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，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，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動能而增大向上運動能，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.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，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
便攜式打樁機(jī)激振器的設(shè)計 目錄 第一章 緒論 第二章 總體設(shè)計 第三章 偏心輪設(shè)計 偏心塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 第四章 齒輪設(shè)計 第五章 帶輪傳動設(shè)計 第六章 軸的設(shè)計 第七章 箱體設(shè)計 第八章 參考文獻(xiàn) 第九章 致謝 第一章 緒論 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，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/，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 、 V 型、 和 。 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。 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 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 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 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) 250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 列振動樁錘，這類振動樁錘的最大激振力已達(dá) 1800機(jī)功率為 240 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 了可以使樁同時產(chǎn)生垂直振動和圓周運動的振動沉拔樁機(jī)，并制造了沖擊式打樁機(jī)，可 以沉入直徑 500~600m，長度 20 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 鐘的時間內(nèi)，將前端 封閉、 直徑 325 長 或以 鐘的時間將前端封閉、 直徑為 914 長 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 500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) 振動打樁 機(jī)為起點，第一次進(jìn)口 30 臺很快銷售一空 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 15~30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 7~8 這種打樁機(jī)采用 400一 800激振頻率 因而得到了較廣泛的應(yīng)用 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 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動能而增大向上運動能，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 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 2000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 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 液壓馬達(dá)驅(qū)動的振動樁錘應(yīng)運而生，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，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。 動打樁機(jī)的原理 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示） 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，可以實現(xiàn)無極調(diào)頻。 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示） 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是一個簡單的激振器結(jié)構(gòu)圖 圖 1振器的結(jié)構(gòu)簡圖 振動打樁機(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(jī)等的引拔力將樁拔起。 圖 1振器簡圖 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)量的偏心塊左右對稱分 布，由于反向回轉(zhuǎn)時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 本體發(fā)生上下振動，如下圖 1振動樁錘和樁連接在一起進(jìn)行沉樁時，激振力 使振動樁錘產(chǎn)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(cè)和樁端的阻力，樁便依靠重力下沉。 