液壓振動(dòng)樁錘沉樁動(dòng)力學(xué)及調(diào)頻調(diào)矩控制研究.pdf

1、液壓振動(dòng)樁錘是一種以油壓力為驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生偏心激振、強(qiáng)迫樁土振動(dòng)，使沙土液化以實(shí)現(xiàn)輕松沉樁的新型環(huán)保型樁工機(jī)械。國(guó)內(nèi)振動(dòng)樁錘設(shè)計(jì)理論很落后，也沒(méi)有自己成熟的產(chǎn)品；國(guó)外液壓振動(dòng)錘問(wèn)世已有二十多年歷史，產(chǎn)品相對(duì)成熟，但對(duì)沉樁理論、尤其對(duì)沉樁阻力研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。國(guó)內(nèi)外液壓振動(dòng)樁錘產(chǎn)品存在著這樣的共同問(wèn)題：一方面，目前各種液壓振動(dòng)樁錘液壓控制技術(shù)水平低下，功能普遍比較簡(jiǎn)單，另一方面，調(diào)頻調(diào)矩機(jī)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)械故障率普遍較高，制約了設(shè)備向高性能的發(fā)展

2、。 本文在研究振動(dòng)沉樁過(guò)程地質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，深入研究了樁—土作用機(jī)理，形成了一種面向地基土的液壓振動(dòng)樁錘研究設(shè)計(jì)新方法，提出新型四軸振動(dòng)錘結(jié)構(gòu)，其調(diào)矩機(jī)構(gòu)不需齒輪傳動(dòng)，針對(duì)這種新型機(jī)構(gòu)，研究了新型機(jī)電液控制方案，研究設(shè)計(jì)了頻率調(diào)節(jié)控制、在線辯識(shí)近共振頻率實(shí)現(xiàn)近共振沉樁及相位差在線調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)偏心矩柔性調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，并且深入研究了這種新型四軸慣性振動(dòng)機(jī)的同步特性，完成了較系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)矩動(dòng)力學(xué)及其控制的研究與設(shè)計(jì)。論文進(jìn)行了大量的仿真

3、研究，針對(duì)局部問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究。論文主要研究?jī)?nèi)容如下： 論文首先研究了沉樁過(guò)程地質(zhì)特性和土的阻力問(wèn)題。在研究對(duì)比靜載荷、非液化低振幅振動(dòng)載荷和振動(dòng)液化載荷這三種情況下的地質(zhì)特性基礎(chǔ)上，借助于動(dòng)力地基剛度經(jīng)驗(yàn)算法、土動(dòng)力學(xué)對(duì)土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系非線性實(shí)驗(yàn)研究新成果和振動(dòng)沉樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料，得出了沉樁過(guò)程按地質(zhì)種類、樁結(jié)構(gòu)和深度確定地基土動(dòng)剛度、動(dòng)阻尼的新型理論模型和實(shí)用公式；考慮振動(dòng)沉樁對(duì)地基土內(nèi)摩擦系數(shù)和粘性力的影響，從沉樁時(shí)

4、土層的極限動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)和剪切動(dòng)強(qiáng)度理論出發(fā)，研究了樁端和樁側(cè)土阻力。借助地基土的地質(zhì)勘探報(bào)告提供的土質(zhì)名稱、深度、土壤物理力學(xué)性質(zhì)(靜載摩擦角和粘聚力)、樁尺寸、樁錘參數(shù)，即可得出任何地基的沉樁動(dòng)剛度、動(dòng)阻尼和動(dòng)阻力。 接著研究了面向地基土的樁錘液壓系統(tǒng)負(fù)載問(wèn)題。借助線性振動(dòng)理論，推導(dǎo)出了樁端對(duì)土的作用力、樁的慣性力與振動(dòng)頻率、相位差的關(guān)系模型，借助Case新方程、面向地基土的動(dòng)剛度、動(dòng)阻尼和動(dòng)阻力公式，建立了保證樁下沉的力學(xué)條件

5、，以確定樁慣入特定地基土所需的振動(dòng)頻率和偏心力矩；通過(guò)研究振動(dòng)對(duì)液壓馬達(dá)產(chǎn)生的負(fù)載力矩特性，得出了液壓系統(tǒng)負(fù)載壓力、功率與振動(dòng)頻率、相位差、樁錘結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特性之間的關(guān)系模型，得出針對(duì)特定地質(zhì)條件進(jìn)行共振沉樁和非共振沉樁的振動(dòng)條件，以確定樁錘結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)。最后總結(jié)出了一套面向地基土的液壓振動(dòng)錘研究設(shè)計(jì)新方法。 論文借助于計(jì)算機(jī)仿真，針對(duì)某一特定的地基土，利用面向地基土的液壓振動(dòng)錘研究設(shè)計(jì)新方法，預(yù)測(cè)了沉樁過(guò)程的地質(zhì)特性、負(fù)載特性

