液壓打樁錘結構分析及典型故障處理

鄒春曉，高小東

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

液壓打樁錘是一種高效、環(huán)保、機電液一體化的樁工設備，集優(yōu)良動力學特性和可控制性于一身，是當前工程打樁應用的主流方向。液壓打樁錘打樁系統(tǒng)配備了先進的控制系統(tǒng)及友好的人機交互界面，實現了動力站和打樁錘的精密監(jiān)控和良好操作。充分了解掌握液壓打樁錘的系統(tǒng)構成及功能特點，可極大提升液壓打樁錘故障的分析處理能力，為更好地管理使用設備提供支持。

荷蘭IHC 公司生產的雙作用液壓打樁錘是應用比較普遍的主流打樁設備，下面以S-280 液壓打樁錘為例介紹其系統(tǒng)構成、典型故障分析及排除處理[1]。

1 系統(tǒng)構成及功能

在萊城港潮汐碼頭一期工程沉樁施工中使用的是荷蘭IHC 公司產S-280 雙作用液壓打樁錘，采用吊打工藝，該錘包括錘體和動力站兩大主系統(tǒng)，整錘包括電控控制系統(tǒng)、液壓動力系統(tǒng)、氣體輔助系統(tǒng)三部分[2]。圖1 為液壓錘系統(tǒng)構成圖，其系統(tǒng)構成如下：1）進油側蓄能器；2）進油P 閥；3）進油側管路；4）活塞；5）錘頂空間；6）錘頂外殼；7） 回油 R 閥；8） 回油側蓄能器；9）補償閥；10）錘芯（平衡塊，工字區(qū)）；11）錘芯傳感器。

圖1 液壓打樁錘系統(tǒng)構成圖Fig.1 Composition diagram of hydraulic pile hammer system

1.1 液壓系統(tǒng)

打樁錘液壓動力系統(tǒng)集成在1 個特制集裝箱中，液壓動力源由柴油機驅動，是典型開式液壓系統(tǒng)，由主泵、液壓分流閥組、錘體P 和R 閥組、蓄能器等主要部分組成。圖2 為液壓系統(tǒng)各部件關系，箭頭表示液壓油流向。

圖2 液壓系統(tǒng)各部件關系Fig.2 Relationship between components of hydraulic system

1.1.1 主泵

整錘以柴油發(fā)動機驅動液壓泵作為主動力源，主泵采用波克蘭PL-6H20 型開式恒壓變量泵，具有響應速度快，結構緊湊，工作可靠，自吸能力好，重復性好等優(yōu)點。共計6 個泵頭，3 個1 組匯流到1 個出油濾器，再由2 根液壓管導向分流閥組。主泵可為錘芯快速往復提供可靠的液壓壓力及流量，日常維護較少，使用可靠，但應按時清理進油濾芯。

1.1.2 液壓分流閥組

圖3 為液壓分流閥組，此閥組共計6 個插裝閥，4 個先導電磁控制閥，2 個逆流閥?？刂浦鞅贸鲇湍芰﹂y組2 個，任意開啟1 個為主泵流量的50%（由控制箱上泵流量1 或2 檔位控制），2 個全開為當前轉數下100%泵輸出（控制箱泵流量3 檔位控制）。2 個安全閥控制錘未啟動時壓力不超過9 MPa，打樁時壓力不超過35 MPa，安全閥帶背壓閥，能夠迅速升溫液壓油，適合在寒冷地區(qū)作業(yè)使用[3]。

圖3 液壓分流閥組Fig.3 Hydraulic diverter valve set

1.1.3 進油、回油閥組

錘體閥組全部為插裝閥，主要閥組有3 個，進油閥（P 閥）、回油閥（R 閥）及單向補償閥。全部為二通插裝閥，P、R 閥具有電磁先導控制，組成方向組合閥，補償閥為壓力控制。二通插裝閥具有流量大，閥芯結構簡單，動作靈敏，密封性好等特點。

