DZ60振动打桩锤的设计

振动桩锤是惯性振动机械的一种，属于振动利用机械中的平面双轴式激振器。振动桩锤是利用机械振动减少桩与土壤间的摩擦力，并依靠其自重或外加压力作用下达到沉桩的目的。振动桩锤分机械式和液压式两类，液压振动锤应用较少。振动桩锤采用机械式定向激振器。它由两根装有相同的偏心块并相向转动的轴组成，两根轴上的偏心块所产生的离心力在水平方向上的分力相互抵消，而垂直方向上的分力叠加。振动桩锤主要由电动机、导杆、压缩弹簧、减振粱、振动箱、皮带轮等组成。具有贯入力强、沉桩质量好、坚固耐用 、故障少、结构紧凑、低噪音、高效率、无污染等优点。

关键词：振动机械、振动桩锤、惯性振动、减振弹簧

Abstract

The vibration hammer is one kind of the inertial oscillation machinery, belongs to in the vibration use machinery the plane double shaft type driver.  The vibration hammer  uses friction to reduce the  force between the mechanical vibrations pile and the soil, and depends upon it to be self-possessed or the sur- pressure function issues the goal of stake sinking. The vibration hammer divides the mechanical type and the hydraulic pressure type two kinds, the hydraulic pressure vibration hammer application are less. The vibration hammeruses the mechanical type direction detection driver. It is loaded with same lack of impartiality the piece and the opposite direction rotation axis by two is composed, on two axes lack of impartiality the piece produces the centrifugal force offsets or counteract one another in the horizontal side upward force component, but in vertical direction force component superimposition. The vibration hammer mainly by the electric motor, the guide rod, the compression spring, horizontal beam reducing inspires,  a vibration box of body, the belt pulley and so on is composed. Has the penetrating power strongly, the quality of stake sinking is good, firm durable, the breakdown few, the structure is compact, the low noise, the high efficiency, does not have merit and so on pollution.

Key words: Vibrates the machinery    Vibratory pile hammer

the inertial oscillation  the spring reducing inspires

第1章绪论

在一般情况下，振动是一种不需要的、有害的现象，应该加以消除或隔离；但在某些场合，振动式需要的和有益的，应该加以利用。

振动有益的场合很多，例如，各种乐器的振动，可形成美妙的乐音，感动人们；人类及高等动物的耳膜振动、声带振动。心脏搏动及呼吸运动，则是与生命现象紧密联系的振动；在工程技术中，各种振动机械利用振动完成许多特殊的工艺过程；在日常生活中，许多振动机具帮助人们扩展自己的工作能力。

随着现代建筑业的飞速发展，桩基础已从木桩逐渐发展为钢筋混凝土桩或钢桩。校基础的施工方法和施工机械也有了巨大的发展。桩的类型大体上可分为两大类：预制桩和就地灌注桩。预制桩主要采用锤击的方法将其打入土壤中。其施工机械也从刚开始坠锤、蒸汽锤和柴油锤，发展到振动锤。振动锤是结合我国具体特点计算的新型产品，是公路、桥梁、机场、建筑等基础施工的理想设备。具有贯入力强、沉桩质量好、坚固耐用 、故障少、结构紧凑、低噪音、高效率、无污染等优点。

DZ振动锤主要用于有动力电源的各建筑工地和港口、地下铁道、桥梁、高层建筑等桩基施工工程。它是广泛适用于丘陵、平原、干填土和湖泊地区、池塘淤泥层以及各种松土基础用袋装沙井、塑料纸板等工法加固软基的设备。

第2章  振动机械的用途、分类、工作原理及构造

2.1振动机械的用途和分类

振动机械在工程技术中的用途很广泛，如振动加工，振动拉丝，振动压印，物料的筛分、破碎、输送等。最近30多年来，应用振动原理而工作的机械（简称振动机械）得到了迅速的发展，它们在矿山和冶金工厂、选煤厂、化工厂、发电厂、铸造厂、建筑工地、水泥厂，以及粮食和食品加工厂中得到了广泛的应用。据不完全统计，目前已用于手工业生产中的振动机械有几十种之多，例如，振动给料机、振动输送机、振动筛、概率筛、振动离心脱水机、振动冷却机、振动球磨机、振动光饰机、振动落砂机、振动成型机、振动夯土机、振捣器、振动压路机、振动沉拔桩机、振动试验台、动平衡试验机和各种形式的激振器等。这些振动机在工业的各个部门中已发挥了重要的作用。

2.1.1  振动机械的组成

振动机械通常是由激振器、工作机体及弹性元件三个部分组成（2-1a）。

1.激振器

用以产生周期变化的激振力，使工作机体产生持续的振动。常用的激振器有惯性激振器、弹性连杆式激振器、电磁式激振器、液压式或气动式激振器，以及凸轮式激振器等。

2.工作机体或平衡机体

    如输送槽、筛箱、台面和平衡架体等。但在 一些振动机中无平衡架体。为了完成各种工艺过程，它们通常作周期性的运动。

3.弹性元件（弹簧）

    包括隔振弹簧（其作用是支承振动机体，使机体实现所要求的 振动，并减小传给基础或结构架的动载荷）、主振弹簧（即共振弹簧或称蓄能弹簧）和连杆弹簧（传递激振力等）。在一些振动机械中无弹性元件。

振动机械与其它类型的机械相比，优点是结构简单、制造容易、重量较轻、金属消耗量少、成本低、能耗小、安装方便、维修容易等。某些振动机械也存在着振幅不够稳定、调整复杂、传给地基的振动较大、零部件工作寿命较短及噪声较大等缺点。

2.1.2振动机械的用途

2.1.3 振动机械的分类

利用合适的激振器、驱动工作台面、工作管体或槽体以实现要求的振动，达到处理特定的物料或物件，完成一定工艺过程的机械，称为振动机械，它是振动利用中重要而应用广泛的一部分。

对振动机械进行分类的目的是：按照振动机械对类型，分别地对它们进行分析研究，找出它们的共性与特性，便于了解与掌握各种振动机械的特点，以使他们得到更合理的使用。振动机械可以按照它们的用途、结构特点以及动力学特性进行分类。

