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I 摘要 振動樁錘是慣性振動機械的一種，屬于振動利用機械中的平面雙軸式激振 器。振動樁錘是利用機械振動減少樁與土壤間的摩擦力，并依靠其自重或外加 壓力作用下達到沉樁的目的。振動樁錘分機械式和液壓式兩類，液壓振動錘應 用較少。振動樁錘采用機械式定向激振器。它由兩根裝有相同的偏心塊并相向 轉動的軸組成，兩根軸上的偏心塊所產生的離心力在水平方向上的分力相互抵 消，而垂直方向上的分力疊加。振動樁錘主要由電動機、導桿、壓縮彈簧、減 振粱、振動箱、皮帶輪等組成。具有貫入力強、沉樁質量好、堅固耐用 、故 障少、結構緊湊、低噪音、高效率、無污染等優(yōu)點。 關鍵詞：振動機械、振動樁錘、慣性振動、減振彈簧 II Abstract The vibration hammer is one kind of the inertial oscillation machinery, belongs to in the vibration use machinery the plane double shaft type driver. The vibration hammer uses friction to reduce the force between the mechanical vibrations pile and the soil, and depends upon it to be self-possessed or the sur- pressure function issues the goal of stake sinking. The vibration hammer divides the mechanical type and the hydraulic pressure type two kinds, the hydraulic pressure vibration hammer application are less. The vibration hammeruses the mechanical type direction detection driver. It is loaded with same lack of impartiality the piece and the opposite direction rotation axis by two is composed, on two axes lack of impartiality the piece produces the centrifugal force offsets or counteract one another in the horizontal side upward force component, but in vertical direction force component superimposition. The vibration hammer mainly by the electric motor, the guide rod, the compression spring, horizontal beam reducing inspires, a vibration box of body, the belt pulley and so on is composed. Has the penetrating power strongly, the quality of stake sinking is good, firm durable, the breakdown few, the structure is compact, the low noise, the high efficiency, does not have merit and so on pollution. Key words: Vibrates the machinery Vibratory pile hammer the inertial oscillation the spring reducing inspires III 目 錄 摘要 .....................................................I ABSTRACT................................................II 第 1 章緒論 ...............................................1 第 2 章 振動機械的用途、分類、工作原理及構造 .............2 2.1 振動機械的用途和分類 .........................................2 2.1.1 振動機械的組成 .........................................2 2.1.2 振動機械的用途 ...........................................3 2.1.3 振動機械的分類 ..........................................4 2.2 慣 性振動機械的工作原理與構造 .................................5 2.2.1 慣性激振器的形式 .......................................5 2.2.3 線性或近似線性的近共振類慣性機械 ........................12 2.2.4 非線性慣性振動機械 ......................................13 2.2.5 沖擊式慣性振動機械 ......................................14 2.3 樁工機械的分類和工程應用 ....................................14 