振动沉拔桩机激振器的设计及动力学分析
一种便携式打桩机激振器的设计
荆楚理工学院课程设计成果学院：机械工程学院班级：08机制1班学生姓名：学号：设计地点（单位）：机械工程学院设计题目：一种便携式打桩机激振器的设计完成日期：2011年12月30日指导教师评语：_________________________________________________________________ _________________________________________________________________ ________________________________________________________________成绩（五级记分制）：教师签名：荆楚理工学院课程设计任务书设计题目：一种便携式打桩机激振器的设计学生姓名课程名称专业课课程设计专业班级机制专业2008级1班地点起止时间2011.12.5~2011.12.30设计内容及要求1.偏心块的设计。
根据所给的激振力和激振频率设计相应的偏心块，要求尺寸合理，并且能够产生要求的激振力。
2.齿轮的设计。
确定齿轮的几何尺寸，并对齿轮进行受力分析，最后校核齿轮的强度。
3.皮带传动的设计。
确定传动带的型号、根数、长度；确定带轮的结构尺寸。
4.激振器主动轴、从动轴的设计及强度校核。
5.激振器箱体的设计。
6.作图。
把偏心块、齿轮、带轮、主动轴、从动轴各画在一张A4图纸上；把激振器的装配图画在一张A2图纸上。
7.编制设计说明书。
用A4纸抄写，采用标准的统一格式。
进度要求见附件。
参考资料1．濮良贵主编．机械设计．第八版．北京：高等教育出版社，2006 2．吴宗泽主编．机械零件设计手册．第一版．北京：机械工业出版社，2004 3. 数据库中相关文献资料。
其它说明1．本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，教研室审批后交学院院备案，一份由负责教师留用。
2．若填写内容较多可另纸附后。
3．一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
振动打桩机激振器的设计（毕业设计）
振动打桩机激振器的设计（毕业设计）目录第一章绪论 (1)1.1 桩工机械的分类和发展历程 (1)1.1.1我国桩工机械的发展历程 (1)1.1.2振动沉拔桩机研究的概况 (2)1.2 振动桩锤的结构和工作原理 (6)1.3振动沉拔桩锤调频调矩技术研究现状 (8)1.3.1 单极或两级调矩存在的问题 (8)1.3.2 无极调频调矩的意义 (8)1.3.3调频调矩机构研究现状 (9)1.4本课题的提出与主要的研究内容 (12)第二章无极调频调矩振动桩锤结构分析 (13)2.1 无极调频调矩振动桩锤的原理分析 (13)2.2 无极调频调矩振动桩锤稳态特性调节分析 (14) 第三章无极调频调矩振动桩锤结构设计 (16)3.1 偏心块的设计 (16)3.1.1 偏心块材料的选择 (16)3.1.2 偏心块的结构设计 (16)3.2 液压马达型号选择 (20)3.3激振器齿轮设计 (20)3.3.1 齿轮的结构形式 (20)3.3.2 齿轮的结构设计 (21)3.3.3 齿轮的受力分析 (21)3.3.4 齿轮强度校核 (21)3.3.5 齿轮的结构设计 (22)3.4 主动轴的设计 (23)3.4.1 确定轴的最小轴径 (23)3.4.2 轴的结构设计 (24)3.4.3 主动轴的强度校核 (24)3.5 从动轴的结构设计 (26)3.5.1 确定轴的最小轴径 (26)3.5.2 轴的结构设计 (26)3.5.3 主动轴的强度校核 (27)3.6 箱体的设计 (28)第四章总结与展望 (30)4.1论文总结 (30)4.2 展望 (30)参考文献 (32)致谢 (34)第一章绪论1.1 桩工机械的分类和发展历程桩工机械主要用于各种桩基础、地基改良加固、地下连续墙及其它特殊地基基础等工程的施工。
按施工设施的不同，桩工机械又可以分为夯锤打桩机、静力沉桩机和振动桩锤。