1.按用途分类

表2-1按用途对振动机械进行了分类，并列举了各种常见振动机械的名称。

2.按驱动装置（激振器）的形式分类

（1）惯性式振动机（图2-1）

它是由惯性激振器驱动。惯性激振器通常是由偏心块、主轴、轴承和轴承座等所组成（图2-1b）。工作机体的振动是由偏心块回转运动时产生的周期变化的离心力引起的。目前惯性式振动机在工业部门中得到了广泛的应用。例如，惯性振动筛、振动球磨机、振动落砂机、振动成型机和振动振捣器等。

图2-1   惯性式振动机

a）惯性振动机简图   b）惯性激振器

1—激振器  2—工作机体  3—弹性元件

4—偏心块  5—主轴  6—轴承和轴承座

（2）弹性连杆式振动机

它是由弹性连杆式激振器驱动的，弹性连杆式激振器是由偏心轴、连杆及链杆端部的弹簧所组成。工作机体借弹性连杆激起振动。目前用于工业中的该类振动机有弹性连杆式振动输送机、振动冷却机和重介质振动溜槽机等。弹性连杆式振动机构通常用于长度较大的振动机中。

（3）电磁式振动机

它是由电磁激振器驱动的。电磁激振器是由铁心、线圈及衔铁所组成。交流电流或脉动电流通过线圈，使电磁铁产生周期变化的电磁吸力，从而使工作机体产生振动。目前用于手工业中的该类振动机有电磁振动给料机、电磁振动输送机、电磁振动筛和电磁振动试验台等。

（4）其它振动机

他们由风动式激振器、液压式振动器和凸轮式振动器驱动。该类振动机与前述三类振动机的工作原理及计算方法有所不同。

3.按动力学特性分类

表2-2是按照动力学特性对振动机械进行分类。分为线性非共振类振动机、线性近共振类振动机、非线性振动机、冲击式振动机。

除了按照前述特性进行分类外。还常常按照振动质体对数目及自由度的数目对振动机进行分类。

2.2惯性振动机械的工作原理与构造

2.2.1  惯性激振器的形式

惯性振动机是由带偏心块的惯性激振器驱动的。惯性激振器可分为以下几种。

1.单轴式惯性激振器

单轴式惯性激振器有两种结构，一种如图2-2a所示，一种如图2-3所示。它通常产生沿圆周方向变化的激振力。当轴两端的偏心块具有不同的安装相位时，还会产生沿圆周方向变化的激振力偶。

图2-2 各种惯性激振器

a）单轴式惯性激振器  b）、c）双轴式惯性激振器

d）多轴式惯性激振器

图2-3 单轴式圆盘偏心块

激振力幅值P=mr（N），r=e

表2-1 振动机械按用途分类

图2-2b所示对双轴式惯性激振器对两轴，通常作反方向等速回转，所以当两轴上的偏心块质量及偏心距相等时，在y-y方向上两轴偏心块产生的惯性力互相抵消，因此，该激振器将产生一个直线的、大小变化的激振力。当轴两端的偏心块具有不同的安装相位时（图2-2c），还会产生定向周期变化的激振力偶。平面双轴式激振器激振力的产生如图2-4所示。

图2-4 平面双轴式惯性激振器                                                    激振力幅值P/N=2r， =0

3.多轴式惯性激振器

最常见的为图2-2d所示的四轴式惯性激振器，通常产生两种频率的激振力。

目前单轴式和双轴式惯性激振器得到了相当广泛的应用，多轴式惯性激振器仅在少数机器中应用。

2.2.2   线性或近似线性的非共振类惯性振动机械

该类振动机具有以下特点：

1）振动机的弹簧刚度为常数或近似于常数。

2）机器在远离共振的状态下工作，工作频率与固有频率之比，通常在2～10范围内选取。

3）由于固有频率远小于工作频率，所以弹簧的刚度很小，因而，传给地基的动载荷小，振动机有良好的隔振性能。

4）振动机通常采用单质体振动系统，构造比较简单。

由于该类振动机具有结构简单、隔振良好等优点，目前在工业中应用相当广泛。

1.常用单轴式惯性振动机械的用途

（1）单轴惯性振动筛    单轴惯性振动筛的筛箱通常作圆周振动或近似于圆形的椭圆运动。它通常用于选矿厂、选煤厂、水泥厂和化工厂，对各类物料进行筛分。

（2）振动球磨机    振动球磨机用于物料的细磨与超细磨，其粉碎细度可达几微米。目前它在粉末冶金工厂、化工厂及其他工厂中，得到了比较广泛的应用。

（3）振动光饰机    振动光饰机常用来去除机械加工件、冲压件和锻铸件的毛刺和氧化皮，也可用作工件的尖边倒圆、除锈和抛光等加工。此外，这种加工方法还可以磨去刃具的虚刃，进而延长它的使用寿命。

表2-2 振动机械按动力学特性分类表

（4）插入式振捣器    单个插入式振捣器通常用于振捣小型的混凝土制件。在大型工程中，可应用多个振捣器联合工作。

（5）振动料斗    振动料斗将各种松散物料向受料装置给料，广泛用于各工业部门。

（6）单轴式惯性圆锥破碎机    惯性圆锥破碎机应用范围广泛，除在粉末冶金工业中用于破碎金属碎屑、硬质金属切割片和粒状金属外，尤其成功的用于耐火材料及不同的建筑材料的破碎。例如，在金属和钢铁碎片的连续再处理厂，每小时可破碎的粉末50-70kg。用惯性破碎机粉碎造纸用的纤维半制品，比用传统的盘式墨迹效果好得多。惯性破碎机在冶金、建材、陶瓷、造纸、食品、废弃物的加工处理，以及其它许多工业部门中的道理广泛的应用。这对于破碎作业工艺的改革、降低能耗、提高生产率都具有实际意义。

（7）振动压路机    振动压路机与早期使用的依靠静压的压路机相比，用于宰割做工成长引入了振动，大大地提高了工作效率。振动压路机是修建高速公路、一般道路、机场、大坝等工程中不可缺少的机械设备。

