振動(dòng)打樁機(jī)的設(shè)計(jì)摘要 隨著建筑、橋梁以及街道基礎(chǔ)設(shè)施等對(duì)樁要求不斷提高，樁工設(shè)備進(jìn)一步的發(fā)展有著非常重要的意義。振動(dòng)打樁機(jī)憑借其獨(dú)特的性能和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，成為了各國(guó)的研發(fā)重點(diǎn)。振動(dòng)打樁器是利用機(jī)械振動(dòng)使樁與土壤之間松動(dòng)，相互的摩擦力減少，達(dá)到沉拔樁的作用。本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)打樁機(jī)由液壓油通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在機(jī)械定向式激振器中，兩個(gè)根軸上相同的兩個(gè)偏心塊，在水平方向力相抵，垂直方向力疊加，產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)由減振器、激振器以及夾樁器組成，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、貫入力強(qiáng)、沉樁效率、無(wú)污染、低噪音等特點(diǎn)。關(guān)鍵字 振動(dòng)樁錘，偏心塊，減振彈簧，液壓夾樁器 ABSTRACT Along with the construction, the bridge and the street foundation facilities and so on the pile request unceasingly enhances, the pile equipment further development has the very vital significance. Vibratory pile driver has become the focus of the world by virtue of its unique characteristics and application advantages. Vibration pile driver is the use of mechanical vibration between the pile and soil loosening, mutual friction reduction, to achieve the role of the pile. In this paper, the design of vibration pile driver and is driven by the hydraulic oil through a hydraulic motor, in the directional and mechanical vibrator, two axis on the same two eccentric blocks, in the horizontal direction force balance, vertical superposition of force vibration. Vibratory piling machine structure by shock absorber, vibration exciter and clip pile composition, which has characteristics of simple structure, strong penetration force, pile sinking efficiency, no pollution, low noise.KEY WORD Vibratory pile hammer;Eccentric block; Damping spring; Hydraulic pile clamping device 目錄第一章 前 言41.1樁工機(jī)械的定義41.2 樁工機(jī)械的分類41.2.1落錘式打樁機(jī)41.2.2靜力沉樁機(jī)51.2.3振動(dòng)打樁機(jī)61.3我國(guó)樁工機(jī)械發(fā)展歷程61.4我國(guó)樁工技術(shù)進(jìn)步的表現(xiàn)方面71.5國(guó)外樁工機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r81.1.3國(guó)內(nèi)外振動(dòng)打樁機(jī)的發(fā)展歷程8第二章 振動(dòng)打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理122.1振動(dòng)打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)122.2振動(dòng)打樁機(jī)的工作原理132.3振動(dòng)打樁機(jī)的振幅14第三章 激振器的設(shè)計(jì)163.1偏心塊的設(shè)計(jì)163.2電機(jī)的選擇193.3激振器齒輪設(shè)計(jì)203.3.1齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)203.3.3齒輪的受力分析203.3.4齒輪的校核213.3.5齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)223.4V帶的設(shè)計(jì)233.5激振器軸的設(shè)計(jì)253.5.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)253.5.2主動(dòng)軸的受力分析及校核273.5.3從動(dòng)軸的受力分析及其校核2936軸承的選擇323.6.1計(jì)算其額定壽命333.7鍵連接的校核計(jì)算333.7.1鍵的選擇333.7.2鍵的強(qiáng)度校核333.8箱體的設(shè)計(jì)34第四章 減振器的設(shè)計(jì)354.1減振彈簧的結(jié)構(gòu)選擇354.2減振彈簧的選型364.3減振彈簧的材料及許用應(yīng)力364.4減振彈簧的剛度計(jì)算364.5減振彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)364.6減振彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算374-7懸掛橫梁的設(shè)計(jì)40第五章 夾樁器的設(shè)計(jì)405.1夾樁器的設(shè)計(jì)原理405.2液壓缸的設(shè)計(jì)415.3夾頭鉗設(shè)計(jì)41結(jié)論42致謝43參考文獻(xiàn)43第一章 前 言1.1樁工機(jī)械的定義樁工機(jī)械是運(yùn)用在建筑、橋梁、街道等各種工程施工中，樁基、地基改良加固；地下連續(xù)墻擋土；地下連續(xù)墻防滲等施工的重要機(jī)械設(shè)備，它的作用是把各類樁打入土中，來(lái)提高基礎(chǔ)的承載能力。樁工機(jī)械一般由打樁錘與樁架兩部分組成。除了專用樁架外，還可以在挖掘機(jī)中懸掛設(shè)置上布置樁架。1.2 樁工機(jī)械的分類根據(jù)施工設(shè)備的不同，把樁機(jī)分為落錘式樁機(jī)、靜壓樁機(jī)和振動(dòng)樁機(jī)。1.2.1落錘式打樁機(jī) 落錘式打樁機(jī)由打樁錘、樁架以及附屬設(shè)備構(gòu)成，工作時(shí)，樁架旁邊的卷?yè)P(yáng)機(jī)，起吊樁架上的樁錘，提升一定的高度，利用重力或者沖擊力，沿著兩根導(dǎo)桿組成的導(dǎo)向架落下，打擊在樁上，實(shí)現(xiàn)打樁任務(wù)。按照樁錘的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源，又可分為重力錘、汽錘、柴油錘、液壓錘等。