夯锤打桩有柴油打桩机和蒸汽打桩机。
由于使用不便，蒸汽锤己基本被淘汰。
高频振动打拔桩机简介
1.电控系统简述
⑵电源开关闭合→启动开关S4闭合→K5a、K9继电器相继动作 并自保持。 ⑶电源开关闭合→启动开关S4闭合→K5a、K7继电器相继动作 →D10时间继电器动作。 ⑷电源开关闭合→启动开关S4闭合→K5b、K12继电器相继动 作并自保持。 ⑸电源开关闭合→启动开关S4闭合→K5b、K13继电器相继动 作并自保持。 ⑹电源开关闭合→启动开关S4闭合→K5b、K14继电器相继动 作并自保持 ⑺电源开关闭合→D10时间继电器和K9、K12、K13、K14继电 器同时动作→K17继电器动作。 ⑻电源开关闭合→K6和K17继电器同时动作→K68继电器和Y1 电磁阀相继动作，使发动机供油路打开。
三、主体系统架构
---------------------------
3、结构
副手臂
减振箱
激振箱
夹 具
XC-350型机械手沉拔桩机
XC-120型
achang
三、主体系统架构
---------------------------
副手臂结构
全三维设计 集成逻辑阀组 集成控制管路 有限元应力分析
achang
劣势（W） 缺少工程应用经验 （研究已有案例来作 为自己的参考，少走 人家走过的弯路）
机会（O）
威胁（T）
对手居市场统治地位
（对产品做适应自己 国家的创新、改进）
产品知名度
（做成熟的技术精品， 做创新营销方式）
achang
六、技术情资
---------------------------
achang
五、翔晟产品规格表
------------------------------------------------
桩土振动系统的动力学参数辨识
85
图 2 原信号与拟合信号的立体曲线图
图 3 偏差信号与输入信号互相关函数
90
表 2 振动沉桩测试系统与时间序列拟合结果比较表
土壤 实验
实时测试系统
时间序列拟合
误差
类型 次数 c (N*S/m) k (N/m)
c
k
∆c % ∆k %
粘 1 11352.7 1932909.5 11314.5 1941878.2 0.34 0.46
-5-
中国科技论文在线
125
wn
130
ξ
135
a)
b)
图 5 激振力幅值对桩土振动系统动力学参数的影响曲线
a) 土壤为砂土; b) 土壤为粘土
3.3.2 激振频率对桩土振动系统动力学参数的影响
140
在沉桩过程中，保持振动幅值不变（激振力幅值为 540N），在 400s 的沉桩过程中，每
100s 实时增加激振频率。激振频率依次为：15Hz，20Hz，25Hz，30Hz。图 6 所示是实时得
到的动力学参数随时间变化的曲线。
从图 6 可看出，固有频率在 100-300s 之间有个凹陷，阻尼比在这时间段中有所升高， 该时间段的激振频率为 20Hz 和 25Hz，同时参照桩土振动系统实时显示的固有频率在 145 20—25Hz 之间变化，可知在这个区间，桩土系统是发生共振或者近共振的，所以，该段时 间内的共振振幅要高于其他时间段的振幅，使得该段时间内的桩土振动系统的动力学参数会
Abstract: This paper presents a new method of identifying dynamic parameters of the pile-soil
振动沉拔桩机的分类及特点
振动沉拔桩机的分类及特点振动沉拔桩机是建筑行业中常用的一种机械设备，用于将桩安装到地下或从地下抽出桩。
根据其特点和功能，振动沉拔桩机可以分为多种不同类型。
本文将介绍振动沉拔桩机的几种常见分类，并探讨它们各自的特点。
1. 振动沉拔桩机的分类1.1 按振动方式分类振动沉拔桩机根据振动方式不同可以分为两大类：共振式桩机和非共振式桩机。
共振式桩机利用施加的振动力与桩的固有频率达到共振，从而实现桩的沉拔作业。
这种类型的桩机对桩的振动频率和振动力有严格要求，需要专门的控制系统来确保操作的准确性。
它的主要特点是桩机本身振动幅度较小，可靠性高，沉拔效率较高。
