鄭中華，楊合林

（中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

1 APE600振動(dòng)錘

1.1 APE600振動(dòng)錘結(jié)構(gòu)及原理

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

圖1 APE600振動(dòng)錘

非振動(dòng)體部分位于振動(dòng)錘齒輪箱頂部，非振動(dòng)體的功能是將齒輪箱所產(chǎn)生的震動(dòng)與吊架分離。減振橡膠塊可以吸收振動(dòng)錘所產(chǎn)生的震動(dòng)，同時(shí)提供振動(dòng)錘的上拔。APE動(dòng)錘具有高容量?jī)杉?jí)減震系統(tǒng)和高強(qiáng)度保險(xiǎn)銷系統(tǒng)，當(dāng)一級(jí)減震塊拉伸250mm，二級(jí)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(dòng)體不會(huì)因脫落而造成事故[1]。

振動(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)所產(chǎn)生“振幅”，利用振動(dòng)錘的振幅來進(jìn)行鋼圓筒的振沉與上拔。其原理見圖2。

圖2 偏心塊工作原理圖

1.2 激振力及振幅

振動(dòng)錘動(dòng)力柜額定轉(zhuǎn)速為n0=750r/min，最大轉(zhuǎn)速為nmax=2100，發(fā)動(dòng)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(tái)振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)最大激振力為：

鋼圓筒振沉?xí)r發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1180r/min,此時(shí)系統(tǒng)的激振力為：

鋼圓筒振撥時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，此時(shí)系統(tǒng)的激振力為：

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(dòng)錘相連，上部銷軸孔與起吊鋼絲繩相連接。

圖3 吊架結(jié)構(gòu)圖

2.1 吊架有限元分析

利用Solidworks Simulation軟件對(duì)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(dòng)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。可以看出最大應(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。

圖4 吊架應(yīng)力分布云圖

圖5 吊架位移分布云圖

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(tái)APE600振動(dòng)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

圖6 共振圈梁結(jié)構(gòu)圖

利用Solidworks Simulation軟件對(duì)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。

圖7 共振梁應(yīng)力分布云圖

圖8 吊架應(yīng)力分布云圖

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(dòng)振動(dòng)錘組每臺(tái)振動(dòng)錘都由單獨(dú)的動(dòng)力柜提供動(dòng)力，要達(dá)到所有振動(dòng)錘同步，必須要對(duì)所有馬達(dá)和振動(dòng)錘提供一致的流量和壓力。為達(dá)此目的，所有動(dòng)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(dòng)錘在同一時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)方向必須是一致的，為了解決此問題，振動(dòng)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(dòng)錘在啟動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)達(dá)到同步，但不傳遞扭矩。在振動(dòng)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(dòng)時(shí)保持同步，這樣就可以可以避免振動(dòng)錘在振動(dòng)開始（停止）過程中發(fā)生側(cè)向震動(dòng)或不規(guī)律振動(dòng)。

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

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。