2.常用双轴式惯性振动机械的用途

（1）振动成型机(振动台)    这种振动机是钢筋混凝土构件厂的主要成型机械，用于大批生产空心板、排版以及厚度不大顶梁柱构件等。

（2）振动筛    振动筛用于筛分一些松散得易分离的材料的部分。

（3）振动桩机    用于振动沉拔桩的振动桩机如图2-5所示，该类机械用于将桩沉入土壤和将已沉入土壤中的桩拔出。

（4）双激振器振动圆锥破碎机    这种破碎机较之单轴式振动圆锥破碎机，能获得粒度特性好的破碎产品。在对硬度较低的鹅卵石和硬度较高的岩石破碎试验中，给料粒度小于40mm，排料粒度小于3mm的80％以上，小于5mm的在90％以上，破碎产品为晶粒体，片状体和粉状体极少，完全达到君主制砂的要求。

（5）振动烘干机    振动烘干机可用于粮食、药材、食品等的烘干作业中。

（6）垂直振动输送机    振动输送机常用于物料的冷却与输送，每台机器的最大输送高度一般为6-8m。其输送量一般不大于20t／h。

2.2.3线性或近似线性的近共振类惯性机械

目前应用于工业中的线性近共振式惯性振动机械有振动炉排、惯性共振式给料机、惯性共振式振动输送机、惯性式共振筛等。这类振动机械具有以下特点：

1）弹性元件（弹簧）的刚度为常数或近似于常数，所以可按线性振动系统或近似于线性系统进行分析研究。

2）振动机械主振系统的频率比为，一般为0.75～1.3（常用的为0.75～0.95），即机器在近共振情况下工作。单隔振系统的频率比通常仍按远超共振的状态进行选择，通常取＝2～10。

3）由于在近共振状态下工作，所需的集镇力较小，通常为非共振类振动机所需激振力的1/2～1/8，因而其传动部机构紧凑，尺寸小而且耐用。

4）当采用单质体振动系统时。由于缺少隔振弹簧，所以会将较大的动载荷传给地基。当采用双质体系统时，虽然可以采用隔振措施，但结构较复杂，机器重量也会相应增大。

5）近共振振动机械工作点（频率比）的调整，要比非共振类振动机械复杂一些。

图2-5 振动桩机

1—底座  2—立柱  3—斜撑

4—双轴激振器  5）顶部滑轮组

2.2.4非线性惯性振动机械

工业用非线性惯性振动机械，可分为硬特性非线性振动机械和软特性非线性振动机械两类。硬特性非线性振动机械的主振固有频率随振幅的增加而增大，软特性非线性振动机械地主真固有频率随振幅的增加而减小。

非线性振动机械具有以下特点：

1）弹性元件具有非线性的性质，即弹性力与位移的关系，并非是直线关系，弹簧刚度不是常数。

2）非线性振动机械与线性振动机械相比，具有较大的振动加速度（在频率与振幅相同的条件下），这有利于提高机器的工艺指标。

3）硬特性非线性振动机械工作机体的振幅，比线性振动吉祥物定得多，使该种振动机械有较良好的工作性能。

4）某些软特性非线性振动机械可以获得不对称的速度曲线，这对完成某些工艺过程（如摇床选矿）是必不可少的。

5）对非线性振动机械，可以很方便地利用增减弹簧预压量的方法（对弹性力为曲线变化的压缩弹簧），或利用调整弹簧间隙的方法（对带有间隙的非线性弹簧），来改变机器的工作点（频率比）。

非线性惯性振动机械包括：非线性惯性共振筛、非线性卧式振动离心脱水机、弹簧摇床和振动离心摇床等。前两种为硬特性非线性共振机械，后两种为软特性非线性振动机械。

2.2.5冲击式惯性振动机械

利用冲击振动的机械有蛙式夯土机、振动锤锻机、振动钻探机、冲击式振动落砂机、冲击式振动造型机等。冲击式振动机械是非线性振动机械的一个特例。根据理论计算与试验都可以证明，冲击情况下物体产生的加速度，比一般线性振动机械工作的最大加速度大几倍、几十倍，甚至几百倍。因而利用冲击可以产生很大的冲击力，这对压实土壤，使物体产生塑性变形，岩石发生破坏或碎裂，促使铸件上的型砂剥落都是十分重要的。

2.3桩工机械的分类和工程应用

本次设计的DZ振动桩锤是振动桩机的主要组成部分，如前所述，振动桩机属于双轴式惯性振动机械，是桩工机械的一种。

建筑物的全部载荷都要通过基础传递给地基。基础大体可分直接基础、桩基础和沉箱基础。其中桩基础具有承载力大，沉积量小和施工方便等特点，被广泛应用于手工业与民用建筑、桥梁、港口、海上井台以及软地基加固等基础工程中。桩工机械是直接完成各种桩基础的施工机械，由桩锤或钻具与桩架组成。

2.3.1桩工机械的分类

桩工机械按预制桩和灌注桩施工方式的分类及特点见表2-3。

2.3.2桩工机械在工程技术中的应用

桩工振动机械主要用于基础的夯实、振捣与沉拔桩。利用振动可减小土壤、砂石和其他混合物的内摩擦力，可降低土壤对贯入物体（桩或管）的阻力，因而可有效地完成夯实、压路、振捣、沉拔桩等。DZ振动锤主要用于有动力电源的各建筑工地和港口、地下铁道、桥梁、高层建筑等桩基施工工程。它是广泛适用于丘陵、平原、干填土和湖泊地区、池塘淤泥层以及各种松土基础用袋装沙井、塑料纸板等工法加固软基的设备。