非共振式桩机则不依赖于共振，而是通过外加的激振力将桩振动。
这种类型的桩机操作相对较简单，但由于振动力无法与桩的固有频率达到共振，因此需要更大的振动力，同时对操作员的操作技术要求也较高。
非共振式桩机适用于较硬的土层和岩石地质条件，其主要特点是适用范围广，且适用于各种材质的桩。
1.2 按工作方式分类振动沉拔桩机根据工作方式不同可以分为两类：静压桩机和沉拔桩机。
静压桩机通过外加的静压力将桩沉入地下，主要适用于较软土层和泥沼等地质条件。
它的特点是桩的沉入速度较慢，但是能够保证沉入的稳定性和垂直度。
沉拔桩机则通过振动力将桩沉入地下或抽出地面。
其特点是作业速度快，效率高，适用于各种地质条件。
沉拔桩机可根据桩在地下的作用力分为水平作用型和垂直作用型。
水平作用型主要用于桩侧面的沉拔作业，而垂直作用型主要用于桩端的沉拔作业。
沉拔桩机的振动力较大，对操作者的技术要求较高。
2. 振动沉拔桩机的特点2.1 高效快速振动沉拔桩机采用振动力进行桩的安装和拔出作业，作业速度快、效率高。
特别是沉拔桩机，由于振动力的作用，使得桩在地下与土层更好地接触，降低桩与土层之间的摩擦力，从而使得沉入或拔出速度更快。
2.2 适应性强振动沉拔桩机适用于不同地质条件和不同材质的桩。
通过合理选择振动力的大小、频率以及施加时间，可以应对各种不同地质条件的需求。
振动沉桩过程的动力学仿真分析
图5
激振力随时间变化曲线
Fig． 5 Excitation forcetime curve
压缩模量和粘结力， 桩下降的速度变慢， 的内摩擦角、 并且总沉降量降低很多。 增大土的内摩擦角， 会增大 桩土间的内摩擦力， 从而影响桩的沉入。 综合各组曲线图， 容易看出， 在本文所验证的桩 － 土系统参数， 激振力振幅、 频率以及土的材料性质中， 土的材料性质对桩的沉降影响最大。 增大土的内摩擦 会增大桩土间的内摩擦力， 从而影响桩的沉入； 增 角， 大激振器振幅， 可以增大沉降量； 振动频率越接近桩 － 土系统的固有频率， 沉降量也会相应增大。 除上述所验证的这些参数外， 改变静压力也能改 变桩的沉降， 此处不再验证。 这些参数除了对沉桩量 对桩和机座的振幅也有影响， 在施工过程 的影响外， 中， 应结合土质参数， 综合考虑各种影响， 选取合适的 以达到理想的沉桩效果。 桩机参数，
比较以上曲线看出， 在沉桩过程中， 桩的下降速度 越慢， 位移曲线越平缓， 这是因为随着桩的沉入， 桩侧 摩擦力越大， 桩端阻力也越大。 沉桩开始的很短时间 内， 沉桩阻力很小， 桩在静力、 激振力以及桩自重的作 此时桩的位移是一直向下的， 即没有向上的 用下下沉， ， ， 振动 在一个振动周期内 桩的位移只有大小的变化， 没有方向的改变。 随着沉桩位移的增大， 下沉的阻力 随之增大。在一个周期内， 桩的位移出现振动， 且下行 由于静力和自重的作用， 下行程中施加 程大于上行程， 在桩上的力大于上行程中施加在桩上 的 力。 总 体 来 说， 桩的位移趋势是向下的， 但是速度越来越小。当桩
材料
桩和土的材料属性如表 1 和表 2 所示。
表1 桩的材料属性 Tab． 1 Material properties of the pile 密度 弹性模量 泊松比 －3 E / MPa μ ρ / （ kg·m ） 0． 3 7 800 金属桩 2． 1 × 10 5 材料 表2 土的材料特性 半径 d/m 0． 1 长度 l /m 10
桩基的振动及动力优化
桩基的振动及动力优化桩基的振动及动力优化摘要：桩基是土木工程中常用的重要基础形式之一，具有承载能力强、适应性广等优点。
然而，在实际应用中，桩基的振动问题一直备受关注。
本文以桩基的振动问题为切入点，从桩基的振动机理、动力影响因素以及优化措施等方面进行了探讨和研究。
一、桩基的振动机理桩基振动的机理可分为两类：一是桩身振动和土体共振导致桩基整体振动；二是桩顶施加的动力载荷引起桩基振动。
具体来说，当桩体受到外力作用时，力会通过桩顶传导到桩身，进而引起桩身振动。
土体共振主要指土体在振动作用下形成共振，并传导给桩身。
