李小彭，趙光輝，梁亞敏，聞邦椿

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819)

隨著高層建筑對樁基礎(chǔ)要求和社會對建筑施工環(huán)境要求的不斷提高，液壓振動沉拔樁機(jī)憑借其獨(dú)特的性能和優(yōu)勢，已逐漸成為各種研究和發(fā)展的重點(diǎn)［1］。作為樁機(jī)的核心，液壓系統(tǒng)的工作性能對樁機(jī)的動態(tài)性能起著至關(guān)重要的作用。因此，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性研究，尋找提高動態(tài)特性的方法和途徑，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配和最優(yōu)控制，具有重要的工程意義［2－3］。

為了提高液壓系統(tǒng)動態(tài)性能，以提高沉樁效果，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究［4－6］。聞邦椿等［7－9］提出了值得深入研究和發(fā)展的新學(xué)科“振動摩擦學(xué)”，建立了新型液壓振動沉拔樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將振動利用延伸到振動摩擦機(jī)理及動力學(xué)特性研究領(lǐng)域。胡均平等［10］在液壓靜力沉樁機(jī)的液壓系統(tǒng)中添加一個(gè)振動油路，得以實(shí)現(xiàn)振動壓樁，并利用功率鍵合圖建立了該油路的動態(tài)力學(xué)模型。Sasaki等［11］提出了由一個(gè)比例螺旋閥和一個(gè)高速啟閉的螺旋閥控制2個(gè)單桿活塞的液壓振動系統(tǒng)，并研究通過調(diào)節(jié)壓力、頻率和電壓等實(shí)現(xiàn)對振動頻率、振幅等參數(shù)的控制。

本文在前期研究基礎(chǔ)上［12－13］，基于振動沉拔樁機(jī)力學(xué)模型，建立了以旋轉(zhuǎn)閥為核心的新型液壓振動沉拔樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，并仿真分析了旋轉(zhuǎn)閥參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和沉樁的影響，得到了旋轉(zhuǎn)閥最佳參數(shù)，為實(shí)際建筑工程施工中合理選擇參數(shù)，提高工作效率提供依據(jù)。

1 振動沉拔樁機(jī)動力學(xué)建模

振動沉拔樁機(jī)與土體相互作用，構(gòu)成了一個(gè)振動系統(tǒng)，由于土體的參振，該系統(tǒng)具有來自于土的沉樁阻力。在液壓激振力的作用下，基座和樁體可視為作兩自由度的受迫振動。根據(jù)文獻(xiàn)［14］的假設(shè)，建立如圖1所示的力學(xué)模型。其中，液壓激振力F(t)=F0sin wt;m1為樁機(jī)機(jī)座的總質(zhì)量;m2為樁的質(zhì)量;k0為隔振彈簧剛度;k1為液壓缸剛度系數(shù);k2為樁周土彈性變形系數(shù);c1為液壓缸粘滯阻尼系數(shù);c2為樁周土粘滯阻尼系數(shù);x1為機(jī)座位移;x2為樁體位移;f(x2，x·2)為沉樁阻力。樁在下沉過程中，分別受到了樁端阻力、樁側(cè)摩擦力以及動剛度和阻尼的作用，參考作者前期研究結(jié)果［15］，樁端阻力可以表達(dá)為

樁側(cè)摩擦力以及動剛度和阻尼可以表達(dá)為

圖1 振動沉樁系統(tǒng)的力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of vibratory piling machine-soil system

2 振動沉拔樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型

2.1 周期激勵(lì)液壓系統(tǒng)模塊

液壓振動沉拔樁機(jī)是靠液壓激振力和振動原理將樁打入地下的，液壓激振系統(tǒng)應(yīng)能產(chǎn)生穩(wěn)定的周期激振力，并能夠控制振動沉拔樁機(jī)的振動頻率和振幅。為了得到周期性流量曲線，在AMESim中設(shè)計(jì)周期激勵(lì)液壓系統(tǒng)模塊，模型如圖2所示。

圖中換向閥7的輸入信號為周期信號，其平均值為1，頻率為20 Hz，換向閥8的輸入信號為階躍信號，其平均值為0，頻率為10 Hz。周期信號和階躍信號相乘得到如圖3所示的激勵(lì)信號，此激勵(lì)信號帶動換向閥7變換方向，是液壓系統(tǒng)得到相應(yīng)的周期液壓激勵(lì)。