1.1.4 蓄能器

錘頂內安裝了4 個氣體活塞式蓄能器，供給側管路并聯(lián)高壓蓄能器2 個，氮氣壓力13～15 MPa；回程側管路并聯(lián)低壓蓄能器2 個，氮氣壓力0.4～0.6 MPa。主要功能是存儲吸收能量，吸收液壓沖擊、消除震動。4 個蓄能器相互作用，保證液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)，無液壓沖擊震動，使錘芯快速往復工作。一旦出現油管抖動、抽動、動力站內管路震動等現象，說明蓄能器處于氣壓不足狀態(tài)，應及時補充到額定壓力[4]。

1.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是整套錘系統(tǒng)的神經中樞，串聯(lián)著液壓系統(tǒng)，錘，氣路系統(tǒng)的通訊，負責控制整套系統(tǒng)的各種動作，監(jiān)控各部分的工作狀態(tài)、各項參數指標，負責閉環(huán)參數的運算，提供錘運行各項參數的顯示。

1.2.1 C34 控制箱

C34 控制箱是整套電控系統(tǒng)的大腦，負責控制發(fā)動機、泵流量、錘運行狀態(tài)、接收錘體傳感器信號、控制打擊能量和頻率等功能。實時顯示發(fā)動機轉數、打擊能量、打擊頻率、錘芯速度等相關參數。

通過控制P、R 閥的開啟間隔時間，來調節(jié)錘芯提升高度，以獲得不同能量的錘芯打擊行程。通過對發(fā)動機轉數、泵流量調節(jié)來控制供給液壓油量，以控制錘芯往復運行時間，從而控制打擊頻率。兩者的控制相輔相成，能量、頻率、發(fā)動機轉數、泵流量要根據錘擊工況同步進行調節(jié)。

整套系統(tǒng)通訊連接全部為航空插頭，可靠性和穩(wěn)定性很好，但每班作業(yè)前應仔細檢查各插接頭，保證各控制線路可靠有效。

1.2.2 電磁先導閥

電磁先導閥控制著主油路閥的開閉，直接決定著錘是否能正常工作。電磁先導閥其電源為24 V直流電源，由C34 控制2 個中間繼電器，繼電器控制電磁閥線圈電源。控制電纜經動力柜連接到錘頂插頭，使用時須保證先導閥端電壓能夠達到24 V 電壓，否則電磁機構不能順利工作。由于控制錘芯往復動作，工作頻率較大，約32～45 次/min，電磁閥容易出現控制斷路、閥芯卡死、先導油路堵塞等故障。

1.2.3 行程傳感器

打樁錘體上有兩組4 個接近行程傳感器作為檢測元件，傳感器為接近開關型檢測元件。錘芯表面有1 個工形凹槽結構，錘芯運動過程中凹槽未經過傳感器時，傳感器發(fā)出低電位信號，反之則發(fā)出高電位信號。錘芯持續(xù)運動時，傳感器便發(fā)出脈沖信號，經由控制單元循環(huán)采集并計算，由此通過脈沖累計形式來計算出錘芯位移、運行速度、打擊頻率和打擊能量。

打樁作業(yè)時，首先根據施工要求設置好所需要打擊的能量，打樁錘的控制系統(tǒng)根據所設定的能量來計算出錘芯所需要提升的高度，同時，控制系統(tǒng)通過控制方向閥的換向來使得錘芯向上移動。此過程中，錘芯行程傳感器監(jiān)測錘芯運動狀況，監(jiān)測錘芯的提升高度是否已經達到設定值。當錘芯的提升高度達到設定值時，控制系統(tǒng)控制換向閥來換向，使得錘芯向下移動，同時，系統(tǒng)根據上述行程傳感器檢測的錘芯運動速度，計算出打擊能量，并反饋到CPU 中，與用戶設定值比較，從而在下一個打樁過程中，調整計算所得錘芯高度，完成1 個能量的閉環(huán)控制過程。打擊過程中C34 控制面板上有對應傳感器指示燈，1 個打擊循環(huán)4 個指示燈逐一點亮。

