四液压马达驱动振动桩机系统自同步理论研究

摘要

振动桩机是建筑行业桩基础施工的关键机械装备，广泛应用于城市建设、桥梁、港口等大型基础工程的沉拔桩作业中。振动桩机可分为电动式和液压式，而液压式振动桩机具有调频方便、沉桩效果好、噪声低、耐冲击、适用地质范围广等特点。目前，振动桩机多采用齿轮刚性传动的同步方式，受冲击后传动齿轮频繁损坏，造成桩机可靠性低、寿命短等问题。而振动系统多偏心转子自同步现象的发现及相应理论的建立，为振动机械设计展现了一个新的契机，即在一个满足特定要求的振动系统中，多个偏心转子可以实现在特定方向激励相互叠加的自同步。本文基于振动系统中双偏心转子的广义动态对称性和振动系统的运动选择原理，提出了一种可实现四液压马达驱动自同步的新机构，建立了振动桩机中液压马达驱动四偏心转子的新理论，探索出四偏心转子自同步理论的分析方法。利用自同步理论设计机械，取消了刚性齿轮传动，简化了桩机结构，提高了传动系统可靠性，为新型振动桩机设计提供了理论基础。论文取得了如下的研究成果:
　　(1)提出了两个同轴旋转梁上对称安装四个液压马达驱动同向回转偏心转子的自同步机构。在此机构中，每个梁上对称安装两个偏心转子，其旋转平面与梁旋转轴线—沉桩方向的垂面成一定角度，称振动激励角，且两旋转梁上偏心转子的旋转平面相对于梁的旋转轴线的垂面对称，可以实现四偏心转子激励在沉桩方向的叠加。
　　(2)设计了振动桩机液压传动系统，依据电动机、液压泵和液压马达之间的能量传递关系，推导出电动机一液压泵—液压马达传动系统准稳态运行时的数学模型。建立了液压桩机多刚体运动系统的坐标系，推导出系统动能、势能和能量逸散函数，利用拉格朗日方程建立了四液压马达驱动振动桩机系统的运动微分方程。
　　(3)利用模态分析法，推导出桩机多体振动系统的稳态响应的解析表达式。利用改进小参数平均法，推导出振动桩机系统中四偏心转子的无量纲耦合方程。依据无量纲耦合方程的零解存在及稳定性，推导出四偏心转子实现自同步的条件;将四偏心转子的自同步稳定性问题转化为四个偏心转子角速度扰动参数广义系统和三个相位差扰动参数广义系统零解稳定性问题，利用Lyapunov稳定性判据和Routh-Hurwitz稳定性判据得到液压马达驱动四偏心转子自同步的稳定性条件。
　　(4)依据系统运行过程中耗能最低原理，提出了四偏心转子广义动态对称角的计算方法，定义了四偏心转子的广义动态对称系数。通过数值计算，研究了广义动态对称角、广义动态对称系数与系统结构及动力学参数的关系，提出了保证振动桩机自同步性、最大限度提升系统激励的参数设计规则。
　　(5)提出了亚共振自同步振动系统的运动选择原理。在亚共振振动系统中，水平方向椭圆运动（过共振）使两对偏心转子之间平均相位差向π趋近，驱使系统实现竖直方向振动;而竖直方向振动也使两对偏心转子之间平均相位差向π趋近，驱使系统实现竖直方向振动，将这一特性称之为亚共振振动系统的运动选择原理。基于这一运动选择原理，本文亚共振振动系统必能实现竖直方向用于沉拔桩的稳定的振动，这是该亚共振振动系统的一大特色。
　　(6)利用龙格库塔法，开发了四液压驱动振动桩机系统的计算机仿真软件。通过计算机仿真，研究振动桩机系统的结构与性能参数差异、初始相位差等因素对系统自同步运动状态的影响，验证了理论分析结果的正确性。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的意义

1．1．1 振动桩机分类及现存问题

1．1．2 课题研究意义

1．2 自同步理论国内外研究发展现状

1．2．1 机械系统同步研究发展过程

1．2．2 振动同步国内外研究发展现状

1．3 本文研究的内容

第2章 四液压马达驱动振动桩机的数学模型

2．1 四液压马达驱动振动桩机系统的动力学模型

2．1．1 四液压马达驱动振动桩机的激振器结构设计

2．1．2 振动桩机系统动力学模型

2．2 电动机—液压泵—液压马达传动系统的数学模型

2．2．1 电动机—液压泵—液压马达传动系统工作原理

2．2．2 传动系统的数学模型

2．3 本章结论

第3章 振动桩中液压马达驱动四偏心转子的自同步理论

3．1 四偏心转子的无量纲耦合方程

3．1．1 振动系统的稳态响应

3．1．2 四偏心转子的无量耦合纲方程

3．2 四偏心转子广义动态对称性

3．2．1 广义动态对称角

3．2．2 广义动态对称系数

3．3 四偏心转子实现同步的条件

3．4 四偏心转子同步运行的稳定性

3．5 本章结论

第4章 系统广义动态对称性、稳定性数值分析与计算机仿真

4．1 系统广义动态对称性数值分析

4．1．1 广义动态对称角数值计算

4．1．2 广义动态对称系数数值计算

4．2 同步运行稳定性的数值分析

4．3 计算机仿真

4．3．1 电机相同时仿真分析

4．3．2 电机不同时仿真分析

4．4 本章结论

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