液壓振動樁錘沉樁動力學及調頻調矩控制研究.pdf

1、液壓振動樁錘是一種以油壓力為驅動力產生偏心激振、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。國內振動樁錘設計理論很落后，也沒有自己成熟的產品；國外液壓振動錘問世已有二十多年歷史，產品相對成熟，但對沉樁理論、尤其對沉樁阻力研究還遠遠不夠。國內外液壓振動樁錘產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水平低下，功能普遍比較簡單，另一方面，調頻調矩機構復雜，導致機械故障率普遍較高，制約了設備向高性能的發(fā)展

2、。 本文在研究振動沉樁過程地質特性的基礎上，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計新方法，提出新型四軸振動錘結構，其調矩機構不需齒輪傳動，針對這種新型機構，研究了新型機電液控制方案，研究設計了頻率調節(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節(jié)實現(xiàn)偏心矩柔性調節(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)的調頻調矩動力學及其控制的研究與設計。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。論文主要研究內容如下： 論文首先研究了沉樁過程地質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特性基礎上，借助于動力地基剛度經驗算法、土動力學對土的應力—應變關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種類、樁結構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摩擦系數和粘性力的影響，從沉樁時

4、土層的極限動應力狀態(tài)和剪切動強度理論出發(fā)，研究了樁端和樁側土阻力。借助地基土的地質勘探報告提供的土質名稱、深度、土壤物理力學性質(靜載摩擦角和粘聚力)、樁尺寸、樁錘參數，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、樁錘結構、地質特性之間的關系模型，得出針對特定地質條件進行共振沉樁和非共振沉樁的振動條件，以確定樁錘結構和控制參數。最后總結出了一套面向地基土的液壓振動錘研究設計新方法。 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計新方法，預測了沉樁過程的地質特性、負載特性

6、和頻率調節(jié)特性，并預測了沉樁深度，總結仿真結果，得出了沉樁過程樁錘參數變化和調節(jié)控制規(guī)律；通過對zzyy160新型液壓振動錘沉樁過程動態(tài)響應仿真分析，研究了激振頻率、地基土剛度和阻尼系數對振動位移、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上，論文研究設計了無齒輪調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頻、預防馬達吸空、系統(tǒng)節(jié)能等新功能。確定采用模糊控制策略進行調頻調矩和在線搜索樁—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速閥，論文針對新型閥控馬達調速系統(tǒng)，進行了運動學、動力學建模和仿真分析，認識了系統(tǒng)調速特性，設計了調速系統(tǒng)的普通PID控制器和模糊PID控制器；通過仿真實驗調試，設計和調整了普通PID控制器和模糊PID控制器的有關控制參數，仿真結果展示了模糊PID控制器品質的優(yōu)越性；在調速模糊控制研究基礎上，設計了模糊搜索樁—土共振頻率的普通模糊PID控制器和參數自調整模糊PID控

8、制器，通過頻率在線智能調節(jié)，實現(xiàn)真正近共振沉樁，通過仿真實驗調試，設計和調整了模糊搜索樁—土共振頻率的控制器有關參數，仿真結果展示了參數在線自調整模糊PID控制比常規(guī)模糊PID控制具有更加優(yōu)良的控制品質。 為了設計相位差柔性調節(jié)的控制系統(tǒng)，論文建立了電液比例調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、液壓參數

9、、地質特性參數和頻率振幅調節(jié)參數等等之間的相互關系，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)平均值數學模型，推導出了穩(wěn)態(tài)同步性條件，為無齒輪柔性同步機械機電液系統(tǒng)設計提供了量化模型依據，提出了提高同步性的措施。上述關于液壓振動機械同步特性的機電液耦合研究填補了國內外空白。 在電液控制調速和機電液系統(tǒng)同步特性研究的基礎上，論文設計了相位差調節(jié)的參數自校正模糊控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)振幅模糊調節(jié)；設計了仿真模

10、糊控制器，通過仿真優(yōu)化和檢驗參數自校正模糊控制器的控制性能，仿真研究了模糊調節(jié)過程中系統(tǒng)振幅、負載力矩、系統(tǒng)油壓等參數的變化特征。仿真實驗結果表明，參數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沉樁調節(jié)控制中能夠達到預期的效果。 針對面向地基土的液壓振動樁錘參數選擇和沉樁負載特性預測新方法，作者以實地樁基礎施工地質勘察報告資料為依據，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測，并通過現(xiàn)場實驗進行了驗證，證明了新方