振動(dòng)錘的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、振動(dòng)錘的設(shè)計(jì)計(jì)算振動(dòng)錘是20世紀(jì)末迅速發(fā)展起來(lái)的一種樁工機(jī)械，具有施工噪音低、可進(jìn)行沉拔樁作業(yè)、施工范圍廣等特點(diǎn)；可進(jìn)行鋼管樁、全套管灌注樁、鋼板樁、PHC樁、異型樁、薄壁筒樁（外徑8002000mm壁厚100250mm中心充滿地基土，現(xiàn)澆灌注而形成的混凝土筒形樁體。）等多種樁型施工。它具有施工速度快、功能多、適應(yīng)地質(zhì)廣、運(yùn)輸方便和環(huán)保等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)的眾多領(lǐng)域。一、沉樁原理沉樁原理有強(qiáng)迫振動(dòng)與土壤共振、強(qiáng)迫振動(dòng)與土樁系統(tǒng)共振、強(qiáng)迫振動(dòng)與樁體共振、振動(dòng)沖擊幾種理論，它們分別是中頻振動(dòng)錘、高頻振動(dòng)錘、超高頻振動(dòng)錘、振動(dòng)沖擊錘的設(shè)計(jì)原理。強(qiáng)迫振動(dòng)與土樁系統(tǒng)共振理論可將振動(dòng)錘、樁和

2、土壤的系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如下圖所示的單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)。以振動(dòng)體靜止時(shí)自然平衡位置為零點(diǎn)，列出振動(dòng)體微分方程式：F=FmaxSindt+3）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為.MX=Fmax（8t+®0）-Px-CX務(wù)為激振力的初相位角M參振質(zhì)量c-土壤的彈性系數(shù)B阻力系數(shù)Fmax最大激振力最大激振力Fmaxmor222.(，n-')24B2m0每塊偏心塊的質(zhì)量r偏心塊的偏心距蟲(chóng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)角速度即激振器干擾力的角頻率(1)式移項(xiàng)整理得Mx+Px+cx=Fmaxsin(wt+40)2設(shè)為=0時(shí)，上式表達(dá)為x+2Bx+8nx=fmaxSint.(2)B阻尼系數(shù)B=''/2M0n無(wú)阻尼系

3、統(tǒng)的自振圓頻率環(huán)=收2Fmr，fmax單位質(zhì)量最大激振f_廠maxOmaxMM的解為x=r-Bt(cicosn1tc2sinn2D'gn2f2-4B24Sin3J.©?0干擾力與振動(dòng)位移之間的相位差式（3）的前項(xiàng)為齊次方程的通解，其物理特征是衰減振動(dòng)，是系統(tǒng)對(duì)干擾力的瞬間響應(yīng)，很快消失。后項(xiàng)為方程的特解，其物理特征是表示系統(tǒng)在簡(jiǎn)諧干擾力作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣上式可表達(dá)為x=asin(tfmax.sin(t-0)'、mor(，n2-2)24B22.M,，n4224B，41n令z一,1n6n6n0n、morM2當(dāng)"t+ao=90啊，并將fmax=VPL代入得0m

4、ax.2'、morx二-.(n2-2)24B22M,2n2Z2B1.(1-Z2)242Z2="7=2Mn當(dāng)切t+u0=270、時(shí)，x為負(fù)值令z=Z2,(1-Z2)242Z2.m°rMZ2.(1-Z2)242Z2Z2.(1-Z2)242Z2m°rMA（振幅）=Z22.m°r；(1-Z2)242Z2.M(4).A2-,22X2,4Z(1-Z)Z2A國(guó)為穩(wěn)定振幅，又稱為極限振幅。由以上式子看出，當(dāng)Z=1時(shí)，出現(xiàn)共振。當(dāng)Z>3以上，振幅A=A，這時(shí)振動(dòng)體的振幅不因外界條件變化而變化，也就是說(shuō)，當(dāng)振動(dòng)體無(wú)阻尼系統(tǒng)的自振圓頻率m或阻力系數(shù)P改變時(shí)，振幅

