APE600八聯(lián)動振動錘組設(shè)備原理及分析

鄭中華 楊合林

【摘 要】港珠澳大橋是一座連接香港、珠海和澳門的巨大橋梁，港珠澳大橋在促進(jìn)香港、澳門和珠江三角洲西岸地區(qū)經(jīng)濟(jì)上的進(jìn)一步發(fā)展具重要的策略意義。2012年12月25日，CB03標(biāo)段直徑22米，高度39m的首根鋼圓筒振撥成功。鋼圓筒沉拔設(shè)備采用APE600八聯(lián)動振動錘組，APE600八聯(lián)動振動錘組由起吊架、振動錘、共振圈梁、同步系統(tǒng)、吊鋼絲繩、液壓夾頭、動力柜等主要部分組成。

【Abstract】 The Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge is a huge bridge linking Hong Kong， Zhuhai and Macao. The Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge has an important strategic significance in promoting the further economic development of Hong Kong， Macao and the west coast of the Pearl River Delta. On December 25， 2012， the first steel cylinder with a diameter of 22 meters and a height of 39 m in CB03 section was successfully vibrated. The steel cylinder pulling equipment adopts the APE600 eight linkage vibration hammer group， and the APE600 eight linkage vibratory hammer group consists of the lifting hanger， the vibration hammer， the resonance beam， the synchronous system， the hanging wire rope， the hydraulic clamp， the power cabinet and other main parts.

【關(guān)鍵詞】 振動錘；結(jié)構(gòu)； 原理

【Keywords】 vibration hammer； structure； principle

【中圖分類號】TP273 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）05-0184-03

1 APE600振動錘

1.1 APE600振動錘結(jié)構(gòu)及原理

APE600振動錘（見圖1）分為振動體、非振動體兩部分組成，振動體與非振動體之間由減振橡膠塊連接。

非振動體部分位于振動錘齒輪箱頂部，非振動體的功能是將齒輪箱所產(chǎn)生的震動與吊架分離。減振橡膠塊可以吸收振動錘所產(chǎn)生的震動，同時(shí)提供振動錘的上拔。APE動錘具有高容量兩級減震系統(tǒng)和高強(qiáng)度保險(xiǎn)銷系統(tǒng)，當(dāng)一級減震塊拉伸250mm，二級減震塊開始受力拉伸150mm后，到達(dá)極限位置，此時(shí)保險(xiǎn)銷碰保險(xiǎn)擋塊承擔(dān)其全部重量以保證振動體不會因脫落而造成事故[1]。

振動體主要部分是齒輪箱，齒輪箱結(jié)構(gòu)是由同步的帶齒偏心塊組成，偏心塊安裝在由軸承支持的軸上。偏心塊利用液壓馬達(dá)和啟動軸來旋轉(zhuǎn)。由于齒輪箱內(nèi)的偏心塊具有同步功能，偏心塊可以產(chǎn)生垂直向下的沖擊力，但同時(shí)偏心塊在處于水平時(shí)，所有沖擊力又會全部抵消。偏心塊以1495轉(zhuǎn)/min以上的速度旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)震動所產(chǎn)生“振幅”， 利用振動錘的振幅來進(jìn)行鋼圓筒的振沉與上拔。

1.2 激振力及振幅

振動錘動力柜額定轉(zhuǎn)速為n0=750r/min ，最大轉(zhuǎn)速為nmax=2100，發(fā)動機(jī)與偏心塊之間的總機(jī)械效率為η=0.712，激振頻率（偏心轉(zhuǎn)子的速度）為：

f0=ηn0=0.712×750=534r/min （額定激振頻率）；

fmax=ηnmax=0.712×210=1495.2r/min （最大激振頻率）。

APE600偏心轉(zhuǎn)子的偏心力矩為M偏心=230kg·m，八臺振動錘聯(lián)動最大激振力為：Fmax=（ ）2×M偏心×N=（ ）2×230×8=4.511×107N=4511t

鋼圓筒振沉?xí)r發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1180r/min ， 此時(shí)系統(tǒng)的激振力為：F1=（ ）2×M偏心×N=（ ）2×230×8=1.424×107N=1424t

鋼圓筒振撥時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，此時(shí)系統(tǒng)的激振力為：F2=（ ）2×M偏心×N=（ ）2×230×8=2.296×107N=2296t

系統(tǒng)振動時(shí)產(chǎn)生的振動幅度為：h= = =4.28mm

2 吊架

吊架的設(shè)計(jì)吊重為2000噸，安全系數(shù)n=2。吊架中心連接體與8根中心輻射梁連接，每根輻射梁端部與起重吊板連接，8根邊梁與吊板連接。 吊架結(jié)構(gòu)圖見圖3。 吊板下部銷軸孔與振動錘相連，上部銷軸孔與起吊鋼絲繩相連接。

