谈谈振动桩锤的多锤联动技术

　　在现代基础工程中，随着桩的直径和高度不断增加，单台振动桩锤已经很难满足大直径桩基施工的功率要求。如建造海上人工岛、海上风电等大型工程的桩基础，其桩高从几米到几十米都有，单锤显然已经无能为力了。而多锤联动正可以发挥其优势，扬长避短。在国外，特别是在日本，通常已经采用振动锤多台联动技术进行施工，同步技术也相对成熟，但其选用的振动锤均是固定的偏心力矩，多锤联动在实际施工过程中会不可避免地产生“共振”，因而降低工效的同时，也损耗了能源，缩短了设备的使用寿命。在我国，一些企业对此进行了深入研究，积累了丰富的经验，在这一领域实现了一定突破，比如上海振中公司根据振动桩锤的工作特点和机械特性,制定出速度同步与相位同步的控制策略，解决了多台无级变矩振动锤联动中转动同步和调幅同步的问题，实现了响应速度快,可靠性强,稳定性好，真正意义上的多锤联动，适应了市场需要，满足了工程要求。目前在日本或欧美国家尚无利用多台力矩无级可调振动锤的联动进行施工的成功案例。振中公司在2012年6月受中交三航局委托，进行了两台EP640W（功率为 480千瓦、激振力为300吨）力矩可调振动锤的联动试验，试验结果非常理想，受到中交三航局有关领导专家和日本专家的肯定。

?　多锤联动技术是将多台桩锤以组合方式进行合力打桩。多桩锤控制同步是指将多台桩锤并联放置在桩上,，桩锤之间相互独立,通过检测桩锤偏心块之间的相位差,利用现代控制技术使桩锤间速度与相位同步以达到最大能量合成。荷兰PVE公司曾提出了一种“电测相位差，用计算机软件实时修正相位差”的“电控联动”方法，但一直未见相关文献报道及工程应用。技术人员在研究中发现桩锤间存在较强的机电耦合作用，影响控制同步的效果，因此对桩锤间的机电耦合作用展开了相应研究，这对进一步控制同步是必要的。自从Huygens首先发现机械系统的自同步(振动同步)现象以来，国内外学者对振动机械系统的机电耦合特性进行了详细研究。如前苏联的Blekhan博士给出了机械同步的一般性定义及双激振器振动器的同步基础理论，日本学者Inoue和Araki等，实现了双电机驱动平面振动机的3倍频同步。国内的闻邦椿院士等对机械系统的振动同步及控制同步也进行了深人研究，得出了许多关键性的结论，取得了重要成果。由于桩锤间的耦合作用受土壤参数，桩锤安装位置及安装距离等多种因素的影响，因此与一般的振动同步机械系统的耦合特性不同。从目前的文献资料来看,对于多振动桩锤间的机电耦合特性的研究国内外还没有开展。曾有研究者建立了两台桩锤振动同步系统的机电耦合数学模型,并对其进行了仿真研究，揭示了”桩锤—桩—土”三者之间的机电耦合规律与特性，最后通过试验验证了数学模型和仿真结果的正确性，对制定控制同步的控制策略提供了有效的参考及理论依据。
　　两桩锤同步振动系统的机电耦合数学建模，首先要通过“桩锤一桩一土”系统的动力学建模。电驱式振动桩锤(下文简称桩锤)是利用其内部旋转偏心块的离心力产生激振力而工作的，其工作原理为：具有等量偏心力矩的两部分偏心块左右对称布置，在电机驱动下以相同的角速度反向回转，所产生的离心力水平方向上相互抵消，垂直方向上相叠加产生激振力。两桩锤同步振动系统是指将两台相互独立的桩锤固定于桩上实现联动，在同步控制时发现两桩锤间固有存在较强的耦合作用而影响同步效果，因而在非控制作用下研究桩锤间的机电耦合规律及特性，为对控制同步进一步研究提供基础。
??在沉桩过程中，土壤的刚度比桩要小得多。根据前苏联巴尔坎教授提出的振动沉桩单自由度理论及文献，为了简化系统模型，建模时作了如下假设：
?　(1)土壤近视为弹性体,桩锤与桩视为均质刚体。?
　　(2)桩随桩锤振动时,土体对桩的阻尼力和弹性力分别是桩运动速度与位移的线性函数。

　　通过一系列的实验论证，验证了机电耦合数学模型与仿真结果的正确性。并得出如下结论：?
?　(1)通过对两台桩锤同步振动系统的建模与仿真研究，发现系统中存在着较强的能量与力学耦合，机电耦合的结果是在一定的条件下相位差会自动趋于零或某个固定值，即出现自同步现象。
?　(2)仿真结果表明，桩锤之间的相位差的变化情况与两台桩锤电机转速，初始相位差，安装位置与安装距离以及土壤的参数等因素密切相关，并总结得出了一般性规律，利用该试验装置验证了数学模型与仿真结果的正确性。
?　(3)由于”锤一桩一土”系统动力响应的复杂性与非线性，加上桩锤结构，电机特性，安装位置等因素的差异，两台桩锤的同步振动方式仅依靠自同步是不够的，应为控制同步方式。对桩锤间机电耦合的研究结论为同步控制策略的制定提供了理论依据。
?　(4)尽管上述理论的研究对象是电驱式振动锤，但研究方法和研究结论同样适用于液压振动锤。

　　我国的振动桩锤多锤联动技术研究工作虽然起步较晚，但后续发展很快。有一些过硬产品已经销往日本和欧美等发达国家，如上海振中的DZP以及EP系列联动桩锤，攻克了同步振动等许多难关，成功走出国门，成为多锤联动技术的领军者，为振动桩锤的进一步发展与应用拓展出更广阔的空间。