1）重力錘打樁機(jī) 樁錘是鋼鐵質(zhì)重塊，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)用吊鉤提起，脫落后，利用自身重力，在導(dǎo)向架上，做自由落體運(yùn)動(dòng)，打擊在樁上。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜；缺點(diǎn)是由重力產(chǎn)生的打擊力度小。2）汽錘打樁機(jī)樁錘由一個(gè)錘頭和一個(gè)錘底座構(gòu)成，用蒸汽或壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)力，分為單動(dòng)汽錘和雙動(dòng)汽錘兩種。單動(dòng)汽錘的錘頭內(nèi)部由柱塞或者氣缸組成，燃燒蒸汽，驅(qū)動(dòng)柱塞或氣缸，使錘頭上升，接著停止驅(qū)動(dòng)樁錘，令它沿著樁架上的導(dǎo)桿，自由下落進(jìn)行打樁。區(qū)別于單動(dòng)汽錘的不同，雙動(dòng)汽錘則以增重的柱塞作為錘頭，同時(shí)還以汽缸作為錘座，工作時(shí)，蒸汽驅(qū)動(dòng)有柱塞的錘頭提升，一定高度后，接著驅(qū)動(dòng)氣缸錘座快速向下打擊樁。由于雙動(dòng)汽錘，利用了蒸汽動(dòng)力以及自身重力，所以它上下升降的速度快,頻率高,同時(shí)在樁貫入地層時(shí)，發(fā)生振動(dòng)，減少與土壤的摩擦阻力，打樁效果好。汽錘的缺點(diǎn)是使用不便，基本遭遇淘汰。3）柴油錘打樁機(jī)樁錘由汽缸和柱塞組成，其工作原理，在氣缸內(nèi)，燃燒霧化柴油，達(dá)到一定的高溫高壓后，氣缸內(nèi)發(fā)生燃爆產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，以及自身的重力作用下，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力進(jìn)行打樁，由柴油轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在劇烈的沖擊下，使土壤對(duì)樁的摩擦力減弱，兩者之間的靜態(tài)平衡破壞，完成沉樁入土的作業(yè)。柴油錘在打樁中具有高效的優(yōu)點(diǎn)，但由于其工作過(guò)程中，沖擊力產(chǎn)生的噪聲過(guò)大、以及柴油燃爆給環(huán)境帶來(lái)的污染，諸多因素，使柴油錘在現(xiàn)代樁工機(jī)械中的使用程度大大降低，逐漸被其他類型的樁機(jī)所取代。4）液壓錘打樁機(jī)液壓錘打樁機(jī)通過(guò)柴油真作為啟動(dòng)，以油液壓為動(dòng)力，打樁時(shí)，液壓錘可以通過(guò)液壓流量的大小，產(chǎn)生合適的沖擊力，對(duì)不同土質(zhì)層進(jìn)行打樁，是一種熱門新型的打樁機(jī)。液壓錘打樁機(jī)傳遞能量的效率一般可以達(dá)到75%95%，是柴油錘打樁機(jī)傳遞傳遞效率的3、4倍，同時(shí)液壓錘打樁機(jī)在打樁時(shí)能夠比較準(zhǔn)確控制沖擊力，適合不同環(huán)境的打樁作業(yè)；另外使用液壓油作為驅(qū)動(dòng)，在打樁機(jī)運(yùn)作時(shí)，液壓錘打樁機(jī)產(chǎn)生的污染、振動(dòng)、噪聲降低，很適合城市的施工需求。1.2.2靜力沉樁機(jī)其工作原理是利用壓樁機(jī)自身重力以及其他配重，即靜壓力，把樁逐段沉壓進(jìn)土壤。這種沉樁的方法，可以很大程度減少鋼筋和混凝土的使用，降低造價(jià)，一般來(lái)說(shuō)使用的混泥土的強(qiáng)度，可以降低12等級(jí)，采用的剛筋與錘擊樁錘相比，可以節(jié)省40%左右；同時(shí)在施工時(shí)，沒有噪音、振動(dòng)以及污染，對(duì)環(huán)境沒有干擾，適用于軟土地區(qū)、城市等樁基礎(chǔ)工程。但是它的沉樁效率很低，并且對(duì)土質(zhì)要求有很大的限制。1.2.3振動(dòng)打樁機(jī)一般由偏心塊或偏心輪組成的激振體，通過(guò)回旋轉(zhuǎn)動(dòng)，縱向上下振動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)大的激振力，使突然與樁錘達(dá)到共振頻率，從而降低兩者之間的阻力，將樁沉入地下。振動(dòng)打樁機(jī)的它的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的噪聲小，對(duì)環(huán)境污染小，同時(shí)，振動(dòng)頻率高，工作效率也體高，另外它的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，工程造價(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)。1.3我國(guó)樁工機(jī)械發(fā)展歷程1949年前，我國(guó)幾乎沒有樁工機(jī)械產(chǎn)業(yè)。1950年1953年期間，我國(guó)的基礎(chǔ)施工都是使用建國(guó)前從國(guó)外進(jìn)口的舊式蒸氣打樁機(jī)和大笨重的落錘。1953年1957年，由于國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目工程的需要，我國(guó)開始仿制國(guó)外310t單作用和雙作用蒸氣式打樁機(jī)以及原蘇聯(lián)的系列振動(dòng)樁錘，進(jìn)入以仿制為主的樁工制造業(yè)時(shí)代。廠家都是施工部門的修配廠，當(dāng)時(shí)還沒有建立專業(yè)的樁工機(jī)械工廠，都靠施工部門的修配廠提供機(jī)械生產(chǎn)，所以說(shuō)50年代是我國(guó)樁工機(jī)械行業(yè)的萌牙階段。60年代初，我國(guó)成立了工程機(jī)械局，將上海電機(jī)廠改為上海工程機(jī)械廠，專業(yè)生產(chǎn)樁工機(jī)械，這是我國(guó)第一家專業(yè)生產(chǎn)的樁工的機(jī)械廠。還把一機(jī)部建筑機(jī)械研究所第二研究室定為樁工機(jī)械研究室，開啟了我國(guó)自行研制樁工機(jī)械的成長(zhǎng)時(shí)期。 70年代是我國(guó)打樁機(jī)械行業(yè)的發(fā)展時(shí)期，期間建立了打樁機(jī)械行業(yè)集團(tuán)，打樁機(jī)械行業(yè)有10多個(gè)生產(chǎn)企業(yè)，可生產(chǎn)四大類，30多個(gè)品種，年產(chǎn)量超過(guò)500臺(tái)。1984年，我國(guó)成立了建筑樁工機(jī)械分會(huì)，有樁工機(jī)械行業(yè)制造工廠達(dá)到20家，全國(guó)各地知名的工業(yè)大學(xué)，也陸續(xù)從事對(duì)樁工機(jī)械的各種研究，此時(shí)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品的大類、品種、規(guī)格、型號(hào)比上個(gè)年代，增加了一倍有余。這昭示著我國(guó)樁工機(jī)械進(jìn)入了逐步強(qiáng)大的時(shí)期。90年代，我國(guó)行業(yè)制造企業(yè)已經(jīng)壯大了到30余家，并成立各種研究所，科研設(shè)計(jì)的新技術(shù)。當(dāng)時(shí)能生產(chǎn)400多種規(guī)格、型號(hào)的樁工機(jī)械產(chǎn)品，銷售超過(guò)6億元。此時(shí)是我國(guó)樁工機(jī)械快速發(fā)展時(shí)期。