5、基本保持穩(wěn)定不變?？紤]到土壤參與振動(dòng)的影響，實(shí)際振幅小于穩(wěn)定振幅。二、激振器的設(shè)計(jì)計(jì)算激振器的主要參數(shù)為：頻率、激振頻率、偏心力矩、激振力、激振器質(zhì)量、振幅及功率。設(shè)計(jì)過(guò)程可按以下步驟進(jìn)行：1、根據(jù)使用目的和地層情況確定振動(dòng)器的類型、變頻、變矩的方式。2、選擇激振器的頻率、角頻率和振幅。3、初步估算激振器和鉆具的質(zhì)量。4、計(jì)算偏心矩。5、計(jì)算動(dòng)力機(jī)功率。6、校核激振力。7、計(jì)算最大拔樁力。8、進(jìn)行振動(dòng)錘的激振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況修改估算的參數(shù)。9、進(jìn)行零件的計(jì)算和校核，要注意校核軸的自振頻率，偏心輪軸的軸承多選用雙列球面向心軸承，與軸承配合其表面粗糙度要達(dá)到陟，配合采用過(guò)渡H7/n

6、6、N7/h6、H8/n7、N8/h7酉己合。(一)相關(guān)參數(shù)的估算：(1)激振力選擇激振力時(shí)，一方面要滿足鋼護(hù)筒下沉條件的要求，即激振力F要大于各土層極限動(dòng)側(cè)摩阻力之和Tv,Tv=LZTiHiF>Tv=LZTiHi(5)L鋼護(hù)筒的內(nèi)外壁周長(zhǎng)單位為m%為對(duì)應(yīng)i段的單位動(dòng)摩擦阻力飽和砂土、軟粘土為6KPa,飽和砂土、軟粘土(有礫石)為8KPa,塑硬性粘土為15KPa。T為對(duì)應(yīng)i段的鋼護(hù)筒沉入深度單位為m;另一方面，激振力F與振動(dòng)錘激振體質(zhì)量M(振動(dòng)錘、夾持器、鋼護(hù)筒三5:_F_:10者總重量)的比值要滿足協(xié)調(diào)方程：3一M-3(6)。(2)振動(dòng)錘沉樁克服樁端動(dòng)阻力的估算根據(jù)樁的類型、尺寸和土壤

7、種類，利用以下經(jīng)驗(yàn)公式估算和檢驗(yàn)該振動(dòng)錘能否克服樁端阻力，下沉至要求的深度，換言之，即振動(dòng)體系的重量應(yīng)大于樁端動(dòng)阻力。端動(dòng)阻力：對(duì)于粘性土，樁端動(dòng)阻力:R=8NSe”.0652對(duì)于砂性土，樁端動(dòng)阻力:/r0.0652R=4NSe(8)振動(dòng)體系重量：M>RVRv-樁端動(dòng)阻力，NoN-樁沉入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)標(biāo)嘏入擊MSPT）N/擊楣士05睇0-2O510很搬25軟10-20械510中建2030中密10-20硬30。0密2030很硬40以上解30以上極硬2S樁的橫截面面積，cmoe-自然對(duì)數(shù)的底。（3）振幅理想振幅由偏心矩除以振動(dòng)錘激振體質(zhì)量M（振動(dòng)錘、夾持器、鋼護(hù)筒三者總重量）而求

8、得，實(shí)際工作振幅A受激振力、頻率、土壤彈性影響而改變，為了有效下沉鋼護(hù)筒，Ao（起始振幅）WAWAc（上限振幅），使得振動(dòng)力大于護(hù)筒周圍土壤的瞬間全部彈性力，并破壞鋼護(hù)筒周圍土壤，減少阻力。美國(guó)ICE公司認(rèn)為：各類型的土質(zhì)對(duì)最小振幅要求有所不同。在沙質(zhì)的土壤里，用ICE振動(dòng)錘工作，最小振幅為3mm。在粘土里，最小振幅為6mm。在水下的沙質(zhì)土壤中，最小振幅為2mm就足夠了。法國(guó)PTC公司根據(jù)30年的經(jīng)驗(yàn)，用于評(píng)估沉樁的最小振幅列入下表評(píng)估沉樁最小幅A0mm(SPT)包諭釉士壤中千創(chuàng)，魏和H中干酬卻仲幅Au時(shí)的林栗業(yè)填城卜5231202.253.25150101533.502.C15-303.53