这两类机理综合作用下，会导致桩基整体发生振动。
二、动力影响因素桩基振动的影响因素较多，主要包括以下几个方面：1. 桩体的固有频率：桩体的固有频率与其刚度、质量以及几何尺寸有关。
当外力频率与桩体固有频率接近时，会引起共振现象，导致桩基振动加剧。
2. 动力载荷：施加在桩顶的动力载荷是引起桩基振动的主要原因之一。
动力载荷的大小和频率都会对桩基振动产生重要影响。
3. 土体性质：不同土体具有不同的弹性模量和耗散能力，这会直接影响到桩基振动特性。
4. 邻近结构物：邻近结构物的存在也会对桩基振动产生影响。
当结构物受到桩基振动的影响时，会产生共振反应，进一步加剧振动。
三、桩基振动的优化措施针对桩基振动问题，为了减小振动影响并确保基础结构的安全稳定，可以采取以下优化措施：1. 降低桩体固有频率：通过调节桩身的刚度和质量，可使桩体固有频率远离外力频率，减小共振发生的可能性。
2. 减小动力载荷：采取减少桩顶施加的动力载荷，或通过减小外力频率来避免共振的发生。
3. 改善土体性质：选择合适的土体，提高土体的耗散能力和阻尼比，以减小土体共振的影响。
4. 采取隔振措施：在桩与土体之间引入隔振装置，如橡胶垫、弹簧等，以降低振动传递。
5. 考虑邻近结构物：在设计过程中要充分考虑邻近结构物对桩基振动的影响，采取有效的控制措施，避免共振效应。
一种新型振动沉拔桩机的设计及其动态特性分析
（ ｔ） Ｆ
桩产生连续振动。 为了在工作时对桩有向下的静压力 ， 液压缸活
“液压激振 若将土对桩的作用看作一个弹簧和阻尼器 ， 那么 式” 振动沉桩系统的力学模型可视为在液压缸的作用下 ， 基座和 桩机两自由度的受迫振动。 在建立振动沉桩力学模型时 ， 为了简
（ １） 因为桩的长度比起其弹性变形大的多 ， 而且土壤的刚度
!" !" ! " ! " !
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ｃ１—土 壤 粘 滞 阻 尼 系 数 ｃ２—液 压 系 统 阻 尼 系 数 ； ｋ１—土 壤
弹性变形系数 ； ｋ２—隔振弹簧刚度 ； ｘ１， ｘ２—夹桩箱和机座的 位 移 ； Ｆ 静 —静 压 激 振 力 ， Ｆ０—激 振 力 振 幅 ； Ｖ—激 振 力 频 率。利用振型叠加法 ， 可求出此运动方程的解 ， 从而可得出 系统在激振力作用下的动态响应。
机械设计与制造
－ １００－
文章编号 ： １００１－ ３９９７ （ ２００８） ０８－ ０１００－ ０２
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ
＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第８期 ２００８ 年 ８ 月
一种新型振动沉拔桩机的设计及其动态特性分析
边弘晔 姚红良 闻邦椿 （ 东北大学 机械工程与自动化学院 ， 沈阳 １１０００４）
ｂｉｎ １４。
桩 的 基 本 参 数 为 ： 弹 性 模 量 Ｅ＝２．１×１０５ＭＰａ， 泊 松 比 μ ＝０．３， 材料密度 ρ ＝７８００ｋｇ／ｍ３， 土的基本参数取值为 Ｅ＝３０Ｍｐａ， μ ＝０．３５， 。建立桩机—土系统的 ρ ＝１８９０ｋｇ／ｍ３， 黏性力 ２０ｋｐａ， 内摩擦角 １５° 有限元模型 ， 如图 ３ 所示。
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振动沉拔桩机激振器的设计及动力学分析
车仁炜，陆念力
（哈尔滨工业大学 机电学院，黑龙江 哈尔滨 １５０００１）
［摘 要］ 提出了一种振动沉拔桩激振器的新的设计方法，给出了其工作原理，建立了振动模型，并对系统进行了动力分析，得出了相关结论。
［关键词］ 交通运输工程；激振器；理论研究； 振动桩锤
［中图分类号］ Ｕ４４５．３１ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００３─１８８Ｘ（２００４）０２─０１００─０２
１ 前言
