（机械工程专业论文）液压打桩锤压力反馈plc控制配流系统研究.pdf

中南人学硕i ：学位论文摘要 摘要 本文在分析了国内外液压打桩锤研究现状与发展趋势的基础上， 针对传统行程反馈控制式液压打桩锤无法实现打击能量与打击频率 无级调节的缺陷，将压力反馈配流方式与现代计算机控制理论相结 合，提出了液压打桩锤的压力反馈p l c 控制配流系统方案，并对其 工作性能进行了深入研究。 首先，根据配流系统的工作要求，对配流阀进行了设计选型，建 立了配流阀的理论数学模型，并对它们工作时的动态过程进行了仿真 研究，在此基础上初步确定了配流阀的最佳工作参数。 其次，针对液压打桩锤的具体使用环境与工作要求，提出了液压 打桩锤压力反馈配流系统的p l c 控制方案，并对配流系统p l c 控制 器的硬件选型、软件编程与人机交互界面的设计进行了深入研究。 再次，建立了完整的液压打桩锤压力反馈p l c 控制配流系统理 论数学模型与动态仿真模型，深入地研究了配流系统中各参数变化对 液压打桩锤工作性能的影响，获得了液压打桩锤运动的规律性认识， 并确定了配流系统的最佳工作参数。 最后，通过在试验样机上反复的实验检测证明了压力反馈p l c 控制配流系统能够达到预期的设计目标。 综上所述，本文的研究成果不仅对于液压打桩锤配流系统的设计 提供了新的思路和方法，同时也为液压打桩锤产品的参数优化、技术 改造提供了可靠的理论指导。 关键词液压打桩锤，无级调节，压力反馈，配流系统，p l c 控制 中南人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do f h y d r a u l i cp i l i n gh a m m e r a th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h et r a d i t i o n a l d i s t a n c ef e e d b a c kc o n t r o lp r i n c i p l e sc a n ta d j u s tt h ei m p a c te n e r g ya n d 仔e q u e n c ys t e p l e s s l y ，p u tf o n v a r dap r e s s u r ef e e d b a c kf l o ws y s t e mw i t h p l cc o n t r o u e ro fh y d r a u l i cp il eh 锄m e r a n ds t u d i e di t sw o r k p e r f o n n a n c ed e e p l y f i r s t l y ，a c c o r d i n gt 0t h ew o r kr e q u i r e m e n t so f f l o ws y s t e m ，t h ev a l v e i nf l o ws y s t e mi sd e s i g n e da n ds e l e c t e d ，e s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lm o d e l o ft h ev a v l e ，a n dt h r o u 曲c o m p u t e rs i m u l a t i o nd e t e m i n e dt h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cc o n 订o lv a l v e s e c o n d l y ，f o rt h es p e c i f i cu s ee n v i r o m n e n ta n dw o r kr e q u i r e m e n t so f t h eh y d r a u l i cp i l eh 锄m e r ，p u tf o r w a r dap r e s s u r ef e e d b a c kf l o ws y s t e m w i t hp l cc o n t r o l l e r ，a n dt h eh a r d w a r es e l e c t i o n ，s o 胁a r ep r o 目a m m i n g a n di n t e r a c t i v ei n t e r f a c ed e s i g no ft h en o w s y s t e mw i t hp l c c o n t r o l l e ri s r e s e a r c h e dd e e p l y t h i r d l y ，e s t a b l i s h e dac o m p l e t ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo ft h e h y d r a u l i cp i l e h a m m e rp r e s s u r ef e e d b a c kn o ws y s t e mw i t hp l c c o n t r o l l e r ，i i