（机械设计及理论专业论文）压力反馈式液压锤冲击器性能与结构分析.pdf

中南人学硕士学位论文摘要 摘要 液压打桩锤是用于建筑、码头等桩基础施工的预制桩施工机械。 与落锤、柴油锤等传统打桩锤比较，它具有噪声小、无污染、振动小 等优点，符合环保要求，并具有能量传递效率高且易于控制等优点。 为了克服目前国内外行程反馈式液压打桩锤存在不能无级调节打击 能力的问题，中南大学和湖南长河机械有限公司经过多年的研究联合 研发的压力反馈式液压锤，实现了打击能力的无级调节。但压力反馈 式液压打桩锤冲击器输入参数与性能输出参数之间的关系及打击力 与冲击系统结构参数之间的关系，目前还没有做相关的深入研究。本 文通过对冲击器输入参数与性能输出参数关系及打击力与结构参数 关系的仿真研究，验证其初始参数设计是否合理。 首先，本文在分析比较国内外同类液压锤产品结构特点和工作原 理的基础上，分析了压力反馈式液压锤结构特点和液压系统工作原 理，并就其关键技术与国内外同类产品进行比较，并对冲击器控制参 数与输出性能参数进行仿真计算和分析； 其次，在桩锤撞击波动理论的基础上，根据压力反馈式液压打桩 锤冲击系统结构特点建立动力学模型，并应用状态空间法对此模型进 行仿真分析。同时还就冲击系统结构参数与打击力参数关系进行仿真 分析，研究垫层刚度和厚度参数对桩顶打击力的影响。并对压力反馈 式液压锤在不同桩种的施工条件下如何调节初始控制参数和结构参 数得到合理的打击力，实现将桩既快又好地打入预定的土层； 最后，在中南大学和湖南长河机械有限公司联合研制生产的 z c y 7 0 型压力反馈式液压锤上进行打桩实验研究，实验结果与仿真结 果基本吻合，达到了预期的效果，证明冲击器初始参数和冲击系统结 构参数设计的合理性。 关键词压力反馈；液压锤；冲击器；垫层参数；打击力 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t h y d r a u l i cp i l eh a m m e rw a sak i n do fm a c h i n e ，w h i c hw a sw i d e l y u s e di nt h e p i l ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o no fa r c h i t e c t u r ea n dd o c k c o m p a r e dt os u c hc o n v e n t i o n a lh a m m e ra sd r o ph a m m e ra n dd i e s e lp i l e h a m m e r , i to w n e ds o m ea d v a n t a g e ss u c ha sl o w e ri m p a c tn o i s e ，n o e x h a u s tg a s ，l e s sv i b r a t i o n ，h i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dm o r ef l e x i b l e t oc o n t r 0 1 a tt h ep r e s e n t ，t h eh y d r a u l i cp i l eh a m m e ro fh o m ea n da b r o a d a l la d o p tt h em o d eo fd i s t a n c ef e e d b a c kt oa d j u s tt h ep i l i n ge n e r g y b u t t h e p i l i n ge n e r g yo ft h eh y d r a u l i cp i l eh a m m e rc a n t b ea d j u s t e d i n d e p e n d e n t l ya n ds t e p l e s s l y s o ，i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ht h eh y d r a u l i c p i l eh a m m e rp r o d u c e db yc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t ya n dh u n a nc h a n g h e m a c h i n e r yc o ，l t dw h i c hc a nb ea d j u s t e dt h es t r i k ee n e r g yu n l i m i t e d f i r s t l y , o nt h eb a s eo fc o m p a r i n gw i t hv a r i o u sd o m e s t i ca n do v e r s e a s s i m i l a r h y d r a u l i cp i l eh a m m e r , t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i cp i l eh a m m e rp r o d u