便攜式打樁機(jī)激振器的設(shè)計

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便攜式打樁機(jī)激振器的設(shè)計

目錄

第一章 緒論

1.1其他團(tuán)體對打樁機(jī)的研究

1.1.1震動打樁機(jī)的原理

1.1.2對偏心塊和電動機(jī)的研究的

1.2結(jié)論

第二章 總體設(shè)計

2.1課程設(shè)計的要求

2.2打樁機(jī)傳動系統(tǒng)

2.3設(shè)計參數(shù)

第三章 偏心輪設(shè)計

3.1設(shè)計步驟

3.1.1材料選擇

3.1.1用pro/engineer對偏心塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.2設(shè)計結(jié)果

第四章 齒輪設(shè)計

4.1齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2齒輪強(qiáng)度校核

第五章 帶輪傳動設(shè)計

5.1傳送帶的設(shè)計

5.2帶輪設(shè)計

第六章 軸的設(shè)計

6.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

第七章 箱體設(shè)計

7.1箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

第八章 參考文獻(xiàn)

第九章 致謝

第一章 緒論

1.1其他團(tuán)體對打樁機(jī)的研究

振動沉拔樁機(jī)是隨著振動機(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

動機(jī)械的模型試驗(yàn)，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

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(dāng)

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(yīng)用到建筑工

中，他將一個激振器安裝在管樁或板樁上使其振動，結(jié)果只用靜拔樁力的 1/l0~1/5

能將樁拔出，依據(jù)這一原理研制出了振動沉拔樁機(jī)。但是在蘇聯(lián)的建設(shè)工程中普遍使

振動沉拔樁機(jī)還是在二次世界大戰(zhàn)以后川。 如將蘇聯(lián)的振動沉拔樁機(jī)按照打入樁種類

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。

型振動沉拔樁機(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

型，它分為 1 型~250 型數(shù)種，它對通常的土層，在深度 20m 以內(nèi)，僅以振動即可沉

入;對深度 20m 以上至 25m 以內(nèi)，需定時清除管內(nèi)積土才能沉入，對 25m 以

上則要并用送氣法或射水法進(jìn)行沉入。vP型振動沉樁機(jī)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(dá)30-76m的管樁沉入工作，

因而受到了國際上的關(guān)注。 

同時在武漢長江大橋建設(shè)時期，我國試制了蘇制 BII1 型振動樁錘，成為當(dāng)時激振

力最大的振動樁錘。20 世紀(jì) 60 年代，為南京長江大橋中 3.6 預(yù)制力混凝土管樁下沉，

又研制了大型振動樁錘中一250型。激振力可達(dá)250kN。此后多年，國內(nèi)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(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 系列振動樁錘，這類振動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(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)

展起來的振動沉拔樁施工技術(shù)給世界各國產(chǎn)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(chǎn)各種類型的振動沉拔樁機(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沉拔樁機(jī);法國的曾爾.諾爾曼迪公司制造

了可以使樁同時產(chǎn)生垂直振動和圓周運(yùn)動的振動沉拔樁機(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(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)，這種振動打樁機(jī)可0.78~3.26分鐘的時間內(nèi)，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(guān)注。這種振動打樁機(jī)采用了接近于

鋼管固有頻率，以每分鐘 6000 轉(zhuǎn)的高頻率振動而引發(fā)樁共振的原理，它以 500HP 的汽

油發(fā)動機(jī)作為動力，因此消耗功率相當(dāng)大。 

  日本振動沉拔樁機(jī)的發(fā)展，是1906年以東洋棉花公司進(jìn)口的蘇聯(lián)VP-1型振動打樁

機(jī)為起點(diǎn)，第一次進(jìn)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(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)法由對樁施加強(qiáng)制振動到施加振動沖擊， 終于使得原來只靠強(qiáng)制振動不能拔

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)計原理，制成了振動沖擊式打

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)動能而增大向上運(yùn)動能，以

加大沖擊時的沖量，而豐田機(jī)械則是利用橡膠墊。 

  對于振動沖擊打樁機(jī)的看法，日本建調(diào)神戶株式會社的研究人員認(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)，

有了這樣的倍振動頻率，就可以通過振動打樁機(jī)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(jié)底是如何將樁體的強(qiáng)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(zhì)情況不

會經(jīng)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(guān)鍵使如何

選定足以使土壤產(chǎn)生變化的振動參數(shù)。 他們認(rèn)為振動沖擊式打樁機(jī)在工作范圍上局限性

很大，但具有較好的拔樁效果。 

  日本振動打樁機(jī)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(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33m的大口徑鋼

管樁作橋墩基礎(chǔ)。 利用這種振動打樁機(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)神戶株式會社生產(chǎn)的KM2一12000型振動打樁機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)貫入值)50 以

上的地層2m深。 

  對振動沉拔樁機(jī)的研究，早期關(guān)注的重點(diǎn)是振動沉拔樁機(jī)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(jī)