2.4振动桩锤的工作原理和构成

振动桩锤是利用机械振动减少桩与土壤间的摩擦力，并依靠其自重或外加压力作用下达到沉桩的目的。振动桩锤分机械式和液压式两类，液压振动锤应用较少。

2.4.1振动桩锤的工作原理

振动桩锤采用机械式定向激振器。它由两根装有相同的偏心块并相向转动的轴组成，如图2-6所示。两根轴上的偏心块所产生的离心力在水平方向上的分力相互抵消，而垂直方向上的分力叠加，其合力成为激振力，其方向是激振器两轴连线的垂直方向，大小周期性变化，桩在这一激振的力作用下沿其纵向轴线产生强迫振动，克服阻力而沉入土中。

表2-3 桩工机械的分类及特点

图2-6振动桩锤

1—原动机    2—减振器     3—激振器

2.4.2振动桩锤的构成

振动桩锤主要由原动机、激振器和减震器等组成。

1.原动机    振动桩锤一般采用异步电动机，但要求电动机能在强烈的振动状态下可靠的运转，其次是要有较高的起动力矩和过载能力，故应选用耐振电动机。此外，振动桩锤也有采用液压马达驱动的，可以实现无级调频。

2.激振器    一般激振器都采用定向机械激振器，为了适应不同类型的桩以及沉拔桩的要求，可以用改变偏心块中固定块与活动块之间的相互位置来达到调整偏心力矩的目的，调整频率可以采用改变传动比的方法来实现。

3.减振器    为了避免将振动桩锤产生的振动传至桩架，在吊钩与激振器之间必须减振。减振器一般由压缩弹簧组成，但也可采用减振橡胶。

2.4.3沉桩原理

沉桩原理有强迫振动与土壤共振、强迫振动与土桩系统共振、强迫振动与桩体共振以及振动冲击几种理论，它们分别是中频振动锤、高频振动锤、超高频振动锤以及振动冲击锤的设计原理。

如强迫振动与土桩系统共振理论可将振动锤、桩和土壤的系统简化为图2-7所示的单自由度的振动系统。以振动体静止时自然平衡位置为零点。列出振动体微分方程式后进行推导，并令，，可得出振动体的振幅

式中           —激振器的角频率（）

 r—偏心块的偏心距（m）

—激振体的自振圆频率（）

—激振体的质量（kg）

m—偏心块的总质量（kg）

—阻尼系数

图2-7  振动体系

由此可得出：

（1）当Z较大时（），振幅趋近于一定值，这是设计振动锤所要求的。

（2）当时（），振幅最大，即是共振工况，这时偏心力矩不变也可使振幅增大，但不稳定。

第3章电机的选择和计算

      第4章振动桩锤的主参数计算

振动桩锤采用机械式定向激振器。它由两根装有相同的偏心块并相向转动的轴组成，两根轴上的偏心块所产生的离心力在水平方向上的分力互相抵消，而垂直方向上的分力叠加，其合力即激振力

F=2

式中            —偏心块的质量（kg）

r  —偏心块的偏心距（m）

—激振器的角频率（）=30

—离心力与垂线的交角（）    

4.1激振力的计算

激振力F是反映振动桩锤综合能力的参数，桩在土中沉入时，激振器的激振力F必须大于桩与土之间的摩擦阻力。根据给定的参考参数，当=90时，激振力幅值=276kN，将数据代入公式F=2

可得到

=15.54kg·m。

又

2r=  (=A=)

可得激振体质量            =3250kg。

4.2计算实际振幅

4.2.1根据提供的频率选择工作土壤的类型

按照表4-1和给的参考振动频率值： =94.25，不难看出该振动桩锤所配套的振动打桩机的工作土壤类型是：塑性粘土及含砂粘土。

4.2.2振幅A的确定

激振器振幅是影响桩在土中沉入的主要因素。当振幅很小时，沉入并不发生，只有当振幅超过某一定植时，才可能实现沉桩。

表4-1 振动频率参考表

      （4-1）

（，）

式中        —同上

             —激振体的自振圆频率（）

             —激振体的质量（kg）

             —同上

              — 同上

             —阻尼系数（）

对于减振弹簧应满足减振条件：＞3，取=4，可得

=7.5。

一个质量、n（n=8）个弹簧并联组成的弹簧—质量系统的固有频率

=

由此式可得弹簧刚度

=。

又            

            —弹簧的内阻力系数， 

将数据带入此式中可得阻尼系数

=86059.5

因此            =0.56

将以上计算所得数据代入公式（4-1）得实际计算振幅

。

4.3计算实际偏心力矩

激振器偏心力矩的大小对振动桩锤的性能又至关重要的影响，偏心力矩愈大，克服硬质土层的能力愈强。计算公式

将=15.54kg·m，代入上式得

。

4.4功率的计算

功率包括维持振动所需的功率和机械损耗的功率，振动桩锤的总功率

            （4-2）

在非共振工况时振动所耗的功率

  （4-3）

        （4-4）

式中            m—振动桩锤偏心块的总质量（kg），

                —相位角（），即振幅滞后于激振力的角度

                其他同前

将各参数数值代入公式（4-4）计算得出

相位角=16.6。

因此，将计算所得数值代入公式（4-3）可得

振动所消耗的功率

=35.49kW。

机械损耗功率大部分消耗在轴承的摩擦发热上，其消耗的功率

式中            —考虑其他机械损耗的系数， =1.15

                —滚动轴承的当量摩擦系数， =0.005

                —滚动轴承的内径， =0.06m

                其他参数同前

将数据代入公式可得

机械损耗的功率

=4.48kW。

然后把和的数值代入公式（4-2）可得

振动桩锤的总功率

=39.97kW。

第5章减振弹簧的设计与计算

5.1减振弹簧的结构选择

弹簧刚度在前面已经算出： =。

减振弹簧一般是压缩弹簧，选取圆形截面的螺旋压缩弹簧，其主要性能与应用：特性线呈线性，刚度稳定，结构简单，制造方便，应用较广，在机械设备中多用作缓冲，减振，以及储能和控制运动等。

