基于Adams的惯性式振动沉拔桩机的运动仿真分析

吴 帅，薄延伟

WU Shuai, BO Yan-wei

（中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221008）

0 引言

随着现代科技的进步，消振、减振、隔振和降噪的研究得到了迅速的发展，并在实际中得到大量的应用，对提高产品质量和保护生产环境起到了保证作用；而振动利用的研究，也取得了丰硕成果[1]。其中，振动沉拔桩机广泛应用于土木建筑施工当中。振动压桩法是依靠液压静力将预制桩完全、平稳和安静地压入软弱地基，并利用振动机械系统来减振和隔振的一种方法，它是一种新型的桩基础施工方法。与传统的锤击式打桩机相比，振动压桩机施工时具有无噪声、无油污飞溅等环境污染的特点，施工质量好、使用费用低[2]。此研究建立了虚拟模型，逐步改变初始参数，在不同初始状态下，通过生成的桩机各部分运动轨迹等相关曲线来分析各部件的位移、速度、加速度以及能量等的情况，从而找到结构参数不合理的地方，进一步优化。

1 振动沉拔桩机工作原理简介

振动沉拔桩机由振动桩锤和通用桩架组成。振动桩锤是利用机械振动法使桩沉入或拔出。振动桩锤主要装置为振动器，利用振动器所产生的激振力，使桩身产生高频振动[3]。

振动器产生激振力的方法如下：振动器都是采用机械式振动器，是由两根装有偏心块的轴组成。这两根轴上装有相同的偏心块，但两根轴相向转动。这时两根轴上的偏心块所产生的离心力，在水平方向上的分力互相抵消，而其垂直方向上的分力则迭加起来。

2 建模及仿真

本课题所研究的惯性式振动沉拔桩机由桩机支架、夹桩机构、压桩机构和偏心激振系统组成。其中夹桩机构采用抱压式夹桩：通过四个侧面的液压缸杆的压力“抱”住桩体侧面，由此产生强大的摩擦力，使压桩时保持夹持牢固，达到运动平稳的效果。压桩机构由四个倒立的输有压力油的液压缸机构组成，通过液压缸杆与夹桩机构连结，来传递压力情况及运动变化。偏心激振系统采用双轴式惯性激振的形式，两轴上的偏心距和质量相等的偏心块在电机的带动下相向转动，产生的离心力在水平方向上的分力互相抵消，在垂直方向上的分力叠加，从而激振器产生一个直线方向变化的激振力，使桩机产生竖直方向的振动[4]。激振系统采用两组共四个偏心块，每组的两个偏心块通过一组螺栓连接成一定的角度，通过调整偏心块的角度大小，达到不同的激振效果，适用于不同的压桩环境。具体总体结构如图1所示。

桩机建模初步完成之导入Adams中，各种设置情况如图1中所示。

图1 振动沉拔桩机的ADAMS三维实体模型

3 桩机三维实体的仿真分析

振动沉拔桩机工作时，首先夹紧液压缸杆向相运动直到碰到桩体，并在液压力的作用下，夹紧桩体；夹桩的动作完成后，沉拔桩液压缸中的高压油推动活塞杆,带动夹桩机构向下压桩或向上拔桩，与此同时，偏心块的转动使底座上层和沉桩液压缸都在竖直方向产生频率为10Hz的振动，振动通过高压的液压油的振荡传给活塞杆，进而传到桩体。下面对桩机模型进行运动学仿真分析。

1）夹桩机构在竖直方向上的位移变化曲线

图2 夹桩机构位移变化曲线

由夹桩机构位移曲线可以得出，压桩周期为7s左右，在一个周期内，压桩时间5s，回程时间2s，压桩过程时间长于回程时间，保证了桩机的工作效率。压桩行程为0.22m。

2）夹桩机构在竖直方向上的速度变化曲线

由夹桩机构速度曲线可以得出，在压桩过程中，由于偏心块的旋转带动隔振弹簧的振动，夹桩机构随之产生正弦曲线运动；在回程中，由于电机停转，振动消失，夹桩机构回程平稳，基本按直线运动。

图3 夹桩机构速度变化曲线

3）夹桩机构在竖直方向上的加速度变化曲线

图4 夹桩机构加速度变化曲线

夹桩机构的加速度和速度情况相对应，在压桩过程中，基本按正弦曲线运动，在回程中，由于速度恒定，所以加速度维持为零。

4）夹桩机构能量变化曲线

图5 夹桩机构能量变化曲线

夹桩机构的能量是由动能、弹性势能和自身重力势能相互叠加的结果，较为复杂，没有确定规律。

5）压桩机构位移变化曲线

由压桩机构位移曲线可以得出，压桩机构按正弦曲线运动，且振幅为A=0.0038m=3.8mm左右，与理论设计的3.5mm基本相符。

4 结论

建立振动沉拔桩机的三维模型利用动力学分析软件ADAMS软件对惯性式振动桩机模型进行了运动仿真分析，通过零部件的位移、速度、加速度、能量等相关曲线，使惯性式振动沉拔桩机的仿真分析充分展现。通过对惯性式振动桩机的运动仿真分析，能在设计阶段预知桩机的驱动性能，仿真精度高。利用运动学分析软件可以直接修改结构参数对振动沉拔桩机的结构进行改造，减少人工作用的时间和费用。通过仿真分析可以大大提高设计效率，缩短开发周期，降低开发产品的成本，将会使大型机械设备的动态性能得到改善与提高，克服一些现在设计的缺陷和不足。

图6 压桩机构位移变化曲线

[1]闻邦椿, 刘树英, 张纯宇. 机械振动学[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2000.

[2]朱建新, 何清华. 液压静力压桩机的研究开发现状及其发展趋势[D]. 长沙: 中南大学, 2004.

[3]张益群, 李永福. 振动利用的广泛性和多学科性[J]. 昆明: 昆明理工大学学报, 2001, 26(5), 122-126.

[4]张晓伟. “三化”综合设计法及其在振动沉拔桩机设计中的应用[D], 沈阳: 东北大学, 2005.