强夯机刚柔混合多体动力学仿真

强夯机刚柔混合多体动力学仿真

１课题背景

本课题基于实际工程项目，即大连理工大学机械工程学院工程机械研究所与中化岩土工程有限公司合作开发的某型号履带式强夯机。该型强夯机是针对强夯具体工况特点和强夯施工要求而设计开发的专用设备，较之传统的代用设备，具有诸多方面的优点。

鉴于强夯机的结构特点和强夯施工工况的特殊性，有必要对其进行动力学仿真分析，以进行设备动态性能评估，并获取相关动态性能参数，为部件的ＦＥＭ计算、疲劳寿命分析等提供载荷数据。

１．１强夯概述

１．１．１强夯法简介

强夯法【ｌ】又称动力固结法（ｄｙｎａｍｉｃｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｏｒｄｙＭｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ），是用起重设备（专用强夯机或起重机配三角架、龙门架等）反复将８～４０ｔ（最重达２０仉）夯锤起吊到８～２５ｍ（最高达４０ｍ）高度后，利用自动脱钩释放载荷或带锤自由落下，给地基以强大的冲击能量的夯击，使土中出现冲击波和冲击应力，迫使土体孔隙压缩，土体局部液化，在夯击点周围产生裂隙，形成良好的排水通道，孔隙水和气体逸出，使土粒重新排列，经时效压密达到固结，从而提高地基的强度、降低压缩性、改善其抵抗振（震）动液化能力、消除湿陷性的一种有效地基加固方法。该法自诞生以来，以其经济易行、效果显著、设备简单、施工便捷、节省材料、质量容易控制、适用范围广、施工周期短等突出优点，在世界各地多种类型、多种目的的地基处理工程中得到了日益广泛的应用。也是我国目前最为常用和最经济的深层地基处理方法之一，不足之处在于对在施工影响范围内的建筑有不利的影响。强夯机的工作过程如图Ｌｌ。

图１．１强夯施工示意图

Ｆｉｇ．１．１Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｏｆｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ

大连理工大学硕士学位论文

１．１．２强夯设备现状

（１）国外情况

从文献资料分析，国外强夯机主要有三大类，分别为三角形固定桁架臂架式（如图１．２左）；三角井字架式（如图１．２中）和大吨位安装用起重机圆（如图１．２右）。１９７５年，法国梅纳公司为完成法国尼斯（Ｎｉｃｅ）机场一条经填海形成的飞机跑道（填土厚８～１８ｍ，原海底为松软的粉土，厚５０～８０ｍ，要求加固深度达４０ｍ），研究开发了起重量为２０００ｋＮ、提升高度为２５ｍ、自重５５００ｋＮ、具有１８６个轮胎的三角形固定桁架臂强夯机。这也是迄今为止世界上最大的强夯施工机械。但由于自重和外形尺寸过大，１８６个轮胎的均载和转弯协调不易很好实现，加上对施工场地要求过高等原因，使该设备再未应用于其它强夯工程。三角井字架式强夯机从受力分析上来说是强夯机开发与制造的理想形式，该结构不但具有良好的结构受力特性，而且可大幅度减轻设备自重；降低制造成本。因此国外有不少这一类型的强夯机。

图１．２国外强夯机类型

Ｆ皓１．２Ｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｆｏｒｅｉｇｎｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｏｒ

在英国和美国，目前的强夯工程中，绝大部分夯锤的重量在６００ＫＮ，落距在２０ｍ以内，施工也由履带起重机来实施。在英国，对１５０ｋＮ夯锤、落距１５ｍ，即能级２２５０ｋＮ．ｍ的强夯称为高能级强夯（Ｆ１】１１．ＳｃａｌｅＤｙｎ嬲ｌＪｃＣｏｍｐａｃｔｉｏｎ），对夯锤为６０一１００ｋＮ．ｍ的强夯称为低能级强夯（ＭｉｎｉＤｙｎａｌｌｌｉｃＣｏｍ－ｐａｃｔｉｏｎ），施工机械也由通用的履带起重机来代替。在香港进行的１４０００ｋＮ．ｍ和７０００ｋＮ．ｍ的高能级强夯置换处理深达４０ｍ的海相淤积土也是使用３０００ｋＮ和１５０ｋＮ履带起重机（如图１．３）。在国外，如采用履带起重机来进行强夯时，一般起重机的最大额定起重量为夯锤重量的３～５倍。

