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

1、振動(dòng)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(dòng)樁機(jī)可分為電動(dòng)式和液壓式，而液壓式振動(dòng)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(dòng)樁機(jī)多采用齒輪剛性傳動(dòng)的同步方式，受沖擊后傳動(dòng)齒輪頻繁損壞，造成樁機(jī)可靠性低、壽命短等問(wèn)題。而振動(dòng)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(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)展現(xiàn)了一個(gè)新的契機(jī)，即在一個(gè)滿足特定要求的振動(dòng)系統(tǒng)中，多

2、個(gè)偏心轉(zhuǎn)子可以實(shí)現(xiàn)在特定方向激勵(lì)相互疊加的自同步。本文基于振動(dòng)系統(tǒng)中雙偏心轉(zhuǎn)子的廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱性和振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)選擇原理，提出了一種可實(shí)現(xiàn)四液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)自同步的新機(jī)構(gòu)，建立了振動(dòng)樁機(jī)中液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，簡(jiǎn)化了樁機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性，為新型振動(dòng)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(gè)同軸旋轉(zhuǎn)梁上對(duì)稱安

3、裝四個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(gè)梁上對(duì)稱安裝兩個(gè)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(dòng)激勵(lì)角，且兩旋轉(zhuǎn)梁上偏心轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)平面相對(duì)于梁的旋轉(zhuǎn)軸線的垂面對(duì)稱，可以實(shí)現(xiàn)四偏心轉(zhuǎn)子激勵(lì)在沉樁方向的疊加。
　　(2)設(shè)計(jì)了振動(dòng)樁機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，依據(jù)電動(dòng)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(dòng)機(jī)一液壓泵—液壓馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型。建立了液壓樁機(jī)多剛體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的

4、坐標(biāo)系，推導(dǎo)出系統(tǒng)動(dòng)能、勢(shì)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(dòng)振動(dòng)樁機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。
　　(3)利用模態(tài)分析法，推導(dǎo)出樁機(jī)多體振動(dòng)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(dòng)樁機(jī)系統(tǒng)中四偏心轉(zhuǎn)子的無(wú)量綱耦合方程。依據(jù)無(wú)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為四個(gè)偏心轉(zhuǎn)子角速度擾動(dòng)參數(shù)廣義系統(tǒng)和三個(gè)相位差擾動(dòng)參數(shù)廣義系統(tǒng)零解穩(wěn)定性問(wèn)

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(dòng)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(guò)程中耗能最低原理，提出了四偏心轉(zhuǎn)子廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱角的計(jì)算方法，定義了四偏心轉(zhuǎn)子的廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱系數(shù)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，研究了廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱角、廣義動(dòng)態(tài)對(duì)稱系數(shù)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，提出了保證振動(dòng)樁機(jī)自同步性、最大限度提升系統(tǒng)激勵(lì)的參數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則。
　　(5)提出了亞共振自同步振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)

6、動(dòng)選擇原理。在亞共振振動(dòng)系統(tǒng)中，水平方向橢圓運(yùn)動(dòng)（過(guò)共振）使兩對(duì)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(dòng);而豎直方向振動(dòng)也使兩對(duì)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(dòng)，將這一特性稱之為亞共振振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)選擇原理。基于這一運(yùn)動(dòng)選擇原理，本文亞共振振動(dòng)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(dòng)，這是該亞共振振動(dòng)系統(tǒng)的一大特色。
　　(6)利用龍格庫(kù)塔法，開(kāi)發(fā)了四液壓驅(qū)動(dòng)振動(dòng)樁機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真軟件。