5.1.1选取螺旋弹簧的类型代号

根据参考文献［4］中表11-2-1选取弹簧类型：冷卷压缩弹簧YⅠ，两端圈并紧并磨平，支承圈数。

5.1.2选取弹簧的材料并确定其主要性能参数

根据弹簧所受载荷特性及要求，选取B类油淬火回火硅锰合金弹簧钢丝，许用应力［τ］参照文献［5］中表8-10按受Ⅰ类载荷的弹簧考虑，其［τ］＝（0.35～0.4）。材料的抗拉强度与钢丝直径有关。这里使用的减振弹簧的钢丝直径比较大，所以＝1600，再由文献［5］中表2-103得切变模量G＝。取试验切应力。

5.2圆柱螺旋弹簧的设计计算

5.2.1确定单根弹簧的最大工作载荷

最大工作载荷：对上弹簧取最大加压力；

                 对下弹簧取最大拔桩力。

5.2.2选择旋绕比

根据文献［5］中初选旋绕比C＝5，则

曲度系数。

5.2.3计算钢丝直径

计算钢丝直径公式为

将参数值代入公式中得到

上弹簧钢丝直径29.97mm；

下弹簧钢丝直径33.5mm。

参照表5-1选取系列值，＝30mm，＝35mm。

表5-1弹簧材料直径系列（mm）

计算公式为

由此可得

上弹簧中径＝450mm；

下弹簧中径＝175mm。

参照表5-2选取系列值，＝150mm，＝170mm。

5.2.5计算弹簧圈数

根据文献［5］中表8-13中式，得到弹簧圈数计算公式

n＝

代入参数值可得

上弹簧圈数＝10.5圈；

下弹簧圈数＝13.4圈。

按照表5-3选取系列值，＝10.5圈。＝13.5圈。

两端各取1圈支承圈，则弹簧的总圈数由公式

得

上弹簧总圈数＝12.5圈；

下弹簧总圈数＝15.5圈。

表 5-2 圆截面材料弹簧中径D系列（mm）

根据式

,

得上下弹簧的试验载荷分别为

＝，＝。

5.2.7自由高度

因为采用的是YⅠ型端部结构，受力均匀性好。其自由高度计算公式

节距t的估算公式是

式中＝0.1d，f—工作载荷下弹簧的形变量，。

对上弹簧，有形变量＝133mm，节距＝45.7mm，

自由高度＝524.9mm。

对下弹簧，有形变量＝167mm，节距＝50.8mm，

自由高度＝738.3mm。

参照表5-4取系列值，＝550mm，＝750mm。

表5-4 压缩弹簧自由高度尺寸系列（mm）

节距计算公式

代入数据，得上下弹簧的节距分别为

＝48mm，＝52mm。

5.2.9弹簧的螺旋角

螺旋角计算公式如下

将前面计算所得数据代入上式中，可得上下弹簧的螺旋角分别为

＝5.8°，＝5.5°。

符合一般要求。

5.2.10弹簧的稳定性验算

上下弹簧均采用两端固定支承，其高径比计算公式

因此，上下弹簧的高径比分别为

＝3.7，＝4.4

按照文献［5］中表7-3所列可知上下弹簧的高径比b均小于极限高径比5.3，满足稳定性要求。

5.2.11弹簧的强度验算

对于变载荷作用次数次弹簧，必须进行疲劳强度可靠度计算，以预防可能出现的疲劳断裂。

由于振动桩锤实在900r/min左右的高速下带动偏心块旋转，形成上下振动进行沉、拔桩作业的振动弹簧在动载荷作用下工作，所以必须进行疲劳可靠性计算。

计算公式

安全系数

式中        —弹簧在脉动循环载荷下的剪切疲劳强度，参照文献［4］中表11-2-16选取＝480MPa；

    —最大工作载荷所产生的最大切应力， 

    —最小工作载荷所产生的最小切应力，

    —许用安全系数，取＝1.3～1.7。

对于减振弹簧，最小工作载荷等于弹簧的预紧力，减振弹簧安装条件为：加压沉桩或拔桩工况下，上弹簧并圈时下弹簧安装尺寸不能大于其自由长度；下弹簧并圈时上弹簧安装尺寸不能大于其自由长度，可根据此条件确定上弹簧的预紧力＝25kN，下弹簧预紧力＝33kN。

因此，对于上弹簧，有＝555.98MPa，＝463.32MPa，   

＝1.5>1.3，安全。

对下弹簧，有＝496MPa，＝436.5MPa，               

＝1.6>1.3，安全。

5.2.12共振验算

对于减振弹簧，计算公式如下：

式中        f—弹簧的自振频率，

            K—弹簧刚度，

            g—重力加速度，;

            —强迫机械振动频率，＝94.2Hz；

            W—载荷。

对上弹簧，取W＝30kN，则有＝1.37Hz〈。

对下弹簧，取W＝37.5kN，则有＝1.22Hz<。

均符合条件，因此所选弹簧式是合适的。

第6章V带传动的设计计算

6.1V带的计算

计算内容和步骤见表6-1。

6.2V带轮材料和尺寸的确定

v<20m/s，带轮材料选HT150。铸造带轮不允许有砂眼、裂纹、缩孔及气泡。

参照文献［4］中表13-1-10可知图5-1中主要参数的数值（单位mm）：

，，，，，，，，，， 

图6-1    带轮的轮齿结构

表6-1 V带计算的主要项目及结果

第7章经济分析与资源分析

经济性是机械产品的重要指标之一，从产品设计到产品制造，应始终贯彻经济性原则，设计中在满足零件使用需求的前提下，从以下几个方面来主要体现了本设计的经济性：

a）振动桩锤是建筑施工中用来完成基础的夯实和沉、拔桩等工程任务的主要装置，它需要提供较大的激振力和比较高的振动频率。因此桩锤的主要组成零、部件都需要抗振能力比较强。

b）从材料选择方面来看，本设计经济性主要体现在激振器箱体、减振弹簧、传动轴和齿轮的材料的选择上。由于需要抗振能力号的零件，所以这些零件的材料的选择在满足使用条件的前提下，都要考虑材料的抗振性能，从这方面来看，产品的造价会有所提高。但是，从使用方面考虑，材料的抗振性能优异可以降低零件的损耗率，降低零件的更换频率，因此该振动桩锤在生产时应选择抗振性能好的零件材料。