2.3.1 樁工機械的分類 ..........................................15 2.3.2 樁工機械在工程技術中的應用 ..............................15 2.4 振動樁錘的工作原理和構成 ....................................15 2.4.1 振動樁錘的工作原理 ......................................15 2.4.2 振動樁錘的構成 ..........................................17 2.4.3 沉樁原理 ................................................18 第 3 章電機的選擇和計算 ..................................20 IV 3.1 選擇電動機應綜合考慮的問題 ..................................20 3.2 選擇電動機 ..................................................20 第 4 章振動樁錘的主參數計算 ..............................22 4.1 激振力的計算 ................................................22 4.2 計算實際振幅 ................................................23 4.2.1 根據提供的頻率選擇工作土壤的類型 ........................23 4.2.2 振幅 A 的確定 ............................................23 4.3 計算實際偏心力矩 ............................................24 4.4 功率的計算 ..................................................25 第 5 章減振彈簧的設計與計算 ..............................27 5.1 減振彈簧的結構選擇 ..........................................27 5.1.1 選取螺旋彈簧的類型代號 ..................................27 5.1.2 選取彈簧的材料并確定其主要性能參數 ......................27 5.2 圓柱螺旋彈簧的設計計算 ......................................27 5.2.1 確定單根彈簧的最大工作載荷 ..............................27 5.2.2 選擇旋繞比 ..............................................28 5.2.3 計算鋼絲直徑 ............................................28 5.2.4 計算彈簧中徑 ............................................28 5.2.5 計算彈簧圈數 ............................................29 5.2.6 計 算試驗載荷 ............................................30 5.2.7 自由高度 ................................................30 5.2.8 彈簧的節(jié)距 ..............................................31 5.2.9 彈簧的螺旋角 ............................................31 5.2.10 彈簧的穩(wěn)定性驗算 .......................................32 5.2.11 彈簧的強度驗算 .........................................32 5.2.12 共振驗算 ...............................................33 第 6 章 V 帶傳動的設計計算 ................................35 V 6.1V 帶 的計算 ...................................................35 6.2V 帶輪材料和尺寸的確定 .......................................35 第 7 章經濟分析與資源分析 ................................39 結論 ....................................................40 參考 文獻 ................................................41 專題論文 ................................................42 致謝 ....................................................49 附錄 1 中文譯文 ..........................................50 附錄 2 英文原文 ..........................................64 1 第 1 章緒論 在一般情況下，振動是一種不需要的、有害的現象，應該加以消除或隔離； 但在某些場合，振動式需要的和有益的，應該加以利用。 