四液壓馬達驅動振動樁機系統(tǒng)自同步理論研究.pdf

1、振動樁機是建筑行業(yè)樁基礎施工的關鍵機械裝備，廣泛應用于城市建設、橋梁、港口等大型基礎工程的沉拔樁作業(yè)中。振動樁機可分為電動式和液壓式，而液壓式振動樁機具有調頻方便、沉樁效果好、噪聲低、耐沖擊、適用地質范圍廣等特點。目前，振動樁機多采用齒輪剛性傳動的同步方式，受沖擊后傳動齒輪頻繁損壞，造成樁機可靠性低、壽命短等問題。而振動系統(tǒng)多偏心轉子自同步現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及相應理論的建立，為振動機械設計展現(xiàn)了一個新的契機，即在一個滿足特定要求的振動系統(tǒng)中，多

2、個偏心轉子可以實現(xiàn)在特定方向激勵相互疊加的自同步。本文基于振動系統(tǒng)中雙偏心轉子的廣義動態(tài)對稱性和振動系統(tǒng)的運動選擇原理，提出了一種可實現(xiàn)四液壓馬達驅動自同步的新機構，建立了振動樁機中液壓馬達驅動四偏心轉子的新理論，探索出四偏心轉子自同步理論的分析方法。利用自同步理論設計機械，取消了剛性齒輪傳動，簡化了樁機結構，提高了傳動系統(tǒng)可靠性，為新型振動樁機設計提供了理論基礎。論文取得了如下的研究成果:
　　(1)提出了兩個同軸旋轉梁上對稱安

3、裝四個液壓馬達驅動同向回轉偏心轉子的自同步機構。在此機構中，每個梁上對稱安裝兩個偏心轉子，其旋轉平面與梁旋轉軸線—沉樁方向的垂面成一定角度，稱振動激勵角，且兩旋轉梁上偏心轉子的旋轉平面相對于梁的旋轉軸線的垂面對稱，可以實現(xiàn)四偏心轉子激勵在沉樁方向的疊加。
　　(2)設計了振動樁機液壓傳動系統(tǒng)，依據電動機、液壓泵和液壓馬達之間的能量傳遞關系，推導出電動機一液壓泵—液壓馬達傳動系統(tǒng)準穩(wěn)態(tài)運行時的數學模型。建立了液壓樁機多剛體運動系統(tǒng)的

4、坐標系，推導出系統(tǒng)動能、勢能和能量逸散函數，利用拉格朗日方程建立了四液壓馬達驅動振動樁機系統(tǒng)的運動微分方程。
　　(3)利用模態(tài)分析法，推導出樁機多體振動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應的解析表達式。利用改進小參數平均法，推導出振動樁機系統(tǒng)中四偏心轉子的無量綱耦合方程。依據無量綱耦合方程的零解存在及穩(wěn)定性，推導出四偏心轉子實現(xiàn)自同步的條件;將四偏心轉子的自同步穩(wěn)定性問題轉化為四個偏心轉子角速度擾動參數廣義系統(tǒng)和三個相位差擾動參數廣義系統(tǒng)零解穩(wěn)定性問

5、題，利用Lyapunov穩(wěn)定性判據和Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據得到液壓馬達驅動四偏心轉子自同步的穩(wěn)定性條件。
　　(4)依據系統(tǒng)運行過程中耗能最低原理，提出了四偏心轉子廣義動態(tài)對稱角的計算方法，定義了四偏心轉子的廣義動態(tài)對稱系數。通過數值計算，研究了廣義動態(tài)對稱角、廣義動態(tài)對稱系數與系統(tǒng)結構及動力學參數的關系，提出了保證振動樁機自同步性、最大限度提升系統(tǒng)激勵的參數設計規(guī)則。
　　(5)提出了亞共振自同步振動系統(tǒng)的運

6、動選擇原理。在亞共振振動系統(tǒng)中，水平方向橢圓運動（過共振）使兩對偏心轉子之間平均相位差向π趨近，驅使系統(tǒng)實現(xiàn)豎直方向振動;而豎直方向振動也使兩對偏心轉子之間平均相位差向π趨近，驅使系統(tǒng)實現(xiàn)豎直方向振動，將這一特性稱之為亞共振振動系統(tǒng)的運動選擇原理?；谶@一運動選擇原理，本文亞共振振動系統(tǒng)必能實現(xiàn)豎直方向用于沉拔樁的穩(wěn)定的振動，這是該亞共振振動系統(tǒng)的一大特色。
　　(6)利用龍格庫塔法，開發(fā)了四液壓驅動振動樁機系統(tǒng)的計算機仿真軟件。