6、和頻率調(diào)節(jié)特性，并預(yù)測(cè)了沉樁深度，總結(jié)仿真結(jié)果，得出了沉樁過(guò)程樁錘參數(shù)變化和調(diào)節(jié)控制規(guī)律；通過(guò)對(duì)zzyy160新型液壓振動(dòng)錘沉樁過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析，研究了激振頻率、地基土剛度和阻尼系數(shù)對(duì)振動(dòng)位移、振動(dòng)加速度和樁端力的影響特征。 在樁—土作用、樁錘負(fù)載特性研究的基礎(chǔ)上，論文研究設(shè)計(jì)了無(wú)齒輪調(diào)矩新型樁錘機(jī)電液控制方案，新型液壓控制回路具有電液比例調(diào)頻、預(yù)防馬達(dá)吸空、系統(tǒng)節(jié)能等新功能。確定采用模糊控制策略進(jìn)行調(diào)頻調(diào)矩和在線搜索樁—土

7、共振頻率的控制方案。 液壓控制系統(tǒng)采用了新型高壓大流量電液比例調(diào)速閥，論文針對(duì)新型閥控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模和仿真分析，認(rèn)識(shí)了系統(tǒng)調(diào)速特性，設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)的普通PID控制器和模糊PID控制器；通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)試，設(shè)計(jì)和調(diào)整了普通PID控制器和模糊PID控制器的有關(guān)控制參數(shù)，仿真結(jié)果展示了模糊PID控制器品質(zhì)的優(yōu)越性；在調(diào)速模糊控制研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了模糊搜索樁—土共振頻率的普通模糊PID控制器和參數(shù)自調(diào)整模糊PID控

8、制器，通過(guò)頻率在線智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)真正近共振沉樁，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)試，設(shè)計(jì)和調(diào)整了模糊搜索樁—土共振頻率的控制器有關(guān)參數(shù)，仿真結(jié)果展示了參數(shù)在線自調(diào)整模糊PID控制比常規(guī)模糊PID控制具有更加優(yōu)良的控制品質(zhì)。 為了設(shè)計(jì)相位差柔性調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，論文建立了電液比例調(diào)速控制條件下振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電液耦合模型，研究了無(wú)相位差監(jiān)控的條件下機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的同步性機(jī)理和同步特性；通過(guò)對(duì)機(jī)電液耦合模型的動(dòng)態(tài)仿真，認(rèn)識(shí)了同步系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)、液壓參數(shù)

9、、地質(zhì)特性參數(shù)和頻率振幅調(diào)節(jié)參數(shù)等等之間的相互關(guān)系，研究了系統(tǒng)同步穩(wěn)定性和同步過(guò)渡過(guò)程特性；建立了無(wú)相位差控制同步系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平均值數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)同步性條件，為無(wú)齒輪柔性同步機(jī)械機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了量化模型依據(jù)，提出了提高同步性的措施。上述關(guān)于液壓振動(dòng)機(jī)械同步特性的機(jī)電液耦合研究填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白。 在電液控制調(diào)速和機(jī)電液系統(tǒng)同步特性研究的基礎(chǔ)上，論文設(shè)計(jì)了相位差調(diào)節(jié)的參數(shù)自校正模糊控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)振幅模糊調(diào)節(jié)；設(shè)計(jì)了仿真模

10、糊控制器，通過(guò)仿真優(yōu)化和檢驗(yàn)參數(shù)自校正模糊控制器的控制性能，仿真研究了模糊調(diào)節(jié)過(guò)程中系統(tǒng)振幅、負(fù)載力矩、系統(tǒng)油壓等參數(shù)的變化特征。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，參數(shù)自校正相位差模糊控制系統(tǒng)在無(wú)樁架共振施工和自適應(yīng)沉樁調(diào)節(jié)控制中能夠達(dá)到預(yù)期的效果。 針對(duì)面向地基土的液壓振動(dòng)樁錘參數(shù)選擇和沉樁負(fù)載特性預(yù)測(cè)新方法，作者以實(shí)地樁基礎(chǔ)施工地質(zhì)勘察報(bào)告資料為依據(jù)，進(jìn)行了共振和非共振條件下的沉樁負(fù)載特性和沉樁深度預(yù)測(cè)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了新方