振動有益的場合很多，例如，各種樂器的振動，可形成美妙的樂音，感動 人們；人類及高等動物的耳膜振動、聲帶振動。心臟搏動及呼吸運動，則是與 生命現象緊密聯系的振動；在工程技術中，各種振動機械利用振動完成許多特 殊的工藝過程；在日常生活中，許多振動機具幫助人們擴展自己的工作能力。 隨著現代建筑業(yè)的飛速發(fā)展，樁基礎已從木樁逐漸發(fā)展為鋼筋混凝土樁或 鋼樁。校基礎的施工方法和施工機械也有了巨大的發(fā)展。樁的類型大體上可分 為兩大類：預制樁和就地灌注樁。預制樁主要采用錘擊的方法將其打入土壤中。 其施工機械也從剛開始墜錘、蒸汽錘和柴油錘，發(fā)展到振動錘。振動錘是結合 我國具體特點計算的新型產品，是公路、橋梁、機場、建筑等基礎施工的理想 設備。具有貫入力強、沉樁質量好、堅固耐用 、故障少、結構緊湊、低噪音、 高效率、無污染等優(yōu)點。 DZ 振動錘主要用于有動力電源的各建筑工地和港口、地下鐵道、橋梁、 高層建筑等樁基施工工程。它是廣泛適用于丘陵、平原、干填土和湖泊地區(qū)、 池塘淤泥層以及各種松土基礎用袋裝沙井、塑料紙板等工法加固軟基的設備。 2 第 2 章 振動機械的用途、分類、工作原理及構造 2.1 振動機械的用途和分類 振動機械在工程技術中的用途很廣泛，如振動加工，振動拉絲，振動壓印， 物料的篩分、破碎、輸送等。最近 30 多年來，應用振動原理而工作的機械 （簡稱振動機械）得到了迅速的發(fā)展，它們在礦山和冶金工廠、選煤廠、化工 廠、發(fā)電廠、鑄造廠、建筑工地、水泥廠，以及糧食和食品加工廠中得到了廣 泛的應用。據不完全統計，目前已用于手工業(yè)生產中的振動機械有幾十種之多， 例如，振動給料機、振動輸送機、振動篩、概率篩、振動離心脫水機、振動冷 卻機、振動球磨機、振動光飾機、振動落砂機、振動成型機、振動夯土機、振 搗器、振動壓路機、振動沉拔樁機、振動試驗臺、動平衡試驗機和各種形式的 激振器等。這些振動機在工業(yè)的各個部門中已發(fā)揮了重要的作用。 2.1.1 振動機械的組成 振動機械通常是由激振器、工作機體及彈性元件三個部分組成（2-1a）。 1.激振器 用以產生周期變化的激振力，使工作機體產生持續(xù)的振動。常用的激振 器有慣性激振器、彈性連桿式激振器、電磁式激振器、液壓式或氣動式激振器， 以及凸輪式激振器等。 2.工作機體或平衡機體 如輸送槽、篩箱、臺面和平衡架體等。但在 一些振動機中無平衡架體。 為了完成各種工藝過程，它們通常作周期性的運動。 3.彈性元件（彈簧） 包括隔振彈簧（其作用是支承振動機體，使機體實現所要求的 振動，并 減小傳給基礎或結構架的動載荷）、主振彈簧（即共振彈簧或稱蓄能彈簧）和 連桿彈簧（傳遞激振力等）。在一些振動機械中無彈性元件。 振動機械與其它類型的機械相比，優(yōu)點是結構簡單、制造容易、重量較輕、 金屬消耗量少、成本低、能耗小、安裝方便、維修容易等。某些振動機械也存 在著振幅不夠穩(wěn)定、調整復雜、傳給地基的振動較大、零部件工作壽命較短及 噪聲較大等缺點。 3 2.1.2 振動機械的用途 1.物料的輸送 利用振動的槽體（或管體），可使物料沿指定方向作滑行運動或拋擲運 動，從而達到輸送物料的目的。用管體封閉的振動輸送機，能輸送含有矽塵的 礦物及其它有害或有毒的物料，有利于環(huán)境保護和人體健康。這兩個優(yōu)點是其 它輸送設備所不能比擬的。 2.物料的篩分、選別、脫水、冷卻和干燥 因為振動可使物料松散地和均勻地分布于工作面上，同時在振動面上物 料受重力（在離心力場中則為離心力）、沖擊力、摩擦力和慣性力的頻繁作用， 所以在輸送物料的過程中，可有效地完成諸如篩分、脫水、冷卻和干燥等各種 工藝過程；在溜槽、滑道中安置適當的擋鐵或缺口，還可完成工件的排序或選 別。 3.物料的破碎、粉磨，物件的清理和工件的光飾 利用振動可使物料（或物件）內部的裂紋易于形成，并迅速展開；利用 振動可加劇物料（或物件）與研磨介質之間的相互摩擦和撞擊，從而可有效地 實現破碎或粉磨物料，完成物件清理、鑄件落砂和工件（或刀具）光飾等各種 工藝過程。 4.松散物料的成型與緊實 利用振動可以顯著減小物料的內摩擦系數，增加其“流動性”，因而是 物料易于成型與緊實。 5.土壤或砂石對夯實、振搗及沉拔樁等 利用振動可減小土壤、砂石和其它混合物的內摩擦力，可降低土壤對貫 入物體（樁或管）的阻力，因而可有效地完成夯土、壓路、振搗和沉拔樁等工 作，并可大大減輕工人對體力勞動。 6.儀器、機器及其零件的測試 利用激振器對機體進行振動試驗；利用振動試驗臺或振動測量儀測定儀 器、機器及其零部件的參數；利用振動原理對回轉零部件進行動平衡試驗等。 7.其它用途 利用振動可以加快鑄件或焊接結構內部形成晶粒重新排列的過程，縮短 消除內應力對時間等。 可以預料，振動機械的用途將會不斷擴大，其規(guī)格和品種將會日益增多。 它們在我國實現四個現代化的過程中將會發(fā)揮更大對作用。 4 2.1.3 振動機械的分類 利用合適的激振器、驅動工作臺面、工作管體或槽體以實現要求的振動， 達到處理特定的物料或物件，完成一定工藝過程的機械，稱為振動機械，它是 振動利用中重要而應用廣泛的一部分。 對振動機械進行分類的目的是：按照振動機械對類型，分別地對它們進 行分析研究，找出它們的共性與特性，便于了解與掌握各種振動機械的特點， 以使他們得到更合理的使用。振動機械可以按照它們的用途、結構特點以及動 力學特性進行分類。 1.按用途分類 表 2-1 按用途對振動機械進行了分類，并列舉了各種常見振動機械的名 稱。 2.按驅動裝置（激振器）的形式分類 （1）慣性式振動機（圖 2-1） 它是由慣性激振器驅動。慣性激振器通常是由偏心塊、主軸、軸承和軸 承座等所組成（圖 2-1b）。工作機體的振動是由偏心塊回轉運動時產生的周 期變化的離心力引起的。目前慣性式振動機在工業(yè)部門中得到了廣泛的應用。 例如，慣性振動篩、振動球磨機、振動落砂機、振動成型機和振動振搗器等。 