2.2 旋轉(zhuǎn)閥超模塊

旋轉(zhuǎn)閥是一類特殊用途閥門，為了實(shí)現(xiàn)樁機(jī)的連續(xù)沉樁，并獲得周期振動激勵(lì)，建立如圖4所示的樁機(jī)用柱塞式旋轉(zhuǎn)閥模型。

圖2 周期激勵(lì)液壓系統(tǒng)模塊模型Fig.2 Module model of periodically excited hydraulic system

圖3 換向閥7激勵(lì)信號Fig.3 Excitation signal of the reversing valve 7

圖4 樁機(jī)用旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of rotary valve

圖5 旋轉(zhuǎn)閥超模塊Fig.5 Super module of rotary valve

圖4 中，閥芯上有五個(gè)通孔，其中1、2、4為壓力油孔，3、5為回油孔。閥套在通孔位置對應(yīng)有五個(gè)圓孔，分別在閥芯一定位置時(shí)與閥芯通孔相通。在上述周期液壓激勵(lì)作用下，可以得到周期流量曲線，并實(shí)現(xiàn)液壓流量的改變，完成了旋轉(zhuǎn)閥的功能，可以作為旋轉(zhuǎn)閥的替代模型。為了使樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真模型更加簡單明了，并接近以旋轉(zhuǎn)閥為核心的實(shí)際運(yùn)行情況，利用AMESim中的超模塊工具，建立旋轉(zhuǎn)閥超模塊，如圖5所示。其中圖中的1－6接口分別與圖2中的(1)－(6)接口一一對應(yīng)。

旋轉(zhuǎn)閥油孔1、4與液壓缸上腔連接，油孔2與液壓缸下腔連接。旋轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)的一個(gè)周期為四個(gè)階段:第一階段中，油孔1、4連通，振動泵和沉樁泵提供的液壓油都進(jìn)入液壓缸上腔，使液壓桿下降，完成沉樁。液壓缸下腔的液壓油通過旋轉(zhuǎn)閥的孔5流回油箱;第二階段中，油孔1、4關(guān)閉，孔2連通，此時(shí)只有振動泵提供的液壓油流入液壓缸下腔，使液壓桿上升，完成拔樁，經(jīng)過第一階段和第二階段，樁完成一次振動。第三階段和第四階段與前兩個(gè)階段完全相同。因此，旋轉(zhuǎn)閥完成一次旋轉(zhuǎn)，樁振動兩次。

2.3 振動沉拔樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型

根據(jù)上述基礎(chǔ)及樁機(jī)動力學(xué)模型，在AMESim中建立樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，如圖6所示。

圖6 振動沉拔樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型Fig.6 Experiment system model of vibratory piling machine

圖6 中，振動泵1為系統(tǒng)持續(xù)提供液壓油，沉樁泵2間斷地為系統(tǒng)提供液壓油，與旋轉(zhuǎn)閥4共同為系統(tǒng)提供振動激勵(lì)。液壓缸10為上層液壓缸，液壓缸19為下層液壓缸。當(dāng)換向閥7處于右位，換向閥8處于左位時(shí)，液壓油分別進(jìn)入上，下兩層液壓缸，實(shí)現(xiàn)雙沉樁;當(dāng)換向閥7處于右位，換向閥8處于中位時(shí)，液壓油通過閥7的B口進(jìn)入上層液壓缸10，使上層液壓缸沉樁，液壓缸10下口流出的液壓油進(jìn)入下層液壓缸19的下口，使液壓缸19回程，實(shí)現(xiàn)上沉樁，下回程;當(dāng)換向閥7處于左位，換向閥8處于中位時(shí)，液壓油通過閥7的A口和閥8的A口進(jìn)入下層液壓缸19，使其沉樁，缸19下口流出的液壓油進(jìn)入上層液壓缸10的下口，使其回程，實(shí)現(xiàn)上回程，下沉樁。從而通過換向閥7、8工作位置的不同，共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)沉樁。圖中17、22為樁側(cè)摩擦力F2函數(shù)，18、23為樁端阻力F1函數(shù)，與速度和位移傳感器、節(jié)點(diǎn)等共同組成了樁在下沉過程中的受力情況。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型的數(shù)值仿真分析

