基于雙柱塞液壓錘原理的液壓控制系統(tǒng)研究

張宇馳，李德堯

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410208）

0 引言

建造高層樓房、公路和鐵路橋梁、港口碼頭、水庫(kù)大壩、重型廠房等工程實(shí)施中需要大量樁工機(jī)械。與傳統(tǒng)使用的空壓錘、蒸汽錘、柴油錘相比，應(yīng)用液壓沖擊技術(shù)的液壓錘,適用于各類(lèi)土層和樁型。具有打直樁與斜樁的能力；工作無(wú)廢氣污染危害,噪音與振動(dòng)均較小[2]。由于液壓錘沖擊體的重量比柴油錘重,因而使樁面獲得較大的貫入度,打樁效率高(一般比汽錘和柴油錘工效高40%～50%)。根據(jù)土質(zhì)情況及樁材料的強(qiáng)度隨意調(diào)節(jié)(控制)樁錘的錘擊能量與頻率,打樁的精度高；還能在打樁過(guò)程中獲得樁錘沖擊力以適應(yīng)地層的變化和取得貫入阻力指標(biāo)。既能保證沖擊能量的發(fā)揮又不損害樁體,還可按貫入阻力確定樁是否打到預(yù)定的土層。具備噪音低、無(wú)污染公害、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，液壓錘代表了世界當(dāng)代錘擊類(lèi)產(chǎn)品發(fā)展方向,稱(chēng)為綠色錘[3]。

國(guó)外,如荷蘭、芬蘭、德國(guó)、日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，己有的液壓樁錘產(chǎn)品,采用液壓活塞差動(dòng)原理,其工作部分是一個(gè)密閉的沖擊缸體，缸體內(nèi)的上部充滿液壓油,中間充滿氮?dú)?，油與氮?dú)庵g用一浮動(dòng)活塞隔開(kāi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[6]。隨著現(xiàn)代液壓沖擊技術(shù)朝高壓,小流量發(fā)展，要求對(duì)其缸體內(nèi)壁進(jìn)行超級(jí)精加工，制造技術(shù)難度相當(dāng)大,同時(shí)油、氣間的密封要求很高,導(dǎo)致耗費(fèi)成本高，設(shè)備價(jià)格昂貴。目前國(guó)內(nèi)部分廠家通過(guò)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)制造的液壓樁錘產(chǎn)品也存在類(lèi)似問(wèn)題。

而本文提出的雙柱塞液壓錘是屬于雙作用式?jīng)_擊液錘，采用液壓雙柱塞面積差動(dòng)原理，錘通過(guò)液壓裝置提升到給定高度后,在壓力油的差動(dòng)作用下,錘體以大于一個(gè)g(g=9.8米/秒2)的加速度向下沖擊,沖擊的動(dòng)能很大。而其結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，缸體內(nèi)壁不加工，只對(duì)柱塞外徑進(jìn)行超精加工，對(duì)制造技術(shù)要求大大降低，由于無(wú)活塞，密封要求易解決，耗費(fèi)成本低。本文主要從工程樁工機(jī)械—液壓錘的總體布局、液壓系統(tǒng)方面來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

1 液壓錘的總體布局

液壓樁錘總體布局分為移動(dòng)與固定（相對(duì)）兩大部份，如圖1所示。

其移動(dòng)部分安裝在懸吊總成座(以下簡(jiǎn)稱(chēng)”懸座)12上的主要零部件有:下沖雙柱塞缸10(2只)、高壓蓄能器8A、上升(回程)雙柱塞缸11(2只)、低壓蓄能器9A、錘頭14、跟蹤信號(hào)(JN2)24、連接體13、液壓系統(tǒng)A(如圖2所示)25、錘擊下限信號(hào)(JN1)26、隨動(dòng)電纜(含動(dòng)力線、控制線)/滑架27、懸座導(dǎo)向輪32(2只)、樁22、樁帽（含消聲裝置）23(2只)、樁帽導(dǎo)向輪34(4只)。錘體由連接體13與上面的二根雙柱塞10和二根雙柱塞11連接再與下面的錘頭14連接,三者固為一整體的總稱(chēng)。三者質(zhì)量之和即為錘體的總質(zhì)量。

其固定部分安裝在機(jī)座38上，主要部件有：卷?yè)P(yáng)液壓馬達(dá)17、樁定位油缸21（2只）、定滑輪組28（卷?yè)P(yáng)、配重各2組）、多段組合機(jī)架頂置段29、多段組合機(jī)架中間段30、懸座升降鋼絲繩31、配重鋼絲繩33、調(diào)斜度撐35（用于打斜樁調(diào)斜度角）、配重36、多段組合機(jī)架下置段37、液壓系統(tǒng)B（如圖3所示）39、電控41、組合機(jī)架支承鉸座42（2件）、導(dǎo)軌43（懸座、樁帽導(dǎo)向輪共用）、行走機(jī)構(gòu)40。