到了21世紀(jì)，隨著我國(guó)各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和建筑建設(shè)的迅猛發(fā)展，樁基工程機(jī)械制造行業(yè)市場(chǎng)得到了空前的快速發(fā)展，已經(jīng)形成了數(shù)十家專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)和數(shù)百個(gè)產(chǎn)品型號(hào)的規(guī)模。1.4我國(guó)樁工技術(shù)進(jìn)步的表現(xiàn)方面我國(guó)的樁工機(jī)械制造水平經(jīng)歷了由低到高的發(fā)展歷程，幾十年來(lái)，樁工機(jī)械的技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.研發(fā)新產(chǎn)品，逐步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品系列化目前，柴油錘與氣缸，風(fēng)冷和水冷缸導(dǎo)桿型三系列共31規(guī)格；振動(dòng)樁錘系列，引進(jìn)生產(chǎn)系列，液壓可調(diào)偏心距系列，有47種規(guī)格；液壓錘有一種系列的共3個(gè)型號(hào)規(guī)格；壓樁機(jī)有一種系列的11個(gè)規(guī)格；長(zhǎng)螺旋鉆孔機(jī)有7種型號(hào)的系列;潛式鉆井機(jī)4種規(guī)格的系列。2.采用先進(jìn)技術(shù)，樁工產(chǎn)品上升了一個(gè)新的層次采用了先進(jìn)的技術(shù)，如液壓傳動(dòng)，以及先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，產(chǎn)品已達(dá)到國(guó)外在80年代末和90年代初的技術(shù)水平。在樁工機(jī)械產(chǎn)品中，履帶底盤三支點(diǎn)樁架，液壓打樁錘，步履式樁架，旋挖鉆機(jī)，等夾緊機(jī)構(gòu)，都采用了液壓驅(qū)動(dòng)。為了適應(yīng)施工在不同的地質(zhì)環(huán)境，建設(shè)部研制出系列液壓可調(diào)偏心矩振動(dòng)錘，激振力可以從0調(diào)至上百噸，幅度有可能由0調(diào)至20mm。此類樁機(jī)已被廣泛應(yīng)用在許多地基基礎(chǔ)施工方面。1996年勝利油田與長(zhǎng)沙機(jī)械研究院合作，采用耐振電機(jī)和變頻調(diào)速的技術(shù)，研制了振動(dòng)錘，工作功率達(dá)600k以上，這是國(guó)內(nèi)第一個(gè)超大型的電動(dòng)振動(dòng)樁錘。由于國(guó)內(nèi)的樁工機(jī)械產(chǎn)品普遍使用了液壓傳動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、調(diào)頻調(diào)速等的先進(jìn)技術(shù)，相當(dāng)于國(guó)外90年代初的水平。3.研制了具有中國(guó)特點(diǎn)的樁工機(jī)械根據(jù)國(guó)內(nèi)地質(zhì)的情況，有很多軟土地區(qū)，為了能在軟土地區(qū)內(nèi)進(jìn)行打樁施工，并減少施工污染，一般的樁機(jī)滿足不了施工要求。在1970年，我國(guó)成功制造出了錨樁平衡反力型的壓樁機(jī)，可同時(shí)壓下二個(gè)樁，單樁壓力可達(dá)160t,隨后又成功研制出預(yù)制混凝土樁單樁液壓重平衡后熱壓機(jī)，該樁機(jī)性能好、無(wú)空氣污染、無(wú)噪音、無(wú)震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。液壓步履式樁架也具有我們自己的樁工機(jī)械的特色，采用新穎的結(jié)構(gòu)原理，接地比壓低，性能好，可以直線走動(dòng)，也可以旋轉(zhuǎn)，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，操作方便省力的樁機(jī)。技術(shù)適用于可靠樁架的性能，目前也已批量生產(chǎn)。它被廣泛應(yīng)用在樁基礎(chǔ)施工。1.5國(guó)外樁工機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r世界上樁工機(jī)械的生產(chǎn)國(guó)主要美國(guó)、德國(guó)、意大利、日本、荷蘭和俄羅斯等。在這些國(guó)家中，振動(dòng)樁錘廣泛適用于各種工業(yè)建筑工程上，如橋梁的建設(shè)、水電站建設(shè)等。日本生產(chǎn)振動(dòng)樁錘的歷史有30多年，其生產(chǎn)的高頻率振動(dòng)的樁錘包括NVH-10型、NVH-20型和NLP20120型等俄羅斯生產(chǎn)的振動(dòng)樁錘也有20多種，頻率范圍在5Hz29Hz、激振力在80KN3000KN。 國(guó)外能大量柴油樁錘的國(guó)家有日本、德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等，主要制造廠家有MKT、三菱重工、BSP等。生產(chǎn)的柴油錘打擊力范圍在12500KN.m272000KN.m，其中日本的大型柴油錘有150多，德國(guó)有200多臺(tái)。 接著，極具打擊力度、且無(wú)噪聲無(wú)公害的液壓樁錘，取代了汽動(dòng)樁錘和拆由樁錘。荷蘭生產(chǎn)6種型號(hào)的液壓錘，打擊力范圍在105KN.m11105KN.m；德國(guó)Menck公司相繼生產(chǎn)陸地使用的和海洋使用的液壓錘系列有10多種；英國(guó)BSP公司生產(chǎn)重量在3t5t的液壓錘；另外日本土木研究所生產(chǎn)各種無(wú)噪聲的液壓錘，同時(shí)也生產(chǎn)各種旋轉(zhuǎn)鉆孔機(jī)，其功率在60KW以上，最大可達(dá)260KW。國(guó)外樁工機(jī)械的發(fā)展趨向于電液一體化、無(wú)害、高效節(jié)能的方向，技術(shù)水平越來(lái)越高。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)是隨著機(jī)械振動(dòng)的發(fā)展而產(chǎn)生的，兩位日本科學(xué)家，曾在一載荷板上安裝了激振器，進(jìn)行振動(dòng)機(jī)械模型試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)載荷板在振動(dòng)的作用下沉入土壤，從而發(fā)現(xiàn)了激振作用下，可以減少物體間顆粒的摩擦，這就是土壤的“液化”現(xiàn)象，利用這原理生產(chǎn)出了振動(dòng)打樁機(jī)。1934年俄羅斯的Barka教授首先這一原理應(yīng)用到項(xiàng)目的建設(shè)中，他將一個(gè)振動(dòng)器安裝在鋼管樁和樁振動(dòng)，結(jié)果只用了0.10.25靜樁力就把樁拉出，基于這個(gè)原理，研制出了振動(dòng)打樁機(jī)。 然而，蘇聯(lián)廣泛使用振動(dòng)打樁機(jī)發(fā)生在二次世界大戰(zhàn)后。蘇聯(lián)振動(dòng)打樁機(jī)分為以H型鋼樁，板樁材料為主的BT型，V型，VP型和VP型。1950年俄國(guó)鐵路技術(shù)研究所泰塔爾尼可夫博士將振動(dòng)打樁機(jī)改進(jìn)成VP型，此型號(hào)分為幾十種，僅需振動(dòng)就能將通常的土層，沉入深度20m 以內(nèi)；而對(duì)于深度20m 25m 的土層，需清掉鋼管內(nèi)的堆土才能沉入；對(duì)25m 以上要用送氣法進(jìn)行沉入。1957年，振動(dòng)打樁機(jī)用于我國(guó)武漢長(zhǎng)江大橋的樁工建設(shè)工程，并用時(shí)12個(gè)月完成完成了深達(dá)30-76m的管樁沉入的工程，所以受到了國(guó)際上廣泛的關(guān)注目光。