圖 1 偏心塊的研究 振動打樁機(jī)在工程實際中的應(yīng)用非常廣泛，偏心塊激振器是最常采用的結(jié)構(gòu)形 式之一 國內(nèi)對其結(jié)構(gòu)分布和動力學(xué)特性已有大量研究。而偏心塊作為激振器的重要組成部分，其參數(shù)選擇和優(yōu)化，對精確偏心塊所產(chǎn)生的激振力以及提高偏心塊的使用壽命有著不可忽視的作用。以激振力為 10t 的振動打樁機(jī)為例，針對常見的幾種偏心塊結(jié)構(gòu)，從理論上計算對比獲得其合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，運用大型機(jī)械設(shè)計軟件 立模型 并通過限元分析軟件完成結(jié)構(gòu)分析和有限元計算 圖 1有限元計算結(jié)果 在相同邊界條件下，在 限元軟中采用相同的求解器 對四種類 型的偏心塊進(jìn)行有限計算，分別獲得各偏心塊的應(yīng)力、對等應(yīng)變移、 實體變形和安全系數(shù)分布。 限于篇幅，只給出整體角式和裝配彎角式偏心塊的應(yīng)力云圖 如圖 1示 圖 1結(jié)果對比與分析 計算結(jié)果表明 當(dāng)偏心塊在恒定離心力作用下工作 時 其主要受力區(qū)域圍繞在偏心塊圓弧面交接處和支撐 軸與偏心塊內(nèi)孔的配合面上 而且直角型偏心塊在上述 部分的應(yīng)力集中更為明顯，偏心塊彎角式結(jié)構(gòu)相對直角式結(jié)構(gòu)只在圓弧面與平面的交接處倒了圓角， 但卻大大提高了偏心塊的強(qiáng)度， 整體彎角偏心塊最大集中應(yīng)力比整體直角偏心塊減小了 在工作過程中由于離心力引起的最大變形位移和對稱應(yīng)變也隨之變小， 最小安全系數(shù)卻由 70 提高到 76對比裝配彎角式結(jié)構(gòu)和裝配直角式結(jié)構(gòu)可獲得同樣規(guī)律，下表列舉出了四種偏心塊的最大應(yīng)力、位移、最大應(yīng)變和最小安全系數(shù)。 同時，偏心塊裝配彎角結(jié)構(gòu)危險應(yīng)力為 四種結(jié)構(gòu)中數(shù)值最小，與具有相同安全系數(shù)的整體彎角結(jié)構(gòu)相比，具有更好的強(qiáng)度和承載能力，特別是現(xiàn)場應(yīng)用中 常常會出現(xiàn)由于偏心塊的不合理裝配和損壞而引起激振器本體損壞的情形，所以偏心塊的強(qiáng)度和壽命直接關(guān)系到整個激振器的使 用壽命。 同時，偏心塊的裝配結(jié)構(gòu)更便于拆裝和移運，充分體現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性。 電動機(jī)的研究 我國振動樁錘用電機(jī)以前均為普通 Y 系列電動機(jī)，使用時由于震動極易損壞，所以應(yīng)選擇具有一定耐震性的電動機(jī)。 發(fā)動機(jī)功率，太低， 激振器將不能有效克服樁與土壤之間的摩擦力， 故發(fā)動機(jī)功率越大越好。 一般每 10振力需要約 2率。 每次打一個樁耗時 10分鐘，電機(jī)工作時間為 3分鐘。 （ 1）彎角式偏心塊與直角式偏心塊結(jié)構(gòu)相比較，在相同振動條件下前者危險應(yīng)力較小，在恒定離心力作用下剛度 和安全系數(shù)均比后者大。同時，偏心塊的裝配結(jié)構(gòu)更便于拆裝和移運，充分體現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性。 （ 2）選用 列鼠籠轉(zhuǎn)子電動機(jī)。發(fā)動機(jī)功率越大越好。 一般每 10振力需要約 2 電 動 機(jī) 基 準(zhǔn) 負(fù) 載 持 續(xù) 率 為 40% 。 第二章 總體設(shè)計 打樁機(jī)激振力 F=17心塊轉(zhuǎn)速為 1200r/ (1)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。 (2)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。 (3)定傳動帶的型號、根數(shù)、長度；確定帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸。 (4)動軸的設(shè)計及強(qiáng)度校核。 (5) (6)偏心塊、齒輪、帶輪、主動軸、從動軸各畫在一張 激振器的裝配圖畫在一張 紙上。 (7) 用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一格式。 打樁機(jī)傳動系統(tǒng)展開圖 負(fù)載所需的功率為 P= 1017 ?=根據(jù) [3]式 s= [2]表 166,額定功率 415r/查 [2]表 2— 2， =輪傳動的效率為η 2= ，滾動軸承為η 3= 再根據(jù)各個軸的轉(zhuǎn)速，求得轉(zhuǎn)矩，各數(shù)據(jù)如下表： 功率 轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩 軸 0 415 r/m 軸Ⅰ w 1200 r/· m 軸Ⅱ w 1200 r/· m 第三章 偏心輪設(shè)計 擇 偏心輪選用鑄鋼 度為 103Kg/ 偏心塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計 激振器有 4 個偏心塊，每個偏心塊產(chǎn)生的偏心力為4F=m· e· 則m· e=wF*m。 偏心塊為裝配結(jié)構(gòu)，如圖 下面用 偏心塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，使各個尺寸滿足偏心塊的 m· e=m。 （ 1）建 立模型 尺寸任意，形狀必須正確，偏心塊的轉(zhuǎn)動軸在原始坐標(biāo)系上，偏心塊關(guān)于某個坐標(biāo)軸左右對稱。