结论

DZ系统振动锤是吸取国内外的先进经验后设计的，具有灌入力强、沉桩质量好、坚固耐用、故障少、使用维修方便、电源适应强、噪声低等特点；主要用于有动力电源的各建筑工地和港口、地下铁道、桥梁、高层建筑等桩基施工工程。它是广泛适用于丘陵、平原、干填土和湖泊地区、池塘淤泥层以及各种松土基础用袋装沙井、塑料纸板等工法加固软基的设备，它具有结构紧凑、低噪音、高效率、无污染等优点。与桩架配套后，可沉混凝土灌注桩、混凝土扩底桩（大蒜头桩）、石灰桩、砂桩、碎石桩；配上夹桩器后，可沉拔混凝土预制桩和各类钢桩。它是公路、桥梁、机场、建筑等基础施工的理想设备。

本次设计的是DZ60振动打桩锤，它是DZ系列振动桩锤中比较典型的一种，激振力不是很大，电动机功率也比较合适，通过对DZ60振动打桩锤的设计可以比较全面地了解桩工机械的设计方法和参数选择方法，对桩工机械的性能及其在工程中的应用又了更新的认识。

参考文献

1 机械手册编委会编著.机械设计手册.第5卷.第3版.机械工业出版社，2004

2 机械手册编委会编著.机械设计手册.第1卷.第3版.机械工业出版社，2004

3 成大先主编.机械设计手册.第2卷.第四版.化学工业出版社，2002

4 成大先主编.机械设计手册.第3卷.第四版.化学工业出版社，2002

5 张英会，刘辉航，王德成主编.弹簧手册.机械工业出版社，1997

6 成大先主编.机械设计手册.单行本.机械制图·公差与配合.化学工业出版社，2004

7 成大先主编.机械设计手册.单行本.减（变）速器·电机与电器.化学工业出版社，2004

8 闻邦椿，刘树英，何京力著.振动机械的理论与动态设计方法.机械工业出版社，2001

9机械工程手册，电机工程手册编辑委员会编. 机械工程手册.专用机械卷（二）.机械工业出版社，1997

10 濮良贵，纪名刚主编.机械设计.第7版.高等教育出版社，2001

11 王焕庭，徐善国主编.机械工程材料.第三版.大连理工大学出版社，1998

12 周广林主编.机械工程基础.上册.黑龙江人民出版社，2000

13 周广林主编.机械工程基础.中册.黑龙江人民出版社，2000

专题论文

现代集成制造系统的技术构成及发展策略研究

摘要：近几年新的先进制造技术模式和哲理层出不穷，本文结合我国国情，通过分析现代集成制造系统与其它先进制造技术的关系，论述了我国现代集成制造系统的技术构成和发展，借此对现代制造进行一次系统的认识。 

关键词：现代集成制造系统，并行工程，虚拟制造，分布式网络化研究中心 

引言 

信息技术的发展引起的使我们进入了信息时代。信息不仅引起人们的思想观念、生活方式的变化，而且导致了生产方式和制造哲理的巨大变化，可以说近十年来提出的新的制造哲理都离不开信息技术提供的支撑，以信息化制造技术为代表的先进制造技术正使制造业处于重要的历史性变革时期。多年来，我国的综合国力不断增强，市场竞争十分激烈，国内市场已从卖方市场转化为买方市场，而且正在迅速成为国际市场的一部分，许多大中型企业在竞争中处于不利地位，甚至破产、倒闭。本文结合我国国情，通过分析现代集成制造系统与先进制造技术的关系，对我国制造业的发展做了一些探索。 

1、现代集成制造系统的含义与定位 

现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing System）是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上，它不断吸收先进制造技术中的相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。具体地说，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合，通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。从集成的角度看，早期的计算机集成制造系统侧重于信息集成，而现代集成制造系统的集成概念在广度和深度上都有了极大的扩展，除了信息集成外还实现了企业产品全生命周期中的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的集成阶段。 

现代集成制造系统的研究范围应该介于国家攀登计划和国家攻关计划之间。与攀登计划研究项目相比较，它更注重成果的应用性，尽可能将技术产业化，并推动我国制造业的现代化进程；与国家攻关计划相比较，它更注重解决我国制造业发展中的关键的共性问题、前瞻性问题和示范性问题。 

2、现代集成制造系统的技术构成 

2.1 现代集成制造系统的技术构成 

先进制造技术（AMT－Advanced Manufacturing Technology）作为一个专有名词至今还没有一个明确的、一致公认的定义。通过对其内涵和特征的研究，目前共同的认识是：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。它具有如下一些特点： 

（1）从以技术为中心向以人为中心转变，使技术的发展更加符合人类社会的需

（2）从强调专业化分工向模糊分工、一专多能转变，使劳动者的聪明才智能够得到充分发挥； 

（3）从金字塔的多层管理结构向扁平的网络化结构转变，减少层次和中间环节； 

（4）从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作质量； 

（5）从按照功能划分部门的固定组织形式向动态的自主管理的小组工作方式转变。 

通过对先进制造技术的定义和特点的分析我们发现，现代集成制造系统拥有先进制造技术的绝大部分特点，只不过先进制造技术所涉及的的范围要比现代集成制造系统大，因此通过对先进制造技术的综合考察，我们提出了一个现代集成制造系统的技术构成模式：即在先进制造技术中，现代集成制造系统在吸收计算机集成制造系统的优秀成果的基础上，继续推动并行工程、虚拟制造、敏捷制造和动态联盟的研究工作深入进行，并不断吸收先进制造技术中的成功经验和先进思想，将它们进行推广应用，由此使现代集成制造系统成为先进制造技术的核心，具体说明如下： 

2.1.1 并行工程（CE－Concurrent Engineering）： 

并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法。它要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。为了达到并行的目的，必须建立高度集成的主模型，通过它来实现不同部门人员的协同工作；为了达到产品的一次设计成功，减少反复，它在许多部分应用了仿真技术；主模型的建立、局部仿真的应用等都包含在虚拟制造技术中，可以说并行工程的发展为虚拟制造技术的诞生创造了条件，虚拟制造技术将是以并行工程为基础的，并行工程的进一步发展就是虚拟制造技术。同时，并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术支持下，将原来分别进行的工作在时间和空间上交叉、重迭，充分利用了原有技术，并吸收了当前迅速发展的计算机技术、网络技术的优秀成果，使其成为先进制造技术中的基础。 

