氮爆式液压打桩锤结构原理与分析.pdf

严 东兵 ， 胡均平 ， 梅 丽芳 ， 郭勇 1 ． 中南大学机电工程学院； 2 ． 湖南大学机械与汽车学院 摘要 设计一种不同于国内外同类产品的氮爆式液压打桩锤 ， 该产品结构设计紧凑， 采用气液联合控 制， 将氮气爆炸能和锤头的重力势能作为对预制桩的打击能， 并实现冲击能和打击频率的无级调节 ， 从而降低 了制造成本和提高了设备的适应性。首台 Z C Y 7 0样机的试验成功不仅证明它的优点 ， 并且为我国自主研发适 应我国国情的液压桩锤奠定技术基础。 关键词 氮爆式液压打桩锤； 气液联合控制 ； 无级调节 液压打桩锤是建筑基础施工中广泛使用的一种 施工机械。由于液压打桩锤与其它打桩锤相比有独 到的优越之处 在施工过程 中噪声低 、 振动小 、 无油 烟污染且可以实现在软地基上连续作业 ；另外还可 以方便地进行陆上与水上的斜桩作业。因此液压打 桩锤是桩工机械中最具有发展前景和市场竞争优势 的产品口 1 。 目前， 我国还没有液压打桩锤系列化产品 ， 而国外液压打桩锤还普遍存在 以下几方面问题 1 目前液压打桩锤多采用电气控制。尽管 电 控系统便于检测、 控制精度高， 但在恶劣的野外作业 环境下 ， 电气元件易于出故障是其不可避免的弱点 ； 另外采用电控系统， 成本大幅提高。 2 目前液压打桩锤能量多为有级调节 ，适应 性 、 可调性差 。 3 目前液压打桩锤贯人方式主要有两种 一 种是完全依靠锤头提高后的重力势能，这样限制了 打击能量的提高， 而且打击频率相对也不高 ； 另一种 是利用锤头下落过程中重力和冲击缸上腔液压油压 力共同作用于锤头 ， 这样 ， 尽管打击力有 了一定程度 的提高 ， 但 由于供 、 排油系统 的限制 ， 打击频率提高 有限， 作业效率不高。 因此 ， 设计一种新型的液压打桩锤 ， 就成为当前 液压打桩锤值得研究的课题 。这对提高我 国建筑施 工的现代化技术水平、对于促进我国建筑环保法的 实施都具有非常重要的意义 。 1 结构组成 氮爆式液压打桩锤 由机身、桩架和液压锤 3部 分组成。 机身主要包括行走机构、 悬臂支撑机构和机 身回转机构。 桩架主要由立柱 、 斜撑和鹅头组成。液 压锤包括锤主体 、 液压源及测试控制装置。 液压源和 测试装置安装在机身上 ， 并通过进 、 回油管路 以及控 制集成阀组与锤体相连。氮爆式液压打桩锤的主体 结构如图 1 所示[2 1 主要由机架 、 冲击缸 、 锤头 、 锤盖、 砧座、 控制集成阀组等 6 个部分组成， 所有零部件都 放在机架 内， 为 了便 于分析 ， 将液压锤分上机架 、 中 间架和下机架进行分别说明。 上机架 主要放 置冲击缸 、 高压蓄能器 、 低压蓄 能器 以及控制集成 阀块 。 为了减少系统压力损失 ， 控 制集成阀组直接与冲击缸下腔相连。 中间架 由锤头 、 锤头导 向衬板和封闭板组成 。 封闭板主要起减振和降低噪音的作用 。 下机架 由砧座 、 液压缓冲垫 、 打击套和桩帽、 桩 垫组成，是冲锤与桩之间的传力部分。桩帽将桩罩 住 ， 起导向和传力作用， 不同尺寸的预制桩对应不同 的桩帽。 下机架支撑液压锤重量 ， 并作为打击部件的 导 向体 。下机架 中的各零部件是液压锤体设计 的关 键， 它们不仅承受强大的打击力， 而且应尽可能提高 桩锤的打击传递效率。因此缓冲垫和桩帽的材料特 性相 当重要 ， 经过理论和试验研究设计 ， 以达到较佳 的缓冲效果和较长的打击寿命翻 。 另外 ， 在锤体背面安装锤体导向装置。 该产品的 主要技术特点体现于 a 、 b 、 c 、 d 共 4 个工作腔室。 