圖 2-1 慣性式振動機 a）慣性振動機簡圖 b）慣性激振器 1激振器 2工作機體 3彈性元件 4偏心塊 5主軸 6軸承和軸承座 5 （2）彈性連桿式振動機 它是由彈性連桿式激振器驅動的，彈性連桿式激振器是由偏心軸、連桿 及鏈桿端部的彈簧所組成。工作機體借彈性連桿激起振動。目前用于工業(yè)中的 該類振動機有彈性連桿式振動輸送機、振動冷卻機和重介質振動溜槽機等。彈 性連桿式振動機構通常用于長度較大的振動機中。 （3）電磁式振動機 它是由電磁激振器驅動的。電磁激振器是由鐵心、線圈及銜鐵所組成。 交流電流或脈動電流通過線圈，使電磁鐵產生周期變化的電磁吸力，從而使工 作機體產生振動。目前用于手工業(yè)中的該類振動機有電磁振動給料機、電磁振 動輸送機、電磁振動篩和電磁振動試驗臺等。 （4）其它振動機 他們由風動式激振器、液壓式振動器和凸輪式振動器驅動。該類振動機 與前述三類振動機的工作原理及計算方法有所不同。 3.按動力學特性分類 表 2-2 是按照動力學特性對振動機械進行分類。分為線性非共振類振動 機、線性近共振類振動機、非線性振動機、沖擊式振動機。 除了按照前述特性進行分類外。還常常按照振動質體對數目及自由度的 數目對振動機進行分類。 2.2 慣性振動機械的工作原理與構造 2.2.1 慣性激振器的形式 慣性振動機是由帶偏心塊的慣性激振器驅動的。慣性激振器可分為以下幾 種。 1.單軸式慣性激振器 單軸式慣性激振器有兩種結構，一種如圖 2-2a 所示，一種如圖 2-3 所示。 它通常產生沿圓周方向變化的激振力。當軸兩端的偏心塊具有不同的安裝相位 時，還會產生沿圓周方向變化的激振力偶。 6 圖 2-2 各種慣性激振器 a）單軸式慣性激振器 b）、c）雙軸式慣性激振器 d）多軸式慣性激振器 圖 2-3 單軸式圓盤偏心塊 激振力幅值 P=m r（N），r=e2 7 表 2-1 振動機械按用途分類 類 別 用 途 機 器 名 稱 輸送物料類 物料輸送、給料、預防 料倉起拱、作閘門用 振動給料機；水平 振動輸送機；振動料 斗；垂直振動輸送機； 倉壁振動器 選分冷卻類 篩分、選別、脫水、冷 卻、干燥 振動篩；共振篩； 彈簧搖床；慣性四 軸搖床；重介質振動 溜槽；振動離心搖床； 振動離心脫水機； 槽式振動冷卻機；塔 式振動冷卻機；振動 干燥機 研磨清理類 粉磨、光飾、落砂、清 理、除灰 振動球磨機；振動 光飾機；振動落砂機； 振動除灰機；礦車 清底用振動器 成型緊實類 成型、緊實 石墨電極振動成型機； 耐火磚振動成型機； 混凝土預制件振動成 型機；振動造型機 振搗打樁類 夯土、振搗、壓路、沉 拔樁、挖掘、裝載、鑿 巖 振動夯土機；插入 式振搗器；附著式振 搗器；振動壓路機； 振動沉拔樁機；電 鏟振動斗齒；振動裝 載機；風動或液壓沖 擊器 試驗測試類 測示、試驗 試驗用激振器；振 動試驗臺；動平衡試 驗機；振動測試儀器 其 他 振動時效等 振動時效用振動臺 2.雙軸式慣性激振器 8 圖 2-2b 所示對雙軸式慣性激振器對兩軸，通常作反方向等速回轉，所以 當兩軸上的偏心塊質量及偏心距相等時，在 y-y 方向上兩軸偏心塊產生的慣性 力互相抵消，因此，該激振器將產生一個直線的、大小變化的激振力。當軸兩 端的偏心塊具有不同的安裝相位時（圖 2-2c），還會產生定向周期變化的激 振力偶。平面雙軸式激振器激振力的產生如圖 2-4 所示。 圖 2-4 平面雙軸式慣性激振器 激振力幅值 P/N =2 r， =0Py0m2X 3.多軸式慣性激振器 最常見的為圖 2-2d 所示的四軸式慣性激振器，通常產生兩種頻率的激振 力。 目前單軸式和雙軸式慣性激振器得到了相當廣泛的應用，多軸式慣性激 振器僅在少數機器中應用。 2.2.2 線性或近似線性的非共振類慣性振動機械 該類振動機具有以下特點： 1）振動機的彈簧剛度為常數或近似于常數。 2）機器在遠離共振的狀態(tài)下工作，工作頻率 與固有頻率 之比 ，通0z 常在 210 范圍內選取。 9 3）由于固有頻率遠小于工作頻率，所以彈簧的剛度很小，因而，傳給地 基的動載荷小，振動機有良好的隔振性能。 4）振動機通常采用單質體振動系統，構造比較簡單。 由于該類振動機具有結構簡單、隔振良好等優(yōu)點，目前在工業(yè)中應用相當 廣泛。 1.常用單軸式慣性振動機械的用途 （1）單軸慣性振動篩 單軸慣性振動篩的篩箱通常作圓周振動或近似 于圓形的橢圓運動。它通常用于選礦廠、選煤廠、水泥廠和化工廠，對各類物 料進行篩分。 （2）振動球磨機 振動球磨機用于物料的細磨與超細磨，其粉碎細度 可達幾微米。目前它在粉末冶金工廠、化工廠及其他工廠中，得到了比較廣泛 的應用。 （3）振動光飾機 振動光飾機常用來去除機械加工件、沖壓件和鍛鑄 件的毛刺和氧化皮，也可用作工件的尖邊倒圓、除銹和拋光等加工。此外，這 種加工方法還可以磨去刃具的虛刃，進而延長它的使用壽命。 10 表 2-2 振動機械按動力學特性分類表 振動機類型 動力學狀態(tài)的 特點 常用激振器對 形式 振 動 機 名 稱 線性非共振類 振動機 線性或近似于 線性非共振（ ）0:慣性激振器、風動式激振器、液壓式激振器 等 單軸或雙軸慣性振動篩；自同步概率篩；自同步振動給料機；雙軸振動輸送機；雙軸振動落砂機；單軸振動球磨機；慣性式振動光飾機；慣性振動成型機；插 入式振搗器；振動壓路機； 慣性式振動試驗臺；慣性 振動冷卻機 線性近共振類 振動機 線性或近似于 線性近共振（ ）0慣性激振器、彈性連桿式激振器、電磁激 振器等 電磁振蕩給料機；慣性式近共振給料機；彈性連桿式、慣性式及電磁式近共振輸送機；線性共振篩；槽式近共振冷卻機；振動爐排；現行 振動離心脫水機；電磁式螺 旋振動上料機 非線性振動機 非線性、非共 振（ ），0: 或近共振（ ）慣性式激振器、彈性連桿式激振器、電磁式 激振器 非線性振動給料機；非線性振動輸送機；非線性共振篩；彈簧搖床；振動離心搖床；附著式振搗器；非線性振動離心脫水機；振動 沉拔樁機 沖擊式振動機 非線性、非共 振（ ），0: 或近共振（ ）慣性激振器、電磁式激振器、風動式或液壓 式激振器等 蛙式振動夯土機；振動鉆探機；振動錘鍛機；沖擊式電磁振動落砂機；沖擊式振動造型機；振動夯土機（拋離式）；風動式沖擊器； 液壓式沖擊器 11 （4）插入式振搗器 單個插入式振搗器通常用于振搗小型的混凝土制 件。