同時(shí)期，我國(guó)嘗試研制了蘇制BII1 型振動(dòng)打樁機(jī)，成為那時(shí)激振力最大的振動(dòng)樁錘。1960年 ，在建設(shè)南京長(zhǎng)江大橋，我國(guó)又研制了中250大型的振動(dòng)打樁機(jī)，能將3.6預(yù)制離得混泥土沉入地底，激振力達(dá)到250KN。在過(guò)去10年中，由于石油工程和橋梁工程需求，大型振動(dòng)樁錘的發(fā)展有新的進(jìn)展，其中最引人注目的就是北京與浙江機(jī)械廠聯(lián)合開發(fā)的DZJ 系列振動(dòng)打樁機(jī)，激振力的已經(jīng)達(dá)到1800kN，電機(jī)功率240千。它們由于所用的偏心扭矩液壓調(diào)節(jié)裝置，以起始動(dòng)力為零，利用一三角起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的影響非常小，深受用戶的喜愛?；谡駝?dòng)樁工機(jī)械具備優(yōu)異的技術(shù)性，特別是拔樁更效率，蘇聯(lián)研制的振動(dòng)沉樁施工技術(shù)具有全球重要影響力，很大程度促進(jìn)了波蘭，法國(guó)，德國(guó)，美國(guó)和日本等各國(guó)的振動(dòng)樁工機(jī)械發(fā)展，如西德的西恩克制造公司研制出了以沉入和拔出預(yù)制樁為主要目的的振動(dòng)樁錘；拔出鋼管樁的振動(dòng)樁工機(jī)械；法國(guó)的曾爾.諾爾曼迪機(jī)械公司制造了可以使樁同時(shí)產(chǎn)生上下振動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)樁錘，還制造了撞擊式打樁機(jī)，這種沉拔樁機(jī)，可以沉入長(zhǎng)度25m，直徑500700m的鋼管樁。美國(guó)著名機(jī)械公司研制的“波大依那”振動(dòng)打樁機(jī)，這種振動(dòng)打樁機(jī)在0.783.26分的短時(shí)間內(nèi)，可以將前端封閉、直徑300mm、長(zhǎng)21m的鋼管樁沉入地底，或者超過(guò)3分鐘的時(shí)間，把前端封閉、直徑為900mm、長(zhǎng)17m的鋼管樁打入地下，因此引起全世界的目光。由于這種振動(dòng)打樁機(jī)的工作頻率，利用以6000r/min的高頻率，與鋼管固有頻率接近，而引起共振的原理，它的消耗的功率十分之大，故而采用高HP的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。1906年日本東洋棉花公司進(jìn)口蘇聯(lián)的一種VP-1型振動(dòng)沉樁機(jī)，標(biāo)志著日本進(jìn)入振動(dòng)樁工發(fā)展的開端。當(dāng)時(shí)，第一次從俄羅斯購(gòu)買的30 臺(tái)振動(dòng)打樁機(jī)，短期內(nèi)就已經(jīng)銷售出去，在這種高利潤(rùn)的回報(bào)效果的刺激之下，首先大發(fā)工業(yè)公司投資開始研制，接著日平產(chǎn)業(yè)公司、三菱重工業(yè)、豐田機(jī)械廠等超過(guò)十多家大小的制造公司陸續(xù)進(jìn)入生產(chǎn)，從此拉開了日本振動(dòng)樁機(jī)的發(fā)展的序幕。由于日本是個(gè)資源匱乏的國(guó)家，它發(fā)展的產(chǎn)業(yè)以小型機(jī)械制造廠為主，制造功率維持在1530HP之間，它所生產(chǎn)的振動(dòng)打樁機(jī)采用400一800rPm 的激振不高的頻率，故而只適用于打入78m上下的短板樁，這種振動(dòng)打樁機(jī)因?yàn)檎駝?dòng)節(jié)能的原因，同樣受到眾多企業(yè)的歡迎。但是，制約于這種打樁機(jī)功率小，難以沉入H型鋼和鋼管的支撐樁，同時(shí)不能拔出大型機(jī)械工程所用的長(zhǎng)樁鋼也。為了滿足生產(chǎn)的需求，日本制造工業(yè)開始研制對(duì)樁施加振動(dòng)力和振動(dòng)沖擊的技術(shù)，最終取得成功，將原來(lái)靠強(qiáng)制振動(dòng)難以拔出的鋼樁，利用新技術(shù)能夠順利拔出。豐田機(jī)械公式根據(jù)日本機(jī)械產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理念，最終研制出了振動(dòng)沖擊式打樁機(jī)。兩大公司產(chǎn)品的區(qū)別在于，日平產(chǎn)業(yè)是利用空氣墊儲(chǔ)蓄向下運(yùn)動(dòng)能，用來(lái)增加向上運(yùn)動(dòng)能，達(dá)到增加沖擊力的效果，而豐田機(jī)械利用橡膠墊來(lái)增大運(yùn)動(dòng)能。關(guān)于振動(dòng)沖擊打樁機(jī)，日本的研究人員的想法是，假如能讓預(yù)制樁和打樁機(jī)處于相同的沖擊頻率，然后樁機(jī)與狀體產(chǎn)生共振，大大提高沉拔樁效果。但是，在實(shí)際中，很那做到與它具有相同的沖擊頻率，只能做到是它的倍數(shù)，再通過(guò)振動(dòng)打樁機(jī)上的控制裝置，將倍數(shù)頻率轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊力，從而增加沖擊力。影響振動(dòng)打樁機(jī)打樁的效果問題，在樁體將強(qiáng)制振動(dòng)不能有效的傳遞給土壤，從而令土層振動(dòng)，內(nèi)部分子顆粒發(fā)生變化，來(lái)減小了對(duì)樁的阻力。這樣的結(jié)果就是振動(dòng)難以令土壤層產(chǎn)生改變，樁和土層接觸還是固體之間的摩擦，或者是粘接，所以利用沖擊法，才能有效的打入樁。當(dāng)然，這樣的具有高黏土系數(shù)的土質(zhì)，在特殊地形才有遇到，一般的土質(zhì)，憑借振動(dòng)的效果就可以令土壤改變自身的物理特性，可是重要的問題是，怎樣選定滿足土壤產(chǎn)生變化的振動(dòng)參數(shù)?；谶@些問題，日本的研究人員，一致認(rèn)為振動(dòng)沖擊式打樁機(jī)有良好的拔樁效果外，在實(shí)際的工作范圍上有很大的局限性。與我國(guó)樁工機(jī)械發(fā)展的歷程一樣，19061946年的日本都是依靠仿制進(jìn)口振動(dòng)打樁機(jī)，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展和積累，對(duì)振動(dòng)打樁機(jī)的貫入能力作了很多試驗(yàn)，并獲得了不錯(cuò)的成效。比如三菱重工生產(chǎn)的的V5型的振動(dòng)樁機(jī)，在日本琵琶湖大橋的建造過(guò)程中，將150余根，直徑在1.21.5m，長(zhǎng)達(dá)30多m的大口徑鋼管樁，沉入地下作為橋墩的支撐基礎(chǔ)。另外建調(diào)神戶株式會(huì)社自主生產(chǎn)的KM212000型振動(dòng)樁機(jī)，用時(shí)57分鐘，把直徑480 mm，長(zhǎng)約29m的前端封閉鋼管樁沉入至50N值以上土質(zhì)層2m深的地方。早期對(duì)振動(dòng)打樁機(jī)研究重點(diǎn)，著重于振動(dòng)打樁機(jī)自身的振動(dòng)參數(shù)對(duì)沉拔樁功效的影響，建立出許多樁土系列的振動(dòng)系統(tǒng)模型，通過(guò)這些建立的系統(tǒng)模型來(lái)確定振動(dòng)沉拔樁機(jī)的各種參數(shù)。例如在1996年，日本建調(diào)神戶株式會(huì)社生產(chǎn)的振動(dòng)樁機(jī)，是把樁體看作一個(gè)均質(zhì)的彈性體模型，再將樁下端接觸的土壤看作很小的彈性體，然后確認(rèn)振動(dòng)參數(shù)；另外，在拔樁作業(yè)時(shí)，假設(shè)樁與土之間是一種彈性連接，將樁的周圍的土壤看作彈性系數(shù)較小的彈性體。