虽然并行工程在我国进行的研究工作中属于热点，也取得了一些成果，但是目前还存在以下一些问题： 

(1)研究的广度和深度不够：虽然并行工程的研究工作已经广泛开展，但是无论从研究的内容上看，还是从研究的水平上说都明显存在差距。如：并行工程在成本和质量上的应用才刚刚起步，与供应商的集成问题还没有提上日程。 

(2)与并行工程有关的技术实用化不够：在实用技术研究方面，目前还没有商品化软件诞生，而国外公司已经推出商品化软件（如：PTC的Pro-Engineering、CV的CADDS5）。

(3)并行工程的实施队伍不够：由于科研力量薄弱，在研究上还不能全面开花，并行工程的实施就更是难上加难了。而且，当前国内机械行业在激烈的市场竞争中经济效益不好，CAD/CAM技术还有待普及，全面实施并行工程还缺乏基本的物质基础。 

由于并行工程所处的基础性地位及我国研究工作的不足，就决定了必须将它作为现代集成制造系统的基础性研究工作不断深入地进行。 

2.1.2 虚拟制造（VM－Virtual Manufacturing）： 

虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而达到产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。 

目前，虚拟制造技术已经在国外有所应用，例如：美国Boneing公司设计的一架VS-X虚拟飞机，可用头盔显示器和数据手套进行观察与控制，使飞机设计人员身临其境地观察飞机设计的结果，并对其外观、内部结构及使用性能进行考察；日本Matsushita公司开发的虚拟厨房设备制造系统，允许消费者在购买商品前，在虚拟的厨房环境中体验不同设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组这些设备，他们的选择将被存储并通过网络送至生产部门进行生产；美国Coventry School of Art and Design开发的虚拟原型制作系统，设计者在设计的初始阶段能够在计算机中构造虚拟原型并对此原型进行评价。 

国内的研究刚刚起步，主要集中在三个方面： 

（1）产品虚拟设计技术： 

主要包括虚拟产品开发平台、虚拟测试、虚拟装配以及机床、模具的虚拟设计实现等。其中清华大学利用美国国家仪器公司的Labview开发平台实现了锁相电路的虚拟，机械科学研究院采用C语言和OpenGL进行编程初步实现了立体停车库的虚拟现实下的参数化设计，可以直观地进行车库的布局、设计、分析和运动模拟。 

（2）产品虚拟制造技术 

主要包括材料热加工工艺模拟、加工过程仿真、板材成型模拟、模具制造仿真等。北航与一汽用OPTRIS开发的板料成型软件已经基本能够模拟类似车门的中等复杂程度的汽车覆盖件和其他冲压成型件的冲压成型过程；沈阳铸造研究所开发的电渣熔铸工艺模拟软件包ESRD3D已经应用于水轮发电机变曲面过流部件生产中，其产品在刘家峡、李家峡、天生桥、太平役等7个电站中使用；合肥工业大学研制的双刀架数控车床加工过程模拟软件已经在马鞍山钢铁股份有限公司车轮轮箍厂应用，使数控程序现场调试时间由几个班缩短到几小时，并保证一次试切成功；北京机床研究所、机械科学研究院、东北大学、上海交大和长沙铁道学院等单位也研制出一些这方面的仿真软件。 

（3）虚拟制造系统 

主要包括虚拟制造技术的体系结构、技术支持、开发策略等。其中提出了比较成熟的思想并可能实现的是由上海同济大学张曙教授提出的分散网络化生产系统和西安交通大学谢友柏院士组建的异地网络化研究中心。 

从以上的论述中可以看到国内外研究水平差距是很大的，而且由于虚拟制造技术既是并行工程的发展方向又是敏捷制造的核心，这就决定我们必须以它作为现代集成制造系统的中心技术，以带动相关技术的研究工作的进行，并使它们协同一致顺利地发展。 

2.1.3 敏捷制造（AM－Agile Manufacturing）： 

敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，分工合作，为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。为了达到快速应变能力，虚拟企业的建立是关键技术，其核心是虚拟制造技术，即敏捷制造是以虚拟制造技术为基础的。敏捷制造是现代集成制造系统从信息集成发展到企业集成的必由之路，它的发展水平代表了现代集成制造系统的发展水平，是现代集成制造系统的发展方向。 

自从1991年美国提出敏捷制造的思想后，美国就赞助许多研究单位开发实现敏捷制造的基础结构和工具，并鼓励在不同行业进行示范应用，目前已经取得了一定进展。例如：在遥测装置生产的敏捷制造示范项目中，它联合了加利福尼亚的圣地亚国家实验室、联合信号公司堪萨斯城分部和新墨西哥的圣地亚国家实验室以及机械主箱、印刷电路板供应商。通过联合弥补了单一企业资源不足的弱点，这一联盟的生产时间比单一企业的生产时间减少了50％，生产率提高显著。现在美国的很多大公司都参加了这一研究计划，在欧洲和日本等发达国家也纷纷成立了相应的机构，进行相应的研究和实施工作。我国专家从1993年就开始对敏捷制造进行跟踪研究，主要包括：实施敏捷制造的技术基础；虚拟公司的建立步骤及其体系结构和运行模式；虚拟公司的组织与应用等。与国外相比，这些研究工作只能算原则性的研究工作，距离实用还需要走很长的一段路。因此，在我国企业目前还不可能实现敏捷制造，但是从科学研究的角度看，我们认为需要在合适的条件下建立一个研究性的虚拟企业，加深我们对虚拟企业在实际应用中所遇难题的理解，即在实践中吸取有益的经验，为今后的发展作一定的技术储备。 