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图１．３履带起重机替代强夯

Ｆｉｇ．１．３Ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｒｅｐｌａｃｅｄｂｙｃｒａｗｌｅｒｃｒａｎｅ

（２）国内情况

国内强夯施工从１９７５年开始介绍和引进至今，虽经历了二十多年发展，能级也已达到１００００ｋＮ．ｍ，但施工设备仍大多以中小吨位安装用履带起重机作为改造对象，增加辅助装置来实现８０００ｋＮ．ｍ以下能级的强夯作业。这种改造的目的是增加作业时的抗倾覆稳定性，减轻重量或改善桁架臂杆的抗弯能力。应该说，这种改装后的“代用强夯机”，虽然在８０００ｋＮ．ｍ能级以下的夯实作业中具有机具使用一次性投入成本低的特点，但同时存在安全性差、使用效率低、消耗和维护成本高的缺陷。

目前，国内强夯机主要形式有二种。一种是以Ｗ２００Ａ起重机为代表的，在强夯臂杆中后部加装防后倾装置而成的强夯机（图１．４左），它能满足夯锤重量不大于１８０ｋＮ，能级低于３０００ｋＮ．ｍ的强夯施工。另一种以Ｗ１００１，ＱＵ２５。Ｗ２００Ａ起重机等为代表，加装辅助门架形成的“代用强夯机”（图１．４右）。但所有这些“代用强夯机”都存在着起重能力小（１５０～５００ｋＮ）、自重大（Ｗ２００Ａ进行３０００ｋＮ．ｍ强夯作业时．的作业自重达７６０ｋＮ；包括夯锤的工作重量达９４ｋＮ）、接地比压高（Ｗ２００Ａ自重下接地比压０．１２３ＭＰａ）、工作级别低、稳定性差的缺陷，而且这些机型大部分都产生于７０～８０年代，设计思想落后、传动与控制简单（全部属机械传动、液压或气动控制或机械控制）、传动效率低、可靠性差；外形尺寸庞大，给远距离运输带来不便的同时也增加了运输成本。

更大的隐患网来自作业安全，国内大多数“代用强夯机”机龄普遍较大，最长的超过３０年。还有，生产上述机型的抚顺挖掘机厂、长江起重机厂、杭州重型机械厂都己不生产和基本不生产这些产品，所以，没有技术支持和技术改进的设备，淘汰是必然的。从施工实践来看，由于这些机型在设计中未考虑强夯机的使用特性，工作级别又偏低，

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所以结构件和零部件的损坏十分频繁，强夯作业的机械可靠性根本无法保证，强夯作业中的维修时间大大增加，使施工成本增加、生产效率降低。

进入９０年代，国内也曾尝试过用抚顺挖掘机厂生产的ＱＵＹ５０全液压履带起重机和日本神钢的Ｐ＆Ｈ５１７０型１５００ｋＮ履带起重机进行强夯施工，均因不太适合强夯施工和成本过高、效率太低而被强夯界放弃。

图１．４代用设备强夯

Ｆ培１．４Ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ

１．２履带式专用强夯机

本文所研究的某型号履带式专用强夯机是针对现代强夯施工作业特点和使用要求而设计开发的专用设备，较之以往替代设备，具有可提高使用寿命和作业的可靠性、明显降低冲击与振动、适用性广等诸多优点。

整机结构由履带行走机构、车架、转台及臂架系统组成，可实现行走、回转、起升、变幅等动作。它包括一回转平台，在该回转平台上设置有三角形空间桁架结构臂架和人字架结构，在底盘和回转平台之间连接有回转支撑盘，在回转平台的后端设置有液压支腿；所述的三角形空间桁架结构臂架是由两根前倾的前主弦、一根居中前倾的后主弦及前后主弦之间相互连接的缀条构成，在后主弦的下端连接有变幅液压缸；在所述底盘上的四角处设置有四个减载支座，在回转平台的底面前部两侧设置有两个减载液压缸，在回转平台的底面后中部设置有一个减载液压缸；在前主弦上设置有超载液压提升油缸。（如图１．５）