9、.752503040/。?52.754。504.753.75>50>5675忸丹憂方法典將非如%1UH以材,以雕踝斛.要求實(shí)際工作振幅A>A0(4)頻率各類型地層的激振圓頻率班層類型制率丁ad/s含慚味的砂質(zhì)土100-120鬢性拈土及含如土90100跋拈土7075含礫石的砂質(zhì)土6070含砂的礫石土5060由表可以看出，各種地層對(duì)應(yīng)的頻率為819.1Hz,當(dāng)Z>3以上，振幅AnAs若振動(dòng)錘的振動(dòng)頻率f>60Hz時(shí)，除巖層外，其它各地層都可以沉樁。頻率f=n/60Hzn偏心塊轉(zhuǎn)速r/min振動(dòng)錘振動(dòng)頻率：低頻f<15Hz,在較軟土壤，振幅15-36mm。中頻f=

10、15-25Hz,是強(qiáng)迫振動(dòng)與土層共振下沉的，振幅7-20mm,適用粘高頻f=25-60Hz,此類振動(dòng)加速度很大，振幅3-8mm,適宜砂土層。超高頻f>60Hz以上，用于硬土層。(5)功率大型振動(dòng)錘的功率都在250KW以上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電源穩(wěn)定性要求很高，通常用柴油機(jī)作為動(dòng)力源。以上相關(guān)參數(shù)的估算為客戶對(duì)振動(dòng)錘的選型提供參考依據(jù)，也對(duì)設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)的最基本的計(jì)算依據(jù)。(二)計(jì)算激振力F='m0r2sin(10)F激振器激振力(N)m0-單塊偏心塊質(zhì)量(kg)r偏心塊的偏心距(m)0激振器的角頻率(rad/s)*離心力與垂線的交角。（三）實(shí)例計(jì)算：例：有一管樁，外徑D=1000mm,管壁

11、厚14mm,全長(zhǎng)21m,要沉樁20m,在其地層先沉入16m飽和砂土，然后再沉入4m硬性粘土。計(jì)算鋼管重量：7149kg2.222、4H7.851000=（10421007.851000=計(jì)算各土層極限動(dòng)側(cè)摩阻力之和Tv:5為對(duì)應(yīng)i段的單位動(dòng)摩擦阻力，飽和砂土、軟粘土為6KPa,飽和砂土、軟粘土（有礫石）為8KPa,塑硬性粘土為15KPa。T為對(duì)應(yīng)i段的鋼護(hù)筒沉入深度單位為mL鋼護(hù)筒的內(nèi)外壁周長(zhǎng)單位為m33Tv=LxiHi=（10.972）二（8101615104）=1164701N=1165KN根據(jù)要求F>兀，設(shè)計(jì)時(shí)，選擇激振力F=1600KN計(jì)算樁端動(dòng)阻力Rv：對(duì)于粘性土，樁端動(dòng)阻力：

12、R.=8NSe0°652KN選擇樁沉入深度土層的最大標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，N=40樁的橫截面面積S,cm2o_2222S=72=433.7cm2R、=8NSe00652=840433.7e。0652=130024N=13268kg估計(jì)激振力為1600KN的振動(dòng)錘的總重量為6000kg。夾具重量為250kg。吊具重量為250kg。振動(dòng)體系總重量M=7149+6000+250+250=13649kg根據(jù)要求：（振動(dòng)體系重量）M>RV（樁端動(dòng)阻力）M=13649kg>R=13268kg,符合要求。計(jì)算偏心力矩選擇工作頻率為35Hz,=2兀X35=219.9rad/s,F=1600黑10

13、3N的振動(dòng)錘激振器當(dāng)$=90%寸，根據(jù)F-m0r2sin-整理上式代入相應(yīng)數(shù)據(jù)得偏心力矩3m°r=5=1600H33.1kg.m.口振幅的估算：估算振幅A古算=qmr=息49=4.8310-3m=4.83mm根據(jù)法國(guó)PTC公司30年的經(jīng)驗(yàn)，用于評(píng)估沉樁的最小振幅表，可預(yù)知選擇激振力為F=1600x103N,工作頻率為35Hz的振動(dòng)錘可以將該樁在該地層激振下沉20米。計(jì)算激振力6=904時(shí)或4=270"時(shí)F=£m0r。2sin*=33.1父(35父2)2=1600751七1600M103(N)0,'n2Z2.42Z2(1-Z2)2計(jì)算樁下沉20m時(shí)的實(shí)際振幅