在大型工程中，可應用多個振搗器聯合工作。 （5）振動料斗 振動料斗將各種松散物料向受料裝置給料，廣泛用于 各工業(yè)部門。 （6）單軸式慣性圓錐破碎機 慣性圓錐破碎機應用范圍廣泛，除在粉 末冶金工業(yè)中用于破碎金屬碎屑、硬質金屬切割片和粒狀金屬外，尤其成功的 用于耐火材料及不同的建筑材料的破碎。例如，在金屬和鋼鐵碎片的連續(xù)再處 理廠，每小時可破碎 的粉末 50-70kg。用慣性破碎機粉碎造紙用的纖維20m 半制品，比用傳統的盤式墨跡效果好得多。慣性破碎機在冶金、建材、陶瓷、 造紙、食品、廢棄物的加工處理，以及其它許多工業(yè)部門中的道理廣泛的應用。 這對于破碎作業(yè)工藝的改革、降低能耗、提高生產率都具有實際意義。 （7）振動壓路機 振動壓路機與早期使用的依靠靜壓的壓路機相比， 用于宰割做工成長引入了振動，大大地提高了工作效率。振動壓路機是修建高 速公路、一般道路、機場、大壩等工程中不可缺少的機械設備。 2.常用雙軸式慣性振動機械的用途 （1）振動成型機(振動臺) 這種振動機是鋼筋混凝土構件廠的主要成 型機械，用于大批生產空心板、排版以及厚度不大頂梁柱構件等。 （2）振動篩 振動篩用于篩分一些松散得易分離的材料的部分。 （3）振動樁機 用于振動沉拔樁的振動樁機如圖 2-5 所示，該類機械 用于將樁沉入土壤和將已沉入土壤中的樁拔出。 （4）雙激振器振動圓錐破碎機 這種破碎機較之單軸式振動圓錐破碎 機，能獲得粒度特性好的破碎產品。在對硬度較低的鵝卵石和硬度較高的巖石 破碎試驗中，給料粒度小于 40mm，排料粒度小于 3mm 的 80以上，小于 5mm 的在 90以上，破碎產品為晶粒體，片狀體和粉狀體極少，完全達到君主制 砂的要求。 （5）振動烘干機 振動烘干機可用于糧食、藥材、食品等的烘干作業(yè) 中。 （6）垂直振動輸送機 振動輸送機常用于物料的冷卻與輸送，每臺機 器的最大輸送高度一般為 6-8m。其輸送量一般不大于 20th。 12 2.2.3 線性或近似線性的近共振類慣性機械 目前應用于工業(yè)中的線性近共振式慣性振動機械有振動爐排、慣性共振式 給料機、慣性共振式振動輸送機、慣性式共振篩等。這類振動機械具有以下特 點： 1）彈性元件（彈簧）的剛度為常數或近似于常數，所以可按線性振動系 統或近似于線性系統進行分析研究。 2）振動機械主振系統的頻率比為 ，一般為 0.751.3（常用的為0z 0.750.95），即機器在近共振情況下工作。單隔振系統的頻率比 通0z 常仍按遠超共振的狀態(tài)進行選擇，通常取 210。0z 3）由于在近共振狀態(tài)下工作，所需的集鎮(zhèn)力較小，通常為非共振類振動 機所需激振力的 1/21/8，因而其傳動部機構緊湊，尺寸小而且耐用。 4）當采用單質體振動系統時。由于缺少隔振彈簧，所以會將較大的動載 荷傳給地基。當采用雙質體系統時，雖然可以采用隔振措施，但結構較復雜， 機器重量也會相應增大。 5）近共振振動機械工作點（頻率比）的調整，要比非共振類振動機械復 雜一些。 13 圖 2-5 振動樁機 1底座 2立柱 3斜撐 4雙軸激振器 5）頂部滑輪組 2.2.4 非線性慣性振動機械 工業(yè)用非線性慣性振動機械，可分為硬特性非線性振動機械和軟特性非線 性振動機械兩類。硬特性非線性振動機械的主振固有頻率隨振幅的增加而增大， 軟特性非線性振動機械地主真固有頻率隨振幅的增加而減小。 14 非線性振動機械具有以下特點： 1）彈性元件具有非線性的性質，即彈性力與位移的關系，并非是直線關 系，彈簧剛度不是常數。 2）非線性振動機械與線性振動機械相比，具有較大的振動加速度（在頻 率與振幅相同的條件下），這有利于提高機器的工藝指標。 3）硬特性非線性振動機械工作機體的振幅，比線性振動吉祥物定得多， 使該種振動機械有較良好的工作性能。 4）某些軟特性非線性振動機械可以獲得不對稱的速度曲線，這對完成某 些工藝過程（如搖床選礦）是必不可少的。 5）對非線性振動機械，可以很方便地利用增減彈簧預壓量的方法（對彈 性力為曲線變化的壓縮彈簧），或利用調整彈簧間隙的方法（對帶有間隙的非 線性彈簧），來改變機器的工作點（頻率比）。 非線性慣性振動機械包括：非線性慣性共振篩、非線性臥式振動離心脫 水機、彈簧搖床和振動離心搖床等。前兩種為硬特性非線性共振機械，后兩種 為軟特性非線性振動機械。 2.2.5 沖擊式慣性振動機械 利用沖擊振動的機械有蛙式夯土機、振動錘鍛機、振動鉆探機、沖擊式 振動落砂機、沖擊式振動造型機等。沖擊式振動機械是非線性振動機械的一個 特例。根據理論計算與試驗都可以證明，沖擊情況下物體產生的加速度，比一 般線性振動機械工作的最大加速度大幾倍、幾十倍，甚至幾百倍。因而利用沖 擊可以產生很大的沖擊力，這對壓實土壤，使物體產生塑性變形，巖石發(fā)生破 壞或碎裂，促使鑄件上的型砂剝落都是十分重要的。 2.3 樁工機械的分類和工程應用 本次設計的 DZ 振動樁錘是振動樁機的主要組成部分，如前所述，振動樁 機屬于雙軸式慣性振動機械，是樁工機械的一種。 建筑物的全部載荷都要通過基礎傳遞給地基?；A大體可分直接基礎、樁 基礎和沉箱基礎。其中樁基礎具有承載力大，沉積量小和施工方便等特點，被 廣泛應用于手工業(yè)與民用建筑、橋梁、港口、海上井臺以及軟地基加固等基礎 工程中。樁工機械是直接完成各種樁基礎的施工機械，由樁錘或鉆具與樁架組 成。 15 2.3.1 樁工機械的分類 樁工機械按預制樁和灌注樁施工方式的分類及特點見表 2-3。 2.3.2 樁工機械在工程技術中的應用 樁工振動機械主要用于基礎的夯實、振搗與沉拔樁。利用振動可減小土壤、 砂石和其他混合物的內摩擦力，可降低土壤對貫入物體（樁或管）的阻力，因 而可有效地完成夯實、壓路、振搗、沉拔樁等。DZ 振動錘主要用于有動力電 源的各建筑工地和港口、地下鐵道、橋梁、高層建筑等樁基施工工程。