超大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘的研制

摘要：隨著(zhù)風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展，海上風(fēng)電已成為世界可再生能源發(fā)展的關(guān)注焦點(diǎn)。近年來(lái)，我國海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅速，海上新增風(fēng)電裝機容量不斷增加，海上風(fēng)電樁呈現出超長(cháng)、超大、超重、高精度施工的特點(diǎn)。目前海上風(fēng)電樁施工的主要設備是沖擊錘和振動(dòng)樁錘。沖擊錘是傳統的海上風(fēng)電打樁設備，其主要問(wèn)題有打擊效率低，發(fā)熱散熱、施工安全、質(zhì)量控制等。振動(dòng)樁錘其沉樁原理為土質(zhì)“液化”，減小阻力。只要滿(mǎn)足必要的振幅、必要的激振力、必要的重量和沖量、必要的功率即可沉樁。目前主要面臨的問(wèn)題有啟動(dòng)困難、共振危害、制造困難、運輸困難。為此，上海振中公司研制出了超大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘用于海上風(fēng)電大型樁基礎的施工。

1. 研制超大型振動(dòng)沖擊樁錘的必要性

1.1 海上風(fēng)電樁的特點(diǎn)

近年來(lái)，我國海上風(fēng)電事業(yè)發(fā)展迅速，海上新增風(fēng)電裝機容量不斷增加，海上風(fēng)電樁呈現出超長(cháng)、超大、超重及高精度的特點(diǎn)。目前，海上風(fēng)電樁最重已達1500余噸，施工垂直度要求千分之三以?xún)取?/p>

1.2 目前用于海上風(fēng)電樁施工的主要設備及特點(diǎn)分析

1.2.1 沖擊錘

沖擊錘是海上風(fēng)電樁基礎施工最先使用的設備，有柴油錘和液壓錘。由于散熱問(wèn)題無(wú)法解決，大型柴油錘的發(fā)展受得了制約。近年來(lái)大型液壓錘已經(jīng)成為海上風(fēng)電樁基礎施工的主要設備。傳統認為沖擊錘打擊效率高，可達30%以上，但是隨著(zhù)風(fēng)電樁越來(lái)越大型化，液壓錘的打擊效率要低于傳統認知的30%。

打擊效率η指樁在沖擊錘打擊后獲得的能量E與沖擊錘打擊時(shí)的能量E0的比值，

即 （1）

日本建筑學(xué)會(huì )根據動(dòng)量定理得出的打擊效率公式

（2）

式中m為沖擊錘錘芯的質(zhì)量，M為樁的質(zhì)量。

可知，欲達到30%的打擊效率，樁的質(zhì)量不能超過(guò)錘芯質(zhì)量的3倍，理想狀態(tài)是1.5-2.5倍。目前，海上風(fēng)電樁的質(zhì)量不斷增加，液壓沖擊錘的質(zhì)量也不斷增加，但是樁的質(zhì)量遠超過(guò)了沖擊錘質(zhì)量的3倍。假設大型沖擊錘的錘芯質(zhì)量為100噸，大型樁的重量為900噸，那么沖擊錘的打擊效率僅為10%。

施工時(shí)，我們可以通過(guò)不斷增大打擊能量來(lái)完成沉樁施工。但是在不斷增大打擊能量的過(guò)程中，由于打擊效率低，能量散發(fā)很大，帶來(lái)的發(fā)熱散熱問(wèn)題相當嚴重,不但使樁的質(zhì)量、壽命受到影響，還會(huì )使沖擊錘本身的使用壽命降低，故障頻繁。

1.2.2 振動(dòng)樁錘

近年來(lái)，振動(dòng)樁錘也成為海上風(fēng)電樁施工的主力軍。振動(dòng)樁錘產(chǎn)生振動(dòng)的原理是振動(dòng)樁錘工作時(shí)兩軸（或雙數多軸）上對稱(chēng)布置的偏心體在同步齒輪的帶動(dòng)下相對反向旋轉，每成對的兩軸上偏心體產(chǎn)生的離心力相合成，則水平方向的離心力相互抵消、垂直方向的離心力相互疊加，成為一個(gè)按正弦函數規律變化的激振力（圖1、圖2所示）。