l d e p 也s t u d i e dt h el a ww h i c ht h ep a r a m e t e r so f f l o ws y s t e m o nm ew o r kp e r f o m a n c eo fh y d r a u l i cp i l eh a m m e r ，a n dt e n t a t i v e l y i d e n t i f i e dt 1 1 eb e s tp 2 u r a m e t e r so ft h en o ws y s t e m l a s t l y ，t h r o u g h i n gr e p e a t e de x p e r i m e n t s o nt h ee x p e r i m e n t a l p r o t o t y p es h o wt h a t t h ep r e s s u r ef e e d b a c kf l o ws y s t e mw i t hp l c c o n t r o n e rc o u l da c h i e v et h ee x p e c t e dg o a l s 。a ni na l l ，t 1 1 ea c h i e v e m e n t sm e n t i o n e da b o v ei sn o to n l yp r o v i d e w i t l ln e wi d e 硒a n dm e t h o d sf o rm en o ws y s t e md e s i g no fh y d r a u l i c p i l i n gh a m m e r ，b u ta l s op r o v i d e sar e l i a b l et h e o 巧g u i d ef o r0 p t i m i z a t i o n ， t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o no fh y d r a u l i cp i l eh a m m e r k e yw o r d sh y d r a u l i cp i l eh 锄m e r ，s t e p l e s sr e g u l a t i o n ，p r e s s u r e f e e d b a c k ，f l o ws y s t e m ，p l cc o n t r o l n 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 预制桩因具有性价比高、制作方便、施工简单、质量控制性好、效率高、单 桩承载能力大、沉降量小、抗震性能好、噪声污染少、穿越土层能力强、不受地 下水条件与潮湿变化的影响以及沉入地基后不必像灌注桩那样需要长时间等待 即可使用的独特优点，成为现代桩基础工程中最理想的桩基础形式【l h 3 1 。随着国 家对海上采油平台、大型港口、深水码头、高速公路、重型桥梁、客运专线、城 轨地铁、水利工程、城市空间等建设工程投入的持续增加，极大地拉动了桩基础 施工机械的市场需求【4 j 【5 j 。 在众多的桩基础施工机械中，液压打桩锤因适用范围广、工作时无油烟污染、 振动小、噪声低、工作效率高、可控性强、机动性能好、加上合适的防护罩还可 以打潜水桩与斜桩，并具有向大型化和超大型化发展的潜力等独特优势，成为国 内外桩基础施工领域综合工作效果最佳的沉桩设备【6 h 引。荷兰、英国、法国、美 国、德国、前苏联、芬兰、韩国、日本、意大利等国都开发出了适合本国基础设 施建设所需要的液压打桩锤代表产品，并且已经形成了系列化和批量化；而在我 们国家，由于液压打桩锤产品的开发研制工作起步较晚，在技术方面与上述发达 国家相比存在很大的差距。国内桩基础施工单位使用的液压打桩锤大多数靠从国 外买进，甚至连产品的售后服务工作也由国外技术人员进行。目前在我们国家只 有少数企业、科研单位与高等院校进行液压打桩锤产品的开发研究工作，但是它 们基本上都是把主要精力集中在对国外液压打桩锤产品的引进、消化、吸收、测 绘与仿制工作上。迄今为止，我们国家还没有研制出真正意义上具有自主知识产 权与核心技术的液压打桩锤成熟产品i i o 】1 1 2 】。 1 1 2 课题研究意义 液压打桩锤由冲击机构、配流系统、操作控制系统以及其它辅助设备组成， 是目前工程机械领域内结构复杂、高新技术含量较高的典型代表产品之一，在液 压打桩锤产品开发与设计制造过程中融合了机械工程、电子技术、液压传动、计 算机控制四个主要学科以及其它辅助性学科领域内的最新发展成果，并且不同学 中南大学顾l ：学位论文 第一章绪论 科之间存在着相互交叉渗透，再加上液压打桩锤的开发时间短，国内外还没有见 到一套完整的液压打桩锤产品设计理论和方法的研究资料，甚至对液压打桩锤工 作机理、打桩效率控制以及工作过程、过渡过程的动力学研究也很少见到i l 3 j 小5 。 根据调查资料显示，目前国内外液压打桩锤产品的设计仍然采用传统的估算、类 比等经验设计方法和静态设计方法，数字化虚拟样机技术与多学科优化设计理论 等先进设计手段还没有具体应用到液压打桩锤产品的开发研究全过程中。