氮爆式液壓打樁錘的設(shè)計(jì)

氮爆式液壓打樁錘的設(shè)計(jì)

液壓錘是建筑基礎(chǔ)施工中常用的一種建筑材料。由于液壓打樁錘與其它打樁錘相比有獨(dú)到的優(yōu)越之處:在施工過程中噪聲低、振動小、無油煙污染且可以實(shí)現(xiàn)在軟地基上連續(xù)作業(yè);另外還可以方便地進(jìn)行陸上與水上的斜樁作業(yè)。因此液壓打樁錘是樁工機(jī)械中最具有發(fā)展前景和市場競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品(1)目前液壓打樁錘多采用電氣控制。盡管電控系統(tǒng)便于檢測、控制精度高,但在惡劣的野外作業(yè)環(huán)境下,電氣元件易于出故障是其不可避免的弱點(diǎn);另外采用電控系統(tǒng),成本大幅提高。(2)目前液壓打樁錘能量多為有級調(diào)節(jié),適應(yīng)性、可調(diào)性差。(3)目前液壓打樁錘貫入方式主要有兩種:一種是完全依靠錘頭提高后的重力勢能,這樣限制了打擊能量的提高,而且打擊頻率相對也不高;另一種是利用錘頭下落過程中重力和沖擊缸上腔液壓油壓力共同作用于錘頭,這樣,盡管打擊力有了一定程度的提高,但由于供、排油系統(tǒng)的限制,打擊頻率提高有限,作業(yè)效率不高。因此,設(shè)計(jì)一種新型的液壓打樁錘,就成為當(dāng)前液壓打樁錘值得研究的課題。這對提高我國建筑施工的現(xiàn)代化技術(shù)水平、對于促進(jìn)我國建筑環(huán)保法的實(shí)施都具有非常重要的意義。1液壓錘錘體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)氮爆式液壓打樁錘由機(jī)身、樁架和液壓錘3部分組成。機(jī)身主要包括行走機(jī)構(gòu)、懸臂支撐機(jī)構(gòu)和機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。樁架主要由立柱、斜撐和鵝頭組成。液壓錘包括錘主體、液壓源及測試控制裝置。液壓源和測試裝置安裝在機(jī)身上,并通過進(jìn)、回油管路以及控制集成閥組與錘體相連。氮爆式液壓打樁錘的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示上機(jī)架:主要放置沖擊缸、高壓蓄能器、低壓蓄能器以及控制集成閥塊。為了減少系統(tǒng)壓力損失,控制集成閥組直接與沖擊缸下腔相連。中間架:由錘頭、錘頭導(dǎo)向襯板和封閉板組成。封閉板主要起減振和降低噪音的作用。下機(jī)架:由砧座、液壓緩沖墊、打擊套和樁帽、樁墊組成,是沖錘與樁之間的傳力部分。樁帽將樁罩住,起導(dǎo)向和傳力作用,不同尺寸的預(yù)制樁對應(yīng)不同的樁帽。下機(jī)架支撐液壓錘重量,并作為打擊部件的導(dǎo)向體。下機(jī)架中的各零部件是液壓錘體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,它們不僅承受強(qiáng)大的打擊力,而且應(yīng)盡可能提高樁錘的打擊傳遞效率。因此緩沖墊和樁帽的材料特性相當(dāng)重要,經(jīng)過理論和試驗(yàn)研究設(shè)計(jì),以達(dá)到較佳的緩沖效果和較長的打擊壽命另外,在錘體背面安裝錘體導(dǎo)向裝置。該產(chǎn)品的主要技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)于a、b、c、d共4個工作腔室。a腔為氮?dú)夤ぷ髑?b腔為氮?dú)鈨Σ厍?即沖擊缸活塞最大行程時,氮?dú)馇蛔钚◇w積),c腔為液壓油工作腔,d腔為緩沖腔。在圖1中,d腔的背面安裝有溢流閥,它主要起安全保護(hù)作用,防止系統(tǒng)壓力過大;d腔的進(jìn)油口設(shè)計(jì)為單向閥結(jié)構(gòu),在錘頭上升的同時,d腔通過該單向閥也注入一部分液壓油,在錘頭沖擊打樁時,起一定的緩沖作用,同時對沖擊缸下端蓋起保護(hù)作用。