建立出這種一體的模型，樁和土以某固定頻率而組成振動(dòng)系統(tǒng)，假設(shè)給這種系統(tǒng)以一定的頻率的強(qiáng)制振動(dòng)，便可引發(fā)樁的共振，這時(shí)由于的彈性系數(shù)不大，振動(dòng)會(huì)使它的彈性迅速遭到破壞，從而令土壤的塑性變形，輕易完成沉拔樁。但是，這種振動(dòng)模型系統(tǒng)，對(duì)土質(zhì)有很大的限制，像干燥硬土層或者粘性大的土層時(shí)，完成沉拔樁的時(shí)間較長(zhǎng)。美國(guó)“波大依那”型號(hào)打樁機(jī)的機(jī)理根據(jù)是，將土層當(dāng)作純塑性變形，將樁當(dāng)作均質(zhì)的彈性體，然后給樁體施加與樁固有頻率的強(qiáng)制振動(dòng)，從而引發(fā)樁體產(chǎn)生共振，使樁產(chǎn)生最大程度的伸縮，最后再對(duì)樁端施加一定的壓力，讓樁快速沉進(jìn)地基土中。振動(dòng)沉拔樁機(jī)主要由樁架和振動(dòng)樁錘兩大部分構(gòu)成，而振動(dòng)樁錘對(duì)振動(dòng)沉拔樁機(jī)的效果有起著最關(guān)鍵的作用。早期的振動(dòng)樁錘使用電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于偏心塊固定在軸上，不能進(jìn)行振動(dòng)調(diào)頻調(diào)矩。為了滿足不同土壤層所需要的振動(dòng)頻率和振幅，出現(xiàn)了通過(guò)手動(dòng)調(diào)整固定偏心塊與活動(dòng)偏心塊之間的夾角來(lái)調(diào)偏心力矩，從而實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)整。但由于電機(jī)驅(qū)的振動(dòng)樁錘存在著調(diào)速不方便，因此液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)樁錘被廣泛使用，它與電動(dòng)機(jī)相比具有調(diào)速方便，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極調(diào)頻調(diào)矩。第二章 振動(dòng)打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理2.1振動(dòng)打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)一臺(tái)完整的振動(dòng)打樁機(jī)由振動(dòng)樁錘、延伸臂以及挖掘機(jī)組成，如下圖2-1所示。圖 2-1 振動(dòng)打樁機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖其中振動(dòng)樁錘由原動(dòng)機(jī)、減振器、激振器以及夾樁器組成。1.原動(dòng)機(jī) 振動(dòng)打樁機(jī)的動(dòng)力元件，一般使用異步電機(jī)或液壓馬達(dá)，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(guò)載能力。1.減振器 減振器包括吊環(huán)、橫梁、豎軸、減振架等機(jī)件。減振器固定在振動(dòng)器上部，在它兩邊各裝有兩根豎軸，每根豎軸上套入壓縮彈簧，上部固定在橫梁上，形成減振裝置。在打樁機(jī)沉、拔樁作業(yè)時(shí)，由于彈簧的減振效果，振動(dòng)器發(fā)出的激振力大大減弱，因此很大程度上降低了對(duì)樁架的損害、以及對(duì)周圍環(huán)境的噪音影響。2.激振器 激振器主要由電機(jī)、箱體、偏心塊、軸、齒輪等件組成。它是整個(gè)振動(dòng)打樁機(jī)最主要的構(gòu)件，是動(dòng)力產(chǎn)生的部分。通常以電機(jī)（或液壓馬達(dá)）為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，使里面的齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)齒輪上的的偏心塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生上下方向運(yùn)動(dòng)的激振力。3.夾樁器 夾樁器采用剛性連接，裝在激振器的下部。工作時(shí)，夾樁器可以將激振器產(chǎn)生的大小和方向變化的激振力，傳遞給它下部夾緊的樁體上，完成沉拔樁作業(yè)。2.2振動(dòng)打樁機(jī)的工作原理在激振器中的兩組軸上，裝有幾組質(zhì)量大小相同的固定或活動(dòng)偏心塊，利用齒輪帶動(dòng)兩軸上的偏心塊做轉(zhuǎn)速相同，方向相反的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使它們產(chǎn)生水平方向的離心力相互抵消，垂直方向離心力疊加，從而發(fā)生垂直方向的上下振動(dòng)（如圖2-2所示）。通過(guò)夾樁器，將產(chǎn)生的振動(dòng)傳到樁上，使樁發(fā)生共振，從而樁端的土強(qiáng)度減弱，并將端出的土擠開，于是樁周圍的摩擦阻力和端部阻力急劇降低。利用這一原理，打樁時(shí)由于樁的地盤反力降低，靠振動(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。圖2-2 激振器工作原理簡(jiǎn)圖2.3振動(dòng)打樁機(jī)的振幅振動(dòng)打樁機(jī)工作時(shí)，達(dá)到一定的振幅，振動(dòng)力大于樁周圍土壤的彈性壓力，使樁本身產(chǎn)生大于土壤的破壞力，隨后樁上下沖擊土壤使之下沉。振動(dòng)打樁機(jī)的最小振幅A0由激振器的偏心力矩與機(jī)體的質(zhì)量所決定。 A0=MQAQB式中:M偏心力矩； QA機(jī)重；QB為樁重。在我國(guó)路面施工規(guī)范中規(guī)定：對(duì)于輕土地基，A07mm；對(duì)于其他地基，A01.1 mm。一般情況下，A0采用土壤的貫入標(biāo)準(zhǔn)值N(表2-1)來(lái)估算，其估算公式如下： A0=0.8N+1+3 A0=N12+3A0取上面兩式的平均值，實(shí)際振幅應(yīng)取A=a A0,a=1.251.5。打樁機(jī)在作業(yè)時(shí)，隨著振幅的增大，打樁的速度不斷加快(如圖2.3所示)，最后趨向于一個(gè)極限值A(chǔ)。表21 土壤的貫入標(biāo)準(zhǔn)值土壤類型N/mm比較疏松沙土04疏松沙土410密實(shí)沙土1030中等密實(shí)沙土3050比較密實(shí)沙土50軟粘土24中等硬度粘土48硬度粘土815較硬粘土1530非常硬粘土30圖2-3 沉樁速度與振幅之間的關(guān)系2.4激振頻率振動(dòng)打樁機(jī)的激振頻率等于偏心塊的旋轉(zhuǎn)角頻率，打樁機(jī)沉拔樁依靠激振頻率，破壞樁與土層的摩擦力，一般來(lái)說(shuō)，頻率越高，所產(chǎn)生的激振力越大，土層對(duì)樁的阻力就越小。實(shí)際中，振動(dòng)頻率不會(huì)隨激振力的增大而變大，它與振幅一樣，具有一個(gè)臨界值。在沉樁工作中，它的起始頻率逐漸增大時(shí)，樁在土壤中漸漸下沉，再次增加振動(dòng)頻率，樁的沉入速度增大，直到頻率臨界值，這時(shí)樁與土壤的振幅差值達(dá)到最大值，這一臨界的頻率稱為破壞頻率，當(dāng)再增大激振力時(shí)，頻率趨于平穩(wěn)，不會(huì)有所增長(zhǎng)。因此，沉樁過(guò)程中激振頻率應(yīng)選擇在破壞頻率左右，如表2-2所示，部分土層的最佳頻率參考表。