基于Adams的慣性式振動沉拔樁機的運動仿真分析

吳 帥，薄延偉

WU Shuai, BO Yan-wei

（中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221008）

0 引言

隨著現代科技的進步，消振、減振、隔振和降噪的研究得到了迅速的發展，并在實際中得到大量的應用，對提高產品質量和保護生產環境起到了保證作用；而振動利用的研究，也取得了豐碩成果[1]。其中，振動沉拔樁機廣泛應用于土木建筑施工當中。振動壓樁法是依靠液壓靜力將預制樁完全、平穩和安靜地壓入軟弱地基，并利用振動機械系統來減振和隔振的一種方法，它是一種新型的樁基礎施工方法。與傳統的錘擊式打樁機相比，振動壓樁機施工時具有無噪聲、無油污飛濺等環境污染的特點，施工質量好、使用費用低[2]。此研究建立了虛擬模型，逐步改變初始參數，在不同初始狀態下，通過生成的樁機各部分運動軌跡等相關曲線來分析各部件的位移、速度、加速度以及能量等的情況，從而找到結構參數不合理的地方，進一步優化。

1 振動沉拔樁機工作原理簡介

振動沉拔樁機由振動樁錘和通用樁架組成。振動樁錘是利用機械振動法使樁沉入或拔出。振動樁錘主要裝置為振動器，利用振動器所產生的激振力，使樁身產生高頻振動[3]。

振動器產生激振力的方法如下：振動器都是采用機械式振動器，是由兩根裝有偏心塊的軸組成。這兩根軸上裝有相同的偏心塊，但兩根軸相向轉動。這時兩根軸上的偏心塊所產生的離心力，在水平方向上的分力互相抵消，而其垂直方向上的分力則迭加起來。

2 建模及仿真

本課題所研究的慣性式振動沉拔樁機由樁機支架、夾樁機構、壓樁機構和偏心激振系統組成。其中夾樁機構采用抱壓式夾樁：通過四個側面的液壓缸桿的壓力“抱”住樁體側面，由此產生強大的摩擦力，使壓樁時保持夾持牢固，達到運動平穩的效果。壓樁機構由四個倒立的輸有壓力油的液壓缸機構組成，通過液壓缸桿與夾樁機構連結，來傳遞壓力情況及運動變化。偏心激振系統采用雙軸式慣性激振的形式，兩軸上的偏心距和質量相等的偏心塊在電機的帶動下相向轉動，產生的離心力在水平方向上的分力互相抵消，在垂直方向上的分力疊加，從而激振器產生一個直線方向變化的激振力，使樁機產生豎直方向的振動[4]。激振系統采用兩組共四個偏心塊，每組的兩個偏心塊通過一組螺栓連接成一定的角度，通過調整偏心塊的角度大小，達到不同的激振效果，適用于不同的壓樁環境。具體總體結構如圖1所示。

樁機建模初步完成之導入Adams中，各種設置情況如圖1中所示。

圖1 振動沉拔樁機的ADAMS三維實體模型

3 樁機三維實體的仿真分析

振動沉拔樁機工作時，首先夾緊液壓缸桿向相運動直到碰到樁體，并在液壓力的作用下，夾緊樁體；夾樁的動作完成后，沉拔樁液壓缸中的高壓油推動活塞桿,帶動夾樁機構向下壓樁或向上拔樁，與此同時，偏心塊的轉動使底座上層和沉樁液壓缸都在豎直方向產生頻率為10Hz的振動，振動通過高壓的液壓油的振蕩傳給活塞桿，進而傳到樁體。下面對樁機模型進行運動學仿真分析。

1）夾樁機構在豎直方向上的位移變化曲線

圖2 夾樁機構位移變化曲線

由夾樁機構位移曲線可以得出，壓樁周期為7s左右，在一個周期內，壓樁時間5s，回程時間2s，壓樁過程時間長于回程時間，保證了樁機的工作效率。壓樁行程為0.22m。

2）夾樁機構在豎直方向上的速度變化曲線

由夾樁機構速度曲線可以得出，在壓樁過程中，由于偏心塊的旋轉帶動隔振彈簧的振動，夾樁機構隨之產生正弦曲線運動；在回程中，由于電機停轉，振動消失，夾樁機構回程平穩，基本按直線運動。

圖3 夾樁機構速度變化曲線

3）夾樁機構在豎直方向上的加速度變化曲線

圖4 夾樁機構加速度變化曲線

夾樁機構的加速度和速度情況相對應，在壓樁過程中，基本按正弦曲線運動，在回程中，由于速度恒定，所以加速度維持為零。

4）夾樁機構能量變化曲線

圖5 夾樁機構能量變化曲線

夾樁機構的能量是由動能、彈性勢能和自身重力勢能相互疊加的結果，較為復雜，沒有確定規律。

5）壓樁機構位移變化曲線

由壓樁機構位移曲線可以得出，壓樁機構按正弦曲線運動，且振幅為A=0.0038m=3.8mm左右，與理論設計的3.5mm基本相符。

4 結論

建立振動沉拔樁機的三維模型利用動力學分析軟件ADAMS軟件對慣性式振動樁機模型進行了運動仿真分析，通過零部件的位移、速度、加速度、能量等相關曲線，使慣性式振動沉拔樁機的仿真分析充分展現。通過對慣性式振動樁機的運動仿真分析，能在設計階段預知樁機的驅動性能，仿真精度高。利用運動學分析軟件可以直接修改結構參數對振動沉拔樁機的結構進行改造，減少人工作用的時間和費用。通過仿真分析可以大大提高設計效率，縮短開發周期，降低開發產品的成本，將會使大型機械設備的動態性能得到改善與提高，克服一些現在設計的缺陷和不足。

圖6 壓樁機構位移變化曲線

[1]聞邦椿, 劉樹英, 張純宇. 機械振動學[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2000.

[2]朱建新, 何清華. 液壓靜力壓樁機的研究開發現狀及其發展趨勢[D]. 長沙: 中南大學, 2004.

[3]張益群, 李永福. 振動利用的廣泛性和多學科性[J]. 昆明: 昆明理工大學學報, 2001, 26(5), 122-126.

[4]張曉偉. “三化”綜合設計法及其在振動沉拔樁機設計中的應用[D], 沈陽: 東北大學, 2005.