14、A=_B_n2Mn對(duì)于振動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)滿足減振條件：Z>3,故取Z=4,可得219.9=二二=54.975rad/snZ4隔振彈簧的總剛度Ky2Ky=%(N/m)M激振體質(zhì)量(kg)激振器的角頻率rad/s22Ky=MZ=136494219.9=41250699N/m系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇n=24個(gè)彈簧并聯(lián)組成的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，系統(tǒng)的一個(gè)彈簧剛度：kyn4125069924=1718778=1.72106(N/m)又一k0.28MR-系統(tǒng)彈簧的內(nèi)阻力系數(shù)=1.510.3s0.28M=1.510*17187780.2813649219.9=842974kg/2Mn84297421364954.9750.5

15、622Z2'、m0r=24233.1.42Z2(1-Z2)2.M,40.562242(1-42)2.136493=4.96x10m=4.96mm（下沉20m時(shí)的實(shí)際振幅）最大振幅的計(jì)算如果最后設(shè)計(jì)時(shí)，得出激振器的質(zhì)量為2950kg（不含夾持器），則最大振幅Amax2m0r(11)Amax2morM激2M33.1一=0.02244m=22mm2950功率的計(jì)算功率包括維持激振體振動(dòng)所需的功率Ni和機(jī)械損耗的功率N2,振動(dòng)錘的總功率為N二1(NiN2)(KW)(12)在非共振工況時(shí)振動(dòng)阻尼所消耗的功率NiC01000(KW)(13)軸承摩擦所消耗的功率(KW)(14)Nc=/“mr3d12

16、mio12000n傳動(dòng)效率。一般取0.95M激振體的質(zhì)量。(kg)0激振體的角頻率。(rad/s)m0偏心塊質(zhì)量。(kg)r偏心半徑。(m)A振動(dòng)體的振幅。(m)c=(0.10.14)Md1軸承平均直徑。d1=(D+d)/2°(m)D、d軸承外徑和內(nèi)徑。(m)N滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，一般取N=0.005-0.007。c0系數(shù)。對(duì)非定向振慟如單軸激振器系威振動(dòng)系統(tǒng)C«=1;對(duì)定向振動(dòng)，例如流擷系統(tǒng)、直線燕微,C0=0.5。N1=懸c2A2=蓋(0.14M)2A20.5父0.14父13649M219.9葭(4.96父10)2c”“、八，=246.88KW1000N31-2mor20

17、00選用3618軸承，d=90mm,D=190mmd1=(0.090+0.19)/2=0.14=0.00633.1219.93014=147.8KW2000振動(dòng)錘的總功率N=1(MN2)=24688147.8415KW0.95三、減振器的設(shè)計(jì)計(jì)算減振系統(tǒng)主要有三種：鋼質(zhì)螺旋彈簧減振器、空氣組合彈簧減振器(要配有空氣壓縮機(jī))、橡膠減振器。先試選用橡膠減振器橡膠減振器工作性能平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而得到了最廣泛應(yīng)用，為防止工作時(shí)，消耗能量轉(zhuǎn)換成熱能使溫度過(guò)高而影響隔振器的性能。第一，橡膠隔振器不宜做得過(guò)大。第二，采用易于散熱的措施或選用生熱較少的橡膠材料。選用丁月青橡膠NBR,它耐油、耐

18、熱性好，阻尼大，且與金屬的粘合性也好，因?yàn)樽枘岽?，?dāng)工作頻率通過(guò)共振區(qū)時(shí)，比較安全。橡膠減振器吸收高頻振動(dòng)能力強(qiáng)，其材料的彈性模量E和G比金屬小得多，在工作量允許較大變形，常作動(dòng)力機(jī)械和工程機(jī)械的隔振器。邵氏硬度范圍H=30-70O當(dāng)H=55-70時(shí)，其彈性模量：G=(10-17)>d05N/m2E=(3865)105N/m2設(shè)計(jì)時(shí)要控制硬度公差，硬度的變化范圍為土3±5時(shí)，相應(yīng)的彈性模量的變化范圍為土12%±20%。具體要求請(qǐng)參看橡膠隔振器的設(shè)計(jì)。已知Tv=1165KNF=1600KNM=13649kg=133760N=133.76KN拔樁時(shí)，下橡膠減振器要最小要承受1600-1165-133.76=301.24KN已知激振