表22 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10020090100707560705060第三章 激振器的設(shè)計(jì)3.1偏心塊的設(shè)計(jì)偏心塊的材料采用q235鋼，密度為=7.8103kg/m3,整個(gè)激振器總共4個(gè)質(zhì)量大小相同的偏心塊，兩軸上各2個(gè)。設(shè)計(jì)的偏心塊形狀如圖2-1，其面積和偏心距的計(jì)算公式如下。 圖3-1 偏心塊形狀圖面積A=2R2+r2-r02A=2R2+r2-r02 偏心距 e=112A(C13-C23) C1=2R C2=2r式中： R大圓弧半徑； r小圓弧半徑； r0小圓半徑； C1大圓弧弦長(zhǎng)； C1小圓弧弦長(zhǎng)。設(shè)計(jì)的激振器激振力F=020KN,轉(zhuǎn)速為=1500r/min=50rad/s。取R=100mm,r=60mm,r0=30mm。激振力的公式： Fmax=em2=eAB2 所以偏心塊的厚度：B=50mm；質(zhì)量m=7.9kg；偏心距e=28.21mm。根據(jù)偏心塊的結(jié)構(gòu)，其尺寸如下圖3-2所示：圖 3-2偏心塊尺寸圖使用SolidWorks軟件對(duì)上述數(shù)據(jù)驗(yàn)算，檢測(cè)設(shè)計(jì)是否符和要求。圖3-3 偏心塊立體圖密度 = 7800.000 千克 / 立方米質(zhì)量 = 7.809 千克體積 = 1001207.699 立方毫米表面積 = 76030.704 平方毫米重心 : ( 毫米 ) X = -88.314 Y = 27.180 Z = 25.000慣性主軸和慣性主力矩: ( 千克 * 平方毫米 )由重心決定。 Ix = (0.000, 1.000, 0.000) Px = 13578.492 Iy = (-1.000, 0.000, 0.000) Py = 18877.105 Iz = (0.000, 0.000, 1.000) Pz = 29201.672慣性張量: ( 千克 * 平方毫米 )由重心決定，并且對(duì)齊輸出的坐標(biāo)系。 Lxx = 18877.105Lxy = 0.000 Lxz = 0.000 Lyx = 0.000Lyy = 13578.492 Lyz = 0.000 Lzx = 0.000Lzy = 0.000 Lzz = 29201.672慣性張量: ( 千克 * 平方毫米 )由輸出座標(biāo)系決定。 Ixx = 29527.269Ixy = -18745.632 Ixz = -17242.047 Iyx = -18745.632Iyy = 79368.012Iyz = 5306.523 Izx = -17242.047Izy = 5306.523Izz = 95879.580由以上數(shù)據(jù)可分析，所設(shè)計(jì)的參數(shù)合理，可得偏心塊的最大轉(zhuǎn)矩為18.9N.m,質(zhì)量m=7.8kg。3.2電機(jī)的選擇偏心塊的最大轉(zhuǎn)Tmax=18.9N.m，最大轉(zhuǎn)速為1500r/min,功率P=Tn/9550=2.98KW，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可知圓柱直齒輪的傳遞效率1=0.98，普通V帶傳動(dòng)效率2=0.92，滾動(dòng)軸承3=0.98，電機(jī)功率P1=P/123=3.48KW，由3查得，電機(jī)的型號(hào)為Y160M1-8,同步轉(zhuǎn)速為n1=720r/min,機(jī)座高度為160mm，軸伸直徑為42mm，長(zhǎng)度為110mm。電機(jī)的主軸和齒輪軸的傳動(dòng)比i=n1/n2=750/1500=1：2 3.3激振器齒輪設(shè)計(jì)激振器中，偏心塊的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪由一對(duì)齒輪咬合傳動(dòng)，由于只起到傳遞扭矩的作用，并使主動(dòng)軸、從動(dòng)軸以大小相同速，方向相反的速度旋轉(zhuǎn)，所以兩個(gè)齒輪的傳動(dòng)比=從動(dòng)輪齒數(shù)/主動(dòng)輪齒數(shù)=主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速/從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速=1:1。3.3.1齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)齒輪結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒輪，材料選擇45鋼調(diào)質(zhì)230HBS,8級(jí)精度，其參數(shù)如下：兩齒輪的模數(shù)：m=4；壓力角：=200；齒數(shù)：Z=45；分度圓直徑：d=mZ=180mm；齒頂高：ha=m=4mm；齒根高：hf=1.25m=5mm；齒頂圓直徑：da=m（Z+2）=188mm；齒根圓直徑：df=m（Z-2.5）=170mm；齒距：p=m=12.56mm；齒厚：m/2=6.28mm；齒寬：b=dd=0.3212840；中心距：a=m（Z1+Z2）/2=180mm。3.3.3齒輪的受力分析由于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般會(huì)加入潤(rùn)滑，嚙合齒輪之間摩擦力很小，在受力分析時(shí)可以忽略不計(jì)。沿嚙合線作用在節(jié)點(diǎn)P的法向荷載Fn垂直于齒面，并將其分解為兩個(gè)互相垂直的分力：圓周力Ft與徑向力Fr，如圖3-4所示。圖3-4齒輪受力分析圖以上可得：圓周力：Ft=2T1d1=218.90.180.95=221.1N；徑向力：Fr=Fttan=70.6N；法向力：Fn=Ftcos=235.2N。 式中： T1齒輪的轉(zhuǎn)矩，Nm； d1齒輪的分度圓直徑，mm； 壓力角，=200。由上述可知，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪上的各力大小相等，方向相反，其中主動(dòng)輪圓周力與轉(zhuǎn)向相反；徑向力分別指向各自輪心。3.3.4齒輪的校核（1）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 計(jì)算公式： F=2KTYFaYSadm3Z2F 式中：K為齒輪載荷系數(shù)，K=KAKVKK,其中KA為齒輪使用系數(shù)；KV為動(dòng)載系數(shù)；K為齒間載荷分配系數(shù)；K為齒向荷載分布系數(shù)。T齒輪轉(zhuǎn)矩，單位N.m；YFa齒形系數(shù)，與齒廓形狀有關(guān)；YSa應(yīng)力校正系數(shù)；d齒寬系數(shù)；m齒輪模數(shù)；Z齒數(shù)；F齒根彎曲疲勞許用應(yīng)力。根據(jù)所設(shè)計(jì)的齒輪數(shù)據(jù)，由表4可查，取KA=1.35；KV=1.2；K=1；K=1.342；YFa=2.32；YSa=1.70；d=1.417。所以： F=5.82Mpa330MPa。齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度符合要求，故校核合理。（2）齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 計(jì)算公式： H=2.5ZEKFtbdu+1uH 式中： ZE彈性影響系數(shù)，單位MPa12； Ft齒輪圓周力，單位N； b齒寬，單位mm； d分度圓直徑，單位mm； u嚙合時(shí)，兩輪齒廓曲率半徑比與兩輪的直徑或齒數(shù)成正比。 可得： ZE=188.9MPa12 ；Ft=197N；b=40mm；d=108；u=1。 