a 腔 为氮气工作腔， b 腔为氮气储藏腔 即冲击缸活塞最 作者简介 严东兵 1 9 8 2 -- ， 男 ， 江苏盐城人， 硕士， 研究方向 液压传动与控制。 一 35 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 大行程时， 氮气腔最小体积 ， c 腔为液压油工作腔， d腔为缓冲腔 。 在 图 1中， d腔的背面安装有溢流阀， 它主要起 安全保护作用 ， 防止系统压力过大 ； d腔的进油 口设 计为单向阀结构 ， 在锤头上升的同时 ， d腔通过该单 向阀也注人一部分液压油 ， 在锤头冲击打桩时， 起一 定的缓 冲作用 ， 同时对冲击缸下端盖起保护作用。 1 ． 桩帽 2 ． 桩垫 3 ． 液压缓冲垫 4 ． 锤垫 5 ． 砧座 6 ． 滚轮换向阀 A 7 ． 锤头 8 ． 滚轮换 向阀 B 9 ． 锤头导向衬板和机架 1 0 ． 锤体导向装置 1 1 ． 溢流阀 l 2 ． 单 向阀 1 3 ． 回油管路 1 4 ． 控制集 成阀组 1 5 ． 进油管路 1 6 吊 锤机构 1 7 ． 冲击缸 图 1 氮爆式液压锤结构图 一 3 6一 在液压桩锤锤体主体结构的设计 中，桩锤撞击 系统 即包括锤 、 锤垫 、 桩帽和桩垫的整个结构 的结 构设计基本成熟 ， 但对于不 同型号 即具有不同的打 击能量 应研究锤垫和桩垫材料匹配的可靠性和经济 性凹 。 在氮爆式液压桩锤锤体主体结构的设计中， 除 了气液联动的液压冲击缸特色之外 ，还有另外一个 新颖的结构设计 控制集成阀组的设计。 与国内外同 类产品的不 同之处在于，目前 国内外控制冲击缸动 作大都采用 电磁 阀控制进、 回油的插装阀 由于液压 桩锤在上升和下降瞬时流量特别大，因此需要采用 插装 阀 ，而本文采用气液联合控制的换 向阀控制 进、 回油插装阀的开启和关闭动作。 不仅大大节约了 成本 ， 而且也避免 了在恶劣的野外作业环境下 ， 电气 元件易于出故障的弊端 。 2 液压系统工作原理和功能 氮爆式液压打桩锤是一种气液联合控制的新型 液压打桩锤 。它与国内外同类产品的主要区别在于 采用 了单杆单作用气体储能式 冲击缸 ，并且通过气 液联合控制的主控换向阀实现锤头自 动上升与下降 的功能。 它的基本工作原理如图 2所示 当锤头 9处 于回程阶段 即上升阶段 ， 通过主控换向阀 1 2的控 制 ， C F 1 插装阀 5打开 ， C F 2插装阀 4被关闭 ； 主泵 2 和高压蓄能器 6里的高压油进入冲击缸的下腔 8 ， 驱动锤头上升 ， 从而使氮气腔 7 冲击缸上腔 被压 缩， 由于封闭的气体压力与其体积成反比， 故气压逐 渐增加。 当锤头 9 上升到一定高度的时候， 氮气腔 7 的气压推动主控换向阀 1 2 开始换向 此时的气压值 为换 向气压 ， C F 2插装阀 4被打开 ， C F 1 插装 阀 5 被关 闭， 高压油停止供油进 冲击缸 的下腔 8 ， 高压油 进入高压蓄能器 ，而冲击缸下腔 8中的液压油开始 回油箱 1 ， 此时锤头 9无向上驱动力 ， 但 由于有向上 的惯性 ，以及在氮气腔 7气压的作用下 ，迅速降为 零。 锤头开始进入冲程阶段 即下降阶段 。 在冲程阶 段，冲击缸下腔 8 中的油开始通过插装阀4 卸荷回 油箱 1 ，同时锤头 9在氮气腔 7压缩的氮气爆炸和 自身重力的双重作用下快速下冲，形成巨大的打击 能打击桩头 ， 实现打桩功能。如此反复 ， 从而实现 自 动连续打桩[ 5 1 。 