文档介绍：中南大学
博士学位论文
液压振动桩锤沉桩动力学及调频调矩控制研究
姓名:罗春雷
申请学位级别:博士
专业:机械设计及理论
指导教师:刘义伦;胡均平
20050601
摘要本文在研究振动沉桩过程地质特性的基础上,深入研究了桩一土特性基础上,借助于动力地基刚度经验算法、土动力学对士的应力一液压振动桩锤是一种以油压力为驱动力产生偏心激振、强迫桩土振动,使沙土液化以实现轻松沉桩的新型环保型桩工机械。国内振动桩锤设计理论很落后,也没有自己成熟的产品;国外液压振动锤间世已有二十多年历史,产品相对成熟,但对沉桩理论、尤其对沉桩阻力研究还远远不够。国内外液压振动桩锤产品存在着这样的共同问题:一方面,目前各种液压振动桩锤液压控制技术水平低下,功能普遍比较简单,另一方面,调频调矩机构复杂,导致机械故障率普遍较高,制约了设备向高性能的发展。作用机理,形成了一种面向地基土的液压振动桩锤研究设计新方法,提出新型四轴振动锤结构,其调矩机构不需齿轮传动,针对这种新型机构,研究了新型机电液控制方案,研究设计了频率调节控制、在线辩识近共振频率实现近共振沉桩及相位差在线调节实现偏心矩柔性调节的控制系统,并且深入研究了这种新型四轴惯性振动机的同步特性,完成了较系统的调频调矩动力学及其控制的研究与设计。论文进行了大量的仿真研究,针对局部问题进行了现场实验研究。论文主要研究内容如下:论文首先研究了沉桩过程地质特性和土的阻力问题。在研究对比静载荷、
应变关系非线性实验研究新成果和振动沉桩现场试验资料,得出了沉桩过程按地质种类、桩结构和深度确定地基土动刚度、动阻尼的新型理论模型和实用公式;考虑振动沉桩对地基土内摩擦系数和粘性力的影响,从沉桩时土层的极限动应力状态和剪切动强度理论出发,研究了桩端和桩侧土阻力。借助地基土的地质勘探报告提供的土质名称、深度、土壤物理力学性质苍啬Σ两呛驼尘哿、桩尺寸、桩锤参数,即可得出任何地基的沉桩动刚度、动阻尼和动阻力。接着研究了面向地基土的桩锤液压系统负载问题。借助线性振动理论,推导出了桩端对土的作用力、桩的惯性力与振动频率、相位差的关系模型,借助新方程、面向地基土的动刚度、动阻尼和动阻力公式,建立了保证桩下沉的力学条件,以确定桩惯入特定地基土所需的振动频率和偏心力矩;通过研究振动对液压马达产生的负载力矩特性,得出了液压系统负载压力、功率与振动频率、相位差、桩锤结构、地质特性之间的关系模型,得出针对特定地质条件进行共振沉桩和非共振沉桩的振动条件,以确定桩锤结构和控制参数。最后总结出了一套面向地基土的液压振动锤研究设计新方法。论文借助于计算机仿真,针对某一特定的地基土,利用面向地基土的液压振动锤研究设计新方法,预测了沉桩过程的地质特性、负载特性和频率调节特性,并预测了沉桩深度,总结仿真结果,得出了沉桩过程桩锤参数变化和调节控制规律;通过对滦鸵貉拐穸锤沉桩过程动态响应仿真分析,研究了激振频率、地基土刚度和阻尼系数对振动位移、振动加速度和桩端力的影响特征。
在桩一土作用、桩锤负载特性研究的基础上,论文研究设计了无行调频调矩和在线搜索桩一土共振频率的控制方案。优越性;在调速模糊控制研究基础上,设计了模糊搜索桩一土共振频整了模糊搜索桩一土共振频率的控制器有关参数,仿真结果展示了参齿轮调矩新型桩锤机电液控制方案,新型液压控制回路具有电液比例调频、预防马达吸空、系统节能等新功能。确定采用模糊控制策略进液压控制系统采用了新型高压大流量电液比例调速阀,论文针对新型阀控马达调速系统,进行了运动学、动力学建模和仿真分析,认识了系统调速特性,设计了调速系统的普通刂破骱湍:齈控制器;通过仿真实验调试,设计和调整了普通刂破骱湍:刂破鞯挠泄乜刂撇问抡娼峁故玖四:齈控制器品质的率的普通模糊刂破骱筒问缘髡:齈控制器,通过频率在线智能调节,实现真正近共振沉桩,通过仿真实验调试,设计和调数在线自调整模糊控制比常规模糊刂凭哂懈佑帕嫉目制品质。为了设计相位差柔性调节的控制系统,论文建立了电液比例调速控制条件下振动系统的机电液耦合模型,研究了无相位差监控的条件迪低澈鸵貉瓜低车耐叫曰砗屯教匦裕煌ü曰缫汉趾模型的动态仿真,认识了同步系统的机械参数、液压参数、地质特性参数和频率振幅调节参数等等之间的相互关系,研究了系统同步稳定性和同步过渡过程特性;建立了无相位差控制同步系统的稳态平均值数学模型,推导出了稳态同步性条件,为无齿轮柔性同步机械机电液
系统设计提供了量化模型依据,提出了提高同步性的措施一龉赜液压振动机械同步特性的机电液耦合研究填补了国内外空白。在电液控制调速和机电液系统同步特性研究的基础上,论文设计了相位差调节的参数自校正模糊控制系统,以实现振幅模糊调节;设计了仿真模糊控制器,通过仿真优化和检验