c e db yc e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t ya n dh u n a nc h a n g h em a c h i n e r yc o ，l t d t h i sp a p e rc o m p a r e s i t ss t r u c t u r ea n di t sp r i n c i p l eo fw o r kw i t hv a r i o u sd o m e s t i ca n do v e r s e a s s i m i l a rh y d r a u l i cp i l eh a m m e r , a n da n a l y z e sd e t a i l e d l yw o r k i n gp r i n c i p l e o ft h ei m p a c t o r s e c o n d l y , o nt h eb a s eo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i ca n d i m p a c ts y s t e m ，t h ep a p e re s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c a lm o d e lf o ri m p a c t i n g p r o c e s sw i t ht h ee q u a t i o n so ft h e r m o e l a s t i c i t ya n da n a l y z e si t ss i m u l a t i o n a n da l s os t u d i e st h ei n f l u e n c eo ft h ep i l ec u s h i o np a r a m e t e r st op i l e h a m m e ro nt h em a x i m u mf o r c et r a n s m i t t e dt ot h ep i l eh e a d m e a n w h i l e ， a n a l y z i n gh o w t oc h a n g ei n i t i a ln i t r o g e np r e s s u r ea n dc o n t r o l l e dp r e s s u r e t oa c h i e v e p i l i n ge f f i c i e n t l y t h i sa l s op r o v i d e ss c i e n t i f i cs u p p o r to f d e v e l o p i n gh y d r a u l i cp i l i n gh a m m e r l a s t l y , t h ee x p e r i m e n t so nt h ez c y 7 0m o d eh y d r a u l i cp i l eh a m m e r p r o d u c e db yc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t ya n dh u n a nc h a n g h em a c h i n e r yc o ， l t ds h o wt h a tt h er e s u l t st a l l i e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s e a r c h t h e n e w s t y l ei m p a c t o ro fh y d r a u l i cp i l eh a m m e ra c h i e v e dt h ea n t i c i p a t i v e e f f e c ta n dd e m a n d sp r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h e o r yr e s e a r c h 1 1 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s p r e s s u r ef e e d b a c k ；p i l i n gh a m m e r ；i m p a c t o r ；p a r a m e t e r s o ft h ep i l ec u s h i o mp i l i n gf o r c e 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：乎 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者虢平导师签名缝军魄衅上月业日 中南入学硕士学位论文第一章绪论 1 1 液压打桩锤的发展 第一章绪论 桩工机械是用于完成预制桩的打入、沉入、压入、拔出或灌注桩的成孔等作 业的机械，广泛应用于桥梁、建筑、码头和港口等基础施工中的预制桩施工。