便攜式打樁機(jī)激振器的設(shè)計(jì)

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便攜式打樁機(jī)激振器的設(shè)計(jì)

目錄

第一章 緒論

1.1其他團(tuán)體對(duì)打樁機(jī)的研究

1.1.1震動(dòng)打樁機(jī)的原理

1.1.2對(duì)偏心塊和電動(dòng)機(jī)的研究的

1.2結(jié)論

第二章 總體設(shè)計(jì)

2.1課程設(shè)計(jì)的要求

2.2打樁機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

2.3設(shè)計(jì)參數(shù)

第三章 偏心輪設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)步驟

3.1.1材料選擇

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

3.2設(shè)計(jì)結(jié)果

第四章 齒輪設(shè)計(jì)

4.1齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2齒輪強(qiáng)度校核

第五章 帶輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

5.1傳送帶的設(shè)計(jì)

5.2帶輪設(shè)計(jì)

第六章 軸的設(shè)計(jì)

6.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第七章 箱體設(shè)計(jì)

7.1箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)打樁機(jī)的研究

振動(dòng)沉拔樁機(jī)是隨著振動(dòng)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(dòng)機(jī)械的模型試驗(yàn)，他們?cè)谝惠d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(dòng)作用下土壤的“液化”現(xiàn)象，即通過振動(dòng)可在相當(dāng)

度上減小土顆粒間的摩擦。1934 年俄國(guó)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(gè)激振器安裝在管樁或板樁上使其振動(dòng)，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(dòng)沉拔樁機(jī)。但是在蘇聯(lián)的建設(shè)工程中普遍使

振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)通常的土層，在深度 20m 以內(nèi)，僅以振動(dòng)即可沉

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

上則要并用送氣法或射水法進(jìn)行沉入。vP型振動(dòng)沉樁機(jī)1957年曾用于我國(guó)武漢長(zhǎng)江大橋的管樁沉

入工程， 由于在這一工程中僅以12個(gè)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(guó)際上的關(guān)注。 

同時(shí)在武漢長(zhǎng)江大橋建設(shè)時(shí)期，我國(guó)試制了蘇制 BII1 型振動(dòng)樁錘，成為當(dāng)時(shí)激振

力最大的振動(dòng)樁錘。20 世紀(jì) 60 年代，為南京長(zhǎng)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(dòng)樁錘中一250型。激振力可達(dá)250kN。此后多年，國(guó)內(nèi)振動(dòng)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(dòng)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(dòng)樁錘，這類振動(dòng)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(dòng)力矩為零，采用星一三角起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)

的沖擊很小，深受用戶的歡迎。

  由于振動(dòng)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(dòng)沉拔樁施工技術(shù)給世界各國(guó)產(chǎn)生了重要影響，推動(dòng)了法國(guó)、德國(guó)、波蘭、

美國(guó)以及日本等國(guó)開始生產(chǎn)各種類型的振動(dòng)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(dòng)沉拔樁機(jī);法國(guó)的曾爾.諾爾曼迪公司制造

了可以使樁同時(shí)產(chǎn)生垂直振動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)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(zhǎng)度20m的鋼管樁。 

  美國(guó)吉爾多困恩斯特拉克蕭恩公司制作的振動(dòng)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(dòng)打樁機(jī)可0.78~3.26分鐘的時(shí)間內(nèi)，將前端

封閉、 直徑325mm、 長(zhǎng)21.6m的鋼管樁， 或以2.7 分鐘的時(shí)間將前端封閉、 直徑為914mm、

長(zhǎng)17.4m的鋼管樁沉入地下，因而引起世界各國(guó)的關(guān)注。這種振動(dòng)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(dòng)而引發(fā)樁共振的原理，它以 500HP 的汽

油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，因此消耗功率相當(dāng)大。 

  日本振動(dòng)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(dòng)打樁

機(jī)為起點(diǎn)，第一次進(jìn)口 30 臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(duì)樁施加強(qiáng)制振動(dòng)到施加振動(dòng)沖擊， 終于使得原來只靠強(qiáng)制振動(dòng)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(jì)原理，制成了振動(dòng)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(dòng)能而增大向上運(yùn)動(dòng)能，以

加大沖擊時(shí)的沖量，而豐田機(jī)械則是利用橡膠墊。 

  對(duì)于振動(dòng)沖擊打樁機(jī)的看法，日本建調(diào)神戶株式會(huì)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(huì)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(dòng)頻率，就可以通過振動(dòng)打樁機(jī)的振動(dòng)控制裝置將其變換成沖擊。而振