它是廣 泛適用于丘陵、平原、干填土和湖泊地區(qū)、池塘淤泥層以及各種松土基礎用袋 裝沙井、塑料紙板等工法加固軟基的設備。 2.4 振動樁錘的工作原理和構成 振動樁錘是利用機械振動減少樁與土壤間的摩擦力，并依靠其自重或外加 壓力作用下達到沉樁的目的。振動樁錘分機械式和液壓式兩類，液壓振動錘應 用較少。 2.4.1 振動樁錘的工作原理 振動樁錘采用機械式定向激振器。它由兩根裝有相同的偏心塊并相向轉動 的軸組成，如圖 2-6 所示。兩根軸上的偏心塊所產生的離心力在水平方向上的 分力相互抵消，而垂直方向上的分力疊加，其合力成為激振力，其方向是激振 器兩軸連線的垂直方向，大小周期性變化，樁在這一激振的力作用下沿其縱向 軸線產生強迫振動，克服阻力而沉入土中。 16 表 2-3 樁工機械的分類及特點 類 型 施工方 式 類 別 主 要 特 點 柴油打樁 機 施工性能好，使用方便，在預制樁施工中使用最廣泛，但有 振動、噪聲及油煙污染。筒式柴油樁錘的軟土起動性能差 汽動打樁 機 以蒸氣或空氣為動力，配套設備龐大，但可作為低公害、超 大型的施工機械打入法 液壓打樁 機 以液壓為動力，沖擊力可以調節(jié)，而且低公害，可以在水下 打樁 振動法 振動沉拔 樁機 結構簡單，使用方便，效率較高，但在緊密粘土、粉沙及卵石中效果較差 預制樁施工機械 壓入法 壓樁機 以靜壓力壓樁，工作時噪聲低，無振動，但設備笨重 長螺旋鉆 孔機 可連續(xù)切土和排土，成孔速度快，適于地下水位較低的地區(qū) 施工 反循環(huán)鉆 孔機 將切下來的土制成泥漿后排出，適于地下水位較高地區(qū)及大 直徑的深基礎施工 回轉斗鉆 孔機 以伸縮鉆桿連接的鉆斗斷續(xù)取土，在地下水位較低的地區(qū)可 免去泥漿護壁 取土成 孔法 全套管鉆 孔機 在沖抓斗取土的同時將鋼管壓入土中，設備較復雜，成孔速 度慢，但對地質條件的適應能力較強 灌注樁施工機械 擠土成 孔法 與預制樁 施 工機械相 同 將鋼管打入土中，然后邊拔管邊灌注混凝土。通常采用振動 樁錘，一般適用于直徑在 500mm 以下的樁 振沖器 以水平振動力擠壓周圍土體及填料，以提高地基承載力 深層攪拌 樁機 就地將軟土與輸入的水泥漿強制攪和，使之硬結為水泥土軟地基 處理 粉噴攪拌 樁機 就地將軟土與噴入的水泥等填料強制攪和使之硬結 地下連續(xù) 墻鉆機 以多軸鉆切土，制成泥漿后排出，施工時無振動，低噪聲， 效率較高 其他施工機械 地下連 續(xù)墻 地下連續(xù) 墻抓斗 采用抓斗取土，泥漿護壁，在地質條件適宜時可干式取土 17 圖 2-6 振動樁錘 1原動機 2減振器 3 激振器 2.4.2 振動樁錘的構成 振動樁錘主要由原動機、激振器和減震器等組成。 1.原動機 振動樁錘一般采用異步電動機，但要求電動機能在強烈的振 動狀態(tài)下可靠的運轉，其次是要有較高的起動力矩和過載能力，故應選用耐振 電動機。此外，振動樁錘也有采用液壓馬達驅動的，可以實現無級調頻。 2.激振器 一般激振器都采用定向機械激振器，為了適應不同類型的樁 以及沉拔樁的要求，可以用改變偏心塊中固定塊與活動塊之間的相互位置來達 到調整偏心力矩的目的，調整頻率可以采用改變傳動比的方法來實現。 3.減振器 為了避免將振動樁錘產生的振動傳至樁架，在吊鉤與激振器 之間必須減振。減振器一般由壓縮彈簧組成，但也可采用減振橡膠。 18 2.4.3 沉樁原理 沉樁原理有強迫振動與土壤共振、強迫振動與土樁系統共振、強迫振動與 樁體共振以及振動沖擊幾種理論，它們分別是中頻振動錘、高頻振動錘、超高 頻振動錘以及振動沖擊錘的設計原理。 如強迫振動與土樁系統共振理論可將振動錘、樁和土壤的系統簡化為圖 2-7 所示的單自由度的振動系統。以振動體靜止時自然平衡位置為零點。列出 振動體微分方程式后進行推導，并令 ， ，可得出振動體的2nMnZ 振幅 224(1)mrAZ 式中 激振器的角頻率（ ）s r偏心塊的偏心距（m） 激振體的自振圓頻率（ ）n 1s 激振體的質量（kg）M m偏心塊的總質量（kg） 阻尼系數 19 圖 2-7 振動體系 由此可得出： （1）當 Z 較大時（ ），振幅趨近于一定值，這是設計振動錘所要求3 的。 （2）當 時（ ），振幅最大，即是共振工況，這時偏心力矩不n 變也可使振幅增大，但不穩(wěn)定。 20 第 3 章電機的選擇和計算 3.1 選擇電動機應綜合考慮的問題 1、根據機械的負載性質和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速 等要求，選擇電動機類型。 2、根據負載轉矩、速度變化范圍和啟動頻繁度等要求，考慮電動機的溫 升限制、過載能力和啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定通風冷卻方式。所選 電動機功率應留有余量，負荷率一般去 0.80.9。 3、根據使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐 蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護方式，選擇電動機的結構型式。 4、根據企業(yè)的電網電壓標準和對功率因數的要求，確定電動機的電壓級 數和類型。 5、根據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統的過渡過程性能的要 求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機的額定轉速。 除此之外，選擇電動機還必須符合節(jié)能要求，考慮運行可靠性、設備的 供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易，以及產品價格、建設費用、 運行和維修費用、生產過程中前后期電動機功率變化關系等各種因素。 根據參考文獻7中表 16-1-5、16-1-6、16-1-8、16-1-20 可知：振動樁 錘的電動機屬于帶周期性變動負載的機械或啟動條件沉重的無調速要求的機械， 故而采用繞線型電動機。