。和傳統(tǒng)的打樁樁錘相同，它包括旋轉的偏心塊來產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動樁體上升或下降，在樁體上身到頂部和底部時都能產生沖擊力。盡管偏心塊旋轉能產生高達40%的變速范圍（相對于正常樁錘的50%），但是變速范圍不影響設備的整體連續(xù)運行。
激振器/ 連接頭：沖擊樁錘的激振器與嚴格的振動打樁機激振器大體相似，其偏心塊都是有馬達驅動。隨著沖擊樁錘運動，激振器有連續(xù)的振幅，因此激振器不與齒輪同步驅動，每一個偏心塊都由獨立的馬達帶動。設備中齒輪的壽命是至關重要的，因此大部分的齒輪振動模式下才能正常運行。
箱體/彈簧：箱體的設計是機器中至關重要的一項，不僅提供機器的調節(jié)同時也連接樁錘。一般的調整彈簧是卷彈簧。機器的振動是由彈簧的彈性比和彈簧的預緊力調節(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樁錘中能夠被運用，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。
振動樁錘和沖擊樁錘的動力裝置
提到動力裝置，像一些蘇聯(lián)早期的振動打鉆機和日本的柴油或汽油驅動偏心塊豎直旋轉的機械連接裝置。但是，大多數(shù)的振動樁錘通過電子或液壓系統(tǒng)將原始動力傳遞給偏心塊?？紤]到施工地點通常偏遠，振動樁錘的便攜式動力部分已經改良。它們是經常被提及的馬達（液壓裝置）和電動機（電氣裝置）。這些裝置在振動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電機，它能夠調整偏心塊的運動進而調節(jié)激振力。在某些情況下，電氣振動打樁機能夠采用附近的三相輸電總線驅動。因此樁錘僅僅需要一個轉換開關就能控制。單獨分開小型的電機驅動動力裝置需要啟動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)采用柴油電機驅動液壓泵，液壓泵驅動激振器上的馬達?；赜拖溆脕韮Υ嬉蛟陂_機或關機中導致的液壓油漏油和油路。除了這些基本的特點之外，一下還有顯著的液壓動力箱的特點：
1）液壓泵/變速箱：液壓泵通過液壓馬達與電機相連，有時候液壓驅動也是變速箱，起著調節(jié)泵的轉速的作用，有時候被直接運用到其它設備中以消除齒輪磨損。
2）液壓壓鉗：有些設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：這兩者均可調節(jié)通過使用不同排量的液壓泵或者獨單的調節(jié)每個電機的轉速，可變排量的液壓泵由非常復雜的流量調節(jié)機制。
4）控制類型：液壓回路的控制單元可以使用空氣、電或者手動控制。手動控制是最簡單的，但是這限制了設備的工作范圍。遠程控制提供了更多的彈性操作但是增加了成本也導致了更多的問題。
5）殼體：一些動力箱有薄板包裹，一些則沒有。殼體的作用能保護動力箱不受空氣影響和防止事故。不管配不配備隔音設備，殼體也是很有用的。開放式的動力箱更經濟也便于拆裝零件。
6）開放式和封閉式的液壓回路系統(tǒng)：兩者共同出現(xiàn)在動力箱上，閉合式的液壓回路系統(tǒng)能更好的控制啟動、運轉和停止，但是與傳統(tǒng)的控制相比越來越復雜，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)能夠被運用到振動樁錘的沉拔中。盡管減少了外部動力箱和柴油發(fā)動機，但是動力裝置的所有控制和操作特點都是一樣的。
湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）
目錄
第一章 前言………………………………………………………………………………3
1.1 樁工機械的分類和發(fā)展歷程………………………………………………………3
1.1.1 我國樁工機械的發(fā)展歷程…………………………………………………3
1.1.2 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
1.2 振動打樁機的主要結構和工作原理………………………………………………6
1.3 振動沉拔樁錘調頻調矩技術研究現(xiàn)狀………………………………………… 7
1.3.1 單極或兩級調矩存在的問題………………………………………………7
1.3.2 無極調頻調矩的意義………………………………………………………7
1.3.3 調頻調矩機構研究現(xiàn)狀……………………………………………………7
1.4 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…………………………………………11
2.1 振動樁錘的原理分析……………………………………………………… ……11
2.2 振動樁錘穩(wěn)態(tài)特性調節(jié)分析……………………………………………………11
2.3 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
2.3.5 振動功率……………………………………………………………………16
第三章 振動器的結構設計……………………………………………………………19
3.1 偏心塊的設計……………………………………………………………………19
3.1.1 偏心塊材料的選擇…………………………………………………………19
3.1.2 偏心塊的結構設計…………………………………………………………19
3.2 電動機選擇………………………………………………………………………20
3.3 激振器齒輪設計…………………………………………………………………20
3.3.1 齒輪的結構形式……………………………………………………………21
3.3.2 齒輪的結構設計……………………………………………………………21
3.3.3 齒輪的受力分析……………………………………………………………21
3.3.4 齒輪強度校核………………………………………………………………22
3.3.5 齒輪的結構設計……………………………………………………………23
3.4 主動軸的設計……………………………………………………………………24
3.4.1 確定主動軸的最小軸徑……………………………………………………24
3.4.2 主動軸的結構設計…………………………………………………………25
3.4.3 主動軸的強度校核…………………………………………………………26
3.5 從動軸的結構設計……………………………………………………………27
3.5.1 確定從動軸的最小軸徑……………………………………………………27
3.5.2 從動軸的結構設計.…………………………………………………………28
3.5.3 從動動軸的強度校核.………………………………………………………28
3.6 軸承的選擇………………………………………………………………………30
3.7 鍵連接的校核計算………………………………………………………………32
3.8 聯(lián)接螺栓的校核計算……………………………………………………………33