圖1 振動(dòng)樁錘原理圖

Fig.1 Diagram of pile hammer

圖2激振力正弦函數規律變化圖

Fig.2 Diagram of sine of exciting force

當振動(dòng)樁錘和樁連接在一起進(jìn)行沉樁時(shí)，激振力使樁產(chǎn)生和激振頻率一致的振動(dòng)，樁振動(dòng)時(shí)樁側面土壤的摩擦阻力和樁端部阻力將迅速降低，在振動(dòng)樁錘和樁的總重力大于土壤對樁端部阻力的情況下，樁便開(kāi)始下沉。

需要特別說(shuō)明的是：

(1) 樁是在重力的作用下下沉的，激振力作用下的振動(dòng)只是降低土對樁的阻力（包括側面摩擦阻力和端面阻力）。

(2) 振動(dòng)和沖擊沒(méi)有嚴格的區分，振動(dòng)中有沖擊，沖擊中有振動(dòng)。振動(dòng)樁錘在激振力作用下的上下振動(dòng)等效于帶動(dòng)沖擊錘錘芯的活塞在油缸里上下往復運動(dòng)（圖3所示）。

圖3 振動(dòng)樁錘等效于沖擊錘圖示

Fig. 3 vibratory pile hammer is equivalent to impact hammer diagram

且當振動(dòng)樁錘的頻率較高時(shí)，振動(dòng)特性體現顯著(zhù)；當振動(dòng)樁錘的頻率較低時(shí)，其振動(dòng)特性減弱而沖擊特性增強了。大型振動(dòng)樁錘，偏心矩大，轉速低，不僅有振動(dòng)特性，沖擊的特性也特別明顯，因此低頻大偏心矩的大型振動(dòng)樁錘也稱(chēng)為振動(dòng)沖擊錘。振動(dòng)沖擊錘的沉樁原理不同于沖擊錘通過(guò)打擊力使樁下沉，它是通過(guò)上下振動(dòng)使土質(zhì)“液化”，阻力減小，在重力的作用下完成沉樁施工的。

振動(dòng)樁錘振動(dòng)沉樁需滿(mǎn)足以下的條件：

（1）實(shí)際振幅A>臨界振幅A0。

實(shí)際振幅為 （3）

式中，K--振動(dòng)樁錘偏心矩（kgm），m--參與振動(dòng)的質(zhì)量（kg）。

臨界振幅(mm)。 （4）

式中，N--是土的標貫擊數。

（2）激振力F>樁的動(dòng)側阻力f側阻。

激振力為 （5）

式中，k--振動(dòng)樁錘偏心矩（kgm）,--振動(dòng)角速度（s-1）。

（3）樁和錘總重量G>樁的動(dòng)端阻力f端阻。

（4）實(shí)際消耗總功率P實(shí)<振動(dòng)樁錘電機額定功率P額的1.5倍。

目前，大型的振動(dòng)沖擊樁錘在制造和使用中也存在著(zhù)啟動(dòng)困難、共振危害、制造困難和運輸困難等問(wèn)題。

1. 超大型免共振振動(dòng)樁錘的研制

上海振中公司致力于超大型振動(dòng)沖擊樁錘的研制，其主要技術(shù)有大型振動(dòng)沖擊樁錘的免共振技術(shù)和大型免共振沖擊樁錘的聯(lián)動(dòng)技術(shù)。

1.1 大型振動(dòng)沖擊樁錘的免共振技術(shù)

2.1.1共振及危害

振動(dòng)樁錘的振動(dòng)頻率就是偏心軸轉動(dòng)頻率，改變偏心軸轉動(dòng)頻率，相應的也就是改變振動(dòng)樁錘的振動(dòng)頻率，但任何物體、設備均有本身的固有頻率。在振動(dòng)樁錘的振動(dòng)頻率接近或等于振動(dòng)樁錘、樁等振動(dòng)系統的固有頻率時(shí)，會(huì )使振動(dòng)樁錘出現強烈的振動(dòng)，這現象叫“共振”。發(fā)生“共振”時(shí)，振動(dòng)的振幅往往達到正常振幅的15倍以上?！肮舱瘛背霈F既對設備產(chǎn)生破壞，又對施工安全產(chǎn)生影響，是一種危害。

由于振動(dòng)樁錘及樁組成的系統，其固有頻率往往是很低的，通常是幾赫茲，遠低于振動(dòng)樁錘正常的振動(dòng)頻率。一般振動(dòng)樁錘在啟動(dòng)或停機過(guò)程都要經(jīng)過(guò)“共振”頻率區域，所以在啟動(dòng)、停機過(guò)程都有“共振”現象出現。