電機外殼防護為 IP44。 3.2 選擇電動機 根據振動頻率和所需電機功率，并參照文獻7中表 16-1-44，選擇 YH 系 列高轉差率三相異步電動機。該系列電動機是 Y（IP44）派生系列，轉差率高， 啟動轉矩大，啟動電流小，機械特性軟，能承受沖擊載荷。電動機轉子采用高 電阻鋁合金制造。冷卻方式為 IC0141，B 級絕緣。所選電動機的型號及主要參 數如表 3-1 所示。 21 表 3-1 所選電動機的主要性能參數 型 號 YH280S-4 額 定 功 率 75 轉速 minr 1395 minr 電流 A 144 負載持續(xù)率 15 轉差率 7 效率 86 在額定功率時 功率因數 cos0.92堵 轉 電 流 額 定 電 流 5.5堵 轉 轉 矩 額 定 轉 矩 2.6最 大 轉 矩 額 定 轉 矩 2.6 轉動慣量 2kgm: 1.12 質量 kg 同步轉速 1500 inr 562 根據公式計算工作時電機的實際轉速： = =DT950NPn1 式中 電動機轉矩（ ） m: 額定功率 =75kWNNP 額定轉速 =1480r/minnn 實際功率 =60kW0P0 實際轉速（r/min）1n 將數據代入公式得 =1116r/min， =513.44 。1DTNm: 22 第 4 章振動樁錘的主參數計算 振動樁錘采用機械式定向激振器。它由兩根裝有相同的偏心塊并相向轉動 的軸組成，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， 而垂直方向上的分力疊加，其合力即激振力 F=2 20sinmr 式中 偏心塊的質量（kg）0 r 偏心塊的偏心距（m） 激振器的角頻率（ ） =301s1s 離心力與垂線的交角（ ） 4.1 激振力的計算 激振力 F 是反映振動樁錘綜合能力的參數，樁在土中沉入時，激振器的激 振力 F 必須大于樁與土之間的摩擦阻力。根據給定的參考參數，當 =90 時， 激振力幅值 =276kN，將數據代入公式 F=2m 20sinmr 可得到 =15.54kgm。0r 又 2 r= ( =A= )0mM39.510m 可得激振體質量 =3250kg。 23 4.2 計算實際振幅 4.2.1 根據提供的頻率選擇工作土壤的類型 按照表 4-1 和給的參考振動頻率值： =94.25 ， 不難看出該振動樁錘1s 所配套的振動打樁機的工作土壤類型是：塑性粘土及含砂粘土。 4.2.2 振幅 A 的確定 激振器振幅是影響樁在土中沉入的主要因素。當振幅很小時，沉入并不發(fā) 生，只有當振幅超過某一定植時，才可能實現沉樁。 表 4-1 振動頻率參考表 地層類型 最佳頻率 1 s 含飽和水的砂石土 100200 塑性粘土及含砂粘土 90100 堅實粘土 7075 含礫石的粘土 6070 含砂的礫石土 5060 任務書中給的振幅值是 A9.5mm，實際振幅的計算公式如下， （4-1） 2024(1)ZmrM （ ， ）nn 式中 同上 激振體的自振圓頻率（ ）n 1s 激振體的質量（kg）M 同上0m 同上r 24 阻尼系數（ ）kgs 對于減振彈簧應滿足減振條件： 3，取 =4，可得Z =7.5 。n1 一個質量、n（n=8）個彈簧并聯組成的彈簧質量系統的固有頻率 =n8KM 由此式可得彈簧剛度 = 。52.10Nm 又 8K 彈簧的內阻力系數， 3.510s 將數據帶入此式中可得阻尼系數 =86059.5kgs 因此 =0.562nM 將以上計算所得數據代入公式（4-1）得實際計算振幅 。39.710Am 4.3 計算實際偏心力矩 激振器偏心力矩的大小對振動樁錘的性能又至關重要的影響，偏心力矩 愈大，克服硬質土層的能力愈強。計算公式 02Mgr 將 =15.54kgm， 代入上式得0mr9.8gms 25 。034.58MNm: 4.4 功率的計算 功率包括維持振動所需的功率 和機械損耗的功率 ，振動樁錘的總功1P2P 率 （4-2）12 在非共振工況時振動所耗的功率 （4-3） 23415sin10mrPM （4-4）arci()AF 式中 m振動樁錘偏心塊的總質量（kg）， 02m 相位角（ ），即振幅滯后于激振力的角度 其他同前 將各參數數值代入公式（4-4）計算得出 相位角 =16.6 。 因此，將計算所得數值代入公式（4-3）可得 振動所消耗的功率 =35.49kW。1P 機械損耗功率大部分消耗在軸承的摩擦發(fā)熱上，其消耗的功率 34250kmrd 式中 考慮其他機械損耗的系數， =1.15k 滾動軸承的當量摩擦系數， =0.005 26 滾動軸承的內徑， =0.06mdd 其他參數同前 將數據代入公式可得 機械損耗的功率 =4.48kW。2P 然后把 和 的數值代入公式（4-2）可得1P2 振動樁錘的總功率 =39.97kW。 27 第 5 章減振彈簧的設計與計算 5.1 減振彈簧的結構選擇 彈簧剛度在前面已經算出： = 。K52.10Nm 減振彈簧一般是壓縮彈簧，選取圓形截面的螺旋壓縮彈簧，其主要性能與 應用：特性線呈線性，剛度穩(wěn)定，結構簡單，制造方便，應用較廣，在機械設 備中多用作緩沖，減振，以及儲能和控制運動等。 5.1.1 選取螺旋彈簧的類型代號 根據參考文獻4中表 11-2-1 選取彈簧類型：冷卷壓縮彈簧 Y，兩端 圈并緊并磨平，支承圈數 。21.5n: 5.1.2 選取彈簧的材料并確定其主要性能參數 根據彈簧所受載荷特性及要求，選取 B 類油淬火回火硅錳合金彈簧鋼絲， 許用應力參照文獻5中表 8-10 按受類載荷的彈簧考慮，其 （0.350.4） 。材料的抗拉強度 與鋼絲直徑有關。這里使用的減振彈bb 簧的鋼絲直徑比較大，所以 1600 ，再由文獻5中表 2-103 得切變baMP 模量 G 。取試驗切應力 。378.10aP0.356sbaMP 5.2 圓柱螺旋彈簧的設計計算 5.2.1 確定單根彈簧的最大工作載荷 最大工作載荷 ：對上彈簧取最大加壓力 ；maxFmax上 12034kNF 對下彈簧取最大拔樁力 。