机电一体化技术在液压静力压桩机上的应用.pdf

机电一体化技术在液压静力压桩机上的应用 刘均益1 龚艳玲2 谢习华2张大庆2 1 湖南山河智能机械股份有限公司 湖南长沙4 1 0 1 0 0 2 中南大学机电工程学院 湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要 通过深入分析现阶段国内外静力压桩机控制系统的现状 阐述了以前静力压桩机控制 系统存在的问题 针对这一状况提出了液压静力压桩机机电一体化技术解决方案 将P L C 电液控 制等技术运用到控制系统中去 针对产品和用户的实际需求 设计了自动压桩 机器自动调平 浮 机报警与控制及施工数据自动记录等功能 并在实践中验证了其功能及可靠性 使静力压桩机整机 性能大幅度提高 关键词 静力压桩机 机电一体化技术P L C 1 前言 液压静力压桩机这种桩基础施工设备 主要用于在深厚的软土层 土质不均匀以及存在震动 载荷的场地上修建各种建筑物的场合 特别应用在建造高层建筑 重型厂房和具有特殊要求的建 筑物的场合 由于液压静力压桩机具有施工无振动 无冲击 无噪声 无污染等各种优点 因此 在施工中已得到广泛的推广和应用 但由于目前液压静力压桩机以手动控制为主 其功能过于简 单 因此在实际应用中也存在一些不容忽视的问题 1 手动操作 操作手劳动强度大 易疲劳 2 压桩垂直精度差 不能实时调整 3 静力压桩机容易浮机 甚至坐机 发生设备安全事故 对于上述问题 国内有些相关理论研究 但系统的 全面的将其作为一系统来整体解决与实际应 用还很少 因此 本文的主要工作是针对这一问题开发研制一套机电液一体化控控制系统 应用 到湖南山河智能机械股份有限公司生产的Z Y J 系列静力压桩机上 试验证明该控制系统能有效 的提高机器的施工效率 精度 成桩率并提高整机的安全性 具有良好的应用前景 2 液压静力压桩机控制系统及相关功能 2 1 控制系统的软硬件及构成图 系统的硬件选用芬兰制造的E P E C 系列C A N 总线控制系统模块 该控制模块是针对工程实 际中的恶劣环境 如高震动 大温度变化和潮湿等 而开发的 该控制器内部装有高性能的微处理 器 适合于对工程机械进行自动控制 它集可编程控制器 比例放大器 A D 模块 继电器输出 等功能于一体 控制器有大量的输入和输出点 它既能充当多功能控制器驱动电液比例阀 继而驱动各种液 压缸等 又能充当独立的控制器 与传统的P L C 不同 E P E C 控制器的每一个I O 端口都可以一 针多用 既可以作开关量输入 D I 又可以作输出开关控制量 D o 或输出脉宽调制信号 P W M 1 7 7 来控制比例阀 用户可以在控制程序中设定每一端口在本系统中的信号类型 这使得控制器的灵 活性大大得以加强 控制器带有C A N 总线接口 可以与国内外很多标准C A N 总线产品进行连 接 或经门路模块与其他总线或上位机连接 组建大型系统 软件设计采用I E C 6 1 1 3 1 3 语言在C o d e S y s 集成开发环境下编程 完成软件的设计 编译 下载 同时通过C A N U S B 转接头可以与E P E C 2 0 2 3 连机调试监控 使程序控制达到最佳效果 控制程序流程图如下图所示 2 2 自动压桩功能 湖南山河智能机械股份有限公司生产的Z Y J 系列静力压桩机 压桩时 首先是主压缸将夹 桩箱提到最高位置 再由夹桩箱上的夹桩缸将桩夹紧 然后主压缸伸长产生强大的压力将桩压入 地基 直到主压缸的行程走完 夹桩缸松桩缩回 接着主压缸再次缩回提起夹桩箱 就这样依次 循环完成 夹桩斗压桩一松桩j 返回一夹桩 