除此之 外，国内外市场上现有的液压打桩锤产品大多数采用行程反馈控制配流方式来实 现桩锤工作参数的调节，由于受到锤体结构尺寸条件限制，行程反馈控制配流方 式不能够实现桩锤打击能量和打击频率的无级调节，无法适应桩基础施工过程中 土层结构与桩身材质强度变化的多样性，无法满足现代桩基础工程对沉桩设备在 施工质量和施工效率等方面的严格要求【1 6 】【1 8 】。因此开发一种具有自主知识产权 与核心技术，并且能够实现工作参数无级调节的液压打桩锤产品是无法抗拒的发 展趋势。 1 2 液压打桩锤概述 1 2 1 液压打桩锤沉桩机理 液压打桩锤以高压液体作为传动介质将锤体举升到预定高度后，然后配流系 统改变高压液体的流动方向使打桩油缸的下腔快速泄油，或同时向打桩油缸的上 腔供油，或在其它外力的作用下，使桩锤加速下落打击桩顶，破坏桩的静力平衡 状态从而实现沉桩功斛1 9 1 【2 们。 1 2 2 液压打桩锤的分类 液压打桩锤 1l单作用式液压打桩锤在桩锤下降阶段仅受到桩 兰竺! 苎h 接皇盏嘉盔甥篷，以接近自山落体的方式打击桩 双作用式 差动连接式 氮气爆炸式 图卜l 液压打桩锤的基本分类 根据打桩油缸的基本结构与配流系统工作原理的不同，液压打桩锤的具体分 2 锤成力落桩形霞下在腔身速 锤下自加 桩上在f 能 打的体用功 压缸锤作桩液油使蕈沉式桩，双现接打接的实 连，连力， 动段动压顶差阶筹体桩降种液击下一和打 锤压炸下桩部爆速 在尾，加 锤缸气f 能桩油氮用功打桩0 作桩压打质蓖沉液住介双现式体作的实 炸锤工力， 爆，巾重顶气段腔身桩氮阶馈自击降反和打下力力落 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 类见图1 1 所剥2 1 】- 【2 4 l ： 1 2 3 液压打桩锤的基本结构 本文将以湖南长河机械有限公司生产的z c y b 7 1 3 0 型液压打桩锤为例说明 液压打桩锤的基本结构组成，它的基本结构如图1 2 所示。液压打桩锤主要由冲 击机构、配流系统、操纵控制系统以及其它辅助系统等组成2 5 l 【2 6 1 。 图卜2z c y b 7 13 0 型液压打桩锤基本结构 l 、冲击机构 冲击机构由打桩油缸、锤头总成、回弹缓冲装置、桩帽、桩垫和桩锤防护罩 等几个部分组成，通过打桩油缸带动锤头做上下往复运动，从而实现沉桩作业。 2 、配流系统 配流系统是液压打桩锤的关键组成部分，它主要由液压泵、配流换向阀、高 低压蓄能器等几个部分组成，通常配流换向阀是安装在控制集成块内部的。 3 、操纵控制系统 操纵控制系统主要实现桩锤工作模式的选择与工作参数的调节功能。目前液 压打桩锤的控制系统主要采用继电器控制、可编程控制器( p l c ) 控制和单片机 控制三种类型。 3 中南大学硕i ：学位论文第一章绪论 1 2 4 液压打桩锤的优越性 液压打桩锤是在世界各国致力于建设环境友好型、资源节约型社会的前提条 件下，伴随着机械传动、液压控制与现代计算机控制理论的进步与发展而产生的， 它是一种技术复杂的机电液一体化预制桩施工机械，具有其他形式桩锤无法比拟 的独特优势【1 2 l 【1 7 】【2 7 】【3 1 】： ( 1 ) 可根据土质情况与桩身材质强度合理选择液压打桩锤的工作参数，以 实现打击能量的最大利用而又不会出现将桩打碎的现象，并且施工时还可省去打 击垫。 ( 2 ) 作业范围广，工作可靠性强。液压打桩锤不仅适用于各种土质、各种 桩型的桩基础施工，而且还能够打斜桩与潜水桩，并且消除了软土地启动困难的 问题。 ( 3 ) 输出能量大、施工效率高。液压打桩锤的输出能量几乎相当于同等规 格柴油打桩锤的2 0 0 ，再加上液压打桩锤保压阶段对打击力有效作用时间的延 长作用，使得液压打桩锤的施工效率比同等规格的柴油锤和蒸汽锤至少要高出 4 0 5 0 。 ( 4 ) 液压打桩锤工作过程中噪声低、振动小、无柴油燃烧不完全产生的废 气污染。液压打桩锤以高压液体作为传动介质，因此不存在柴油打桩锤因柴油燃 烧不完全而产生的油烟污染；另外液压打桩锤的回弹缓冲装置和保护罩有效地降 低施工过程中的噪声与振动，使得液压打桩锤的施工噪音比传统形式的柴油锤和 蒸汽锤至少要低2 0 d b 。 ( 5 ) 容易与先进的控制技术相结合，实现工作过程中的自动监测、显示记 录与故障报警功能，使桩锤具有智能化。桩锤的智能化不仅可以减轻工人的劳动 强度，直观的监测桩锤的工作状态，而且对施工中出现的异常情况可及时地作出 反应，将故障对设备与现场施工人员造成伤害的可能将为最低。 1 2 5 国内外液压打桩锤研究现状与存在的问题 1 2 5 1 国内外液压打桩锤研究现状 国外液压打桩锤的研究开发工作始于2 0 世纪6 0 年代，而且发展速度惊人。 自从荷兰在1 9 6 5 年研制出世界上第一台液压打桩锤以来，2 0 世纪8 0 年代以后， 液压打桩锤便很快在英国、芬兰、日本、美国等国家得到了快速地发展，并形成 了系列化。根据搜集到的资料，目前国际上有近2 0 家大型建筑公司生产上百种 定型产品，现将国内外主要的液压打桩锤专业生产厂家及其典型产品进行汇总， 4 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 我国液压打桩锤的研究工作始于2 0 世纪7 0 年代，进入2 0 世纪9 0 年代以后， 一些有远见的生产企业、科研单位和高等院校开始液压打桩锤的研发工作，但他 们的把主要精力放在对国外产品的引进、分析、消化和测绘仿制工作上，由于国 外产品对零部件的制造精度要求很高、成本高，再加上国内产品存在传动效率低、 油温高等缺陷，所以直到目前为止，我国尚没有形成具有自主知识产权和核心技 术的液压打桩锤定型产品【1 2 】【1 7 】。 