APE600八聯動振動錘組設備原理及分析

鄭中華，楊合林

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

1 APE600振動錘

1.1 APE600振動錘結構及原理

APE600振動錘（見圖1）分為振動體、非振動體兩部分組成，振動體與非振動體之間由減振橡膠塊連接。

圖1 APE600振動錘

非振動體部分位于振動錘齒輪箱頂部，非振動體的功能是將齒輪箱所產生的震動與吊架分離。減振橡膠塊可以吸收振動錘所產生的震動，同時提供振動錘的上拔。APE動錘具有高容量兩級減震系統和高強度保險銷系統，當一級減震塊拉伸250mm，二級減震塊開始受力拉伸150mm后，到達極限位置，此時保險銷碰保險擋塊承擔其全部重量以保證振動體不會因脫落而造成事故[1]。

振動體主要部分是齒輪箱，齒輪箱結構是由同步的帶齒偏心塊組成，偏心塊安裝在由軸承支持的軸上。偏心塊利用液壓馬達和啟動軸來旋轉。由于齒輪箱內的偏心塊具有同步功能，偏心塊可以產生垂直向下的沖擊力，但同時偏心塊在處于水平時，所有沖擊力又會全部抵消。偏心塊以1495轉/min以上的速度旋轉旋轉震動所產生“振幅”，利用振動錘的振幅來進行鋼圓筒的振沉與上拔。其原理見圖2。

圖2 偏心塊工作原理圖

1.2 激振力及振幅

振動錘動力柜額定轉速為n0=750r/min，最大轉速為nmax=2100，發動機與偏心塊之間的總機械效率為η=0.712，激振頻率（偏心轉子的速度）為：

f0=ηn0=0.712×750=534r/min（額定激振頻率）；

fmax=ηnmax=0.712×210=1495.2r/min（最大激振頻率）。

APE600偏心轉子的偏心力矩為M偏心=230kg·m，八臺振動錘聯動最大激振力為：

鋼圓筒振沉時發動機轉速為1180r/min,此時系統的激振力為：

鋼圓筒振撥時發動機轉速為1500r/min，此時系統的激振力為：

2 吊架

吊架的設計吊重為2000噸，安全系數n=2。吊架中心連接體與8根中心輻射梁連接，每根輻射梁端部與起重吊板連接，8根邊梁與吊板連接。吊架結構圖見圖3。吊板下部銷軸孔與振動錘相連，上部銷軸孔與起吊鋼絲繩相連接。

圖3 吊架結構圖

2.1 吊架有限元分析

利用Solidworks Simulation軟件對吊架進行受力分析，由于吊架為實體結構，故采用實體單元進行網格劃分，雅可比為4點。劃分網格后共有209949個節點和102936個單元。吊架上部連接鋼絲繩，下部連接振動體，因此，在每個吊板上軸孔施加固定鉸接約束并施加沿鋼絲繩方向的連接約束，在8個吊板下軸孔共施加2000t豎直向下力。

經過分析，得到相應的應力和位移云圖，分別如圖4和圖5所示。可以看出最大應力出現在吊板處，應力值為148.2MPa；最大位移出現在中心連接體處，位移值為0.52mm。

圖4 吊架應力分布云圖

圖5 吊架位移分布云圖

2.2 計算結果分析與校核

吊架材料選用Q345B，其屈服強度為345MPa，由有限元分析計算結果，可得出吊架的安全系數為n=345/148.2=2.33。設計許用安全系數[n]=2，n＞[n]，所以該吊架強度足夠。而其最大綜合位移為0.52mm，變形量小，剛度好。

3 共振圈梁

共振圈梁由8個共振梁和8個連系梁組成的16邊形圈梁，其結構圖見圖6。共振梁為箱型梁結構，外形尺寸為1000mm×2400mm×4160mm。連系梁是由3個焊接H型鋼和上、下蓋板組成的箱型梁。每個共振梁上部安裝一臺APE600振動錘，和一套同步系統，下部安裝3個液壓夾具。

3.1 共振梁有限元分析

圖6 共振圈梁結構圖

利用Solidworks Simulation軟件對單個共振梁進行有限元分析。采用實體網格劃分，節總數為287498個，單元總數為159115個。在共振梁上表面施加單錘最大激振力564t，共振梁兩側施加固定約束。

經過分析，得到相應的應力和位移云圖，分別如圖7和圖8所示，最大應力為155MPa，最大位移為1.5mm。

圖7 共振梁應力分布云圖

圖8 吊架應力分布云圖

3.2 計算結果分析與校核

共振梁材料選用Q345B，其屈服強度為345MPa，由有限元分析計算結果，可得出共振梁的安全系數為n=345/155=2.23，共振梁的強度足夠。而其最大綜合位移為1.5mm，變形量小，剛度好。

4 同步系統

八聯動振動錘組每臺振動錘都由單獨的動力柜提供動力，要達到所有振動錘同步，必須要對所有馬達和振動錘提供一致的流量和壓力。為達此目的，所有動力柜的液壓系統利用液壓油管連為一體來提供相同的流量與壓力。

所有振動錘在同一時間內的振動方向必須是一致的，為了解決此問題，振動錘之間采用同步軸進行連接。同步軸的作用是保證所有振動錘在啟動或關機時達到同步，但不傳遞扭矩。在振動開始（停止）時同步軸引導著偏心塊并使所有偏心塊在開始（停止）轉動時保持同步，這樣就可以可以避免振動錘在振動開始（停止）過程中發生側向震動或不規律振動。

5 鋼絲繩的計算

鋼圓筒振拔過程中，鋼絲繩的最大靜拉力按2000t考慮，以最小安全系數法選取吊架鋼絲繩，單根鋼絲繩的最小破斷拉力為：

F0≥Sn/N=20000×5/8=1.25×104kN

S——鋼絲繩的最大靜拉力，kN；

n——鋼絲繩的最小安全系數，取n=5；

N——鋼絲繩的根數，N=8。

根據《粗直徑鋼絲繩》（YBT 55225-93）中公式 F0=k′·d2·R0/1000，得

F0——最小破斷力，kN；

k′——鋼絲繩的最小破斷拉力經驗系數,8×37（a）金屬芯鋼絲繩 k′=0.346；

d——鋼絲繩公稱直徑，mm；

R0——鋼絲繩的公稱抗拉強度，MPa，選用R0=1770。

選取 φ145-8×37（a）+IWR-1770 鍍鋅鋼絲繩。