錘故障檢測時，可在錘未坐在樁上時進行金屬物模擬錘芯經過傳感器行程，以確定控制系統(tǒng)是否正常[5]。

2 故障類型及處理

S-280 液壓打樁錘引進國內使用已達十多年，因缺少檢測手段和故障處理能力不足，其維修與故障處理一直由專業(yè)廠家負責。在國外施工期間，現場使用人員維修和處理故障的能力對保證打樁錘技術狀態(tài)、提高設備工效、保障工程進度極為重要。為此，在巴新萊城港沉樁施工過程中針對打樁錘的一些典型故障進行了分析處理[6-8]。

2.1 錘芯不下降

2.1.1 故障現象

萊城港潮汐碼頭一期工程沉樁施工開始液壓錘調試，錘啟動后，錘芯能夠正常提起，但不能下落，控制先導電磁閥中間繼電器能夠循環(huán)動作，先導電磁閥線圈電流表有1 A 電流顯示，當壓力升至20 MPa 后，錘芯到頂，壓力一直升高至39 MPa，分流閥組安全閥到達壓力打開，錘芯無上下往復循環(huán)。

2.1.2 故障分析

此次故障發(fā)生前打樁錘長期閑置，重新啟用前對很多部件進行了更換，如動力站到錘液壓油管、動力站到錘頂控制電纜。根據故障現象結合系統(tǒng)原理，初步確定回油閥未打開，回油閥R 未打開有以下原因：

1）電磁先導閥線圈是否工作正常，閥芯、先導油路是否工作正常；

2）主閥是否工作正常，閥芯是否卡死；

3）回油油路是否堵塞。

2.1.3 故障查找

首先進行回油側先導電磁閥檢測，在先導伺服油路充油，電磁閥通電，但伺服油路油量無變化，進行氣壓檢測，依然不通，確定是先導油路堵塞。更換新電磁先導閥，試錘成功。

工作一段時間后發(fā)現錘芯往復不穩(wěn)定，幾次打擊后錘芯仍然不能下落。停錘后再次啟動仍能響錘，幾次打擊后出現故障。檢測先導電磁閥，閥芯能夠動作，先導油路能夠隨閥芯動作打開。先導閥得電，測得線圈端電壓為22.1 V，因新?lián)Q控制電纜150 m，線阻較大，電磁閥供電直流穩(wěn)壓電源輸出為28 V，顯然控制線壓降較大，提高穩(wěn)壓電源電壓到33 V，先導電磁閥線圈電壓24.2 V，滿足額定工作要求。進行試錘，恢復正常工作，打擊頻率、打擊力均能正常調節(jié)，故障排除。

2.1.4 故障總結

拆解故障電磁先導閥，發(fā)現腔內有白色粉末，閥芯動作不暢，先導油路堵塞，經過清理恢復，故障電磁閥工作正常，此后測試此閥能夠在高壓下正常工作。經過比對，發(fā)現白色粉末是因新購液壓油管（連接錘供油側和回油側）內存在殘留物。所以新液壓管使用前必須進行清理，保證液壓系統(tǒng)清潔。液壓錘閥組雖然全部采用二通大直徑插裝閥，細小雜質通過量好，但先導電磁閥必須絕對保證液壓系統(tǒng)清潔，否則很容易出現堵塞、閥芯卡死故障。先導電磁閥是液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)緊密結合的交叉部件，也是故障多發(fā)點，先導電磁閥的性能直接影響錘的工作狀態(tài)。

2.2 錘不能啟動

2.2.1 故障現象

沉樁作業(yè)啟動錘后，R 閥正常關閉，錘芯無法提升，液壓系統(tǒng)壓力停留在5 MPa，正常錘芯提起需14～16 MPa 壓力。手動關閉P 或R 閥，液壓壓力均為5 MPa，錘不能正常運行。

2.2.2 故障分析處理

檢查P、R 閥組，先導閥和主閥均無異常。啟動液壓站，分別關閉動力站出油口和回油口球閥，系統(tǒng)壓力仍然是5 MPa，說明不是由于錘體原因導致的此故障。動力站影響液壓系統(tǒng)壓力因素只有2 個，主泵和分流閥組。主泵為波克蘭PL-6H20 型開軸向柱塞變量泵，此泵工作穩(wěn)定，性能可靠，損壞幾率很小。本著先易后難原則，把故障點縮小到分流閥組安全溢流閥，整套液壓系統(tǒng)錘未啟動空載限壓9 MPa，工作壓力保護35 MPa，整套系統(tǒng)只有2 個安全溢流閥能夠調節(jié)系統(tǒng)壓力。