2.1.4 绿色制造（GM－Green Manufacturing）： 

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源的使用效率最高。绿色制造的提出是人们日益重视环境保护的必然选择，发展不能以环境污染为代价，国际制造业的实践表明，通过改进整个制造工艺来减少废弃物，要比处理工厂处理已经排放的废弃物大大节省开支。绿色制造的实现可以通过计算机仿真来达到目的，即它是虚拟制造的一部分。从可持续发展战略的观点看，绿色制造是必然选择，它将成为现代集成制造系统的一个重要的组成部分。 

从以上的分析中我们可以看到：各种先进制造技术是相互关联、彼此交叉的，在先进制造技术这一大厦下，现代集成制造系统成为它的核心，并随着先进制造技术的不断发展而发展，即现代集成制造系统应该是一个动态的概念。 

3、我国现代集成制造系统的发展策略 

在市场竞争的推动下，先进制造技术发展十分迅速，新思想、新概念层出不穷，通过对现代集成制造系统与先进制造技术关系的分析，我们认为在制定我国现代集成制造系统的发展策略时，应该注重以人为本的思想，运用并行工程的哲理，使各种先进制造技术相互衔接、协调发展，并不断吸收先进制造技术的成熟成果，为先进制造技术在我国的广泛应用起到促进的作用。 

目前，在美国并行工程已到了推广应用阶段，在虚拟制造方面也有商品化软件投入市场，在这方面我们存在巨大的差距，主要表现在：从研究工作方面看，科研经费紧缺，科研力量分散，科研成果难以推广应用，人才流失严重；从企业方面看，企业的整体素质不高，管理工作落后，科研能力薄弱，当面临国际竞争时大多难以为继，很难在现代集成制造系统方面花费过多，而且受企业人员素质的制约，一些先进的技术还不易取得立竿见影的实际效果，这些都影响了企业应用先进制造技术的热情；从国家方面看，虽然国家对制造业十分重视，但是，由于我国当前正处在改革过程中，多种机制同时运行，多方利益难以协调，在资金使用上往往顾此失彼，而且国家财政困难，也难以使用重金支持现代集成制造系统的研究。针对上述实际情况，我们提出下列解决方案： 

（1）以企业需求为出发点，以“甩图板”工程为契机，大力普及CAD技术，帮助企业进行人员培训，提高企业人员的素质（其中包括技术水平、劳动态度、道德水平等），不断提高企业的管理水平，在计算机集成制造系统成功示范企业中及时推广并行工程，并适当宣传虚拟制造、敏捷制造等思想和技术，为企业的进一步发展提供坚实的基础。 

（2）在方面，应发挥的协调职能，组织企业和科研部门进行多方面、多层次的合作，加强科研成果的应用推广，而且应组织多学科、跨地区的科研力量共同攻关；从宏观上加强对现代集成制造系统的指导，集中大家的智慧制定出符合我国国情的发展计划，并将计划的执行落到实处。 

（3）在技术的先进性方面，不要过度追求世界领先，应该根据企业实际要求，解决实际问题，力争尽快创造效益，以此取得企业的支持并获得资金上的帮助，以便形成良性循环，促进研究工作的进一步开展。同时，应该参与国际合作，跟踪国际研究动态，当然，也可以适当引进一些关键的、有发展潜力的技术，进行消化和创新，缩短我国与世界先进水平的差距，保持一定的技术领先性。 

（4）针对我国科研力量分散的弱点，仿照分散网络化生产的思想，利用计算机网络，开展合作研究，建立分布式网络化研究中心，协调一致进行科技攻关。所谓分布式网络化研究中心就是利用信息技术、网络技术、计算机技术对现实研究活动中的人、物、信息及研究过程进行全面的集成，在一定时期内为了共同的目标以最佳的人员和单位组合来开展科学研究工作，调动各方面的积极性通过协同工作达到研究工作的广泛开展和深入进行，缩短科研周期，增强科技成果的竞争力，也可以说分布式网络化研究中心是将现实的研究机构的职能在网络中的映射，是一种“虚拟”的工作模式。 

综上所述，发展我国的现代集成制造系统应该以企业的需求为动力，通过的和计划的协调，继续深入开展并行工程、虚拟制造、敏捷制造和绿色制造的研究与应用，并利用分布式网络化研究中心，组织各地区的科研力量集中突破与现代集成制造系统密切相关的如STEP标准的应用、CORBA规范的推广、企业过程重构理论的研究等具有重大战略意义的理论研究工作，逐步使现代集成制造系统成为我国制造业的灵魂。 

参考文献 

1 李伯虎等，现代集成制造系统的发展与863/CIMS主题的实施策略

2吴澄，李伯虎，从计算机集成制造系统到现代集成制造系统

3 李敏贤，面向21世纪的先进制造技术

4 王宏典，张友良.虚拟制造技术及其应用.机械科学与技术.1998

致谢

在紧张忙碌的三个多月中，完成了毕业设计。这将是我们最后一次在校园里的学习任务，学习的过程是艰辛的，它像带着刺的玫瑰，而我们的芳香是那些无怨无悔的辛勤园丁们传授给我们的，在这即将离校的日子，在我们把收获果实装上行囊要带走的离别时刻，我们最应该做的就是向教育过我们的恩师们说一声“谢谢，谢谢您们的教导”。

此次毕业设计主要感谢指导老师代明君老师和帮助指导的牛曙光老师，以及各位机制教研室老师的大力支持与帮助。在此，我向您们表示衷心的感谢。经过了三个多月紧张而有序的认真设计，我顺利完成了“DZ60振动打桩锤”这个题目的毕业设计，地完成了预定目标。在这过程中我苦恼过设计任务的沉重，兴奋于收获的点点滴滴，我将沿着此样的道路前进，不畏艰辛，用我最大的力量去换取成功，为我的母校争光！

目前国内关于振动桩锤设计和制造方面的书籍不是很多，在期刊等学术交流刊物上面刊登的学术性论文有一些，但是比较完善地介绍振动打桩锤计算方面的比较少，本次文章的书写和计算项目的设计都是参照其他机械产品的内容来进行的，由于编者水平有限，疏漏之处很难避免，诚恳希望广大读者批评指正和共同探讨。