桩 工机械按其工作原理可分为冲击式、振动式、静压式和成孔灌注式四类、打桩锤 是最常用的桩工机械，主要有落锤、柴油打桩锤、振动桩锤、蒸汽打桩锤、电磁 锤等形式。随着打桩机械的发展，打桩锤由传统的落锤、蒸汽锤、柴油锤、振动 锤发展到了现在广泛应用的液压打桩锤嘲。 液压打桩锤技术起源于六十年代。1 9 6 4 年荷兰h b g 公司( h o ll c u d s c h eb e t w g r o o pn r ) 研究发展部开始研究液压锤，1 9 6 5 年试制成功世界上第一台液压锤， 1 9 6 9 年制成h b m 型液压锤。从6 0 年代开始，荷兰i h c 公司和h b mh y d r o b l o k 公 司共同研制开发液压锤。1 9 7 6 年，英国b s p 公司研制成功1 0 吨锤重的液压锤， 日本日立建机( 株) 公司买进英国b s p 公司的专利并于1 9 7 9 年试制成功，开始 投入实际使用。特别是1 9 8 3 年，液压锤被 的“建设机身评定制度”所 确认，因此进一步取得了普及推广。7 0 年代至8 0 年代德国、前苏联、芬兰、美 国、瑞典等国家也先后制造了各种形式的液压锤。而我国在进入9 0 年代后，才 开始研制出液压打桩锤。 目前液压锤在国外发达国家被广泛使用，并已经形成系列化，有许多公司开 发了各种形式的液压锤，典型的产品如英国的b s p 系列、荷兰的i h c 公司的s c 系列、日本日立公司的h n c 系列、日本车辆公司是n h 系列和n h s 系列、芬兰 j u n t t a n 公司的h h k 以及h h k a 系列等。国内的液压锤技术相对比较落后，目前 还没有进行大规模生产和设计的厂家，我国建筑单位使用的液压锤基本上全部从 其它国家进口。例如我国浙江杭州跨海大桥桩基础就是采用荷兰i h c 公司的 s c - 2 5 0 液压打桩锤施工。国内目前只有上海金泰公司等少数单位和研究部门从 日本等国家引进液压锤技术进行消化并开始试制生产。由于液压锤与传统的打桩 锤比较具有噪声小、无污染。无油烟飞散等特点，可以说是一种绿色产品，符合 环保要求。同时由于采用了先进的控制技术而使得液压锤产品具有优良的动力学 特性和可控制性瞪川。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外现有的液压打桩锤的结构特点与工作原理 1 2 1 国内外现有的液压打桩锤的结构特点 液压打桩锤由液压打桩锤本体、液压动力源及油路系统、操作控制柜等组成。 液压锤锤体包括桩锤驱动装置和冲击力传递装置两部分。 ( 1 ) 桩锤驱动装置 桩锤驱动装置由锤头总成、冲击缸、阀组等部分组成。根据势能和液压能对 桩锤的作用，一般我们可以将桩锤分为两种：单作用液压锤和双作用液压锤。 ( 2 ) 打击力传递装置 打击力传递装置是由缓冲装置、桩帽和桩垫等构成。 液压打桩锤在桩锤与桩帽之间装有缓冲挚，防止了金属的直接冲击，大大降 低了噪声，并且能够保护桩头不受到破坏。同时，采用隔音材料制成的锤罩将桩 锤和打击力传递装置封闭起来，也有效地降低了噪声。 ( 3 ) 动力源及油路系统 液压打桩锤的液压回路主要由液压泵、溢流阀、卸荷阀、换向阀( 逻辑阀) 、 蓄能器、冲击缸以及管路等组成。 ( 4 ) 操作控制柜 一般采用传统的继电器控制。控制方式有手动和自动打桩两种状态。液压打 桩锤下落高度控制装置主要有时间设定方式和位置设定方式两种类型。 1 2 2 国内外现有的液压打桩锤的工作机理 液压打桩锤按结构和工作原理可分为单作用式和双作用式两大类瞄1 。 单作用式液压锤是通过液压油将冲击体举升到一定高度后快速释放，冲击锤 以自由落体方式冲击桩顶。 双作用式液压锤是通过液压油将冲击锤举升到一定高度后，由液压系统的控 制，液压油改变方向，推动冲击锤以更高的动能冲击桩项，这时的冲击能除了冲 击锤的重力能外，还有压力油的强大推力所提供的能量，使冲击锤下落的加速度 超过自由落体加速度。由此可见，双作用式液压锤的冲击能量要比单作用式液压 锤的冲击能大，打桩工作效率高。 单作用式和双作用式液压打桩锤的工作原理是基本相同的，桩锤与液压缸活 塞杆刚性联接，动力源通过油路系统传递给液压缸上下腔压力油，由操纵盘进行 电子控制以提升桩锤至设定高度和使桩锤下落实现桩锤的连续打击。下面介绍这 两类的液压打桩锤工作原理。 1 ) 单作用液压锤的工作原理简介 单作用液压锤在上升过程中，液压泵和高压蓄能器共同向油缸下腔供油，桩 锤快速上升。下降过程中低压蓄能器与油缸下腔共同对油缸上腔供油，油缸上腔 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 为低压腔，桩锤主要靠重力作用下以近似自由落体方式下落，同时进油端的高压 蓄能器吸收来自液压泵的全部压力油。单作用液压锤分为油缸驱动单作用液压 锤、油缸和钢缆驱动单作用液压锤、单作用油缸自由下落液压锤以及桩锤直接驱 动液压锤。 单作用液压锤工作方式有：由液压源供给液压缸活塞杆腔高压油，使活 塞上升，桩锤被提到规定高度后，迅速将活塞杆腔的压力油切换到活塞腔( 低压 油腔) ，桩锤在重力的作用下以接近自由落体的速度快速下落；桩锤与活塞杆 的连接是一种可快速分离的连接结构。液压源供给液压缸活塞杆腔高压油，推动 活塞上升，桩锤被提升到调定高度后，立即使桩锤与活塞杆分离，桩锤则以自由 落体的速度下降。 