随着对国外液压打桩锤产品研究的逐步深入，国内该领域内的相关专家和学 者对液压打桩锤也开展了多方面的研究。张龙江、陈宜通【3 2 l 设计出了一种双缸 双作用式打桩锤液压系统，并建立了液压系统的数学模型，通过在计算机上进行 仿真研究，绘制出了相应的曲线，从理论上对该系统进行了研究。肖天金、迟永 滨、罗雪【3 3 】在分析了双作用式液压打桩锤液压回路工作原理的基础上，建立了 桩锤上升和下降阶段的数学模型，并对系统进行了仿真研究，为液压打桩锤产品 开发提供了理论基础。沈景风、查德根、黄宗益【3 4 】分析了蓄能器在双作用式液 压锤和单作用式液压锤液压系统中的功能与作用，建立了双作用式液压锤和单作 用式液压锤中高、低压蓄能器的基本设计方法与步骤，为液压打桩锤产品的开发 提供了理论基础。罗春雷、胡均平、朱桂华【刁】等对z c y 系列液压打桩锤的功能结 构和性能特点进行了深入分析。该机采用气液联合控制，将氮气膨胀能和锤体重 力势能之和作为对预制桩的打击能量，能够实现冲击能与冲击频率的无级调速， 增强了桩锤的控制性能和打击能力，扩大了设备的适应范围。胡均平、宋光伟【3 5 】 在分析了新型氮爆式液压打桩锤工作原理的基础上，建立了桩锤工作过程的数学 模型，并对桩锤在不同工况下的工作性能进行了仿真，确定了桩锤工作过程的最 佳参数，为液压打桩锤产品的开发和参数优化提供了理论依据。胡均平、王涛、 化世阳【3 6 】从理论上讨论了液压打桩锤冲击噪声的产生机理，并用有限元方法得 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 到了冲击噪声的声固耦合理论，根据冲击频谱的理论特性，分析出噪声与缓冲时 间的关系，并用a n s y s l s d 、i a 对其进行了仿真，论证了通过延长缓冲时间来 控制噪声的正确性。 1 2 5 2 国内外液压打桩锤存在的问题 因液压打桩锤产品技术复杂、开发时间短，在产品技术与使用性能上存在较 多的问题，主要表现在以下几个方面【1 2 】【1 7 】【3 7 】- 【4 1 】： ( 1 ) 国内液压打桩锤配流系统分析与理论研究的完整技术资料比较匮乏， 只能通过现场观测实际物理样机或者在国外桩锤产品说明书中的原理图上来研 究液压打桩锤配流系统的工作原理。除此之外，关于液压打桩锤工作过程中冲击 系统的动态特性、动作稳定性以及桩的动态承载力等方面的研究也很少见到。国 内对从国外引进的液压打桩锤产品的工作机理、结构形式、设设计理论等消化吸 收不完全，还没有真正意义上开发出具有自主知识产权和核心技术的成熟液压打 桩锤产品。 ( 2 ) 液压打桩锤产品的设计理论、设计方法、研发制造和试验手段水平较 低。液压打桩锤产品的设计仍然采用传统的估算、类比等经验设计方法和静态设 计方法，还没有利用数字化虚拟样机技术与多学科优化设计理论等先进的设计手 段进行产品的参数化、系列化、标准化设计，因此产品的设计精度低、开发周期 长、制造成本昂贵、适应市场变化的能力差。 ( 3 ) 国外生产的液压打桩锤产品本身也存在较多的技术问题。双作用式液 压打桩锤虽然打击能量比单作用式大很多，但是打击频率却很低；单作用式液压 打桩锤主要利用锤体自由下落所产生的能量实现沉桩，虽然打击频率比双作用式 高很多，但是打击力小、打击能量略显不足，如果要增大单作用式液压打桩锤的 打击能量则需要增加桩锤行程，使桩锤的结构尺寸大大增加。 ( 5 ) 国内外现有的液压打桩锤工作参数的调节方式大多说采用行程反馈控 制配流方式，该方式的特点决定了打桩锤只能实现有限个档位的有级调节，无法 实现打击能量和打击频率的无级调节，因而也就无法适应土质情况与桩身材质强 度的多样性，因此可调性、适应性差。 ( 6 ) 国内外现有的液压打桩锤缺乏一种合理的脱桩保护装置。当发生脱桩 事故时，由于锤头自重很大，不仅会损坏打桩油缸，严重时甚至会导致整个打桩 架倾翻，造成重大事故。因此，需要设计出一种合理的脱桩保护装置来避免事故 的发生。 ( 7 ) 制造成本高，结构复杂，价格昂贵，严重阻碍了液压打桩锤产品的推 广和使用。因液压打桩锤配流系统是典型的高压力、大功率、大流量开式液压系 6 中南人学硕l ：学位论文第一章绪论 统，打桩作业是依靠配流系统中的液压控制阀配合打桩油缸的往复换向运动实现 的，配流系统中液压控制阀与打桩油缸的频繁换向必然会引起较大的液压冲击与 流量脉动，因此液压打桩锤对零部件的制造精度和配合精度要求相当高，导致零 部件的制造费用高，整机的价格昂贵。除此之外，目前国内外的液压打桩锤产品 在系统密封、回油阻力、材料选择与结构工艺性等方面也存在许多问题。 