2.1 吊架有限元分析

利用Solidworks Simulation軟件對吊架進(jìn)行受力分析，由于吊架為實(shí)體結(jié)構(gòu)，故采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，雅可比為4點(diǎn)。劃分網(wǎng)格后共有209949個(gè)節(jié)點(diǎn)和102936個(gè)單元。吊架上部連接鋼絲繩，下部連接振動體，因此，在每個(gè)吊板上軸孔施加固定鉸接約束并施加沿鋼絲繩方向的連接約束，在8個(gè)吊板下軸孔共施加2000t豎直向下力。

經(jīng)過分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力和位移云圖，分別如圖4和圖5所示?？梢钥闯鲎畲髴?yīng)力出現(xiàn)在吊板處，應(yīng)力值為148.2MPa ；最大位移出現(xiàn)在中心連接體處，位移值為0.52mm 。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析與校核

吊架材料選用Q345B，其屈服強(qiáng)度為345MPa，由有限元分析計(jì)算結(jié)果，可得出吊架的安全系數(shù)為n=345/148.2=2.33。設(shè)計(jì)許用安全系數(shù)[n]=2，n>[n] ，所以該吊架強(qiáng)度足夠。而其最大綜合位移為0.52mm，變形量小，剛度好。

3 共振圈梁

共振圈梁由8個(gè)共振梁和8個(gè)連系梁組成的16邊形圈梁，其結(jié)構(gòu)圖見圖6。共振梁為箱型梁結(jié)構(gòu)，外形尺寸為1000mm×2400mm×4160mm 。連系梁是由3個(gè)焊接H型鋼和上、下蓋板組成的箱型梁。每個(gè)共振梁上部安裝一臺APE600振動錘，和一套同步系統(tǒng)，下部安裝3個(gè)液壓夾具。

3.1 共振梁有限元分析

利用Solidworks Simulation軟件對單個(gè)共振梁進(jìn)行有限元分析。采用實(shí)體網(wǎng)格劃分，節(jié)總數(shù)為287498個(gè)，單元總數(shù)為159115個(gè)。在共振梁上表面施加單錘最大激振力564t，共振梁兩側(cè)施加固定約束。

經(jīng)過分析，得到相應(yīng)的應(yīng)力和位移云圖，分別如圖7和圖8所示， 最大應(yīng)力為155MPa，最大位移為1.5mm。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析與校核

共振梁材料選用Q345B，其屈服強(qiáng)度為345MPa，由有限元分析計(jì)算結(jié)果，可得出共振梁的安全系數(shù)為n=345/155=2.23，共振梁的強(qiáng)度足夠。而其最大綜合位移為1.5mm，變形量小，剛度好。

4 同步系統(tǒng)

八聯(lián)動振動錘組每臺振動錘都由單獨(dú)的動力柜提供動力，要達(dá)到所有振動錘同步，必須要對所有馬達(dá)和振動錘提供一致的流量和壓力。為達(dá)此目的，所有動力柜的液壓系統(tǒng)利用液壓油管連為一體來提供相同的流量與壓力。

所有振動錘在同一時(shí)間內(nèi)的振動方向必須是一致的，為了解決此問題，振動錘之間采用同步軸進(jìn)行連接。同步軸的作用是保證所有振動錘在啟動或關(guān)機(jī)時(shí)達(dá)到同步，但不傳遞扭矩。在振動開始（停止）時(shí)同步軸引導(dǎo)著偏心塊并使所有偏心塊在開始（停止）轉(zhuǎn)動時(shí)保持同步，這樣就可以可以避免振動錘在振動開始（停止）過程中發(fā)生側(cè)向震動或不規(guī)律振動。

5 鋼絲繩的計(jì)算

鋼圓筒振拔過程中，鋼絲繩的最大靜拉力按2000t考慮，以最小安全系數(shù)法選取吊架鋼絲繩，單根鋼絲繩的最小破斷拉力為：

F0≥Sn/N=20000×5/8=1.25×104kN

S——鋼絲繩的最大靜拉力，kN；

n——鋼絲繩的最小安全系數(shù)，取n=5；

N——鋼絲繩的根數(shù)，N=8。

根據(jù)《粗直徑鋼絲繩》（YBT 55225-93）中公式F0=k′·d2·R0/1000，得

=143MM

F0——最小破斷力，kN；

k′——鋼絲繩的最小破斷拉力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，8×37（a）金屬芯鋼絲繩k′=0.346；

d——鋼絲繩公稱直徑，mm；

R0——鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度，MPa，選用R0=1770。

選取 φ145-8×37（a）+IWR -1770 鍍鋅鋼絲繩。

【參考文獻(xiàn)】

【1】來鑫，烏建中，王偉達(dá)，等.多錘聯(lián)動系統(tǒng)的振動耦合理論及試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012（03）：76-77.