2 ) 双作用液压锤的工作原理简介 双作用液压锤在下落时受到势能和液压能的双重作用，以大于重力加速度的 速度下落。双作用液压锤在工作过程中，将桩锤提升到调定高度后，立即使液缸 上、下腔沟通，形成差动连接。由于上腔活塞有效工作面积大于下腔室活塞效工 作面积，产生向下的液压推力，推动桩锤加速下落。 由于活塞瞬时速度越来越大，所需瞬时流量也很大，仅仅依靠液压泵供油 是不够的，需要借助于蓄能器短时间内向液压缸输入大流量高压油。双作用液压 锤能够获得较大的打击能量和打击力，但是上升速度慢，打击频率低旧。 二、液压锤油路系统和工作机理实例分析 1 单作用液压打桩锤 以英国b s p 公司h h 3 5 7 液压锤为例分析单作用液压锤油路系统及工作机理。 1 ) 油路系统组成 液压系统分析：液压系统采用开式系统，由液压泵冲击回路和冷却回路组成， 如图i - 1 所示。 液压泵站采用德国力士乐公司的a 7 v 1 0 7 变量柱塞泵，为了满足施工地质情 况对冲击能量及冲击频率的不同要求，提升油缸所需的流量变化较大，因此采用 比例变量泵，通过调节液压泵的排量来改变系统的流量。主溢流阀采用电磁溢流 阀进行压力调节和卸载，易于操作。动力采用卡特皮勒公司的柴油机，额定功率 为1 2 3 k w ，柴油机的怠速、正常运转都是通过电子装鼍进行操作，为了更好地对 系统温度进行控制，加设冷却回路。 2 ) 工作机理分析 停止状态时，溢流阀5 断电，来自液压泵的压力油直接流回油箱，油缸3 的 上下腔连接，活塞停止至油缸最低端位置。 工作周期分为桩锤上升、桩锤下降和桩锤保压三个阶段。 a 桩锤上升 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 启动柴油机使变量泵开始工作，这时，液压油由油箱3 通过变量泵1 泵入， 当电磁溢流阀5 通电时，系统建立压力。电磁换向阀6 通电( 第一次上升按动手 动开关使之通电) ，其中一路液压油通过减压阀2 、电磁换向阀6 ，进入锤头油缸 6 5 1 比例变量泵2 减压阀3 油箱4 蓄能器5 电磁溢流阀6 电磁换向阀 7 单向节流阀8 低压蓄能器9 高压蓄能器l o 先导控制阀1 1 接近开关1 2 油缸 图1 - 1h h 3 5 7 液压锤液压系统组成 1 2 的先导控制阀1 0 ，使先导阀1 0 上移，将主回路与油缸1 2 的下腔接通；同时 另一路液压油通过先导阀1 0 进入锤头油缸的下腔，高压蓄能器9 快速释放其在 桩锤保压和下降过程中储存的液压油，在高压压力油的作用下使油缸活塞上移， 带动桩锤快速上升。油缸上腔的液压油被压入回油管路，同时回油路上的低压蓄 能器8 开始储存油缸上腔排出的部分液压油，减少回路的压力波动，储存桩锤 下降所需要的液压油，使回油路保持一定的压力。 当锤头油缸活塞上移到缸顶部后，接近开关1 1 将断电信号传入电液换向阀 6 ，阀6 断电换向，控制换向阀1 0 的小油缸下腔的液压油经阀6 回到油箱，在低 压蓄能器8 的压力作用下使小油缸的活塞下移，带动换向阀1 0 换向，油缸下腔 与回油管路、上腔接通，液压泵与油缸问油路被切断。油缸的活塞在惯性力作用 下，继续上升，至速度为零时为止，上升的高度取决于锤头自重、运行速度和液 压油阻力，但时间很短。同时高压蓄能器补油，低压油从上腔回到下腔，过量的 油液进入回油管路和低压蓄能器。 b 桩锤下降 当桩锤上升速度为零时，在桩锤重力的作用下，锤头开始自由下落。油缸下 腔和低压蓄能器一起向油缸上腔提供液压油。下降到设定行程后，桩锤丌始接近 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 接近开关1 1 ，这时接近开关动作，保压延时继电器开始计时。桩锤继续下落， 打击在桩帽上。 c 保压阶段 在打击桩锤动作完成之后，进入保压阶段。保压时间由电气控制系统中的保 压延时继电器确定。保压时间后延时继电器动作，电液换向阀6 通电，开始新一 轮工作循环力引。 2 双作用液压打桩锤 以日本车辆公司n h 型液压锤为例分析双作用液压锤油路系统和工作机理。 1 ) 油路系统组成 n h 型液压锤液压系统组成见图l - 2 。在液压缸筒体上有八个限位开关用来控制 锤的行程，以适应不同行程的打桩工况要求。系统中的液压泵1 0 采用定量双联 柱塞泵，具有能承受高压、大流量、价格较低的优点；高压蓄能器5 储存桩锤在 保压和上升过程中液压泵释放的液压油，缓冲了过渡过程的压力冲击，而在桩锤 下降时快速释放其储存的压力油，补充桩锤下降所需要的压力油，使桩锤以大于 重力加速度快速下落；进油回路中的单向阀4 在桩锤上升过程中只允许泵的压力 油单向流入高压蓄能器，保持高压蓄能器中的高压力状态；桩锤工作过程中各阶 段的切换由电磁阀控制通过控制三个逻辑阀丌关来实现。 1 油缸2 、7 、9 逻辑阀3 、6 、8 电磁阀2 、4 单向阀 5 高压蓄能器1 0 液压泵1 1 低压蓄能器1 2 溢流阀1 3 行程开关 图1 - 2 n h 液压锤液压系统组成 2 ) 工作机理分析 双作用液压锤的一个工作周期分桩锤上升、桩锤下降和桩锤保压三个阶段。 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 a 桩锤上升 电磁阀3 、8 通电，电磁阀6 断电，从而逻辑阀7 闭合、阀2 闭合阀9 打开。 