液壓振動樁錘沉樁動力學(xué)及調(diào)頻調(diào)矩控制研究.pdf

1、液壓振動樁錘是一種以油壓力為驅(qū)動力產(chǎn)生偏心激振、強迫樁土振動，使沙土液化以實現(xiàn)輕松沉樁的新型環(huán)保型樁工機械。國內(nèi)振動樁錘設(shè)計理論很落后，也沒有自己成熟的產(chǎn)品；國外液壓振動錘問世已有二十多年歷史，產(chǎn)品相對成熟，但對沉樁理論、尤其對沉樁阻力研究還遠遠不夠。國內(nèi)外液壓振動樁錘產(chǎn)品存在著這樣的共同問題：一方面，目前各種液壓振動樁錘液壓控制技術(shù)水平低下，功能普遍比較簡單，另一方面，調(diào)頻調(diào)矩機構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致機械故障率普遍較高，制約了設(shè)備向高性能的發(fā)展

2、。 本文在研究振動沉樁過程地質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，深入研究了樁—土作用機理，形成了一種面向地基土的液壓振動樁錘研究設(shè)計新方法，提出新型四軸振動錘結(jié)構(gòu)，其調(diào)矩機構(gòu)不需齒輪傳動，針對這種新型機構(gòu)，研究了新型機電液控制方案，研究設(shè)計了頻率調(diào)節(jié)控制、在線辯識近共振頻率實現(xiàn)近共振沉樁及相位差在線調(diào)節(jié)實現(xiàn)偏心矩柔性調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，并且深入研究了這種新型四軸慣性振動機的同步特性，完成了較系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)矩動力學(xué)及其控制的研究與設(shè)計。論文進行了大量的仿真

3、研究，針對局部問題進行了現(xiàn)場實驗研究。論文主要研究內(nèi)容如下： 論文首先研究了沉樁過程地質(zhì)特性和土的阻力問題。在研究對比靜載荷、非液化低振幅振動載荷和振動液化載荷這三種情況下的地質(zhì)特性基礎(chǔ)上，借助于動力地基剛度經(jīng)驗算法、土動力學(xué)對土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系非線性實驗研究新成果和振動沉樁現(xiàn)場試驗資料，得出了沉樁過程按地質(zhì)種類、樁結(jié)構(gòu)和深度確定地基土動剛度、動阻尼的新型理論模型和實用公式；考慮振動沉樁對地基土內(nèi)摩擦系數(shù)和粘性力的影響，從沉樁時

4、土層的極限動應(yīng)力狀態(tài)和剪切動強度理論出發(fā)，研究了樁端和樁側(cè)土阻力。借助地基土的地質(zhì)勘探報告提供的土質(zhì)名稱、深度、土壤物理力學(xué)性質(zhì)(靜載摩擦角和粘聚力)、樁尺寸、樁錘參數(shù)，即可得出任何地基的沉樁動剛度、動阻尼和動阻力。 接著研究了面向地基土的樁錘液壓系統(tǒng)負載問題。借助線性振動理論，推導(dǎo)出了樁端對土的作用力、樁的慣性力與振動頻率、相位差的關(guān)系模型，借助Case新方程、面向地基土的動剛度、動阻尼和動阻力公式，建立了保證樁下沉的力學(xué)條件

5、，以確定樁慣入特定地基土所需的振動頻率和偏心力矩；通過研究振動對液壓馬達產(chǎn)生的負載力矩特性，得出了液壓系統(tǒng)負載壓力、功率與振動頻率、相位差、樁錘結(jié)構(gòu)、地質(zhì)特性之間的關(guān)系模型，得出針對特定地質(zhì)條件進行共振沉樁和非共振沉樁的振動條件，以確定樁錘結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)。最后總結(jié)出了一套面向地基土的液壓振動錘研究設(shè)計新方法。 論文借助于計算機仿真，針對某一特定的地基土，利用面向地基土的液壓振動錘研究設(shè)計新方法，預(yù)測了沉樁過程的地質(zhì)特性、負載特性