再需要特別說(shuō)明的是：振動(dòng)樁錘的“共振”是指設備機械的“共振”，它是危害。有人理解為樁、土的共振是錯的。但是，在某一土質(zhì)條件下，確實(shí)存在一個(gè)最佳的振動(dòng)沉樁頻率和一個(gè)最佳的振動(dòng)拔樁頻率。采用這個(gè)最佳頻率振動(dòng)沉樁或拔樁，不僅沉拔得快、功率消耗小，而且地表振感也小。這跟“共振”出現時(shí)的強烈振動(dòng)的特征是不一樣的。所以，這種最佳頻率下的振動(dòng)可稱(chēng)為“諧振”。注意的是，不同的土質(zhì)，其“諧振”頻率也是不一樣的。

2.1.2 免共振技術(shù)及意義

免共振技術(shù)簡(jiǎn)介：大型振動(dòng)沖擊樁錘的免共振技術(shù)的核心就是偏心矩無(wú)級可調技術(shù)。在平時(shí)非工作狀態(tài)下，振動(dòng)樁錘轉軸上的偏心塊在重力作用下都處于垂直向下的位置上，此狀態(tài)偏心矩最大；啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)液壓調整機構，使偏心軸上的活動(dòng)偏心體相對固定偏心體轉動(dòng)180°，此狀態(tài)偏心矩為零，實(shí)現偏心矩“最大→0”無(wú)級連續控制；反之，通過(guò)液壓調整機構也可實(shí)現“0→最大”無(wú)級連續調控。圖4所示為免共振振動(dòng)樁錘偏心矩調節技術(shù)示意圖。

免共振振動(dòng)樁錘通過(guò)偏心矩的無(wú)級調節技術(shù)實(shí)現零偏心矩啟動(dòng)、零偏心矩停機，避免了由于“共振”產(chǎn)生的激烈振動(dòng)帶來(lái)的強烈振動(dòng)、噪聲的環(huán)保問(wèn)題和對設備產(chǎn)生破壞帶來(lái)的安全隱患；同時(shí)實(shí)現零偏心矩啟動(dòng)，即空載啟動(dòng)，解決了普通電動(dòng)振動(dòng)樁錘帶偏心矩啟動(dòng)、即帶負載啟動(dòng)需大容量電源的問(wèn)題，節能效果明顯；振幅可從“0-最大”或“最大-0”無(wú)級可調，可適應土質(zhì)變化，沉樁效率、效果好。上海振中公司用于海上風(fēng)電樁施工的大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘有EP800、EP1100、EP1600的三款型號錘。其主要技術(shù)參數如下表1所示。

表1 大型振動(dòng)沖擊錘主要技術(shù)參數表

Table1. Main technical parameters of large vibratory impact hammer

免共振振動(dòng)沖擊樁錘的振動(dòng)和沖擊特性在表1中的振動(dòng)沖量這一參數體現尤為直觀(guān)。如EP1600免共振振動(dòng)沖擊錘的最大振動(dòng)沖量為88000kg.m/s，這相當于錘、夾具和樁的重量為20噸時(shí)，從高為1m處自由落下沖擊的沖擊沖量；也相當于錘、夾具和樁的重量為200噸時(shí)，從高為1cm處自由落下沖擊的沖擊沖量。

用大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘振動(dòng)沉樁，由于錘樁的總重有幾百?lài)?，振?dòng)的振幅只有幾毫米，真正實(shí)現重錘輕打；又由于不存在錘與樁的撞擊，而是錘和樁作為整體直接振動(dòng)沖擊于土，使土的顆粒結構破壞、土質(zhì)“液化”，土阻力減小，在重力作用下實(shí)現樁的下沉。所以通過(guò)振動(dòng)沉樁，往往具有效率高、效果好及成樁質(zhì)量好等的優(yōu)點(diǎn)。

2.2大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘聯(lián)動(dòng)技術(shù)

海上風(fēng)電基礎樁呈現出：（1）超大化。樁直徑超2m，甚至達5m、8m以上。（2）超深化。樁基礎的持力層往往超過(guò)50m深，甚至達100m深。（3）超重化。由于這種超大、超深樁的壁厚達40~80mm，整根樁的重量往往在幾百?lài)嵰陨?，甚至達1000噸以上。為能用振動(dòng)樁錘有足夠的振幅和激振力沉下超大型樁，這就需要非常大的振動(dòng)樁錘，其功率要幾兆瓦以上，外形大小尺寸也達數米、數十米。要制造出這么大的振動(dòng)樁錘，無(wú)論從工廠(chǎng)加工能力還是從諸如專(zhuān)用電機、軸承等配套采購，其難度大是可以想象到的。然而即使在工廠(chǎng)能制造出這么超大型的振動(dòng)樁錘來(lái)，可由于超高、超寬、超重也無(wú)法運輸到施工場(chǎng)地。為解決這些矛盾及困難，通常采用振動(dòng)樁錘多錘聯(lián)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行施工。