為了分析旋轉(zhuǎn)閥各參數(shù)對系統(tǒng)沉樁的影響，分別改變旋轉(zhuǎn)閥的孔徑大小和旋轉(zhuǎn)頻率，得到各組關(guān)系曲線并進(jìn)行分析，以求得到旋轉(zhuǎn)閥以及系統(tǒng)工作的最佳參數(shù)。

為了方便研究各參數(shù)對振動沉樁的影響，將下面的參數(shù)設(shè)置為初始值。液壓缸內(nèi)徑D=80 mm，活塞桿直徑d=56 mm，缸筒厚度 δ=10 mm，活塞行程 S=12/5 mm;振動泵轉(zhuǎn)速 n1=2 400 r/min，排量 v1=80 mL/r;沉樁泵轉(zhuǎn)速n2=1 500 r/min，排量v2=32 mL/r;蓄能器容積為0.4 L，公稱壓力為31.5 MPa;激振力幅值F0=100 kN;機(jī)座質(zhì)量為m1=193.237 kg;夾樁箱質(zhì)量為 m2=45.204 kg。

3.1 旋轉(zhuǎn)閥孔徑對系統(tǒng)沉樁的影響

旋轉(zhuǎn)閥在裝置中的作用相當(dāng)于一個(gè)計(jì)量泵，旋轉(zhuǎn)閥閥體入口段和出口段相當(dāng)于一個(gè)離心泵的吸水室和壓水室，其結(jié)構(gòu)形狀對整機(jī)效率影響很大。閥體入口段孔徑過大則會造成旋轉(zhuǎn)閥下方的液壓油向上泄漏量加大，在入口段形成較大的回流，阻礙液壓油的流通;孔徑過小，同樣也會阻礙液壓油的流動，降低系統(tǒng)工作效率。在此研究系統(tǒng)振動頻率為10 Hz的情況下，分別取旋轉(zhuǎn)閥孔徑為8、10和15 mm，得到各孔徑下旋轉(zhuǎn)閥的流量曲線和沉樁位移曲線如圖7和圖8所示。

由圖7(a)、(b)和(c)可以看出，在孔徑為8 mm和10 mm時(shí)，a口的流量較為穩(wěn)定，沒有明顯的振動，當(dāng)孔徑為15 mm時(shí)，每逢開口達(dá)到最大時(shí)，流量就會有一定的振動;由圖7(d)、(e)和(f)可以看出，每逢孔徑開口為最大時(shí)，流量都會有一定的振動，但是隨著孔徑的增大，流量振動就有所減小。通過綜合比較，當(dāng)孔徑為10 mm時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性最好。由圖8可以看出，3種口徑時(shí)最大沉樁量基本相同，但是孔徑越大，沉樁效率越高，到達(dá)最大沉樁量的時(shí)間越短。

通過綜合比較旋轉(zhuǎn)閥孔徑對系統(tǒng)流量和沉樁的影響，當(dāng)孔徑為10 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥的流量比較穩(wěn)定，系統(tǒng)沉樁的穩(wěn)定性也較好。所以在工程實(shí)際中，建議選擇旋轉(zhuǎn)閥孔徑為10 mm，以使系統(tǒng)擁有更好的工作特性和更高的穩(wěn)定性。

圖7 不同孔徑下旋轉(zhuǎn)閥的流量曲線Fig.7 Flow curves of rotary valve in different apertures

圖8 不同孔徑下系統(tǒng)的最大沉樁位移曲線Fig.8 Maximum displacement curves of system in different apertures

3.2 旋轉(zhuǎn)閥頻率對系統(tǒng)沉樁的影響

研究旋轉(zhuǎn)閥孔徑為10 mm的情況下，分別取旋轉(zhuǎn)閥頻率為10、20和30 Hz，得到各頻率下旋轉(zhuǎn)閥的流量曲線和沉樁位移曲線如圖9和圖10所示。

由圖9(a)、(d)可知，頻率為10 Hz時(shí)，雖然系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但是每當(dāng)b口開啟最大時(shí)，系統(tǒng)都會有一定的波動;圖9(c)、(f)可知，頻率為30 Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥a口、b口的流量一直處于不穩(wěn)定狀態(tài);頻率為20 Hz時(shí)，雖然旋轉(zhuǎn)閥從起始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間較長，但是進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，流量沒有明顯的波動，一直比較穩(wěn)定。從圖10可以看出，頻率為20 Hz時(shí)，樁的位移最大，頻率為30 Hz時(shí)樁的位移最小。整體分析，雖然20 Hz時(shí)樁進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間比10 Hz時(shí)較慢，但是在最大沉樁量上有更大的優(yōu)勢。