從主閥安全閥依次拆檢，主閥安全閥→2 個流量閥→背壓安全閥→2 個逆流閥，在拆解背壓安全閥芯時發(fā)現濾芯殘片，至此故障原因基本查明。安全閥由于不能閉合，導致出油壓力不能建立。為防止有其他殘片影響整個閥組，對剩余2個逆流閥和進油管路、閥組通道進行全面清理。共清理出濾芯殘片3 片。

因為確定有濾芯殘片，進一步對主泵出油濾器進行檢查，發(fā)現2 個出油濾芯均已變形損壞。更換出油濾芯，錘工作正常。

2.2.3 故障總結

在故障前，進油側蓄能器氣壓下降，導致蓄能器不能有效吸收液壓系統(tǒng)振動，致使出油濾芯變形，碎裂，殘片及碎屑堵塞相關閥組，造成伺服壓力不足的故障。

液壓錘整套液壓系統(tǒng)每個功能單元必須保證在良好的性能狀態(tài)，否則會導致系統(tǒng)連環(huán)故障，引起系統(tǒng)內其他單元損壞。在處理單獨故障的同時，必須對整套關聯(lián)系統(tǒng)做全面檢查，避免造成連環(huán)故障。

2.3 更換錘芯軸承

2.3.1 故障現象

沉樁施工使用的液壓打樁錘因疲勞原因導致錘芯斷裂，為保證施工，更換備用液壓打樁錘進行施工。備用液壓打樁錘屬于新錘，和損壞錘為同一規(guī)格型號，啟用前未進行過實際工程檢驗，備用液壓錘在5 000 次錘擊時出現了錘芯卡死、運行憋車故障。

2.3.2 故障分析處理

經過檢查，備用液壓錘液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)工作正常，故障點鎖定在錘體下部軸承。通過備用錘錘體下部檢查口發(fā)現下部錘芯有燒灼痕跡，錘芯溫度較高。通過拆解備用錘下部軸承，發(fā)現軸承部位潤滑油已被燒干，軸承銅套因高溫抱死造成劃傷，軸承部位2 個防塵圈、2 個密封圈均被高速錘芯摩擦燒焦，如圖4 所示。

圖4 燒焦密封圈與完好密封圈對比Fig.4 Contrast burnt seal ring with intact seal ring

備用錘未經過大負荷長時間打擊檢驗，密封不能滿足液壓錘的高頻率、高速度往復摩擦強度，導致故障發(fā)生。為保證現場沉樁施工順利進行，決定對2 臺液壓錘軸承進行對調。2 臺液壓錘規(guī)格相同，給現場維修提供了便利，用時5 d 恢復了備用液壓錘，通過沉樁作業(yè)，修復后的備用液壓錘能夠連續(xù)施工，備用錘修復成功。

2.3.3 故障總結

液壓打樁錘工作中整套錘處于高壓、高速、高強度工況下，液壓系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)密封要求較高，在日常維護和更換主要備件時，采用原廠配件才能保證故障處理的效果，保持設備原有性能。

此次更換錘芯軸承，為液壓錘在條件有限的施工現場實現大修提供經驗積累，同時也增加了主要設備的自主維修能力，減少對設備生產廠家技術服務的依賴。

3 結語

巴新萊城港潮汐碼頭一期工程沉樁施工提前工期77 d 完成。液壓打樁錘優(yōu)良的動力性能和可操控性在本次沉樁吊打工藝中得到證明，液壓打樁錘的正確使用、日常維護、故障處理、應急維修更是保證工程順利進行的關鍵。隨著液壓打樁設備技術的進步，更多的機電液氣一體化技術融入到打樁設備中。引進歐美先進樁工設備的同時，消化和吸收設備設計原理并予以應用，更多地積累使用、維護、維修、改造、故障處理經驗，為更好地服務工程施工做好技術積累。