四液壓馬達(dá)驅(qū)動振動樁機(jī)系統(tǒng)自同步理論研究.pdf

1、振動樁機(jī)是建筑行業(yè)樁基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵機(jī)械裝備，廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)、橋梁、港口等大型基礎(chǔ)工程的沉拔樁作業(yè)中。振動樁機(jī)可分為電動式和液壓式，而液壓式振動樁機(jī)具有調(diào)頻方便、沉樁效果好、噪聲低、耐沖擊、適用地質(zhì)范圍廣等特點(diǎn)。目前，振動樁機(jī)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(jī)可靠性低、壽命短等問題。而振動系統(tǒng)多偏心轉(zhuǎn)子自同步現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及相應(yīng)理論的建立，為振動機(jī)械設(shè)計(jì)展現(xiàn)了一個新的契機(jī)，即在一個滿足特定要求的振動系統(tǒng)中，多

2、個偏心轉(zhuǎn)子可以實(shí)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(zhuǎn)子的廣義動態(tài)對稱性和振動系統(tǒng)的運(yùn)動選擇原理，提出了一種可實(shí)現(xiàn)四液壓馬達(dá)驅(qū)動自同步的新機(jī)構(gòu)，建立了振動樁機(jī)中液壓馬達(dá)驅(qū)動四偏心轉(zhuǎn)子的新理論，探索出四偏心轉(zhuǎn)子自同步理論的分析方法。利用自同步理論設(shè)計(jì)機(jī)械，取消了剛性齒輪傳動，簡化了樁機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了傳動系統(tǒng)可靠性，為新型振動樁機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。論文取得了如下的研究成果:
　　(1)提出了兩個同軸旋轉(zhuǎn)梁上對稱安

3、裝四個液壓馬達(dá)驅(qū)動同向回轉(zhuǎn)偏心轉(zhuǎn)子的自同步機(jī)構(gòu)。在此機(jī)構(gòu)中，每個梁上對稱安裝兩個偏心轉(zhuǎn)子，其旋轉(zhuǎn)平面與梁旋轉(zhuǎn)軸線—沉樁方向的垂面成一定角度，稱振動激勵角，且兩旋轉(zhuǎn)梁上偏心轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)平面相對于梁的旋轉(zhuǎn)軸線的垂面對稱，可以實(shí)現(xiàn)四偏心轉(zhuǎn)子激勵在沉樁方向的疊加。
　　(2)設(shè)計(jì)了振動樁機(jī)液壓傳動系統(tǒng)，依據(jù)電動機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)之間的能量傳遞關(guān)系，推導(dǎo)出電動機(jī)一液壓泵—液壓馬達(dá)傳動系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的數(shù)學(xué)模型。建立了液壓樁機(jī)多剛體運(yùn)動系統(tǒng)的

4、坐標(biāo)系，推導(dǎo)出系統(tǒng)動能、勢能和能量逸散函數(shù)，利用拉格朗日方程建立了四液壓馬達(dá)驅(qū)動振動樁機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程。
　　(3)利用模態(tài)分析法，推導(dǎo)出樁機(jī)多體振動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的解析表達(dá)式。利用改進(jìn)小參數(shù)平均法，推導(dǎo)出振動樁機(jī)系統(tǒng)中四偏心轉(zhuǎn)子的無量綱耦合方程。依據(jù)無量綱耦合方程的零解存在及穩(wěn)定性，推導(dǎo)出四偏心轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)自同步的條件;將四偏心轉(zhuǎn)子的自同步穩(wěn)定性問題轉(zhuǎn)化為四個偏心轉(zhuǎn)子角速度擾動參數(shù)廣義系統(tǒng)和三個相位差擾動參數(shù)廣義系統(tǒng)零解穩(wěn)定性問

5、題，利用Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)和Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)得到液壓馬達(dá)驅(qū)動四偏心轉(zhuǎn)子自同步的穩(wěn)定性條件。
　　(4)依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中耗能最低原理，提出了四偏心轉(zhuǎn)子廣義動態(tài)對稱角的計(jì)算方法，定義了四偏心轉(zhuǎn)子的廣義動態(tài)對稱系數(shù)。通過數(shù)值計(jì)算，研究了廣義動態(tài)對稱角、廣義動態(tài)對稱系數(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，提出了保證振動樁機(jī)自同步性、最大限度提升系統(tǒng)激勵的參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則。
　　(5)提出了亞共振自同步振動系統(tǒng)的運(yùn)

6、動選擇原理。在亞共振振動系統(tǒng)中，水平方向橢圓運(yùn)動（過共振）使兩對偏心轉(zhuǎn)子之間平均相位差向π趨近，驅(qū)使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)豎直方向振動;而豎直方向振動也使兩對偏心轉(zhuǎn)子之間平均相位差向π趨近，驅(qū)使系統(tǒng)實(shí)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(yùn)動選擇原理?；谶@一運(yùn)動選擇原理，本文亞共振振動系統(tǒng)必能實(shí)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(qū)動振動樁機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真軟件。