为避免高压蓄能器和液压泵压力油直接流回油箱，应顺序关闭逻辑阀7 、逻辑阀 2 ，使油缸上下腔隔开，之后将逻辑阀9 打开，使油缸上腔压力油流回油箱。在 桩锤开始上升一段时白j 内，桩锤上升所需要的液压油流量小于液压泵输出流量， 泵输出的多余压力油经单向阀流向高压蓄能器储存起来。容腔压力由高压蓄能器 压力确定，高压蓄能器压力继续上升，桩锤上升加速度和速度逐渐增大，当液压 泵的压力油全部提供给油缸时，桩锤开始匀速上升。桩锤匀速上升过程中，液压 泵提供的压力油全部提供给油缸下腔，桩锤匀速向上运动。由于高压蓄能器与油 缸之间存庄单向阀，尽管高压蓄能器内的压力大于油缸下腔压力，高压蓄能器也 不会向油缸下腔提供压力油。因此，在该过程中油缸下腔压力低于高压蓄能器内 压力。上升过程中油缸上腔液压油经过逻辑阀9 流回油箱，低压蓄能器吸收来自 油缸上腔部分液压油，以缓冲回路的压力冲击，减少管路的振动。 b 桩锤下降 电磁阀3 、8 断电，阀6 通电，使逻辑阀9 闭合，阀2 ，阀7 打开。为防止 高压回路与回油回路直接相通，顺序关闭逻辑阀9 ，丌逻辑阀2 ，使油缸上下腔 连通，泵与油缸下腔压力油流入上腔同时泵的部分压力油瞬间流向高压蓄能器； 然后逻辑阀7 打开，使高压蓄能器储存的压力油流向缸上腔。在桩锤丌始下降瞬 间，桩锤下降需补充的流量小于泵的输出流量，泵向高压蓄能器及上腔供油，液 压泵向高压蓄能器提供多余的压力油，系统压力瞬间上升。当桩锤下降需补充的 流量大于泵的输出流量，泵、高压蓄能器及下腔共同向上腔供油。由于油缸上腔 与高压蓄能器连接以及油缸上下腔之间的体积差，桩锤在重力和液压力的作用下 以大于重力加速度的加速度快速下落，打击桩锤。 c 保压阶段 逻辑阀9 关闭、阀2 打开、阀7 关闭。液压泵向高压蓄能器充油，压力上 升以建立起升压力。油缸上下腔与高压蓄能器相连通，锤的重力和高压压力油 共同作用于桩上，防止了桩的反弹，也增加了桩锤对桩的作用时间。低压蓄能 器则继续向油箱排放其存储的剩余压力油，压力逐渐下降，逐渐变化到接近充 气压力。当高压蓄能器内压力到达所要求的起升压力时，保压过程结束，桩锤 开始新一轮工作周期归儿叫。 1 3 液压打桩锤与传统打桩锤的比较 1 3 1 传统打桩锤的介绍 传统的打桩锤有：柴油锤、蒸汽锤和振动锤。下面分别对它们做简单的介绍： 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 柴油锤 5 0 年代开始广泛使用柴油锤，它具有结构简单、安装方便、施工速度快等 特点，是传统冲击式打桩机的代表，由于其经济的打桩方法和成熟的施工管理技 术，至今仍然在一些国家被广泛地使用。柴油锤是一种利用两冲程内燃机的原理 进行工作的桩锤，它利用柴油在锤体气缸内燃烧时的爆炸力使冲击部分升起，然 后落下，进行冲击打桩。但由于柴油锤存在噪声、振动以及环境污染等缺点，与 液压锤相比较存在明显的差别，故而有逐渐被液压锤淘汰的趋势。 2 蒸汽锤 蒸汽锤是一蒸汽作为动力源的冲击型打桩机械，由锅炉提供饱和蒸汽，蒸汽 提供蒸汽气锤和蒸汽卷扬机用，故其辅助设备多，制造成本高，效率低，不能广 泛使用。但是随着桩机向大型化方向发展，特别是海底石油开发中，打入斜桩和 水下作业时具有明显的优越性，而且其操作与维修比较容易，故仍有一定的使用 市场。 3 振动锤 振动打桩锤是利用其高频振动，以高加速度振动桩身，使桩身周围的土体产 生液化，减少与土体间的摩阻力，然后靠振动沉拔锤与桩体的自重将桩沉入土层 重。振动锤既可以用于沉桩业可以用于拔桩，在拔桩时，在边振动的情况下，用 起重设备将桩拔起。其使用效率高、经济性高。但其对地基的振动很大，使其使 用范围受到限制，在其发展过程中为了降低对地面的振动，采用了多种技术手段。 振动锤有偏心块旋转式( 包括电驱动、液压马达驱动) 、电液伺服式以及较先进 的滑阀式高频振动液压锤等形式n 。 1 3 2 液压打桩锤与传统打桩锤的比较 下面以柴油锤为对象，分别在以下方面与液压锤比较： 6 0 年代开始出现的液压锤采用了一种新颖的工作原理，它体现了传统打桩 技术与现代控制理论( 液压传动) 的有机结合。液压锤是一种通过压力油作为动 力传递介质进行工作的桩锤，它通过液压缸下腔的压力油将锤头提升到指定的高 度，然后在锤头重力作用下或在液压缸上腔压力油共同作用下下落，进行冲击打 桩，由操纵盘进行电子控制使桩锤上升到设计高度和使桩锤下落等，从而实现桩 锤的连续打击。液压锤与柴油锤是两种最典型的冲击式打桩锤，现分别从以下方 面对两者进行比较： 1 环境污染 柴油锤主要利用柴油燃烧爆炸原理打桩，而且上下活塞之间不能安装缓冲 垫，两者之间会产生强大的金属冲击声，加上同时发出的排气声使之成为一种典 型的高噪声桩工机械。打桩时还有油烟飞散，对城市的环境带来很大的污染，给 周围居民带来诸多不便。使用范围越来越受到限制，在欧洲，很多国家对于限制 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 打桩中的噪声和振动作了明文规定，并设有部门专门主管这项工作。如果不遵守 这些规定，就必须停止施工或强制使用低噪声施工法。而在有些国家和地区( 如 香港) 不仅对柴油打桩锤规定了限制法，而且环卫部门还要测定各种锤的噪音级 并预先在打桩机上表示出来。有些国家十分重视控制油烟污染的问题。