其中从冲程状态到 回程状态的转换 ，是由锤头 9 来控制滚轮换向阀 1 0 ，产生控制油压去使主控换 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 向阀 l 2来实现换 向；而由回程状态到冲程的转换 ， 则是 由氮气腔 7内压缩气体控制主控换 向阀 1 2来 实现换 向。 因此 ， 可以通过调节不同控制油压的压力 来控制主控阀换向压力 ，即调节控制冲击缸活塞的 行程 即锤头 的行程 ， 从而实现无级调 节打击能和 打击频率。 图2中的P代表高压油， 0代表回油箱液 压油 。 1 ． 油箱 2 ． 主泵 3 ． 低压蓄能器 4 ． 插装阀 C F 2 5 ． 插装阀 C F 1 6 ． 高压蓄能器 7 ． 冲击缸氮气 腔 8 ． 冲击缸油腔 9 ． 锤头 1 0 ． 滚轮换向阀 1 1 ． 控制泵 1 2 ． 主控换向阀 图 2 氮爆式液压打桩锤工作原 理图 此液压控制系统液压元件不多，却能实现诸多 功能 1 通过调节控制 回路压力 ， 即调节主控换向阀 的换向压力 ， 可以实现调节锤头的行程 ， 即实现打击 能和打击频率 的无级可调 ； 2 具有防空打功能 ， 在施工过程中出现断桩和 脱桩 的情况 ， 由图 1中滚轮换 向阀 A反馈信号锁死 进油和回油插装阀， 实现锤头制动 ， 避免空打对液压 桩锤的损害； 3 具有漏气保护功能，当系统出现漏气时 ， 随 着气体压力的不断下降 ，控制系统会 自动锁死进油 和回油插装阀 ， 实现锤头制动 ， 从而提醒工作人员进 行解决 ； 4 具有非打击状态下的自动卸荷功能， 以减少 能量消耗和发热。 3 国内外关键技术比较分析 3 ． 1 单杆单作用液压缸与单杆双作用缸 国内外液压缸多采用单杆双作用缸 ，而氮爆式 液压打桩锤采用单杆单作用液压缸 。 无论是上升 、 下 降， 单作用缸只有一个液压油工作腔， 总是只有一股 液压油流进油缸， 从而只有较小的压力损失。 与单作 用缸相 比， 双作用缸有两股液压油流 同时出现 ， 压力 损失较大。 由于双杆缸与单杆缸相 比， 加工工艺难度 明显增加 ，所 以国内外液压桩锤很少采用双杆冲击 缸旧 。 3 ． 2 锤头冲击打桩方案的比较 国内外液压打桩锤打桩 的方案多是完全依靠锤 头提高后的重力势能或锤头下落过程中重力和液压 冲击缸上腔液压油压力共 同作用打桩 。而氮爆式液 压打桩锤打桩的方案是依靠锤头在上升的过程中， 压缩氮气， 在氮气储蓄腔储蓄能量， 在锤头下落过程 中， 储蓄腔释放能量， 使锤头大于自由落体的加速度 下落 ，从而在锤头质量和冲击行程相同的情况下提 高桩锤 的打击能力。 与国外同类产 品相比， 不仅减少 系统所需的供油， 而且打击能量有大幅度的提高。 3 ． 3 液压控制系统的比较 与国内外 同类产品相 比较 ，氮爆式液压打桩锤 液压控制系统 的特点在于 1 国内外产 品均采用 电磁换向阀控制对应的 进、 回油插装阀 ， 从而实现锤头的上升和下降 ， 而氮 爆式液压打桩锤通过气液联合控制的液控换向阀控 制对应的进 、 回油插装阀 ， 基本实现全液压控制 ， 这 不仅大幅度地降低了制造成本 ，也提高了机器在恶 劣的环境中工作 的可靠性 ； 2 国内外产品采用 电气系统控制多个行程 阀 启闭或一套电气控制系统实现对锤头不同行程控 制 例如 日本车辆公司的 N H型液压锤采用电气控 制系统控制 8 个 行程 阀进而来控制锤 头的不同行 程 ，而英 国 B S P公 司的 H H3 6 7型液压锤通过负载 传感 系统控制锤头 的不同行程 ，而氮爆式液压打 桩锤通过调节控制系统 的不 同压力 ， 从 而控制所需 