綜合比較頻率對流量和沉樁的影響，當(dāng)頻率為20 Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)閥流量比較穩(wěn)定，沒有明顯的波動，可以保證系統(tǒng)更高的穩(wěn)定性;同時(shí)，在沉樁過程中，樁能很快從起振狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而且沉樁量也最大，所以在工程實(shí)際中，建議旋轉(zhuǎn)閥工作頻率為20 Hz。

4 實(shí)驗(yàn)研究

通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證五口旋轉(zhuǎn)閥式振動沉拔樁機(jī)的可行性，通過B＆K數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)測得相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)閥對系統(tǒng)沉樁的動態(tài)特性的影響。試驗(yàn)系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成，實(shí)物圖如圖11所示。

油泵采用LSJ－4×400型拉伸機(jī)油泵;旋轉(zhuǎn)閥為四通旋轉(zhuǎn)閥，孔徑為10 mm;旋轉(zhuǎn)閥驅(qū)動電機(jī)型號為Y100L－2，技術(shù)規(guī)格如下:頻率:50 Hz，轉(zhuǎn)速:2 880 r/min，功率:3 kw;傳感器為4506型加速度傳感器;測控系統(tǒng)采用丹麥B＆K公司研發(fā)的3560 Pulse數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，由于旋轉(zhuǎn)閥通流周期為10 ms，所以設(shè)定采樣周期為2 ms，采樣時(shí)間為120 ms。得到液壓桿的加速度曲線如圖12所示。

圖9 不同頻率下旋轉(zhuǎn)閥的流量曲線Fig.9 Flow curves of rotary valve in different frequencies

圖10 不同頻率下系統(tǒng)的最大沉樁位移曲線Fig.10 Maximum displacement curves of system in different frequencies

圖11 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.11 Real graph of the experimental system

由圖12可以看出，兩條加速度曲線周期性非常明顯，周期都為10 ms，頻率為100 Hz。旋轉(zhuǎn)閥控制電機(jī)的頻率為50 Hz，但是由于旋轉(zhuǎn)閥旋轉(zhuǎn)一周，閥孔接通兩次，所以旋轉(zhuǎn)閥的連通頻率為100 Hz，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。(b)比(a)周期規(guī)律更明顯，這是由于旋轉(zhuǎn)閥閥孔的開通狀態(tài)與關(guān)閉狀態(tài)交替出現(xiàn)，周期規(guī)律變化正是旋轉(zhuǎn)閥的閥孔從開通到關(guān)閉一個(gè)周期過程中液壓桿的加速度變化規(guī)律。其它不規(guī)律的震蕩是由于在關(guān)閉區(qū)間油路壓力較大，旋轉(zhuǎn)閥出現(xiàn)泄露現(xiàn)象所致。液壓桿進(jìn)程時(shí)的加速度變化振動較大，回程時(shí)的加速度比較平穩(wěn)，這一方面是由于進(jìn)程時(shí)承受載荷所致，另一方面回程時(shí)液壓油進(jìn)入有桿腔，在流量一定的情況下，由于有桿腔橫截面積小，所以回程時(shí)加速度會更大。這樣，更能縮短液壓桿回程的時(shí)間，提高工作效率。

圖12 液壓桿的加速度曲線Fig.12 Acceleration curves of hydraulic piston-rod

5 結(jié)論

(1)以周期振動理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了樁機(jī)用五口旋轉(zhuǎn)閥模型，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)沉樁，可以有效地提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

(2)對樁機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行了仿真，得到了旋轉(zhuǎn)閥各參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和沉樁的影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)閥孔徑為10 mm，旋轉(zhuǎn)頻率為20 Hz時(shí)，系統(tǒng)工作特性最好，沉樁效率最高。

(3)在旋轉(zhuǎn)閥的閥孔從開通到關(guān)閉一個(gè)周期過程中，液壓桿的加速度呈周期規(guī)律變化。此結(jié)果與預(yù)期結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)閥式液壓激振系統(tǒng)的可行性和旋轉(zhuǎn)閥理論分析的正確性。

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