吳 帥，薄延偉

WU Shuai, BO Yan-wei

（中國礦業(yè)大學 機電工程學院，徐州 221008）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的進步，消振、減振、隔振和降噪的研究得到了迅速的發(fā)展，并在實際中得到大量的應用，對提高產品質量和保護生產環(huán)境起到了保證作用；而振動利用的研究，也取得了豐碩成果[1]。其中，振動沉拔樁機廣泛應用于土木建筑施工當中。振動壓樁法是依靠液壓靜力將預制樁完全、平穩(wěn)和安靜地壓入軟弱地基，并利用振動機械系統(tǒng)來減振和隔振的一種方法，它是一種新型的樁基礎施工方法。與傳統(tǒng)的錘擊式打樁機相比，振動壓樁機施工時具有無噪聲、無油污飛濺等環(huán)境污染的特點，施工質量好、使用費用低[2]。此研究建立了虛擬模型，逐步改變初始參數(shù)，在不同初始狀態(tài)下，通過生成的樁機各部分運動軌跡等相關曲線來分析各部件的位移、速度、加速度以及能量等的情況，從而找到結構參數(shù)不合理的地方，進一步優(yōu)化。

1 振動沉拔樁機工作原理簡介

振動沉拔樁機由振動樁錘和通用樁架組成。振動樁錘是利用機械振動法使樁沉入或拔出。振動樁錘主要裝置為振動器，利用振動器所產生的激振力，使樁身產生高頻振動[3]。

振動器產生激振力的方法如下：振動器都是采用機械式振動器，是由兩根裝有偏心塊的軸組成。這兩根軸上裝有相同的偏心塊，但兩根軸相向轉動。這時兩根軸上的偏心塊所產生的離心力，在水平方向上的分力互相抵消，而其垂直方向上的分力則迭加起來。

2 建模及仿真

本課題所研究的慣性式振動沉拔樁機由樁機支架、夾樁機構、壓樁機構和偏心激振系統(tǒng)組成。其中夾樁機構采用抱壓式夾樁：通過四個側面的液壓缸桿的壓力“抱”住樁體側面，由此產生強大的摩擦力，使壓樁時保持夾持牢固，達到運動平穩(wěn)的效果。壓樁機構由四個倒立的輸有壓力油的液壓缸機構組成，通過液壓缸桿與夾樁機構連結，來傳遞壓力情況及運動變化。偏心激振系統(tǒng)采用雙軸式慣性激振的形式，兩軸上的偏心距和質量相等的偏心塊在電機的帶動下相向轉動，產生的離心力在水平方向上的分力互相抵消，在垂直方向上的分力疊加，從而激振器產生一個直線方向變化的激振力，使樁機產生豎直方向的振動[4]。激振系統(tǒng)采用兩組共四個偏心塊，每組的兩個偏心塊通過一組螺栓連接成一定的角度，通過調整偏心塊的角度大小，達到不同的激振效果，適用于不同的壓樁環(huán)境。具體總體結構如圖1所示。

樁機建模初步完成之導入Adams中，各種設置情況如圖1中所示。

圖1 振動沉拔樁機的ADAMS三維實體模型

3 樁機三維實體的仿真分析

振動沉拔樁機工作時，首先夾緊液壓缸桿向相運動直到碰到樁體，并在液壓力的作用下，夾緊樁體；夾樁的動作完成后，沉拔樁液壓缸中的高壓油推動活塞桿,帶動夾樁機構向下壓樁或向上拔樁，與此同時，偏心塊的轉動使底座上層和沉樁液壓缸都在豎直方向產生頻率為10Hz的振動，振動通過高壓的液壓油的振蕩傳給活塞桿，進而傳到樁體。下面對樁機模型進行運動學仿真分析。

1）夾樁機構在豎直方向上的位移變化曲線

圖2 夾樁機構位移變化曲線

由夾樁機構位移曲線可以得出，壓樁周期為7s左右，在一個周期內，壓樁時間5s，回程時間2s，壓樁過程時間長于回程時間，保證了樁機的工作效率。壓樁行程為0.22m。

2）夾樁機構在豎直方向上的速度變化曲線

由夾樁機構速度曲線可以得出，在壓樁過程中，由于偏心塊的旋轉帶動隔振彈簧的振動，夾樁機構隨之產生正弦曲線運動；在回程中，由于電機停轉，振動消失，夾樁機構回程平穩(wěn)，基本按直線運動。

圖3 夾樁機構速度變化曲線

3）夾樁機構在豎直方向上的加速度變化曲線

圖4 夾樁機構加速度變化曲線

夾樁機構的加速度和速度情況相對應，在壓樁過程中，基本按正弦曲線運動，在回程中，由于速度恒定，所以加速度維持為零。

4）夾樁機構能量變化曲線

圖5 夾樁機構能量變化曲線

夾樁機構的能量是由動能、彈性勢能和自身重力勢能相互疊加的結果，較為復雜，沒有確定規(guī)律。

5）壓樁機構位移變化曲線

由壓樁機構位移曲線可以得出，壓樁機構按正弦曲線運動，且振幅為A=0.0038m=3.8mm左右，與理論設計的3.5mm基本相符。

4 結論

建立振動沉拔樁機的三維模型利用動力學分析軟件ADAMS軟件對慣性式振動樁機模型進行了運動仿真分析，通過零部件的位移、速度、加速度、能量等相關曲線，使慣性式振動沉拔樁機的仿真分析充分展現(xiàn)。通過對慣性式振動樁機的運動仿真分析，能在設計階段預知樁機的驅動性能，仿真精度高。利用運動學分析軟件可以直接修改結構參數(shù)對振動沉拔樁機的結構進行改造，減少人工作用的時間和費用。通過仿真分析可以大大提高設計效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)產品的成本，將會使大型機械設備的動態(tài)性能得到改善與提高，克服一些現(xiàn)在設計的缺陷和不足。

圖6 壓樁機構位移變化曲線

[1]聞邦椿, 劉樹英, 張純宇. 機械振動學[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2000.

[2]朱建新, 何清華. 液壓靜力壓樁機的研究開發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[D]. 長沙: 中南大學, 2004.

[3]張益群, 李永福. 振動利用的廣泛性和多學科性[J]. 昆明: 昆明理工大學學報, 2001, 26(5), 122-126.

[4]張曉偉. “三化”綜合設計法及其在振動沉拔樁機設計中的應用[D], 沈陽: 東北大學, 2005.