所以： H=203.68MPa470MPa。 齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度符合要求，故校核合理。3.3.5齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于齒頂圓da=180mm<200mm，齒輪設(shè)計(jì)成實(shí)心結(jié)構(gòu)齒輪，其形狀尺寸如圖3-5所示。圖 3-5 齒輪尺寸圖3.4V帶的設(shè)計(jì)1.確認(rèn)計(jì)算功率 取振動(dòng)打樁機(jī)每天工作10小時(shí)，根據(jù)表8-74，查得工作情況系數(shù)KA=1.2，則計(jì)算功率 Pca=KAP1=1.23.48KW=4.18KW 2.選擇V帶的帶型根據(jù)計(jì)算功率和電機(jī)轉(zhuǎn)速，由圖8-104可知，選擇A型。 3.選擇帶輪的基準(zhǔn)直徑以及驗(yàn)算帶速v根據(jù)表48-6和表48-8，取小帶輪的槽寬50mm，大帶輪的基準(zhǔn)直徑dd1=200mm。帶速的公式 =dd1n601000=7.85m/S因?yàn)?m/s<7.85m/s<30m/s,所以帶速驗(yàn)算合理。小齒輪的基準(zhǔn)直徑dd2=i dd1=1004.確認(rèn)V帶的中心距a和基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld 一般初選V帶的中心距為 0.7（dd1+dd2）a02（dd1+dd2） 初定中心距a0=240mm；由式4（8-22），基準(zhǔn)長(zhǎng)度 Ld02a+(dd1+dd2)2+(dd1+dd2)24a01245mm由表48-2 選擇V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld=1220mm 實(shí)際中心距 aa0+Ld-Ld02=228mm 5.計(jì)算小帶輪包角 11800-dd2-dd157.30a=1550>900 6.計(jì)算單根V帶的額定功率根據(jù)表48-4a，以及dd2=100mm和轉(zhuǎn)速n2=1500r/min,查得小帶輪的功率P0=1.37KW； 由小帶輪與大帶輪的傳動(dòng)比為2，n2=1500/m，查表48-4b，得單根普通V帶的額定功率的增量P=0.18KW；再查表48-5和表48-2，得包角修正系數(shù)K=0.93,以及帶長(zhǎng)修正系數(shù)KL=0.93額定功率： Pr=P0+PKKL=1.34KW7.計(jì)算根數(shù)Z Z=PcaPr=3.12取Z=4根。8.帶輪設(shè)計(jì)由表48-10可知，bd=11mm；ha=2.75mm；hf=8.7；e=15mm；f=9。大帶輪的寬度b=3.58+411=72mm,大帶輪輪轂直徑r1=42mm，取小輪輪轂的直徑r2=40m，大小帶輪均采用實(shí)心式。其中小帶輪的尺寸圖如3-6。 圖 3-6 小帶輪的尺寸圖3.5激振器軸的設(shè)計(jì) 激振器的主動(dòng)軸以及從動(dòng)軸，材料采用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度為250HBS,首先初步估算軸徑。根據(jù)公式： dA03Pn式中： A0=110； P=1.77KW； n=1500r/min。所以，最小軸徑取值dmin=12.1。3.5.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下圖3-7，表3-1所示圖3-7 主動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖表 3-1 主動(dòng)軸各部位尺寸位置長(zhǎng)度（mm）直徑（mm）描述10040小帶輪安裝處，帶輪長(zhǎng)度72mm，直徑40mm，留與箱體臂28mm，其中軸承端蓋的長(zhǎng)度為10mm3050軸承安裝處，軸承長(zhǎng)20mm，套筒長(zhǎng)10mm5060偏心塊安裝處，偏心塊605012070避讓從動(dòng)軸偏心塊處，直徑70mm，長(zhǎng)度50mm+50mm+20mm5060偏心塊安裝處，偏心塊60503050軸承配合處，軸承長(zhǎng)20mm，套筒長(zhǎng)10mm6434齒輪安裝處，齒輪3440mm，套筒長(zhǎng)24mm2.從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)如下圖3-8，表3-2所示圖3-8 從動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖表 3-1 從動(dòng)軸各部位尺寸位置長(zhǎng)度（mm）直徑（mm）描述3050軸承配合處，軸承長(zhǎng)20mm，套筒長(zhǎng)10mm5055過(guò)渡段軸肩，避免與主動(dòng)軸偏心塊相撞10060兩個(gè)偏心塊安裝處, 5050mm，長(zhǎng)100mm5055過(guò)渡段軸肩，避免與主動(dòng)軸偏心塊相撞3050軸承配合處，軸承長(zhǎng)20mm，套筒長(zhǎng)10mm6434齒輪安裝處，齒輪3440mm，套筒長(zhǎng)24mm3.5.2主動(dòng)軸的受力分析及校核1主動(dòng)軸的受力分析如下圖3-9a所示。圖 3-9 主動(dòng)軸受力分析圖2.計(jì)算支反力在水平方向上 Fnh1=Ft5445+170+45=58.1N Fnh2=Ft31445+170+45=337.8N 在垂直方向上 M=0 Fnv1=5000215+500045-100.754260=4939.1N Fnv2=5000215+500045+100.754260=5020.9N 總支反力 F1=Fnh12+Fnv12=4939.4N F2=Fnh22+Fnv22=5022.4N3.做彎矩圖在水平方向上，如圖3-9b所示。 MH1=58.1260=15106Nm在垂直方向上,如圖3-9c所示。 Mv1=4939.145=222259.9Nmm Mv2=Fnv1215-5000170=211906.5Nmm Mv3=Fnv1260-5000215-500045=-15834Nmm 總彎矩，如圖3-9d所示。 M1=151062+222259.92=222772.7Nmm M2=151062+211906.52=212444.2Nmm M3=151062+（-15834）2=21883.9Nmm 扭矩，如圖3-9e所示。 T=15900Nmm 4.校核軸的強(qiáng)度 通常只校核軸上受到最大彎矩和扭矩的部位，根據(jù)3-9彎矩和扭矩圖，可以看出軸的左邊承受的彎矩最大，是軸的危險(xiǎn)截面，即取左邊偏心塊中心截面進(jìn)行校核。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，以及軸單向扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)切應(yīng)力，故=0.6，軸的彎矩強(qiáng)度公式： ca=M2+(T)2W=222259.92+（0.615900）20.1603=10.3MPa-1 式中： ca軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa； M軸受到的彎矩，Nmm； T軸的扭矩，Nmm； W軸的抗彎系數(shù)，mm3。 根據(jù)已選軸的材料為40Cr,調(diào)質(zhì)處理，查表415-1，得-1=70MPa，ca-1，強(qiáng)度符合要求，所以校核合理。3.5.3從動(dòng)軸的受力分析及其校核1.從動(dòng)軸受力分析如圖3-10a圖3-10受力分析圖2.