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摘 要 电动变频调幅振动头是通过耐震交流变频电动机输入频率的变化来调整激振力的大小，同时也调整了偏心块组的偏心力矩的大小，从而实现调幅。电动变频调幅振动头提供了一种用于复杂地层的振动沉管桩基础施工中，施工效率更高，桩质量更可靠，成本更低的振动锤。现已广泛用于夯扩桩机上，用来施工夯扩载体桩。
关键词 电动变频；振动头；激振力
中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0094-02
振动桩锤是现代桩基础施工中的重要设备之一，因为具有制桩效率高，成本低，桩头不易损坏，成桩后的变形量小等诸多优点，被广泛应用于工业与民用建筑、港口、码头、桥梁等的基础施工中，但各种型号的振动头也因为各自结构不同，存在各种不足。由于不同地区的地质条件复杂性，为了提高施工效率，要求振动头能够方便地调整激振频率和振幅，以适应不同的地质条件要求，达到最佳的施工效率和成桩质量。
1 使用背景
振动头在建筑桩基础施工中被广泛使用，利用振动头装置能控制桩的质量，提高桩的施工效率，节约成本。现有的施工设备匹配的振动头分为两类。一类是液压振动头，能够变频调幅，但该设备国产化严重不足，它不仅需要复杂的液压系统，贵重的液压元件，而且进口这种大型设备需要投入资金大，使用过程中耗能高，维修保养费用大，采购配件周期长，而且要定期更换液压油。另一类是电动振动头，它包括电动变频振动头和电动液压调幅振动头，它们使用中都有一定的局限性。电动变频振动头，是通过改变电动机的频率来改变振动头的激振力，频率越大，激振力就越大振动头在起振和停止过程中都要经过为之配套振动装置的固有频率值，此时振动头与配套振动装置发生严重共振现象，会影响桩架装置上的配电系统稳定性和使用寿命，严重时还会造成事故。电动液压调幅振动头是通过液压驱动调整振动头偏心块的偏心力矩，解决了振动头与匹配振动装置的共振问题，但操作结构复杂，成本高，故障率高，并且正常运转时，激振力是恒定的，使用范围比较窄。电动变频调幅振动头采用的是耐震交流变频电动机，利用离心力调整偏心力矩、弹簧自动复位的偏心块结构，通过调整耐震交流变频电动机的频率来控制激振力和振幅，用以实现不同岩层的振动沉桩。
2 振动头结构
其结构如图1所示，由序号1（振动箱），序号2（耐震交流变频电动机），序号3（减振弹簧组），序号4（加压滑轮组），序号5（带轮组）组成。
如图2所示，序号1（振动箱）主要由序号6（偏心块组），序号7（主轴），序号8（反向同步齿轮组）序号9（振动箱体）组成。
如图3所示，序号6（偏心块组）由序号10（上体），序号11（下体），序号12（弹簧）及序号13（紧固螺栓）组成。上体与下体通过螺栓连接后，主轴两侧平面与偏心块组中心的两侧平面滑动接触限位，偏心块组在工作时可以沿着Y方向运动。调幅弹簧由主轴上孔与上体上孔定位。
3 工作原理
电动变频调幅振动头是通过耐震交流变频电动机来调整激振力的变化，通过离心力调整偏心块组的偏心力矩实现变幅。偏心块组如图3所示，静止状况时，在弹簧力的作用下将偏心块组的质心向上移动，使偏心块组的偏心力矩e1很小。当电动机频率f达到一定值f1时，由于偏心块组离心力的作用开始压缩弹簧，直到f达到最大值f2时，弹簧完全被压缩。偏心块组如图4所示，f1到f2的过程就是变频调幅过程。f1值等于振动系统固有频率的2～2.5倍，用来减轻共振现象。耐震交流变频电动机通过皮带轮组传递带动振动箱主轴旋转，两主轴通过反向同步齿轮组，实现同步反向旋转，两主轴上分别装有两组相同的偏心块组。当电动机未启动时，偏心块组（如图3所示）在弹簧的作用下，确保偏心块下体的内孔可靠地与主轴紧密接触，此时偏心块组的偏心力矩为e1（偏心力矩指偏心块组的质心到回转主轴中心的距离）。