液压振动桩锤自同步条件的研究及仿真

　　20世纪60年代,前苏联的Blehmen博士^[1]提出了双激振器振动机的同步理论,可使机器结构大为简化。近10多年来,以东北大学闻邦椿院士为首的科研群体,在该领域进行了许多开创性的研究,大力发展了振动同步理论与控制同步理论,并将研究成果应用于我国工业部门^[2-4]。目前在工业部门中,数以万计的利用振动同步原理、电机直接驱动的同步振动机在物料供给、输运、筛分、破碎、粉磨和铸件落砂等方面得到了推广应用,它们在生产中已创造了重大的经济效益和社会效益^[5-6]。但是,由于与之相关的惯性同步技术理论研究和应用的严重滞后,对于液压振动桩锤这种大阻尼、大刚度的工程机械,在工程施工中使用的液压振动锤全部都是采用传统的刚性强迫同步^[7]。刚性同步既要保证单个振动锤内齿轮的同步,又要保证多个振动锤之间的同步,这就必然导致刚性同步的振动锤结构过于复杂,而且齿轮传动系统发热大,温升高,齿轮频频损坏^[8]。若液压振动锤组能实现振动同步,由于取消了用于保证刚性同步的齿轮和同步轴,必将会大大简化振动沉桩机的结构,完全解除对振动锤的位置限制,大幅度减少系统发热,扩宽振动锤的应用范围,提高系统的可靠性和生产效率。

　　1 模型的建立与分析

　　振动桩锤的力学模型如图1所示。两个质量均为m0的偏心块分别绕轴相对旋转,初始相位分别为φ₁、φ₁。

　　从微观角度看(见图1),应该存在3个自由度的不同步引起的振动:y方向,激振力的周期变化引起的振动;x方向,同一层偏心块的不同步,引起侧振,以及扭振。

　　由于偏心块在一个周期内的角加速度作周期性变化,由它引起的偏心块的惯性力与离心惯性力相比很小,可忽略不计,振动方程为:

式(1)中: M为振动机体(包括偏心块)的质量;J为振动机体(包括偏心块)对其质心的转动惯量;M₀、r为每一根轴上的偏心块质量和偏心距;φ₁、φ₁、φ₁和φ、φ₂、φ₂为轴1和轴2偏心块的角位移、角速度和角加速度;fy、fx、fφ为y、x、φ方向的阻力系数;Ky、Kx、Kφ为y、x、φ方向的弹簧刚度合成。l₁、l₂为轴1和轴2中心到机体质心的距离。

　　上层偏心回转系和下层偏心回转系及质心的振动方程为

式(2)中:T_Mi为分别为总的负载力矩,即液压马达1和2的有效力矩

式(3)中:L_i为马达1和马达2的机械效率;p_i为马达1和马达2的工作压力;q为马达的有效排量。