下 5 37. 28 5.2.2 選擇旋繞比 根據文獻5中初選旋繞比 C5，則 曲度系數 。140.61.3K 5.2.3 計算鋼絲直徑 計算鋼絲直徑公式為 1.6FCd 將參數值代入公式中得到 上彈簧鋼絲直徑 29.97mm；上 下彈簧鋼絲直徑 33.5mm。下d 參照表 5-1 選取系列值， 30mm， 35mm。上 下 表 5-1 彈簧材料直徑系列（mm） 0.1 0.12 0.14 0.16 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.6 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 6.0 8.0 10 12 16 第一 系列 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 5.2.4 計算彈簧中徑 計算公式為 DCd 由此可得 上彈簧中徑 450mm；上 29 下彈簧中徑 175mm。下D 參照表 5-2 選取系列值， 150mm， 170mm。上 下 5.2.5 計算彈簧圈數 根據文獻5中表 8-13 中式 ，得到彈簧圈數計 4348FGdDKfnC 算公式 n 43 代入參數值可得 上彈簧圈數 10.5 圈；上 下彈簧圈數 13.4 圈。下n 按照表 5-3 選取系列值， 10.5 圈。 13.5 圈。上 下 兩端各取 1 圈支承圈，則彈簧的總圈數由公式 1之 +n 得 上彈簧總圈數 12.5 圈；1上 下彈簧總圈數 15.5 圈。下n 30 表 5-2 圓截面材料彈簧中徑 D 系列（mm） 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.5 2.8 3 3.2 3.5 3.8 4 4.2 4.5 4.8 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 10 12 14 16 18 20 22 25 26 30 35 38 42 45 48 50 2 52 55 58 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 320 340 360 380 400 450 500 550 600 650 700 表 5-3 壓縮彈簧的有效圈數 n 系列（圈） 2 2.25 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5 4.75 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15 16 18 20 22 25 28 30 5.2.6 計算試驗載荷 根據式 , 3sdF=8D 得上下彈簧的試驗載荷分別為 ， 。s上 43.9610Ns下 45.10N 5.2.7 自由高度 因為采用的是 Y型端部結構，受力均勻性好。其自由高度計算公式 0H nt+1.5d 節(jié)距 t 的估算公式是 1ft= 式中 0.1d，f工作載荷下彈簧的形變量， 。1 maxFf=K 31 對上彈簧，有形變量 133mm，節(jié)距 45.7mm，上f上t 自由高度 524.9mm。0上H 對下彈簧，有形變量 167mm，節(jié)距 50.8mm，下f下t 自由高度 738.3mm。0下 參照表 5-4 取系列值， 550mm， 750mm。0上H下 表 5-4 壓縮彈簧自由高度尺寸系列（mm） 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 24 26 28 30 32 35 38 40 42 45 48 50 52 55 58 30 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 130 140 150 160 170 180 190 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 450 480 500 520 550 580 600 620 650 680 700 720 750 780 800 850 900 950 1000 5.2.8 彈簧的節(jié)距 節(jié)距計算公式 0H 1.5dt=n 代入數據，得上下彈簧的節(jié)距分別為 48mm， 52mm。上t下t 5.2.9 彈簧的螺旋角 螺旋角計算公式如下 t=arcnD 將前面計算所得數據代入上式中，可得上下彈簧的螺旋角分別為 32 5.8， 5.5。上下 符合一般要求 。 5 9 5.2.10 彈簧的穩(wěn)定性驗算 上下彈簧均采用兩端固定支承，其高徑比計算公式 0Hb=D 因此，上下彈簧的高徑比分別為 3.7， 4.4上 下 按照文獻5中表 7-3 所列可知上下彈簧的高徑比 b 均小于極限高徑比 5.3，滿足穩(wěn)定性要求。 5.2.11 彈簧的強度驗算 對于變載荷作用次數 次彈簧，必須進行疲勞強度可靠度計算，以預3N10 防可能出現的疲勞斷裂。 由于振動樁錘實在 900r/min 左右的高速下帶動偏心塊旋轉，形成上下振 動進行沉、拔樁作業(yè)的振動彈簧在動載荷作用下工作，所以必須進行疲勞可靠 性計算。 計算公式 安全系數 0minpax .75S=S 式中 彈簧在脈動循環(huán)載荷下的剪切疲勞強度，參照文獻0 4中表 11-2-16 選取 480MPa；0b .3 最大工作載荷所產生的最大切應力，max 1maxax38KDF d 最小工作載荷所產生的最小切應力，in 33 1minin38KDF=d 許用安全系數，取 1.31.7。pSpS 對于減振彈簧，最小工作載荷等于彈簧的預緊力，減振彈簧安裝條件為： 加壓沉樁或拔樁工況下，上彈簧并圈時下彈簧安裝尺寸不能大于其自由長度； 下彈簧并圈時上彈簧安裝尺寸不能大于其自由長度，可根據此條件確定上彈簧