1 2 6 液压打桩锤的发展趋势 在过去的几十年内，液压打桩锤因本身所具备的独特技术优势而取得了高速 发展，但随着现代桩基础工程对施工设备在绿色环保、能源节约、工作范围、施 工质量与工作效率等方面的要求不断提高，世界各国对液压打桩锤展开了全面的 研究，主要可以归纳为如下几点【2 】【1 7 l 【2 5 l 【2 6 l 【4 2 l - 【4 5 】： ( 1 ) 不仅要开发适用于高速公路、客运专线、城轨地铁桩基础工程中的陆 地使用液压打桩锤，而且还要开发适用于重型桥梁、大型港口与海洋采油平台桩 基础施工中能够实现水下打桩的大型、超大型液压打桩锤。 ( 2 ) 将多学科优化设计理论与数字化虚拟样机技术运用到液压打桩锤产品 开发设计的全过程，优化产品的设计过程，提高产品的设计精度，缩短产品的研 制周期，降低产品的研制费用，提高产品快速响应市场变化的能力，增加产品的 市场竞争力。 ( 3 ) 建立完善的液压锤产品设计理论与方法，实现产品的参数化、系列化、 标准化、集成化设计。参数化、系列化、标准化、集成化设计不仅能够优化产品 的设计过程，提高产品的设计精度，缩短产品的研制周期，降低产品的研制费用， 提高产品快速响应市场变化的能力，增加产品的市场竞争力。而且通过集成，还 能够有效地缩短了配流系统中液压管路的长度，提高了被控部件对控制信号的响 应速度，简化控制系统、避免液压胶管接头松动、液压胶管变形等因素对控制系 统工作性能产生的不利影响。 ( 4 ) 采用先进的控制理论，实现桩锤产品的自动化与智能化控制。自动化 与智能化是现代桩基础工程对液压打桩锤产品提出的更高层次的要求，通过自动 化与智能化控制，不仅能够有效地减轻工人的劳动强度、提高工作效率，而且还 能够提高操作的准确性、连贯性，最大限度地减少误操作对施工对象与施工设备 的损坏。 ( 5 ) 深入开展液压打桩锤产品在能源节约、环境保护、降低噪音等方面的 研究。随着可利用资源的日益减少和人们对节能环保等问题的日益重视，对桩基 础施工设备也提出了更高的要求。一方面，要求通过优化设计的方法实现液压打 桩锤配流系统中液压元器件之间的最优参数匹配，最大限度地提高系统的能量利 7 中南大学硕i ：学位论文第一章绪论 用率；另一方面又要通过研究新型的缓冲材料与结构，将施工噪音对周围环境的 不利影响降到最低。 ( 6 ) 开发适用于不同土质、不通桩形和尺寸、不同施工要求的多功能液压 打桩锤，实现一机多用，减少设备购置费用。 ( 7 ) 开发液压打桩锤的自动监测、显示记录与故障报警装置，对液压打桩 锤的工作过程进行实时监测与控制，并输出打桩过程中的各种重要技术资料，以 便技术人员对打桩状态和打桩质量进行评估与预测，并确定收锤标准，当打桩过 程中出现异常状时能自动实现系统制动并报警。 1 3 课题来源与研究内容 1 3 1 课题来源 湖南省科技厅科技计划项目( 项目编号2 0 0 8 j t l o l 4 ，可无级调节打击能量与 打击频率的打桩锤气液联合控制方案研究) 。 针对国内外现有液压打桩锤存在的上述缺陷，以胡均平教授为首的研发团队 中南大学液压机械与控制工程研究所，创造性的提出了以压力反馈腔压力作 为反馈控制压力的可无级调节打击能量与打击频率的打桩锤气液联合控制方案， 并与中南大学学科性公司湖南长河机械有限公司联合研制成功z c y b 7 1 3 0 型气液联合控制打桩锤，并以此成功打开了市场，打破了发达国家在该领域的垄 断地位，极大地推动了我国液压打桩锤产业的技术升级与行业进步；同时，参与 成立湖南省科技厅科技计划项目( 项目编号2 0 0 8 j t l 0 1 4 ，可无级调节打击能量 与打击频率的打桩锤气液联合控制方案研究) 。本文所进行的研究“液压打桩锤 压力反馈p l c 控制配流系统研究 是其中的一个子课题。 1 3 2 研究内容 本文研究的压力反馈p l c 控制配流系统使液压打桩锤从根本上克服了传统 行程反馈配流式液压打桩锤无法实现工作参数无级调节的弊端，使得配备该配流 系统的液压打桩锤在有限的装机功率下，打击能量与打击频率的调节范围大幅度 地增加，并能够根据施工时的土质情况与桩身材质强度的不同，实现桩锤工作参 数的无级调节，增强桩锤对工作环境的适应能力，极大地推动了我国液压打桩锤 产品的技术升级与行业进步。 本文将在以下几个方面展开重点研究： l 、液压打桩锤配流系统总体方案研究 8 中南人学硕l ：学位论文第一章绪论 借鉴国内外其它液压打桩锤配流系统的先进经验与技术精髓，针对传统行程 反馈配流式液压打桩锤无法实现工作参数无级调节的弊端，自行设计出能够实现 液压打桩锤工作参数无级调节功能的新型配流系统方案，并对该配流系统的工作 原理、基本组成与技术优势进行了系统的分析。 2 、液压打桩锤配流阀选型与最佳参数研究 根据压力反馈p l c 控制配流系统的工作要求，对配流控制阀进行了设计选 择，建立配流阀动态仿真模型，分析影响配流阀工作性能的主要因素，并在此基 础确定配流阀的最佳工作参数。 3 、液压打桩锤配流系统的控制方案设计 在综合分析了液压打桩锤配流系统的具体控制要求与工作特点的基础上，提 出液压打桩锤配流系统的控制方案，并对配流控制系统中的硬件选型、软件设计 以及人机交互界面进行了深入研究。 4 、液压打桩锤配流系统的建模与仿真研究 建立液压打桩锤配流系统的虚拟样机模型，对新型液压打桩锤配流系统在不 同工况下的工作性能进行仿真研究，找出对液压打桩锤工作性能稳定性、准确性、 快速性的有影响的因素及其影响规律，为液压打桩锤配流系统的参数优化提供了 可靠的理论依据。 