如新加坡 和美国的加尼福尼亚州，对禁止使用某些柴油锤作了严格规定。 液压锤打桩时噪声低，振动较小，环境污染小。液压锤不但可以安装缓冲装 置，还可通过锤罩将桩锤和冲击力传递装置封闭起来，有效地防止噪声引起的公 害。理论b s p 3 5 7 型液压锤打桩时的噪音为8 0 - 8 5 分贝，而相当量级的柴油锤的 噪音在1 0 0 分贝以上。为了降低操作中的噪音，液压锤还可以采用由填满铅的钢 管制成。另外，带声音绝缘套的液压锤比柴油锤产生的噪音小的多。 液压锤比柴油锤清洁得多。液压锤以液压油作为动力，桩锤以自由落体或加 速落体形成下落，打击桩锤时无油烟飞散，没有由于柴油燃烧室燃烧而产生的废 气排出，空气污染大大减少。因此，液压锤技术符合环境保护要求，随着液压锤 技术的不断发展成熟，液压锤将成为将来工程建筑重必备的绿色打桩设备。 2 打桩质量 采用柴油打桩锤打桩常出现桩头损坏现象。桩头损坏的原因主要是冲击力过 大，使桩身中出现的冲击应力超过了桩体材料的屈服极限应力而发生的。根据以 往知识，如果作用在桩上的冲击力不超过钢板屈服力的8 0 9 6 ，就可将钢板顺利地 全部打入土中而不致损坏。然而用该型号柴油锤打桩时，产生的冲击力高达1 0 0 吨，在反复冲击力的作用下就将钢板打裂。在图中出现的冲击力跌落现象，表明 桩身发生冲击应力。所以，冲击力峰值越高，跌落越多，冲击应力就越大，当冲 击力超过了一定限度，桩内的冲击应力超过了屈服极限应力，则桩头就会损坏。 当桩头损坏时，需要补打或将桩拔出重打。显然，柴油锤打桩的动力学特性确定 了桩头损坏不可避免。柴油锤的使用寿命也比较短。不过与液压锤相比较，价格 比较便宜，而且打钢管空心桩，然后灌注钢筋水泥，在目前国内很多地方，柴油 锤仍然使用广泛。 而采用液压锤进行打桩产生的冲击力峰值小，压桩时间长，桩头不易损坏。 对于液压锤，可以根据需要调节打桩过程冲击力与时间之间的关系曲线，不但贯 入度大，而且可以避免打桩过程中桩头的损坏。同时，液压锤使用寿命也比柴油 锤长。 液压锤的控制系统除了控制桩锤的打击力外，还可以根据需要控制打桩过程 的打桩行程、打桩频率等重要参数，并通过各种传感器将打桩过程的各种重要数 据资料显示或根据需要打印出来，可大大方便操作人员对打桩过程进行监视和控 制。而且，液压锤的控制系统对打桩过程中出现的异常情况可立即自动地做出反 应，可以很好地保护液压锤，同时方便操作人员对产生的错误进行修改。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 打桩效果 液压锤能比柴油锤更有效地将能量传递到桩上。根据有关实验报告得出以下 要点：典型的柴油锤可以传递能量的3 0 4 0 9 6 到桩上，而在有些情况下甚至低于 l o ；而液压锤可以传递其位能的6 0 9 6 以上到桩上，而且常常可以达到7 0 - 8 0 以 上，即液压锤的能量利用率高。液压锤的能量损失主要在于油路压力损失，柴油 锤的能量损失主要来自于柴油燃烧的不充分及散热等等。 液压锤与柴油锤相比打击能量大。由于锤头的质量很大，每次冲击时可产生 足够大的沉桩力，一次贯入度大，而且可以保证较长时间冲击力作用在桩上。在 桩锤发挥最大能量的情况下，从测量桩锤位能所得到的结果，可知用液压锤打桩 几乎可以相当于额定能量为其两倍的柴油锤，可满足大吨位打击能量要求，如海 上油田打桩以及海上桥梁打桩。而柴油打桩锤每次打桩的打击力相对较小，且冲 击力在桩上的作用时问短，产生的贯入度小，故工作时间较长。 通过各个方面的比较，液压打桩锤同其它桩锤比较具有以下优点： ( 1 ) 可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量 的充分发挥而不损害桩身，施工时可省去桩挚： ( 2 ) 在打桩过程中，同时可获得下打冲击力和贯入度指标，因而可有效地 确定桩是否已进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力； ( 3 ) 液压锤特别适应打斜桩作业及水下桩基施工，液压桩锤不存在软土起 动困难的问题，而且适应各种气候下的施工作业； ( 4 ) 冲击能量可提高许多； ( 5 ) 液压桩锤的公害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩 锤低2 0 d b 左右，因而能够适应桩基础的施工作业n 2 】 m 】。 1 4 液压打桩锤的发展趋势 液压打桩锤是一种新型的打桩设备，可用于建筑码头等桩基础施工。由于它 不仅具有预制桩施工工法的诸多优点，又能避免柴油锤等传统打桩设备所引起的 噪声油烟污染，还具有能量传递效率高，噪声小，且没有软土地上起动困难的缺 点等优点。随着人们环保意识的增强，液压打桩锤取代其它形式的打桩设备是大 势所趋 1 4 1 1 5 1 6 。 目前，英国、芬兰、苏联、日本等国家都研究开发了液压锤，其结构尺寸各 有所异。由于液压锤有许多优点，所以市场需求同益增加，许多国家j 下加紧开发 研究，其发展趋势有以下几个方面： ( 1 ) 开发研究可打h 型桩和板型桩的小型液压锤： ( 2 ) 开发可打倾斜桩的大型液压锤： 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 开发研究在海洋工程中水下打桩的液压锤； ( 4 ) 开发研究用于桥梁港口施工中的超大型液压锤； ( 5 ) 液压系统的节能以及能量的充分利用的研究。