3.9 減振彈簧的設計計算……………………………………………………………33
3.9.1 減振彈簧的結構選擇.………………………………………………………34
3.9.2 選取螺旋彈簧的類型代號.…………………………………………………34
3.9.3 選取彈簧的材料.………………………………………………………34
3.9.4 圓柱螺旋彈簧的設計計算.…………………………………………………34
3.10 箱體的設計………………………………………………………………………36
第四章 總結與展望……………………………………………………………………39
4.1 論文總結…………………………………………………………………… ……39
4.2 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。
1.1.1我國樁工機械發(fā)展歷程
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BⅡ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 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。
1.1.2國外樁工機械的發(fā)展歷程
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。
1.1.3國內外振動打樁機的發(fā)展歷程
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/l0~1/5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，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(wǎng)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500~600m，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0.78~3.26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15~30HP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7~8mm左右較短的板樁，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，但具有較好的拔樁效果。日本振動打樁機的發(fā)展在1906~1946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5~7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，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2.1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，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1.1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。
1.3.3調頻調矩機構研究現(xiàn)狀
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?；顒悠膲K3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Φ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，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，ω、ω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ω=ω，
同時穩(wěn)態(tài)角相差 =，
那么： ………………………………（2.2）
式中：ω……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均可由電動機控制。
2.3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。
2.3.1激振器振幅
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2.1)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,a=1.25～1.5。
當然，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。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
0～4
疏松沙土
4～10
密實沙土
10～30
中等密實沙土
30～50
比較密實沙土
≥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系
2.3.2激振頻率
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(15～20Hz)，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)，振動時的激振加速度很大，但振幅較小，通常僅為3～8mm，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。高頻(100～150Hz)，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
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：
………………………………（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(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振動功率
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2.4的計算模型進行計算。
圖2.4 振動樁錘計算模型
圖2.5中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2.5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）
式（2.11～2.12）中，β0為動態(tài)放大系數(shù)；A0為靜態(tài)振幅；α為位移與振動力的相角。
…………………………………（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λ=0.5時，最小共振功率為：