oo 9 的动作 最终将桩压入持力层 在低压阶段 只需 主压缸工作即可 在加力压桩阶段 需要主 副压桩缸同时工作 若碰到异常情况需要提桩时 则由夹桩缸仍将桩夹紧 主压缸提起夹桩箱 即可实现提桩 手动压桩时 操作夹桩箱每工作一 个循环需操作4 6 次手柄 一般一根1 2 米的桩 需要操作6 个左右循环 可见在操作时劳动强 1 7 8 度是相当大的 对压桩操作的阀块采用电磁换向阀 在面板上设置自动压桩 点动压桩 点动提桩 点动夹 桩 点动松桩五个按钮 各按钮功能如下 点动压桩 操作压桩油缸下行 用于调试与对孔 点动提桩 操作夹桩箱上行 用于调试与对孔 点动夹桩 点动操作夹桩箱夹紧 点动松桩 点动操作夹桩箱松开 自动压桩 通过分析此时的压力自动切换快慢压方式 根据压桩终止条件确定是否加力 自 动完成夹桩 压桩 松桩 提桩四个过程 根据压桩深度系统的记录 确定自动循环过程数目 每根桩压到位 自动停止 图3 为自动压桩液压原理图 F 夹桩j 茛压缸 图3自动压桩液压原理图 1 7 9 2 3 自动调平功能 四个升降油缸采用电磁换向阀控制 液压原理图如图4 图5 为机身平面倾斜示意图 1 2 3 4 为四个升降油缸的位置 两个角位移传感器安装在升降缸l 附近 将油缸l 作为基准点在 自动调平过程中保持不动 假设在机身的x Y 方向有倾斜角Q B 时 机身x Y 方向的边长 分别为a b 2 3 4 各点相对于l 点的相对高度为 h 2 a s i n a h 3 a s i n o b s i n l 3h 4 b s i n l 3 其中h 3 是由于2 4 两点的相对高度所产生 因此 只需将油缸2 和3 同时移动 h 2 的距离 然后将油缸4 和3 同时移动 h 4 的距离 即可将机身调平 机身调平采用 逐次逼近 法 每次移 动5 0 的倾斜距离后再进行一次A D 转换 求出倾斜角Q 1 3 再移动5 0 的倾斜距离 直到 lal a o l1 3l 邻o a o 1 3 0 为根据施工要求所确定机身的允许倾斜角度 调平过程结束 油缸运动速度V Q x A 当油缸面积A 和流量Q 一定时 对油缸位移的控制可转化为对电磁 换向阀通电时间的控制 缸l 缸2 1 3 缸4 向闻 Z 图4 升降缸液压原理图图5 机身倾斜示意图 2 4 浮机报警与控制功能 在沉桩施工过程中 当桩尖遇到硬土或砂层而发生沉桩阻力突然增大 甚至超过压桩机最大 静压力时 此时压桩机整体上抬 称为浮机 当沉桩阻力超过压桩机最大静压力 会使桩机发生较大上抬而倾斜时 如未迅速采取有效措 施 会造成断桩 甚至坐机 一旦坐机 将造成重大设备事故 为有效预防坐机 又充分利用长船白重 必须在浮机时报警并作出控制 断开压桩回路 经 过测试 在将浮机时长船升降缸上下腔压力变化如图6 可见 通过测试升降缸上腔压力 其压力减小到接近于零时 已经浮机 控制器检测到该压 力信号 通过比较 在浮机开始时适时切断压桩回路 达保护机器的目的 5 0 4 0 G3 0 姜2 0 出 1 0 O 1 0 上腔P 1 下腔P 2 厂一 1五n1f n15 n9 n n9 1 时间 0 0 1 S 图6 静力压桩机浮机压力测试试验 0 2 5 施工数据自动记录功能 在施工过程中 通过记录单桩施工的油压力 计算承载力 通过安装在夹桩箱上的倾角传感 器 记录单桩的垂直度 通过安装在压桩架上的编码器 记录桩的压入深度 以上数据自动存贮 在控制器中 形成报表 可下载给监理方 以检验施工的质量 3 结论 山河智能静力压桩机通过增加以上机电一体化控制系统后 提高了工作效率 降低了劳动强度 提高了施工质量 改变了液压静力压桩机笨 重 粗