桩锤同步振动系统的机电耦合数值仿真分析与试验

    引　言

    多锤联动技术是将多台桩锤以组合方式进行合力打桩,这种技术很好地解决了单台振动桩锤对大直径桩基施工中功率不足的问题。目前工程上应用的联动方式都是利用机械机构连接每台振动锤的旋转轴[1],强制地实现振动锤的转速与相位的同步,具有联动机械结构复杂且易损坏[2]、安装复杂、同步精度低等不足,在工程推广应用上受到了一定的限制。多桩锤控制同步是指将多台桩锤并联放置在桩上,桩锤之间相互独立,通过检测桩锤偏心块之间的相位差,利用现代控制技术使桩锤间速度与相位同步以达到最大能量合成。荷兰PVE公司曾提出了一种“电测相位差,用计算机软件实时修正相位差”的“电控联动”方法[3],但一直没见相关文献报道及工程应用。本文作者对多桩锤控制同步展开了研究,已初步实现两台桩锤的控制同步。但在研究中发现桩锤间存在较强的机电耦合作用,影响控制同步的效果,因此对桩锤间的机电耦合作用展开研究对进一步研究控制同步是必要的。

    自从Huygens首先发现机械系统的自同步(振动同步)现象以来,国内外学者对振动机械系统的机电耦合特性进行了详细研究,前苏联的Blekhan博士给出了机械同步的一般性定义及双激振器振动器的同步基础理论[4],日本学者Inoue和Araki等实现了双电机驱动平面振动机的3倍频同步[5],中国学者闻邦椿院士等对机械系统的振动同步及控制同步进行了深入研究,得出了许多关键性的结论[6,7]。由于桩锤间的耦合作用受土壤参数、桩锤安装位置及安装距离等因素的影响。因此与一般的振动同步机械系统的耦合特性不同,从目前的文献资料来看,对于多振动桩锤间的机电耦合特性的研究国内外还没有开展。本文建立了两台桩锤振动同步系统的机电耦合数学模型,并对其进行了仿真研究,揭示了“桩锤-桩-土”之间的机电耦合规律与特性,最后通过试验验证了数学模型和仿真结果的正确性,对制定控制同步的控制策略将提供有效参考及理论依据。

    1　两桩锤同步振动系统的机电耦合数学建模

    1.1　“桩锤-桩-土”系统的动力学建模

　　电驱式振动桩锤(下文简称桩锤)是利用其内部旋转偏心块的离心力产生激振力而工作的,其工作原理为:具有等量偏心力矩的两部分偏心块左右对称布置,在电机驱动下以相同的角速度反向回转,所产生的离心力水平方向上相互抵消,垂直方向上相叠加产生激振力。两桩锤同步振动系统是指将两台相互独立的桩锤固定于桩上实现联动,在同步控制时发现两桩锤间固有存在较强的耦合作用而影响同步效果,因而在非控制作用下研究桩锤间的机电耦合律及特性,为对控制同步进一步研究提供基础。