多錘聯(lián)動(dòng)就是通過(guò)聯(lián)動(dòng)技術(shù)使相同規格型號的多臺振動(dòng)樁錘成為一個(gè)超大振動(dòng)系統，這就要求多臺振動(dòng)樁錘在振動(dòng)時(shí)具有高度的同步性。為了避免超大型振動(dòng)系統在啟動(dòng)、停機時(shí)的“共振”出現對施工設備、特別是對大型起重機（起重船）會(huì )造成很大的傷害并對施工安全留下隱患。上海振中公司采用了相同規格型號的多臺偏心矩可調的大型免共振振動(dòng)樁錘進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。多臺偏心矩可調大型免共振振動(dòng)樁錘聯(lián)動(dòng)技術(shù)主要是轉動(dòng)同步技術(shù)和偏心矩（振幅）調整同步技術(shù)。轉動(dòng)同步是將各錘偏心轉軸通過(guò)聯(lián)軸器聯(lián)接，確保各錘在工作時(shí)振動(dòng)相位相同（如圖5所示）。偏心矩（振幅）調整同步是通過(guò)安裝在各錘調整機構里的傳感器，利用傳感技術(shù)保證了各調整機構在調整偏心矩動(dòng)作時(shí)的同步性（如圖6所示）。

在海上風(fēng)電樁基礎施工方面，由于受空間位置所限，多錘的聯(lián)動(dòng)按平行方向布置。

下面是幾個(gè)海上風(fēng)電樁用大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘施工的案例：

案例1，如東中廣核風(fēng)電項目輔助樁直徑2000mm，樁長(cháng)50m，樁質(zhì)量55t。樁入土35m,樁端土質(zhì)粉砂層,標貫擊數N>35。振動(dòng)樁錘EP800，平均打樁時(shí)間20分鐘, 平均拔樁時(shí)間30分鐘。

案例2，南日島龍源風(fēng)電項目嵌巖樁直徑1000mm，樁長(cháng)30m，樁質(zhì)量50t。樁入土20m，樁端風(fēng)化巖層，標貫擊數N>80。振動(dòng)樁錘EP800，平均打樁時(shí)間40分鐘,平均拔樁時(shí)間20分鐘。

案例3，廣東南鵬島風(fēng)電項目輔助樁直徑2000mm，樁長(cháng)65m，樁質(zhì)量95t。樁入土28m，樁端土質(zhì)細砂層，標貫擊數N>40。振動(dòng)樁錘EP1100，平均打樁時(shí)間20分鐘，平均拔樁時(shí)間30分鐘。

樁入土30m，樁端土質(zhì)粉砂層，標貫擊數N>30。振動(dòng)樁錘EP1100，平均打樁時(shí)間25分鐘,平均拔樁時(shí)間35分鐘。

案例5，江蘇如東風(fēng)電升壓站工程樁直徑2000mm，樁長(cháng)67m，樁質(zhì)量90t。樁入土35m，樁端土質(zhì)粉砂層，標貫擊數N>50。雙錘聯(lián)動(dòng)式振動(dòng)樁錘EP1300L，平均打樁時(shí)間15分鐘,平均拔樁時(shí)間20分鐘。

案例6，如東中水電項目工程樁直徑1700mm，樁長(cháng)50m，樁質(zhì)量49t。樁入土42m，樁端土質(zhì)粉砂層，標貫擊數N>45。雙錘聯(lián)動(dòng)式振動(dòng)樁錘EP1300L，平均打樁時(shí)間30分鐘。

綜合以上案例，大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘和通過(guò)多錘聯(lián)動(dòng)而成的超大型免共振振動(dòng)沖擊樁錘，具有超強大的功率、激振力和打擊沖量，并且結構緊湊、使用可靠， 特別適用于海上風(fēng)力發(fā)電等大型項目的樁基礎施工，且具有高質(zhì)、環(huán)保、高效、安全、經(jīng)濟的特點(diǎn)，是海上風(fēng)力發(fā)電等大型項目樁基礎施工的重要選項。

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曹榮夏：第一作者（聯(lián)系人）

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研究方向：樁工機械研究、制造及應用

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