計(jì)算支反力在水平方向上 Fnh1=Ft54250=60.4N Fnh2=Ft304250=340.1N 在垂直方向上 M=0 Fnv1=25000125-100.754250=4978.4N Fnv2=25000125+100.7304250=5122.5N 總支反力 F1=Fnh12+Fnv12=4978.8N F2=Fnh22+Fnv22=5133.8N3.做彎矩圖在水平方向上，如圖3-10b所示。 MH1=60.4250=15100Nm在垂直方向上,如圖3-10c所示。 Mv1=4978.4125=622300Nmm Mv2=4978.4250-25000125=-5400Nmm 總彎矩，如圖2-10d所示。 M1=151002+6223002=622982.8Nmm M2=151002+（-5400）2=16036.5Nmm 扭矩，如圖3-10e所示。 T=15900Nmm 4.校核軸的強(qiáng)度 通常只校核軸上受到最大彎矩和扭矩的部位，根據(jù)3-10彎矩和扭矩圖，可以看出軸的左邊承受的彎矩最大，是軸的危險(xiǎn)截面，即取左邊偏心塊中心截面進(jìn)行校核。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，以及軸單向扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)切應(yīng)力，故=0.6，軸的彎矩強(qiáng)度公式： ca=M2+(T)2W=6223002+（0.615900）20.1603=28.8MPa-1 式中： ca軸的計(jì)算應(yīng)力，MPa； M軸受到的彎矩，Nmm； T軸的扭矩，Nmm； W軸的抗彎系數(shù)，mm3。 根據(jù)已選軸的材料為40Cr,調(diào)質(zhì)處理，查表415-1，得-1=70MPa，ca-1，強(qiáng)度符合要求，所以校核合理。3.6軸承的選擇設(shè)計(jì)的軸主要承受徑向荷載，所以采用向心軸承，又因?yàn)樵诤艽蠹ふ窳Φ淖饔孟?，軸承座的中心線很容易與軸的中心發(fā)生不重合現(xiàn)象，以及軸受力易發(fā)生彎曲，所以使用調(diào)心球軸承。調(diào)心球軸承的結(jié)構(gòu)由二條滾道的內(nèi)圈和滾道為球面的外圈組成，外圈滾道面的曲率中心與軸承中心一致，所以具有與自動(dòng)調(diào)心球軸承同樣的調(diào)心功能。在軸、外殼出現(xiàn)撓曲時(shí)，可以自動(dòng)調(diào)整，不增加軸承負(fù)擔(dān)。調(diào)心球軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖311所示。圖311調(diào)心球軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖根據(jù)軸的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，其代號(hào)為1210型，標(biāo)準(zhǔn)圓柱孔，查軸承手冊(cè)9，其數(shù)據(jù)信息如下：基本尺寸：d=50mm；D=90mm；B=20mm?；绢~定荷載：Cr=22.8KN；重量：0.54kg。3.6.1計(jì)算其額定壽命額定壽命的計(jì)算公式： Ln=10660nftCP式中： ft軸承工作的溫度系數(shù)，設(shè)其溫度為120，取值1.00； C軸承基本額定荷載,22.8KN； P滾動(dòng)軸承動(dòng)量荷載，對(duì)于只受徑向荷載的軸承，P=Fr，這里P取激振力與齒輪徑向力之和； 指數(shù)，對(duì)于球軸承，=3； n軸承轉(zhuǎn)速，1500r/min。所以： Ln=101250h。3.7鍵連接的校核計(jì)算鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)零件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸與軸上零件之間的周向固定，來(lái)傳遞扭矩。本設(shè)計(jì)的軸不承受軸向力，故用平鍵連接，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸容易、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。3.7.1鍵的選擇連接齒輪的軸徑為34mm，從表46-1，查得平鍵的截面尺寸為：寬度b=10mm，高度h=8mm。由于齒輪轂寬度為40mm，故鍵的長(zhǎng)度L=40mm(等于或小于輪轂的寬度)。3.7.2鍵的強(qiáng)度校核 平鍵連接傳遞扭矩時(shí)，其受力如下圖3-12。圖3-12 平鍵受力分析圖鍵采用普通平鍵連接（靜鏈接）形式，通過(guò)受力，可知其主要失效形式兩邊工作面被壓潰，很少會(huì)出現(xiàn)a-a截面剪斷，所以校核鍵連接，主要對(duì)擠壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。普通平鍵連接公式： p=2T103kldp 式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，Nm； k鍵與齒輪鍵槽的接觸高度，k=0.5h，h為鍵的高度,mm； l平頭鍵的長(zhǎng)度,mm； d軸的直徑mm； p許用擠壓應(yīng)力。通過(guò)查表6-2及計(jì)算，p=5.8MPa<p=70Mpa，所以鍵鏈接符合要求，校核合理。3.8箱體的設(shè)計(jì)箱體應(yīng)該滿足的技術(shù)要求：1.箱體有足夠的強(qiáng)度和剛度，板材良好的機(jī)械性能；2.箱體有良好的工藝性，便于加工和組裝零部件；3.方便運(yùn)輸和裝卸。箱體內(nèi)部裝備簡(jiǎn)圖如下圖3-13所示。圖3-13 箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配圖 第四章 減振器的設(shè)計(jì)4.1減振彈簧的結(jié)構(gòu)選擇減振彈簧采用圓柱螺旋壓縮彈簧，其主要特點(diǎn)為：特性線呈直線，剛度穩(wěn)固，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，多運(yùn)用于緩沖、減振以及儲(chǔ)能控制運(yùn)動(dòng)等。4.2減振彈簧的選型通過(guò)參考文獻(xiàn)3，選取的彈簧型號(hào)為：冷卷壓縮彈簧類型，Y代號(hào)，其結(jié)構(gòu)形式：上下兩端圈并緊并磨平，支承圈數(shù)，n2=15。4.3減振彈簧的材料及許用應(yīng)力根據(jù)彈簧的工作條件，以及承受荷載等因素，彈簧的材料選擇油淬火回火碳素鋼絲B類。根據(jù)表311-2-6，設(shè)計(jì)彈簧所受的循環(huán)荷載作用次數(shù)在1103（1106）次以上的類荷載，其許用應(yīng)力=（0.40.47）b，其中b為彈簧鋼絲的抗拉極限強(qiáng)度，根據(jù)表311-2-4，bmax=1275MPa,則=0.41275=510MPa。4.4減振彈簧的剛度計(jì)算剛度計(jì)算公式： K=1Z2mn2式中： Z=n 激振器的角頻率； n減振器的固有角頻率； m激振器的質(zhì)量，取200kg。選取隔振系數(shù)=0.06，則頻率比： Z1=4.08，取Z=5計(jì)算： K=152200502/4=49N/mm45減振彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù) 1.彈簧的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅 B=F激K(1-Z2)=500049(1-52)=6mm 2.最大位移 Bmax=5B=30mm 3.彈簧的最小、最大和極限荷載 彈簧的最小變形量 min0.2B=6.mm,取min=30mm