6、和頻率調(diào)節(jié)特性，并預(yù)測了沉樁深度，總結(jié)仿真結(jié)果，得出了沉樁過程樁錘參數(shù)變化和調(diào)節(jié)控制規(guī)律；通過對zzyy160新型液壓振動錘沉樁過程動態(tài)響應(yīng)仿真分析，研究了激振頻率、地基土剛度和阻尼系數(shù)對振動位移、振動加速度和樁端力的影響特征。 在樁—土作用、樁錘負載特性研究的基礎(chǔ)上，論文研究設(shè)計了無齒輪調(diào)矩新型樁錘機電液控制方案，新型液壓控制回路具有電液比例調(diào)頻、預(yù)防馬達吸空、系統(tǒng)節(jié)能等新功能。確定采用模糊控制策略進行調(diào)頻調(diào)矩和在線搜索樁—土

7、共振頻率的控制方案。 液壓控制系統(tǒng)采用了新型高壓大流量電液比例調(diào)速閥，論文針對新型閥控馬達調(diào)速系統(tǒng)，進行了運動學(xué)、動力學(xué)建模和仿真分析，認識了系統(tǒng)調(diào)速特性，設(shè)計了調(diào)速系統(tǒng)的普通PID控制器和模糊PID控制器；通過仿真實驗調(diào)試，設(shè)計和調(diào)整了普通PID控制器和模糊PID控制器的有關(guān)控制參數(shù)，仿真結(jié)果展示了模糊PID控制器品質(zhì)的優(yōu)越性；在調(diào)速模糊控制研究基礎(chǔ)上，設(shè)計了模糊搜索樁—土共振頻率的普通模糊PID控制器和參數(shù)自調(diào)整模糊PID控

8、制器，通過頻率在線智能調(diào)節(jié)，實現(xiàn)真正近共振沉樁，通過仿真實驗調(diào)試，設(shè)計和調(diào)整了模糊搜索樁—土共振頻率的控制器有關(guān)參數(shù)，仿真結(jié)果展示了參數(shù)在線自調(diào)整模糊PID控制比常規(guī)模糊PID控制具有更加優(yōu)良的控制品質(zhì)。 為了設(shè)計相位差柔性調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，論文建立了電液比例調(diào)速控制條件下振動系統(tǒng)的機電液耦合模型，研究了無相位差監(jiān)控的條件下機械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的同步性機理和同步特性；通過對機電液耦合模型的動態(tài)仿真，認識了同步系統(tǒng)的機械參數(shù)、液壓參數(shù)

9、、地質(zhì)特性參數(shù)和頻率振幅調(diào)節(jié)參數(shù)等等之間的相互關(guān)系，研究了系統(tǒng)同步穩(wěn)定性和同步過渡過程特性；建立了無相位差控制同步系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平均值數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)同步性條件，為無齒輪柔性同步機械機電液系統(tǒng)設(shè)計提供了量化模型依據(jù)，提出了提高同步性的措施。上述關(guān)于液壓振動機械同步特性的機電液耦合研究填補了國內(nèi)外空白。 在電液控制調(diào)速和機電液系統(tǒng)同步特性研究的基礎(chǔ)上，論文設(shè)計了相位差調(diào)節(jié)的參數(shù)自校正模糊控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)振幅模糊調(diào)節(jié)；設(shè)計了仿真模

10、糊控制器，通過仿真優(yōu)化和檢驗參數(shù)自校正模糊控制器的控制性能，仿真研究了模糊調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)振幅、負載力矩、系統(tǒng)油壓等參數(shù)的變化特征。仿真實驗結(jié)果表明，參數(shù)自校正相位差模糊控制系統(tǒng)在無樁架共振施工和自適應(yīng)沉樁調(diào)節(jié)控制中能夠達到預(yù)期的效果。 針對面向地基土的液壓振動樁錘參數(shù)選擇和沉樁負載特性預(yù)測新方法，作者以實地樁基礎(chǔ)施工地質(zhì)勘察報告資料為依據(jù)，進行了共振和非共振條件下的沉樁負載特性和沉樁深度預(yù)測，并通過現(xiàn)場實驗進行了驗證，證明了新方