5 、液压打桩锤配流系统的实验研究 在液压打桩锤实验样机上对配流系统工作过程进行实验研究，检验本文设计 的液压打桩锤配流系统能否达到预期的目标，确定液压打桩锤配流系统的最佳工 作参数，检验本文建立的液压打桩锤配流系统理论模型和仿真研究是否正确。， 1 4 本章小结 本章阐述了课题的选题背景与意义，介绍了液压打桩锤的工作机理、分类方 法、结构组成以及技术优越性，并根据国内外现有液压打桩锤的研究现状与发展 趋势，确定了课题研究的具体内容。 9 中南大学硕十学位论文第_ 二章压力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 第二章压力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 2 1 液压打桩锤配流系统关键技术与设计原则 2 1 1 液压打桩锤配流系统概念 自1 9 6 5 年代荷兰h b g ( h o l l c u d sb e 觚g m u p ) 公司研究发展部研究成功世 界上第一台液压打桩锤以来，国内外该领域内的著名专家和学者提出了很多液压 打桩锤的新构思、新方法，虽然它们的工作原理、结构形式、设计理论迥异，但 它们的共同点都是如何让高压液体推动桩锤实现由下降阶段( 上升阶段) 到上升 阶段( 下降阶段) 的转变。我们把这种能够实现油路的接通、关闭或者改变高压 液体的流动方向，推动桩锤实现由下降阶段( 上升阶段) 到上升阶段( 下降阶段) 的转换，完成沉桩作业的装置称为液压打桩锤的配流系统【4 6 】【4 引。 2 1 2 液压打桩锤配流系统关键技术 液压打桩锤配流系统是典型的大功率、高压力、大流量开式液压系统，沉桩 作业则是依靠配流系统中的液压控制阀配合打桩油缸的往复运动来实现的，打桩 油缸的频繁换向必然会引起配流系统较大的液压冲击与流量脉动。正是基于上述 原因，液压打桩锤产品配流系统的设计具有其独特的要求。 ( 1 ) 为了克服土壤对预制桩的巨大阻力，桩锤在下落的过程中需要获得巨 大的打击能量，所以液压打桩锤的最大打击末速度一般都设计的很大，这样系 统在冲程末端时的瞬时回油流量就相当大，该流量在配流阀口与回油管道上会 产生较大的回油背压，不仅造成了巨大的能量损失，降低了配流系统的工作效 率，也直接影响了液压打桩锤打击能量的提高。因此，如何降低回油背压，提 高桩锤配流系统的工作效率，是液压打桩锤配流系统设计时需要解决的关键技 术之一。 ( 2 ) 液压打桩锤工作时的打击能量与打击频率若能根据土质情况和桩身材 质强度的变化而改变，则能有效地提高施工质量和生产效率。也就是说，在系 统装机功率一定的情况下，土质较硬时，液压打桩锤输出较大的打击能量、较 小的打击频率；反之土层较软时，液压打桩锤则输出较小的打击能量、较高的 打击频率。因此，如何根据土质情况与桩身材质强度的变化来调节液压打桩锤 的工作参数，是液压打桩锤配流系统设计时需要解决的关键技术之二。 1 0 中南人学硕i ：学位论文第一二章烁力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 ( 3 ) 在打桩作业过程中，若发生断桩或脱桩事故，则桩锤加速下落产生的 巨大冲击力就会通过打桩油缸的活塞直接作用在打桩油缸的端盖上而损坏打桩 油缸，或者通过钢丝绳作用在打桩架上，严重时甚至会造成整机倾翻的重大事 故。因此，如何设计一种合理的脱桩、断桩保护和缓冲装置是液压打桩锤配流 系统设计时需要解决的关键技术之三。 当然，系统密封、材料选择和结构工艺性等也是液压打桩锤配流系统设计 时要解决的关键技术，但上述3 个关键技术能较充分地反映国内外现有液压打桩 锤配流系统的主要问题，对于研究新型液压打桩锤配流系统具有极其重要的指 导意义。 2 1 3 液压打桩锤配流系统设计原则 液压打桩锤的配流系统通过快速切换桩锤液压系统中高压液体的流动方向 来实现桩锤由下降阶段( 上升阶段) 到上升阶段( 下降阶段) 的转换，它是打桩 锤控制系统的关键组成部分，其性能的好坏直接决定了液压打桩锤的工作性能。 为了满足桩锤在功能、性能、效率与寿命等方面的要求，在设计液压打桩锤的配 流系统时，应遵循以下几方面的原则【2 7 】【4 7 】【4 8 】： ( 1 ) 配流系统必须能快速切换桩锤液压系统中高压液体的流动方向来实现 桩锤由下降阶段( 上升阶段) 到上升阶段( 下降阶段) 的转换。 ( 2 ) 配流系统对液压打桩锤的控制作用必须是开关型的，要求配流系统中 的液压控制阀响应速度快、换向冲击小，能够处在全开口、全流量状态下稳定地 工作。 ( 3 ) 配流系统中的液压控制阀要结构紧凑、体积小、重量轻、能量损失小、 工作可靠性高。 2 2 现有液压打桩锤配流系统工作原理与存在的问题 在预制桩施工过程中，为了适应土质情况与桩身材质强度变化的多样性，增 强液压打桩锤对施工对象的适应能力经常需要调节液压打桩锤的工作参数。根据 液压打桩锤配流系统设计概念与控制方法的不同，调节液压打桩锤工作参数常用 的方法主要有行程反馈配流方式和压力反馈配流方式两种【2 3 】【2 5 l 。下面将结合具 体的液压打桩锤产品对配流系统的工作原理及其存在的问题作简要地分析。 