启动电动机，由于离心力（F=mω2e）的作用，当电机频率达到一定值时，弹簧开始被压缩，随着频率的增加，弹簧压缩量越来越大，直到完全被压缩（如图4）。此时偏心块上体的内孔面完全与主轴接触，偏心力矩达到最大值e2。偏心块组的离心力及其偏心力矩随着电动机的频率变化过程中就实现了变频调幅功能。当停止电动机时，随着电动机转速的降低，偏心块组在弹簧力的作用下又回到了如图3所示的状况。通过高频振动，使桩体轻松打入土层，具有噪音小，效率高、无污染的优点。增大偏心力矩、激振力、振动加速度、桩的振幅均有增大，沉桩效果明显，而且沉桩的深度也随着增加，能大大提高施工效率。
现有的HKZ-600夯扩桩机中，电动变频调幅振动锤的具体参数如下：
激振力F=300kN，最大静偏心力矩M=20.48kg·m，减振装置弹簧总刚度K=1.6×106N/m。振动系统固有频率ωn =24.34 rad/s，振动体总质量m=2700kg，空载振幅A=0.0075m，参振总质量Q=4300kg，最小偏心力矩e1=0.008m，最大偏心力矩e2 = 0.128m，偏心块总质量m总=160kg，每块偏心块压缩弹簧总刚度K=32666.67N/m，弹簧预压缩量为0.03m，匹配电动机为2台，WYNZP30-6变频调速耐振三相异步电动机。
4 总结
该振动头具有按需要调频、调幅的功能，能满足不同环境条件下的高效施工要求，实现了可调的高频率，可调振幅且可控的目的，具有很强的实用性。
电动交流变频调幅振动头通过在夯扩桩机上施工实践，针对复杂地层的桩基础施工，显示出巨大的优势，达到桩质量更好，承载力更高，施工效率更高，成本更低的要求，解决了振动桩锤使用中的关键问题，现已广泛应用于工业与民用建筑基础中。
参考文献
[1]成大先主编.机械设计手册[M].化学工业出版社，1994.
[2]工程机械施工手册[M].中国铁道出版社.
[3]沈保汉.施工技术.2001.
[4]左小襄.振动桩锤的设计算简介[J].建筑机械技术与管理，1998.
[5]振动桩锤原理及研制进展[J].建筑机械，1999.
作者简介
薛淑华（1964-），女，辽宁沈阳人，高级工程师，从事机械设计及制造工作。
关键词 电动变频；振动头；激振力
中图分类号：TM32 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0094-02
振动桩锤是现代桩基础施工中的重要设备之一，因为具有制桩效率高，成本低，桩头不易损坏，成桩后的变形量小等诸多优点，被广泛应用于工业与民用建筑、港口、码头、桥梁等的基础施工中，但各种型号的振动头也因为各自结构不同，存在各种不足。由于不同地区的地质条件复杂性，为了提高施工效率，要求振动头能够方便地调整激振频率和振幅，以适应不同的地质条件要求，达到最佳的施工效率和成桩质量。
1 使用背景
振动头在建筑桩基础施工中被广泛使用，利用振动头装置能控制桩的质量，提高桩的施工效率，节约成本。现有的施工设备匹配的振动头分为两类。一类是液压振动头，能够变频调幅，但该设备国产化严重不足，它不仅需要复杂的液压系统，贵重的液压元件，而且进口这种大型设备需要投入资金大，使用过程中耗能高，维修保养费用大，采购配件周期长，而且要定期更换液压油。另一类是电动振动头，它包括电动变频振动头和电动液压调幅振动头，它们使用中都有一定的局限性。电动变频振动头，是通过改变电动机的频率来改变振动头的激振力，频率越大，激振力就越大振动头在起振和停止过程中都要经过为之配套振动装置的固有频率值，此时振动头与配套振动装置发生严重共振现象，会影响桩架装置上的配电系统稳定性和使用寿命，严重时还会造成事故。电动液压调幅振动头是通过液压驱动调整振动头偏心块的偏心力矩，解决了振动头与匹配振动装置的共振问题，但操作结构复杂，成本高，故障率高，并且正常运转时，激振力是恒定的，使用范围比较窄。电动变频调幅振动头采用的是耐震交流变频电动机，利用离心力调整偏心力矩、弹簧自动复位的偏心块结构，通过调整耐震交流变频电动机的频率来控制激振力和振幅，用以实现不同岩层的振动沉桩。