動(dòng)打樁的效果問題，歸根結(jié)底是如何將樁體的強(qiáng)制振動(dòng)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(dòng)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(shí)，采用沖擊法是必要的。但這樣的土質(zhì)情況不

會(huì)經(jīng)常遇到，通常僅以振動(dòng)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(dòng)參數(shù)。 他們認(rèn)為振動(dòng)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(dòng)打樁機(jī)的發(fā)展在1906~1946年主要以仿制為主，之后對(duì)提高振動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)33m的大口徑鋼

管樁作橋墩基礎(chǔ)。 利用這種振動(dòng)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(huì)社生產(chǎn)的KM2一12000型振動(dòng)打樁機(jī)，曾以5~7

分鐘的時(shí)間，將直徑 480 啞，長(zhǎng) 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(duì)振動(dòng)沉拔樁機(jī)的研究，早期關(guān)注的重點(diǎn)是振動(dòng)沉拔樁機(jī)自身的參數(shù)對(duì)沉拔樁效果

的影響，建立了一系列樁一土振動(dòng)系統(tǒng)模型，并根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)模型來確定振動(dòng)沉拔樁機(jī)

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

均質(zhì)彈性體的同時(shí)，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(shí)，在拔樁時(shí)，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(dòng)系統(tǒng)，有著某固

有的振動(dòng)頻率，如給它以適當(dāng)頻率的強(qiáng)制振動(dòng)，即可引發(fā)樁的共振，這時(shí)就會(huì)因土的彈 

性系數(shù)較小，使它的彈性在極短的時(shí)間內(nèi)遭到破壞，從而帶來土的塑性變形。這一振動(dòng)

體系的缺陷是，按照這種模型制作的振動(dòng)沉拔樁機(jī)，在遇含水量低的土層或粘性較大的

土層時(shí)，所需的拔樁時(shí)間較長(zhǎng)。而美國(guó)“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(dòng)，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(duì)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(dòng)沉拔樁機(jī)偏

心軸轉(zhuǎn)速也很高，功率消耗也很大。 

  振動(dòng)沉拔樁機(jī)由樁架和振動(dòng)樁錘兩大部分組成，而振動(dòng)樁錘對(duì)振動(dòng)沉拔樁機(jī)的性能

起著至關(guān)重要的作用。早期的振動(dòng)樁錘為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，振動(dòng)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(dòng)樁錘有不同的振動(dòng)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(jí)調(diào)整的振動(dòng)樁錘， 即通過手動(dòng)改變固定偏心塊與活動(dòng)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(dòng)齒輪來改變偏心軸轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)

動(dòng)的振動(dòng)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(dòng)的振動(dòng)樁錘應(yīng)運(yùn)而生，因液壓馬達(dá)與電動(dòng)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(dòng)錘擁有強(qiáng)大的作業(yè)能力、優(yōu)越的控制性和電動(dòng)錘無法比擬

的優(yōu)越性。在發(fā)達(dá)國(guó)家，電動(dòng)錘大部分已被液壓振動(dòng)錘所取代。但是在國(guó)內(nèi)，液壓振動(dòng)

錘才剛剛起步。

1.1.1 震動(dòng)打樁機(jī)的原理

1.2 振動(dòng)樁錘的結(jié)構(gòu)和工作原理 

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

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

動(dòng)狀態(tài)下能可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且要有較高的啟動(dòng)力矩和過載能力。此外，振動(dòng)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(dòng)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(dòng)樁錘產(chǎn)生的振動(dòng)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(dòng)器所產(chǎn)生的較大振幅傳速

到吸振器時(shí)將大為減弱。因此，在沉、拔樁時(shí)可獲得良好的減振效果。 

4. 夾樁器 振動(dòng)樁錘工作時(shí)必須與樁剛性連接，這樣才能把振動(dòng)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(dòng)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(dòng)樁錘成為一體，一起振動(dòng)。夾樁器有液壓式、氣動(dòng)式和直

接式。目前最常用的是液壓式。 

如下圖1-1就是一個(gè)簡(jiǎn)單的激振器結(jié)構(gòu)圖 

第八章 參考文獻(xiàn)

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[3]  鄧星鐘等編著，機(jī)電傳動(dòng)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