圖1 液壓錘總體布局示意圖

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用于液壓樁錘的液壓系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)A（如圖2所示）與液壓系統(tǒng)B（如圖3所示）兩個(gè)獨(dú)立液壓系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)A置于隨動(dòng)的懸座上；液壓系統(tǒng)B置于固定機(jī)座上。兩系統(tǒng)均有獨(dú)立的液壓泵站，液壓執(zhí)行元件，液壓控制元件及輔助裝置。電氣控置則采用兩系統(tǒng)共用，實(shí)現(xiàn)集中控制；電控置于固定的機(jī)座上。兩系統(tǒng)均設(shè)獨(dú)立的液壓泵站。各泵站分別由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)恒功率變量泵為各自系統(tǒng)提供液壓源。隨動(dòng)的懸座內(nèi)腔為液壓系統(tǒng)A的油箱；固定的機(jī)座內(nèi)腔為液壓系統(tǒng)B的油箱。

2.1 液壓執(zhí)行元件功能

如圖2所示，在液壓系統(tǒng)A中雙柱塞液壓錘的核心部件是由10與11共四只雙柱塞油缸構(gòu)成的執(zhí)行元件；其四只柱塞缸的中心均與錘頭14的中心一一對(duì)稱(chēng)（見(jiàn)圖1俯視）。其中，下沖缸10共二只，其作用面積為：

式中：

d1—上端柱塞外徑；

d0—下端柱塞外徑。

上升缸11(回程)共二只, 其作用面積為：

式中：

d0—上端柱塞外徑；

d—下端柱塞外徑。

設(shè)d0〉d〉d1，且d與d1相差值很小；故A10〉A(chǔ)11。

當(dāng)缸10與缸11構(gòu)成差動(dòng)回路時(shí)（圖2），其差動(dòng)面積為：

顯然，ΔA值很小。在下沖缸10壓力油作用下，錘體將以大于一個(gè)g(g=9.8 米/秒2)的加速度向下沖擊，又由于ΔA的差動(dòng)面積很小，此時(shí)泵供給的流量雖然不大，但錘的沖擊末速度卻很大，若錘的總質(zhì)量較大，則沖擊的動(dòng)能非常大。

如圖3所示液壓系統(tǒng)B中液壓油缸21共兩只用于樁定位，其中一只缸活塞稍大作為樁的定位基準(zhǔn)。卷?yè)P(yáng)液壓馬達(dá)17有兩種用途：

第一，用于懸座與樁帽保持距離跟蹤。在打樁工作循環(huán)中，當(dāng)錘沖擊樁帽時(shí)，樁即沉入土層h深,懸座12與樁帽23之間原定距離即相差h值；如果不自動(dòng)消除這一差值,將給下一輪工作自動(dòng)循環(huán)給定的沖擊行程減h值,錘頭14就無(wú)法錘擊到樁帽23。本文采用的跟蹤技術(shù),能解決樁沉入土層h深時(shí),實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)順轉(zhuǎn),懸座即自動(dòng)快速下移h值,從而自動(dòng)消除這一差值,確保懸座與樁帽在自動(dòng)工作循環(huán)中保持定距離。