中南人学硕一l ：学位论文 第二章压力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 2 2 1 行程反馈配流方式工作原理与存在的问题 液压打桩锤行程反馈配流方式是在打桩油缸上安装一个或者多个行程接近 开关，当桩锤行程达到行程接近开关预先设定的值时，行程接近开关发出控制信 号使配流系统中液压控制阀换向工作，配流系统中高压液体的流动方向发生变 化，从而驱动液压打桩锤实现工作状态的转换。目前国内外很多著名的液压打桩 锤生产企业生产的液压打桩锤都是采用这种配流方式，其中以日本车辆公司生产 的n h 型液压打桩锤最为典型【4 9 】【5 0 1 ，该桩锤配流系统工作原理如图2 1 所示。 厂一一一一一1 1 - 一一一一一t 一一一一一一一一一一一一一 蹲 1 打桩油缸2 、7 、9 逻辑插装阀3 、6 、8 电磁换向阀4 、1 8 、1 9 单向阀 5 高压蓄能器1 0 液压泵儿低压蓄能器 1 2 、1 4 、1 5 溢流阀 1 3 行程开关 1 6 单向节流阀1 7 球形截止阀2 0 、2 1 、2 2 油箱 图2 一ln h 型液压打桩锤配流系统工作原理图 采用行程反馈配流式的液压打桩锤由于其控制原理与结构条件的限制，主要 存在以下三个方面的局限： ( 1 ) 行程反馈控制方式由于受结构条件的限制，一般只能设置有限个行程 开关来调节桩锤的行程，无法实现打击能量和打击频率的无级调节，因此无法适 应土质情况与桩身材质强度变化的多样性，不能保障优质高效的施工。 ( 2 ) 为了增大打击能量和打击频率的调节范围，必然会将系统的功率设计 地很大。这样既导致了较大的能源浪费，又提高了桩锤的制造费用，限制了液压 打桩锤的推广和使用。 ( 3 ) 桩锤的打击能量和打击频率的调节必须在停机的情况下才能进行，因 此调节极为不方便，影响施工效率的提高。 1 2 中南人学硕l ：学位论文第一二章压力反馈p l c 控制配流系统总体方，粜 嫂计 2 2 2 压力反馈配流方式工作原理与存在的问题 液压打桩锤的压力反馈配流方式是通过比较打桩油缸尾部压力反馈腔中工 作介质的压力与控制系统设定的压力来控制配流系统中液压控制阀的开启与关 闭，从而改变配流系统中高压液体的流动方向实现桩锤工作状态的转换【2 3 】【2 5 1 。 基于该配流方式的典型产品是湖南长河机械有限公司生产的z c y b 7 1 3 0 型压力 反馈氮爆式液压打桩锤，其配流系统的工作原理如图2 2 所示。 l 、2 油箱3 工作主泵4 溢流阀5 单向阀6 主控换向阀7 低压蓄能器8 回油插装阀 9 进油插装阀1 0 高压蓄能器1 1 打桩油缸1 2 压力反馈腔1 3 行程换向阀1 4 锤头 图2 2 压力反馈配流系统工作原理图 采用压力反馈配流方式的液压打桩锤由于其控制原理与结构方面的创新，不 仅使得桩锤在较短的行程下可以释放较大的打击能量，而且还实现了打击能量与 打击力频率的无级调节，提高了桩锤对不同地质条件和桩身材质强度的适应能 力，但其仍然存在以下几个方面的局限性： ( 1 ) 主控换向阀阀芯受到的液动力、液压卡紧力、粘性摩擦力、密封摩擦 力、回复弹簧力等，这些力可能导致主控阀在运动过程中被卡死，出现桩锤工作 过程不稳现象，而且主控阀在换向过程中存在着压力和流量损失，这种能量损失 对打桩锤来说是一种浪费。 ( 2 ) 控制泵的控制压力是通过溢流阀设定的，只能将控制压力粗略的分为 几个档位，控制精度不高，并且调节桩锤工作参数时必须停机，调节过程极为不 方便，影响工作效率。 ( 3 ) 压力反馈配流系统对工作环境的适应能力较差。由于液压打桩锤在工 中南大学硕十学位论文第二章压力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 作过程中不可避免地会有温度升高的现象，而且液压打桩锤也经常需要在高寒地 区工作，这些工作环境的变化会直接影响压力反馈腔中氮气的压力值，而压力反 馈配流系统中并没有对压力值进行补偿的措施，从而会造成液压打桩锤的打击参 数不稳定的现象。 2 3 压力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 本文在查阅了大量的文献资料与实际调研的基础上，借鉴国内外其它液压打 桩锤配流系统的成功经验与技术精髓，针对上述两种配流系统的技术局限性，将 压力反馈配流方式与现代计算机控制理论相结合，自行设计出了液压打桩锤的压 力反馈p l c 控制配流系统方案。 2 3 1 压力反馈p l c 控制配流系统工作原理 1 油箱2 工作主泵3 回油滤清器4 、8 、1 0 溢流阀5 、9 、1 1 单向阀6 电液换向阀 7 控制泵1 2 、1 3 蓄能器1 4 、1 5 插装阀1 6 、1 7 液控换向阀1 8 、1 9 高速开关阀 2 0 p l c 控制器2 1 a d 转换器2 2 压力传感器2 3 打桩油缸2 4 防空打开关2 5 锤头总成 图2 3 压力反馈p l c 控制配流系统工作原理图 液压打桩锤的压力反馈p l c 控制配流系统工作原理如图2 3 所示，它的一 个工作周期可分为桩锤上升、桩锤下降和系统保压三个阶段。 