换向的气体压力 ， 即控制锤头的不同行程 ， 这不仅 调节方便 ， 而且实现一 阀多用 ， 简化 了控制系统 ， 降 低制造成本 ； 3 国内外产 品通过电气控制系统调节锤头 的 不同行程，但没有实现打击能和打击频率的无级调 节， 而氮爆式液压打桩锤可以根据不同的工况， 在系 统稳定工作压力范围内调节锤头的行程，实现打击 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 能和打击频率的无级调节 ，这有利于提高打击效率 和节约能量 ； 4 实现手动与 自动打桩的灵活切换 ，通过调 节控制 系统的压力 ， 从而实现打击能量和打击频率 的调节 。手动控制系统 由一个手动换 向阀和两个远 程调压 阀组成 ， 两个远程调压 阀设定了两个压力档 次 ， 在系统稳定 的压力范 围内， 通过对远程调压 阀 压力的不 同调节可以实现无级调节。同时 ， 操作手 动换向阀还可 以实现单打操作 。若在打桩过程中， 可实现 自动打桩 ， 直到将手动换 向阀手柄切换到 中 位卸荷 ， 停止打桩。因此 ， 手动与 自动打桩的切换非 常灵活方便。 4 主要性能参数 表 1 所列的主要性能参数是以 Z C Y 7 0型样机为 例 ， 样机系统压力为 2 1 MP a ， 流量为 3 5 5 ． 2 L ／ m i n ， 装 机的总功率为 1 1 1 k W， 为了方便对比， 与国内使用较 多的 日本车辆公司的 N H 7 0型液压锤主要性能参数 比较 。 表 1 性 能参数对 比 项 目 Z C Y 7 0 N H7 0 最大打击能 ／ k N m 1 1 5 ． 4 8 9 ． 6 最大行程 ／ m 1 ． 1 1 ． 2 8 打击频率 次／ m i n 2 0～8 5 2 5 ～7 0 锤头质量 ／ t 7 7 总质量 ／ t 1 5 1 5 锤体总高 ／ m m 5 6 7 0 5 7 3 0 5 结论 通过首台 Z C Y 7 0样机的整机调试和性能测试 ， 结果表明 1 制造成本低 ，本文所提 出的氮爆式液压打 桩锤采用气液联合控制， 系统为全液压设备， 且系 统 中实现一 阀多用 ， 简化 了液压系统 ， 同时降低了 制造成本 ； 2 体积小， 结构紧凑， 打击能力强， 系统将氮气 爆炸能和锤头的重力势能作为对预制桩的打击能， 与国内外同类产品相比， 不仅主体结构紧凑， 而且打 击能提高了 3 0 ％左右， 其中氮气的爆炸能约占总能 量的 4 5 ％， 可见 ， 采用氮爆式大大提高 了桩锤的打 击能力 ； 一 38 3 可调性强 ， 液压控制系统实现了冲击能和打 击频率的无级调节 ，这就可以根据土质的不同情况 来调节打击能， 有利于提高打击效率和节约能量 ； 4 效率 高 ， 由于氮气 的可压缩性 ， 降低 了桩锤 冲击所产生的冲击峰值 ，而缸体施加压力过程可以 持续较长时间， 具有大的贯人度 ， 打桩效率高 ， 桩也 不容易破坏； 5 环保性能好 ， 本机采用隔声外罩密封 ， 充分 利用新型隔声 、 减振材料 ， 同时采用新型高强度缓冲 材料做缓冲垫 ， 具有 良好的隔声和减振的效果 ； 6 外部连接尺寸可 以灵活变化 ，应用前景广 泛。 本机液压锤体只需配备所需的液压泵站， 可以实 现在各种柴油打桩锤所用的桩架上工作 ；同时本机 机身和桩架 的基础上 ， 若配备液压动力头和钻杆 、 柴 油打桩锤或振动锤 ， 即可实现长螺旋钻机、 柴油锤或 振动锤的施工 。 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