2 振动头结构
其结构如图1所示，由序号1（振动箱），序号2（耐震交流变频电动机），序号3（减振弹簧组），序号4（加压滑轮组），序号5（带轮组）组成。
如图2所示，序号1（振动箱）主要由序号6（偏心块组），序号7（主轴），序号8（反向同步齿轮组）序号9（振动箱体）组成。
如图3所示，序号6（偏心块组）由序号10（上体），序号11（下体），序号12（弹簧）及序号13（紧固螺栓）组成。上体与下体通过螺栓连接后，主轴两侧平面与偏心块组中心的两侧平面滑动接触限位，偏心块组在工作时可以沿着Y方向运动。调幅弹簧由主轴上孔与上体上孔定位。
3 工作原理
电动变频调幅振动头是通过耐震交流变频电动机来调整激振力的变化，通过离心力调整偏心块组的偏心力矩实现变幅。偏心块组如图3所示，静止状况时，在弹簧力的作用下将偏心块组的质心向上移动，使偏心块组的偏心力矩e1很小。当电动机频率f达到一定值f1时，由于偏心块组离心力的作用开始压缩弹簧，直到f达到最大值f2时，弹簧完全被压缩。偏心块组如图4所示，f1到f2的过程就是变频调幅过程。f1值等于振动系统固有频率的2～2.5倍，用来减轻共振现象。耐震交流变频电动机通过皮带轮组传递带动振动箱主轴旋转，两主轴通过反向同步齿轮组，实现同步反向旋转，两主轴上分别装有两组相同的偏心块组。当电动机未启动时，偏心块组（如图3所示）在弹簧的作用下，确保偏心块下体的内孔可靠地与主轴紧密接触，此时偏心块组的偏心力矩为e1（偏心力矩指偏心块组的质心到回转主轴中心的距离）。启动电动机，由于离心力（F=mω2e）的作用，当电机频率达到一定值时，弹簧开始被压缩，随着频率的增加，弹簧压缩量越来越大，直到完全被压缩（如图4）。此时偏心块上体的内孔面完全与主轴接触，偏心力矩达到最大值e2。偏心块组的离心力及其偏心力矩随着电动机的频率变化过程中就实现了变频调幅功能。当停止电动机时，随着电动机转速的降低，偏心块组在弹簧力的作用下又回到了如图3所示的状况。通过高频振动，使桩体轻松打入土层，具有噪音小，效率高、无污染的优点。增大偏心力矩、激振力、振动加速度、桩的振幅均有增大，沉桩效果明显，而且沉桩的深度也随着增加，能大大提高施工效率。
现有的HKZ-600夯扩桩机中，电动变频调幅振动锤的具体参数如下：
激振力F=300kN，最大静偏心力矩M=20.48kg·m，减振装置弹簧总刚度K=1.6×106N/m。振动系统固有频率ωn =24.34 rad/s，振动体总质量m=2700kg，空载振幅A=0.0075m，参振总质量Q=4300kg，最小偏心力矩e1=0.008m，最大偏心力矩e2 = 0.128m，偏心块总质量m总=160kg，每块偏心块压缩弹簧总刚度K=32666.67N/m，弹簧预压缩量为0.03m，匹配电动机为2台，WYNZP30-6变频调速耐振三相异步电动机。
4 总结
该振动头具有按需要调频、调幅的功能，能满足不同环境条件下的高效施工要求，实现了可调的高频率，可调振幅且可控的目的，具有很强的实用性。
电动交流变频调幅振动头通过在夯扩桩机上施工实践，针对复杂地层的桩基础施工，显示出巨大的优势，达到桩质量更好，承载力更高，施工效率更高，成本更低的要求，解决了振动桩锤使用中的关键问题，现已广泛应用于工业与民用建筑基础中。
参考文献
[1]成大先主编.机械设计手册[M].化学工业出版社，1994.
[2]工程机械施工手册[M].中国铁道出版社.
[3]沈保汉.施工技术.2001.
[4]左小襄.振动桩锤的设计算简介[J].建筑机械技术与管理，1998.
[5]振动桩锤原理及研制进展[J].建筑机械，1999.
作者简介
薛淑华（1964-），女，辽宁沈阳人，高级工程师，从事机械设计及制造工作。