第二, 用于快速提升懸座及樁帽到預(yù)定高度,為打樁準(zhǔn)備。

2.2 液壓控制元件功能

圖2 液壓系統(tǒng)A

圖3 液壓系統(tǒng)B

如圖2所示，在液壓系統(tǒng)A中，電磁溢流閥2A的作用在于，當(dāng)1DT斷電,溢流閥開(kāi)啟,來(lái)自泵的液壓油經(jīng)該閥直接流回箱；1DT通電時(shí),溢流閥起作用,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)回路的壓力調(diào)節(jié)與元件保護(hù)。單向閥3A用于防止液壓油從單向閥右端流向其左端。電磁閥4A為卸荷閥，在2DT斷電,該閥開(kāi)啟,油路接通油箱,釋放系統(tǒng)回路中液壓油;系統(tǒng)加載,2DT通電,該閥關(guān)閉,系統(tǒng)處于加載狀態(tài)。液控單向閥D0與D1二閥并聯(lián),分流通過(guò)短路閥6的流量。單向閥D2，用于所有電磁閥的電磁鐵均斷電狀態(tài)下,上升雙柱塞缸11內(nèi)腔處于密閉狀態(tài),鎖往錘因自重下滑,實(shí)現(xiàn)錘可靠停止在任一位置。電磁換向閥5為先導(dǎo)控制閥,用來(lái)控制短路閥6實(shí)現(xiàn)快速換向[2]。3DT斷電(錘體下沖),短路閥6的閥芯處上位,其上端與高壓回路接通,下端與低壓回路接通;當(dāng)短路閥6處于平衡狀態(tài)時(shí),高壓油一路經(jīng)短路閥6直接進(jìn)入下沖缸10,另一路經(jīng)單向閥D2進(jìn)入上升缸11,下沖缸10與上沖缸11構(gòu)成差動(dòng)回路;在壓力油作用下,由于A10〉A(chǔ)11,上升缸11的油通過(guò)液控單向閥D1快速匯流于下沖缸10,使錘以大于一個(gè)g的加速度向下沖擊。當(dāng)3DT通電時(shí)(錘體上升),短路閥6換向,閥芯處下位,泵與高壓蓄能器8A的壓力油經(jīng)單向閥D2給上升缸11提供壓力油;下沖缸10的油則由短路閥6和液控單向閥D0的兩條通道與低壓回油路相連回油箱;回油路中低壓蓄能器9A吸收部分回油壓力油。

如圖3所示，在液壓系統(tǒng)B中，電磁溢流閥2B,電磁卸荷閥4B,當(dāng)11DT、12DT通電,系統(tǒng)加載;斷電系統(tǒng)卸載。電磁換向閥19為先導(dǎo)控制電液換向閥;主要用于實(shí)現(xiàn)懸座與樁帽保持定距離的跟蹤.當(dāng)4DT通電時(shí),卷?yè)P(yáng)液壓馬達(dá)17高速順轉(zhuǎn),懸座即高速下移跟蹤樁帽,直至懸座與樁帽達(dá)到給定距離時(shí)即4DT斷電,制動(dòng)器16剎車(chē),懸座即停在給定位置。當(dāng)5DT通電時(shí),卷?yè)P(yáng)液壓馬達(dá)17快速逆轉(zhuǎn),懸座及樁帽被快速提升到預(yù)定高度時(shí)使5DT斷電,制動(dòng)器16剎車(chē),懸座及樁帽即停留在預(yù)定高度,為打樁做準(zhǔn)備。

電磁換向閥20,用于控制油缸21對(duì)樁的定位(定中心)。6DT斷電,定位器原位(退回松開(kāi)狀態(tài));6DT通電時(shí),兩個(gè)定位器相向快速接近實(shí)現(xiàn)對(duì)樁夾持定位(定心)狀態(tài)。

2.3 液壓檢測(cè)元件功能

錘下限信號(hào)JN1——電感式接近開(kāi)關(guān),感應(yīng)頭置沖擊頭上,感應(yīng)物為樁帽；錘停留在樁帽上時(shí)JN1有信號(hào),離開(kāi)樁帽無(wú)信號(hào)。

懸座跟蹤信號(hào)JN2——電感式接近開(kāi)關(guān),感應(yīng)頭置懸座上,感應(yīng)物為樁帽；二只JN2分別置于兩根下伸的空心鋼管內(nèi)的下端;其兩根空心鋼管上端分別與懸座固結(jié),JN2的感應(yīng)物體即是樁帽(金屬)，樁帽頂面至空心鋼管下端面JN2感應(yīng)頭的距離稱(chēng)跟蹤距離。

2.4 主要輔助裝置功能

如圖2所示，在雙柱塞液壓錘的工作循環(huán)中,所需的流量(液壓系統(tǒng)A)變化較大，系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊也較大；因此，須采用蓄能器進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。錘向下沖擊是以大于一個(gè)g的加速度運(yùn)動(dòng)的，需供的流量由小到大,高壓蓄能器8A儲(chǔ)存來(lái)自液壓泵多余的壓力油，即存多余能量。在錘上升(回程)的過(guò)程中，需要大量的壓力油；此時(shí)，不僅來(lái)自液壓泵的液壓油供給上升缸11，高壓蓄能器8A也同時(shí)釋放儲(chǔ)存的壓力油給上升缸11,提高了錘的上升(回程)速度，節(jié)省了能量。當(dāng)短路閥6快速換向后，錘開(kāi)始上升的同時(shí)，大量的液壓油從下沖缸10流回油箱，系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊壓力，利用低壓蓄能器9A吸收回路中壓力波動(dòng),降低壓力峰值。低壓蓄能器9A在錘上升過(guò)程中吸收來(lái)自下沖缸10的部分壓力油；當(dāng)錘向下沖擊過(guò)程中則釋放其儲(chǔ)存的能量。