l 、桩锤上升阶段 p l c 控制器发出控制信号使电液换向阀6 得电换向到右位工作，高速开关阀 1 8 、1 9 失电换向到左位工作，于是回油插装阀1 4 的控制腔因与高压油连通而关 1 4 中南人学硕i ：学位论文第一二章肤力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 闭、进油插装阀1 5 的控制腔因与低压油连通而开启，工作主泵2 通过单向阀5 、 电液换向阀6 的右位、进油插装阀1 5 向打桩油缸2 3 的下腔提供压力油，液压打 桩锤的锤头2 5 在打桩油缸2 3 下腔压力油的推动下开始作回程运动，打桩油缸 2 3 尾部压力反馈腔中的工作介质( 氮气) 因被压缩而储存能量，打桩油缸2 3 尾 部压力反馈腔中工作介质( 氮气) 的压力逐渐升高，直到压力反馈腔中工作介质 ( 氮气) 的压力达到p l c 控制系统设定的换向压力为止，p l c 发出控制信号使 配流系统中的液压控制阀改变工作状态。此时液压打桩锤的上升过程并没有终 结，锤头2 5 在惯性力的带动下继续上升，打桩油缸2 3 下腔需要的液压油通过单 向阀1 1 、电液换向阀6 的右位、回油滤清器3 由油箱l 提供，直到锤头2 5 的运 动速度减为零为止，桩锤上升阶段结束。 2 、桩锤下降阶段 当压力传感器2 2 检测到打桩油缸2 3 尾部压力反馈腔中氮气的压力达到p l c 控制器设定的换向压力时，p l c 控制器发出控制信号使高速开关阀1 8 、1 9 得电 换向到右位工作，于是回油插装阀1 4 的控制腔因与低压油连通而开启、进油插 装阀1 5 的控制腔因与高压油连通而关闭，恒压主泵2 停止向打桩油缸2 3 的下腔 提供压力油，恒压主泵2 输出的多余压力油通过单向阀5 、电液换向阀6 的右位 进入高压蓄能器1 3 的油腔，打桩油缸2 3 下腔的低压油则通过回油插装阀1 4 、 电液换向阀6 的右位、回油滤清器3 流回油箱l 。桩锤在自身重力和氮气爆炸力 的双重作用下以大于自由落体加速度的速度迅速下落打击桩帽完成沉桩作业。 3 、系统保压阶段 在沉桩动作完成之后，为防止桩的反弹，增加打击力对桩的有效作用时间， 同时也为了便于通过p l c 控制器设定换向阀的延时动作来调节桩锤的打击频率， 液压打桩锤需要在桩上停留一段时间，此时工作主泵2 输出的高压油通过单向阀 5 、电液换向阀6 的右位进入高压蓄能器1 3 的油腔，桩锤配流系统的压力开始上 升，同时打桩油缸2 3 的下腔与高压蓄能器1 3 的油腔相连，当高压蓄能器1 3 油 腔内的压力到达配流控制系统所设定的提锤压力时，保压过程终止，液压打桩锤 又开始新一周期的工作。 压力反馈p l c 控制配流系统方案是对压力反馈配流方式的创新改造，该方案 以p l c 作为配流系统的控制核心，并通过压力传感器检测打桩油缸尾部压力反 馈腔内的氮气压力来控制配流系统中液压控制阀的交替启闭，从而实现桩锤工作 状态的转换，使得配备该配流系统的液压打桩锤能够实现工作参数的独立无级调 节，保证桩锤的输出参数能够与土质情况和桩身材质强度始终处于最佳的匹配状 态，并且采用与p l c 接口方便、抗油污能力强、响应速度快的高速开关阀配合 液控换向阀、二通逻辑插装阀作为配流系统的液压控制元件，使得桩锤配流系统 中南人学硕1 ：学位论文第二章胝力反馈p l c 控制配流系统总体方案设计 的能量损失小、工作效率高。 2 3 2 压力反馈p l c 控制配流系统技术优势 液压打桩锤压力反馈p l c 控制配流系统是将压力反馈配流方式与p l c 控制 器相结合的产物，具有现有配流系统无法比拟的独特优势，具有表现如下： l 、液压打桩锤压力反馈p l c 控制配流系统取消传统配流系统以柱塞阀、套 阀作为配流系统的主控换向元件，而代之以技术相当成熟、控制功能完善、工作 可靠性高的p l c 控制器作为配流系统控制信号分析、处理与发布的核心元件。 这样就避免了配流换向主阀工作过程中存在的能量损失以及由于阀芯受到液动 力、液压卡紧力、粘性摩擦力、密封摩擦力、回复弹簧力等的影响而出现工作参 数不稳定的现象；另外由于反馈控制压力是通过p l c 控制器来设定的，在p l c 控制器的数据存储器内可以设置大量的反馈控制压力值来供程序运行时调用，所 以压力反馈p l c 控制配流系统比压力反馈配流系统采用溢流阀来调节控制压力 的控制精度更高、工作参数调节范围更广。 2 、液压打桩锤压力反馈p l c 控制配流系统采用高速开关阀作为二通逻辑插 装阀的一级先导控制元件，不仅使得液压打桩锤配流系统的响应速度快、打击频 率高，而且使得配流系统与计算机之间的通讯变得简单易行，桩锤整机成本大大 降低。 3 、压力反馈p l c 控制配流系统对工作环境的适应能力更强。对于液压打桩 锤工作过程中造成的压力反馈腔氮气压力变化，压力反馈p l c 控制配流系统能 够对压力反馈腔的初始工作压力进行判断，并调节桩锤活塞上升位置，从而保证 液压打桩锤打击参数的稳定。当温度较高时，压力反馈腔的初始压力增大，桩锤 上升位置提前，通过p l c 可以设定较大的反馈压力以增大桩锤的打击能量、减 小桩锤的打击频率，从而保证打击参数稳定。当压力反馈腔出现漏气或者在高寒 地区工作时，压力反馈腔的初始压力较小，可以通过p l c 设定较小的控制压力， 从而保证打击能量与打击频率的稳定。 4 、压力反馈p l c 控制配流系统实现了液压打桩锤的脱桩、断桩与漏气保护 功能。在施工过程中若出现脱桩、断桩或者漏气等反常状况，配流系统p l c 控制 器检测到异常状况后会自动锁死进油与回油插装阀，能够立即有效地实现桩锤制 动，将空打对施工设备以及周围工作人员的伤害扼杀在萌芽状态。 5