通过优化设计，实现液 压泵、液压缸、蓄能器、管路之间的最优匹配，减少能耗，提高打桩效率； ( 6 ) 开发适用于不同土质、不同桩形式和尺寸、不同的施工要求的多功能 型液压锤。通过多对泵和阀的电子控制，选择打桩形式、调节桩锤行程、打击能 量和打击频率，以满足实际施工要求，提高经济性和施工性n 刀n 引。 1 5 选题的背景和意义 1 5 1 选题的背景 自从二十世纪六十年代液压锤技术诞生以来，液压锤技术成为打桩机械发展 的最重要方向之一。国外液压锤技术得到快速发展，荷兰、英国、f 1 本等国液压 锤技术发展最为迅速，芬兰、德国、前苏联、美国、瑞典等国家也先后制造了各 种形式的液压锤。目前，液压锤在国外发达国家被广泛使用，许多公司开发了各 种形式的液压锤产品，并已初步形成系列化。由于液压锤开发时间不长，属于比 较新的技术，国外关于液压锤完整的理论研究成果尚不多见，对桩锤打击过程的 动态特性分析、动力学特性、打桩效率控制等方面研究文章很少。通过调查发现， 国外液压锤产品的设计仍然较传统的经验设计方法和静态设计方法。液压锤的设 计理论和方法上还不很成熟，产品的性能上也存在一些问题。 目前，发达国家液压打桩锤已经系列化、多样化，以满足各国基础建设的需 要，同时也快速推动了液压锤技术的发展。而我国液压打桩锤研究刚刚起步，因 此，开发，生产液压打桩锤具有广阔的市场和美好的前景n 刚啪1 。目前，国内外同 类产品一直采用行程反馈实现打击能力的几个不同工位的控制，它存在不能实现 打击能力的无级调节的问题。中南大学和湖南长河机械有限公司经过经过多年的 研究，联合研制的压力反馈式液压打桩锤，克服了这一弊端，实现了打击能力的 无级调节。压力反馈式液压打桩锤的主要特点是：只需调节控制系统的压力或氮 气腔的初始压力即可实现对锤头打击能力的无级调节，且具有打击能量大，频率 高的特点。但对冲击器输入参数与性能输出参数关系及打击力与冲击系统结构参 数之间的关系，还没有做相关的深入研究。而要在不同的工况施工条件下，如何 调节初始参数和冲击系统结构参数匹配，实现高效高质施工就必须深入了解各输 入参数对冲击器性能及结构参数对打击力的影响。因此，对压力反馈式液压打桩 锤冲击器输入参数与性能输出参数关系及打击力与冲击系统结构参数关系研究 就显得十分迫切和重要了。 1 0 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 5 2 选题的意义 我国8 0 年代开始从国外购买液压锤产品用于基础建设，产品的维护维修也 由外国人进行，谈不上开发和研制液压锤。进入9 0 年代以后，我国一些有远见 的单位开始液压锤产品的研究开发，主要是通过对国外液压锤产品的测绘进行仿 造。目前我国液压锤技术领域的研究处于探索试制阶段，并没有形成系列化，但 在9 0 年代末期以后，我国很多专家教授加强了这方面的研究，在设计理论和产 品设计方面有了迅速的发展心小别。 但目前国内外同类产品还存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 目前液压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。而且采 用电控系统，设备购置成本大幅提高； ( 2 ) 目前液压桩锤打击能力多为有级调节，可调性、适应性差； ( 3 ) 目前液压桩锤贯入力主要有两种：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，而且打击频率也不高：另一种是锤头下落过 程中重力和液压油压力共同作用于锤头，这样，尽管打击力得到了一定程度的提 高，但由于供、排油系统的限制，打击频率仍难以提高，影响作业效率； ( 4 ) 没有合理的脱桩保护机构。 由于国内目前对液压锤产品的开发还不完善，针对以上存在的问题，中南大 学和湖南长河机械有限公司经过多年联合研究，研制了压力反馈式液压锤。该机 只需调节控制系统的压力或氮气腔的初始压力即可实现打击能力的无级调节，且 具有能量大，频率高的特点，还具有脱桩保护的功能。因此，该液压锤的研制很 好地解决了无级调节打击能力和脱桩保护的问题。但对冲击器输入参数与性能输 出参数关系及打击力与冲击系统结构参数关系，还没有做相关的深入研究。而这 些研究对于调节合理的控制参数和设计合理的结构参数，实现施工时提高打桩效 率和防止断桩事故的发生，将桩既快又好地打入预定的土层。因此，本文在分析 压力反馈式液压锤结构和液压系统工作原理的基础上，详尽地研究冲击器输入参 数与性能输出参数关系及打击力与冲击系统结构参数关系，掌握如何通过调节冲 击器控制参数和设计合理的结构参数得到合理的打击能力的方法，实现将桩既快 又好地打入预定的土层。 1 6 论文研究的主要内容 本课题的主要工作如下： 一、液压打桩锤的发展现状与趋势分析 分析了目前市场中有的液压打桩锤的基本结构特点，并对国内外同类产品的 中南大学硕士学位论文第一章绪论 工作机理进行了概述，并通过与传统打桩锤各方面的比较，提出液压打桩锤的优 点，并通过液压打桩锤的发展现状，提出目前国内外现有的液压打桩锤存在的问 题和液压锤的发展趋势，进而提出本课题的研究意义； 二、压力反馈式液压锤结构分析和冲击器关键初始参数与性能输出参数的仿 真分析研究； ( 1 ) 分析了液压打桩锤锤体结构特点和液压系统工作原理； ( 2 ) 与国内外液压锤锤体关键技术进行比较分析； ( 3 ) 对冲击器工作原理油路进行数学描述分析，并对该输入参数与性能输出 参数关系编制程序，分析冲击器初始参数对性能输出参数的影响，对与冲击器主 要参数的设计确定具有一定的指导意义。 