自２０世纪５０年代建造武汉长江大桥时首次使用苏制振动桩锤以来，振动沉拔桩机因构造简单、操作方便，已成为我国桩基础施工的主要设备之一。
其中，振动桩锤又是沉拔桩机的主要工作部分，其发展水平直接影响着沉拔桩机的工作性能。
振动沉拔桩机振动桩锤主要由激振器、减震弹簧、减建振梁以及提升、加压、导向滑轮组成。
激振器的性能直接影响着振动桩锤的工作质量。
以往的激振器大都为偏心块式，即在轴上装有几组固定偏心块和几组可调偏心块，利用其水平分力互相抵消、垂直分力互相叠加的原理来工作。
这样的激振器结构复杂、零件数量多、安装调整非常繁琐，结构也很不紧凑。
笔者在这里提出了一种设计变偏心激振器的新方法。
２ 工作原理
如图１所示，在控制机构的控制下，隔板可上下移动，分别停留在ａ、ｂ、ｃ３个位置。
１．隔板 ２．偏心轮 ３．滑块 ４．特制轴承
图１ 工作原理图 （１） 隔板在位置ａ。
电机转动时，轴承中心与电机轴之间偏心距e 为０，可空转启动，避免了桩架
或起重机的共振现象。
（２） 下推隔板在位置ｂ。
电机中心与轴承中心的偏心距为e ，偏心轮从与电机轴中心O 重合位置
1O 开始旋转。
随着偏心轮的旋转，O 与1O 的距离发生变化，这是一种变偏心距旋转。
当1O 转到O 的正下方时，偏心距达到最大值。
该位置用于沉桩工况，此时获得的激振力最大。
（３） 上推隔板在位置c 。
电机中心与轴承中心的偏心距为－e ，偏心轮仍然从与电机轴中心O 重合的位置1O 开始旋转。
当1O 转到O 的正上方时，偏心距达到最大值。
该位置用于拔桩工况，此时起重机的引拔力减小，电机每转１转可拔一段桩，即在此位置可使拔桩最为省力。
３ 动力学模型
打拔桩机工作时，其利用桩的振动使其周边的土壤液化。
减小土壤与桩的摩擦阻力，可用如图２所示的模型来描述振动沉桩的动力学特性。
图２ 系统振动模型
设激振力t F F ωsin 0=，ω为偏心块的角速度，在对桩机进行振动分析时假设：
［收稿日期］ ２００３－０７－２５
［作者简介］ 车仁炜（１９６４－），女，黑龙江双城人，哈尔滨工业大学机电学院在读博士，主要从事机构动力分析方面的研究工作。
ｋ２
ｋ１
ｋ３ ｍ３
ｍ１ ｃ３ Ｆ ｃ１
ｃ２
位置
位置
图３ 简化模型
４ 结论
（１） 在沉拔桩的过程中，通过偏心距的改变，改变了激振力
F，从而可以通过改变振幅来适应土层和土质的变化，以达到最佳的沉拔桩速度和效果。
（２） 给出的振动模型为桩机的设计和研究提供了一定的理论依据。
［ 参 考 文 献 ］
［１］ 刘古岷．桩工机械［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１． ［２］ 左小襄．振动桩锤的设计计算简介［Ｊ］．建设机械技术与管理，１９９８，（２）：２７－２８．
［３］ 杜立杰．振动沉拔桩系统的动力学模型及隔振设计［Ｊ］．石家庄铁道学院学报，１９９５，（１）：１２－１５．
The Design and Dynamics Analysis of Vibration Exciter on Vibration
Sink and Pile-drawing Machine
CHE Ren-wei, LU Nian-li
(Electromechanical College, Harbin Industrial University, Harbin １５０００１, China)
[Abstract]Put forward a new design method of vibration sink and pile-drawing machine, give it working theory, set up the vibration model and dynamics analyze the system to reach a relative conclusion.
[Key words] traffic and tranportation engineering; vibration exciter; theoretical research; vibration pile hammet 。