振動參數(shù)。像日本建調(diào)神戶株式會社 1966 年以后生產(chǎn)的振動沉拔樁機(jī)，是把樁體視為

均質(zhì)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(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系統(tǒng)，有著某固

有的振動頻率，如給它以適當(dāng)頻率的強(qiáng)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(nèi)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(jī)，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(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，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(jī)偏

心軸轉(zhuǎn)速也很高，功率消耗也很大。 

  振動沉拔樁機(jī)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(jī)的性能

起著至關(guān)重要的作用。早期的振動樁錘為電機(jī)驅(qū)動，振動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(zhuǎn)速可有級調(diào)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(diào)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(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)

動的振動樁錘存在著調(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)動的振動樁錘應(yīng)運(yùn)而生，因液壓馬達(dá)與電動機(jī)相比具有調(diào)速方便，體積小，

重量輕等優(yōu)點(diǎn)，使得液壓振動錘擁有強(qiáng)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(dá)國家，電動錘大部分已被液壓振動錘所取代。但是在國內(nèi)，液壓振動

錘才剛剛起步。

1.1.1 震動打樁機(jī)的原理

1.2 振動樁錘的結(jié)構(gòu)和工作原理 

振動打樁機(jī)的振動錘主要由原動機(jī)、激振器和減振裝置組成。（如圖1-1所示） 

1.原動機(jī)  原動機(jī)是振動打樁機(jī)的動力元件，一般采用異步電機(jī)，要求在強(qiáng)烈的振

動狀態(tài)下能可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，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(dá)的，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)頻。 

2.激振器  激振器包括軸、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塊之間的相位差來達(dá)到調(diào)矩的目的。（如圖1-2

所示） 

3.減振器 為了避免將振動樁錘產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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。 

如下圖1-1就是一個簡單的激振器結(jié)構(gòu)圖 

第八章 參考文獻(xiàn)

[1]  濮良貴主編．機(jī)械設(shè)計[M]．第八版．北京：高等教育出版社，2006 

[2]  殷玉楓主編，機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.6

[3]  鄧星鐘等編著，機(jī)電傳動控制[M] ，武漢：科中科技大學(xué)出版社，2007.7

[4]  郭紀(jì)林主編，機(jī)械制圖[M]，大連：大連理工大學(xué) 出版社

I 附件 2： 課程設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計題目： 一種便攜式打樁機(jī)激振器的設(shè)計 學(xué)生姓名 課程名稱 專業(yè)課課程設(shè)計 專業(yè)班級 地 點(diǎn) 起止時間 設(shè)計內(nèi)容及要求 據(jù)所給的激振力和激振頻率設(shè)計相應(yīng)的偏心塊，要求尺寸合理，并且能夠產(chǎn)生要求的激振力。 定齒輪的幾何尺寸，并對齒輪進(jìn)行受力分析，最后校核齒輪的強(qiáng)度。 定傳動帶的型號、根數(shù)、長度；確定帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸。 動軸的設(shè)計及強(qiáng)度校核。 偏心塊、齒 輪、帶輪、主動軸、從動軸各畫在一張 紙上；把激振器的裝配圖畫在一張 紙上。 抄寫，采用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一格式。 進(jìn)度要求 見附件。 參考資料 1． 濮良貴主編．機(jī)械設(shè)計．第八版．北京：高等教育出版社， 2006 2． 吳宗澤主編．機(jī)械零件設(shè)計手冊．第一版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2004 3. 數(shù)據(jù)庫中 相關(guān)文獻(xiàn)資料。 其它 說明 1．本表應(yīng)在每次實(shí)施前一周由負(fù)責(zé)教師填寫二份，教研室審批后交學(xué)院院備案，一份由負(fù)責(zé)教師留用。 2．若填寫內(nèi)容較多可另紙附后。 3．一題多名學(xué)生共用的，在設(shè)計內(nèi)容、參數(shù)、要求等方面應(yīng)有所區(qū)別。 教研室主任： 指導(dǎo)教師： 2011 年 月 日 件： 一、 設(shè)計題目： 一種便攜式打樁機(jī)激振器的設(shè)計 本設(shè)計旨在設(shè)計一種單層偏心塊式的激振器，這種激振器是振動打樁機(jī)的核心裝置，其結(jié)構(gòu)簡圖如 下。 同 步 齒 輪偏 心 塊箱 體軸帶 輪始數(shù)據(jù)和技術(shù)要求： 激振力的選擇： 激振頻率的選擇： r/ 三 、進(jìn)度安排： 內(nèi) 容 時間 閱讀設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計任務(wù)和應(yīng)上交的資料；查閱相關(guān)資料，收集和閱讀資料。 1 天 偏心塊的設(shè)計 2 天 齒輪的設(shè)計 2 天 皮帶傳動的設(shè)計 2 天 激振器主動軸、從動軸的強(qiáng)度校核。 2 天 箱體的設(shè)計 2 天 作圖 5 天 編寫設(shè)計說明書 3 天 答辯和上交資料 1 天