三、压力反馈式液压锤打击力与结构参数的波动力学分析与仿真研究 ( 1 ) 桩锤冲击系统动力学仿真研究。根据桩锤撞击模型的发展，结合压力反 馈式液压打桩锤冲击系统的结构特点，提出桩锤冲击系统模型且利用z c y 7 0 样机 参数进行仿真分析，并把该仿真分析结论与桩锤撞击桩体中应力波理论计算结果 比较，验证样机打击力传递装置结构参数设计的合理性； ( 2 ) 桩锤冲击系统挚层参数与打击力关系研究。利用冲击系统动力学模型对 挚层刚度和厚度参数与桩顶打击力参数进行仿真分析，研究垫层参数对桩顶打击 力参数的影响，验证z c y 7 0 样机挚层参数刚度和厚度参数设计的合理性； ( 3 ) 针对不同施工桩种如何调节冲击系统参数进行研究。对压力反馈式液压 打桩锤在不同的桩种施工条件下如何在锤头重量一定的条件下，通过调节冲击系 统参数来调节桩锤撞击过程中桩项的最大打击力。仿真研究的结果对如何通过调 节各参数在不同的施工过程中在不破坏桩的条件下既快又好地将桩打入预定的 土层具有指导意义。 四、液压打桩锤冲击器实验研究 在液压打桩锤z c y 7 0 样机上对液压打桩锤在不同工况下冲击器性能和打击 力进行了打桩实验研究，实验结果与仿真结果基本吻合，达到了预期的效果，论 证了液压锤冲击器初始参数和冲击系统结构参数设计的合理性。 1 7 本章小结 本章分析了目前市场中有的液压打桩锤的基本结构特点，并对国内外同类 产品的工作机理进行了概述，并通过与传统打桩锤各方面的比较，提出液压打桩 锤的优点，并通过液压打桩锤的发展现状，提出液压打桩锤存在的问题和发展趋 势，进而提出本课题的研究意义，并阐述了本课题的主要工作。 1 2 中南大学硕+ 学位论文第二章液压锤锤体结构分析与冲击器性能参数的仿真分析 第二章液压锤锤体结构分析与冲击器性能参数的仿真分析 2 1 压力反馈式液压打桩锤锤体结构原理 2 1 1 锤体功能结构 以首台z c y 7 0 样机为例，压力反馈式液压打桩锤锤体结构如图2 - 1 所示：主 要由机架、冲击缸、锤头、组合垫层、控制阀组等五个部分组成，所有零部件都 放在机架内。而从功能上分类，压力反馈式液压打桩锤的锤体可以分为执行打桩 结构冲击器和控制动作的液压系统。为了便于分析锤体结构，将锤体分为上机架、 中间架和下机架进行分别说明： 1 桩帽2 桩垫3 锤垫4 砧座5 验桩滚轮换向阀6 锤头7 滚轮换向阀 8 机架9 锤头导向村板1 0 锤体导向板1 1 控制集成阀组1 2 进油管路1 3 回油管路 1 4 冲击缸1 5 吊锤机构 图2 - 1 压力反馈式液压桩锤结构图 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组。为 了减少系统能量损失，控制集成阀块直接与冲击油缸下腔相连。 1 3 中南大学硕士学位论文第二章液压锤锤体结构分析与冲击器性能参数的仿真分析 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减少噪 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，起传力和导向作用，不同的桩帽对应不同尺寸的预 制桩。下机架支撑整机重量，并作为打击部件的导向体。下机架中的各零部件是 液压锤锤体设计的关键，它们不仅承受巨大的打击力，而且必须起到良好的减振 隔音的效果。因此缓冲垫和桩帽的材料特性相当重要，参数必须合理匹配，以达 到最佳的缓冲效果和最长的打击寿命。另外，在锤体背面安装锤体导向装置。 该锤体的主要技术特点体现于a 、b 、c 、d 四个工作腔室。a 腔为氮气工作 腔，b 腔为氮气储藏腔( 即压缩后最小氮气体积) ，c 腔为液压油工作腔，d 腔为 缓冲腔。由图2 1 可知：d 腔的背面安装有溢流阀，它主要起安全保护作用，防 止压力过大。d 腔的进油口为单向阀设计结构，在锤头上升的同时，d 腔也注入 一部分液压油，在锤头在冲击打桩时，起缓冲作用，同时对油缸下端盖起到保护 作用。当系统检测到脱桩时，液压控制系统把液压缸进油口、回油口关闭，冲击 缸下腔的液压油作为缓冲介质完成前级缓冲，当活塞杆碰到缓冲腔的挡块后还在 继续下降，则液压缸缓冲装置开始工作。在溢流阀调定的压力的作用下，使锤头 停止运动，完成后级缓冲过程。 在压力反馈式液压桩锤锤体主体结构中，除了具有特色气液联动的液压冲击 缸之外，还有另外一个新颖的结构：液压集成块。与国内外同类产品的不同之处 在于，目i j f 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较大，因此采用插装阀) ，而本文采用气液联合 控制的液控换向阀来控制进、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 1 2 锤体液压系统工作原理分析 以上是执行冲击打桩锤体结构的分析，下面接着分析其液压系统：压力反馈 式液压桩锤