如圖： （ 2）編輯各尺寸關(guān)系 以大圓半徑為變量編輯各尺寸（各關(guān)系為假設(shè)的） d3=+（ 3）設(shè)定材料密度，建立質(zhì)量屬性特征 件 質(zhì)量屬性 零件 質(zhì)量屬性文件內(nèi)容： 體積 = 7 曲面面積 = 5 密度 = 噸 / 質(zhì)量 = 噸 根據(jù) _標(biāo)邊框確定重心 : X Y Z 0 0 1 對于 _標(biāo)系邊框之慣性 . (公噸 * ) 慣性張量 : 3 0 0 0 3 0 0 0 3 重心的慣性 (相對 _標(biāo)系邊框 ) (公噸 * ) 慣性張量 : 3 0 0 0 3 0 0 0 3 主慣性矩 : (公噸 * ) 3 3 3 從 _位至主軸的旋轉(zhuǎn)矩陣 : 從 _位至主軸的旋轉(zhuǎn)角 (度 ): 相對 x y z 的夾角 相對主軸的回旋半徑 : 2 2 2 （ 4）利用質(zhì)量屬性特征里的數(shù)據(jù)質(zhì)量和偏心距建立一個分析 析類型為關(guān)系，然后編輯關(guān)系 中 零件的質(zhì)量，零件的偏心距。 （ 5）進(jìn)行敏感度分析，以大圓半徑尺寸 析 果 圖用參數(shù)）分析計算得 （ 6） 進(jìn)行可行性分析 由上圖可知所求值在 160附近，把設(shè)計變量的取值范圍指定為 150~170，如圖 計算結(jié)果為 計算機(jī)計算得 整為 160，把軸孔直徑圓整后查 [2]表 73，各尺寸圓整如下圖 （ 7）以偏心塊厚度 設(shè)計變量，進(jìn)行可行性分析，重復(fù)步驟（ 6），計算結(jié)果為 計算得偏心塊厚度 整為 56 8）此時參數(shù) 設(shè)計值略大一點，考慮到零件的倒角，裝配時螺紋孔的質(zhì)量損失及螺栓的質(zhì)量， 厚度 B=56 質(zhì)量 m= 偏心距 e= m× e= 鍵槽未畫出，詳見零件圖。 第四章 齒輪設(shè)計 εαω 同步齒輪選用標(biāo) 準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，模數(shù)為 m=4數(shù)為 z1=0，采用標(biāo)準(zhǔn)壓力角α=20o，節(jié)圓直徑 40輪高度 b=50級精度。 材料用 45鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火處理，齒面硬度 220~230 （ 1）根據(jù) [1]式 10 K= 查 [1]表 10 取 查 [1]圖 10 取 查 [1]表 10 取 1。 查 [1]表 10 插值法取 根據(jù) 0 綜上 A· H= 2）兩齒輪嚙合時傳遞的扭矩為 m。 （ 3）Φ d=124050 = （ 4） 0. （ 5）查 [1]表 10 （ 6）根據(jù) [1]式 10齒輪的許用應(yīng)力 [σ ]=S H=1， 設(shè)該機(jī)器工作 10 年，每年工作 300 天，一天工作 8 小時，打一次樁須時十分鐘，齒輪工作 3 分鐘，齒輪轉(zhuǎn)速為 1200r/根據(jù) [1]式 10 N=60)103(83001011 2 0 060 ??????? =10? 查 [1]圖 10得 [1]圖 10得 [1]圖 10=490 [1]圖 10=560上 ][ F? =?=315 ][ H? =? = 7）根據(jù) [1]式 10根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式 ?m ][m = 3211 ][2?把相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，得 [m]=10m=50][m ，所以模數(shù)足夠，不會 發(fā)生斷齒。 （ 8）根據(jù) [1]式 10根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式 H?=1?? ? ][ H? 查 [1]表 10 u=21,12上，將各數(shù)據(jù)代入式子中得H?=所以H? ? ][ H?。接觸疲勞強(qiáng)度足夠。 由 于 裝 配 誤 差 ， 令 主 動 齒 輪 厚 度 為 55 從 動 齒 輪 厚 度 為 50 第五章 帶輪傳動設(shè)計 （ 1） 已知條件 傳動帶的傳動功率為 P=4動帶輪（大帶輪）轉(zhuǎn)速 15r/動帶輪（小帶輪）轉(zhuǎn)速 200r/動比為 i=速比 u= （ 2） 確定計算功率 根據(jù) [1]式 8 [1]表 8 4 （ 3） 選擇 根據(jù)計算功率 從 [1]圖 8帶的帶型為 （ 4） 確定帶輪基準(zhǔn)直徑 v 1） 初選兩帶輪直徑 [1]表 8主動輪直徑 06動帶輪 i=106× 整得 0） 驗算帶速 v 根據(jù) [1]式 800060 11? 100060 ??=s 該帶速不高也不低，正常。 （ 5） 確定中心距 a， 并選擇 d 。 1） 根據(jù)帶傳動總體尺寸的限制 a? 312合 [1]式 830a? 392定中心距 60 2） 計算相應(yīng)的帶長 根據(jù) [1]式 82210 1 20()2 ( )24d ?? ? ?=據(jù) 1] 表 8d=1000 3） 計算中心矩 根據(jù) [1]式 8a? 00 2?= a=355 根據(jù) [1]式 8340mm 385 6） 驗算小帶輪上的包角 根據(jù) [1]式 801 1 25 7 . 31 8 0 ( )a? ? ? ?=0? 0 （ 7） 確定帶的根數(shù) z 根據(jù) [1]式 80() P P K K??? ?? 查 [1]表 8入法得 [1]表 8 P? = [1]表 8 K?= [1]表 8K= 帶入數(shù)據(jù)得 z= z=4根。 （ 8） 確定帶的初拉力 據(jù) [1]式 8? ? ? ? 20 m i 5 q vK z v?????= [1]表 8q=m 。 帶輪的材料采用 用實心式結(jié)構(gòu)。 主動輪結(jié)構(gòu)如圖 從動帶輪結(jié)構(gòu) 第六章 軸的設(shè)計 主動軸結(jié)構(gòu)（詳見零件圖） 從動軸結(jié)構(gòu)（詳見零件圖） 第七章 箱體設(shè)計 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， 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， 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