………………………………（2.21）
顯然，非共振時的功率式(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)很難測定，所以采用式(2.17)與式(2.18)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。為考慮土壤振動質量影響所增加的系數(shù)，對砂土=1.1，對粘土=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ρ = 7.8 × 10 Kg/m 。整個激振器由8個偏心塊組成，4根軸上各分布2個?？紤]到安裝及維修方便，其結構采用上下分離式。
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3.1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η1=0.98，V帶傳動效率η2=0.95，滾動軸承η3=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/min。
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： 主動軸的轉矩：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 齒輪強度校核
（1）齒根彎曲疲勞強度校核
計算公式：
……………………………（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，
==1.71
=MPa
=52.80MPa
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，
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3.2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-II
35
28
軸承配合處，軸承長18套筒長10mm
II-III
40
11
軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長11mm
III-IV
45
5
偏心塊左端定位軸段，軸肩高2.5mm長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5mm
VIII-IX
40
11
軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長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24mm
主動軸的尺寸簡圖如下圖3.3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3.4所示：
圖 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σ ≤ ，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:
= 100
P = = 2.35Kw
n = 1500r/min
所以，從動軸的最小直徑= 11.7mm
3.5.2 從動軸的結構設計
從動軸的各段軸頸如下表3.2所示：
表3.2 從動軸的各段尺寸
位置
直徑/mm
長度/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64mm
III-IV
45
5
偏心塊左端定位軸段，軸肩高2.5mm長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5mm
VI-VII
40
64
軸頸過渡段軸肩高2.5mm，長64mm
VII-VIII
35
18
軸承配合處
VIII-IX
40
74
此處為齒輪安裝處
從動軸的結構簡圖如下圖3.5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，作出從動軸的彎矩圖和扭矩圖，如圖3.6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，
FH1=52.4N，F(xiàn)H2=170.7N；
在豎直面內，
FV1=4562N，F(xiàn)V2=4718.9N。
彎矩在水平面內，
MH1=12939.8N·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；
當滾動軸承有預緊或游離時，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的彈性位移，um；
g為軸承的預緊量或游隙量，預緊取負號，游隙取正號，um。
對于振動打樁機常選的調心球軸承，由機械設計手冊，得：
………………………………（3.18）
當箱體座孔與軸承的外圈或者當軸頸與軸承的內圈為間隙配合時，在其徑向載荷F的作用下，兩個相互配合的表面之間產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可由機械設計手冊查得，
……………………………（3.20）
式（3.20）中，
b為軸承套寬度，cm；
d為配合面的直徑，cm。
計算取軸承外徑，計算取軸承內徑。
當箱體座孔與軸承外圈或者當軸頸與軸承內圈為過盈配合時，在其徑向載荷F的作用下，兩個相互配合的表面之間產生的接觸彈性位移值為：
…………………………（3.21）
上式（3.21）中，
為系數(shù)。當軸承內圈與軸頸是錐體配合時，可取0.05，間隙為零時，可取0.25。
滾動軸承的剛度是隨載荷的變化而變化的，即實際剛度為動剛度，根據(jù)振動打樁機工作的實際情況，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速有關。根據(jù)以上計算軸承剛度的方法進行計算，可以得到徑向載荷F與軸承的徑向剛度k的關系曲線如圖3.7所示：
圖3.7 軸承的載荷—剛度曲線
1207K型號的調心球軸承為圓錐孔。其基本信息如下：
基本尺寸：；
基本額定載荷：=15.8kN；
極限轉速：n=10000r/min。
3.7 鍵連接的校核計算
鍵連接具有結構簡單、工作可靠、裝拆方便等優(yōu)點，因此獲得了廣泛的應用，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，鍵、軸槽和輪轂槽中較弱零件的工作面可能被壓潰；
（2）動連接時，工作面出現(xiàn)過度磨損；
（3）鍵被剪斷。
實際上，平鍵連接最容易發(fā)生的失效形式通常是壓潰和磨損，一般不會發(fā)生鍵被剪斷的現(xiàn)象（除非有嚴重過載）。因此鍵連接的強度計算一般只需要進行擠壓或耐磨性計算。本設計中所有的鍵均采用靜聯(lián)結，所以只需要進行擠壓強度的校核計算。
擠壓強度校核計算公式為：
………………………………………（3.22）
式（