3 液壓控制原理

如圖2與圖3所示，泵啟動(dòng)是在溢流閥的電磁鐵1DT、11DT均斷電狀態(tài)下,分別啟動(dòng)液壓系統(tǒng)A、B液壓泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī),使泵在溢流壓力為零的狀態(tài)下啟動(dòng)運(yùn)行。

系統(tǒng)最高工作壓力調(diào)定及安全保護(hù)：在1DT、11DT通電狀態(tài)下,分別調(diào)定A、B兩系統(tǒng)的電磁溢流閥2A與2B的最高工作壓力。

樁定位(定心)指樁貫入土層后，工況要求樁中心線與地水平面垂直或與地水平面傾斜某一角度值的定位。當(dāng)樁打入土層一定深度后，所要求的角度值已趨穩(wěn)定，其樁定位器即可松開(kāi)退回原位；因此,樁定位只設(shè)置手動(dòng)，不列入打樁自動(dòng)工作循環(huán)周期。

雙柱塞液壓錘打樁自動(dòng)工作循環(huán)周期分為:錘上升(回程)、錘下沖和保壓/跟蹤三個(gè)階段。

3.1 錘上升(回程)

1DT、2DT通電，當(dāng)JN1、JN2同時(shí)均有信號(hào),換向閥5的3DT通電,使短路閥6（閥芯上移）換向,泵和高壓蓄能器8A的壓力油經(jīng)單向閥D2為上升缸11提供壓力油；下沖缸10則由短路閥6與低壓回路相連回油，回油路中的低壓蓄能器9A吸收部分回油壓力油。

3.2 打樁運(yùn)動(dòng)(錘下沖)

當(dāng)錘上升到設(shè)定高度(計(jì)時(shí)器控制)時(shí),換向閥5的3DT斷電,短路閥6（閥芯下移）換向,高壓油一路經(jīng)短路閥6直接進(jìn)入下沖缸10,另一路經(jīng)單向閥D2進(jìn)入上升缸11;下沖缸10與上沖缸11構(gòu)成差動(dòng)回路,在壓力油的作用下,上升缸11的油經(jīng)過(guò)液控單向閥D1（開(kāi)啟）快速匯流于下沖缸10,使錘體以大于一個(gè)g的加速度向下沖擊,進(jìn)行打樁運(yùn)動(dòng)。此時(shí),液壓泵除給下沖缸10供給差動(dòng)所需部分壓力油外,還給高壓蓄能器8A儲(chǔ)存多余的壓力油;在下沖過(guò)程,四只缸與回油油路都是斷開(kāi)的,低壓蓄能器9A則逐漸釋放錘上升過(guò)程中吸收(下沖缸10)的能量。

3.3 保壓/跟蹤階段

錘體沖擊樁帽時(shí),使樁沉入土層一定深度h；樁沉h距離的過(guò)程,也是懸座(JN2)與樁帽產(chǎn)生h距離的過(guò)程,即懸座對(duì)樁帽進(jìn)行跟蹤h距離的過(guò)程。只要(懸座JN2離開(kāi)樁帽)跟蹤信號(hào)JN2無(wú)信號(hào),其電液換向閥19的4DT通電,卷?yè)P(yáng)液壓馬達(dá)17順轉(zhuǎn),懸座高速下移跟蹤樁帽,至跟蹤h距離消失,誤差信號(hào)JN2有信號(hào)時(shí)即4DT斷電,制動(dòng)器17剎車(chē),懸座對(duì)樁帽跟蹤停止。為防止樁的回跳,錘頭在樁帽上須停留一段時(shí)間進(jìn)行保壓。根據(jù)保壓時(shí)間指令結(jié)束,JN1、JN2同時(shí)均有信號(hào),換向閥5的3DT通電,使短路閥6換向,錘體開(kāi)始上升(上升高度由計(jì)時(shí)器控制)；系統(tǒng)又開(kāi)始新一輪自動(dòng)工作循環(huán)。

4 結(jié)論

本文提出的雙柱塞液壓錘和國(guó)外現(xiàn)代液壓錘均屬?zèng)_擊式液壓錘，輸入?yún)?shù)是液流的工作壓力與工作流量，輸出參數(shù)是末速度、沖擊幅、沖擊頻率和沖擊能量。與國(guó)外現(xiàn)代液壓錘的區(qū)別在于：國(guó)外采用的是活塞（油缸）液壓差動(dòng)原理，本產(chǎn)品采用的是雙柱塞（缸筒）液壓差動(dòng)原理與定距離跟蹤技術(shù)，并具備制造工藝難度低、造價(jià)低、維護(hù)成本少等優(yōu)點(diǎn)。

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