在液壓樁錘錘體主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,樁錘撞擊系統(tǒng)(即包括錘、錘墊、樁帽和樁墊的整個結(jié)構(gòu))的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本成熟,但對于不同型號(即具有不同的打擊能量)應(yīng)研究錘墊和樁墊材料匹配的可靠性和經(jīng)濟(jì)性在氮爆式液壓樁錘錘體主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,除了氣液聯(lián)動的液壓沖擊缸特色之外,還有另外一個新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):控制集成閥組的設(shè)計(jì)。與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的不同之處在于,目前國內(nèi)外控制沖擊缸動作大都采用電磁閥控制進(jìn)、回油的插裝閥(由于液壓樁錘在上升和下降瞬時流量特別大,因此需要采用插裝閥),而本文采用氣液聯(lián)合控制的換向閥控制進(jìn)、回油插裝閥的開啟和關(guān)閉動作。不僅大大節(jié)約了成本,而且也避免了在惡劣的野外作業(yè)環(huán)境下,電氣元件易于出故障的弊端。2沖擊缸沖程與換向的液壓系統(tǒng)氮爆式液壓打樁錘是一種氣液聯(lián)合控制的新型液壓打樁錘。它與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的主要區(qū)別在于采用了單桿單作用氣體儲能式?jīng)_擊缸,并且通過氣液聯(lián)合控制的主控?fù)Q向閥實(shí)現(xiàn)錘頭自動上升與下降的功能。它的基本工作原理如圖2所示:當(dāng)錘頭9處于回程階段(即上升階段),通過主控?fù)Q向閥12的控制,CF1插裝閥5打開,CF2插裝閥4被關(guān)閉;主泵2和高壓蓄能器6里的高壓油進(jìn)入沖擊缸的下腔8,驅(qū)動錘頭上升,從而使氮?dú)馇?(沖擊缸上腔)被壓縮,由于封閉的氣體壓力與其體積成反比,故氣壓逐漸增加。當(dāng)錘頭9上升到一定高度的時候,氮?dú)馇?的氣壓推動主控?fù)Q向閥12開始換向(此時的氣壓值為換向氣壓),CF2插裝閥4被打開,CF1插裝閥5被關(guān)閉,高壓油停止供油進(jìn)沖擊缸的下腔8,高壓油進(jìn)入高壓蓄能器,而沖擊缸下腔8中的液壓油開始回油箱1,此時錘頭9無向上驅(qū)動力,但由于有向上的慣性,以及在氮?dú)馇?氣壓的作用下,迅速降為零。錘頭開始進(jìn)入沖程階段(即下降階段)。在沖程階段,沖擊缸下腔8中的油開始通過插裝閥4卸荷回油箱1,同時錘頭9在氮?dú)馇?壓縮的氮?dú)獗ê妥陨碇亓Φ碾p重作用下快速下沖,形成巨大的打擊能打擊樁頭,實(shí)現(xiàn)打樁功能。如此反復(fù),從而實(shí)現(xiàn)自動連續(xù)打樁其中從沖程狀態(tài)到回程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,是由錘頭9來控制滾輪換向閥10,產(chǎn)生控制油壓去使主控?fù)Q向閥12來實(shí)現(xiàn)換向;而由回程狀態(tài)到?jīng)_程的轉(zhuǎn)換,則是由氮?dú)馇?內(nèi)壓縮氣體控制主控?fù)Q向閥12來實(shí)現(xiàn)換向。因此,可以通過調(diào)節(jié)不同控制油壓的壓力來控制主控閥換向壓力,即調(diào)節(jié)控制沖擊缸活塞的行程(即錘頭的行程),從而實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)打擊能和打擊頻率。圖2中的P代表高壓油,O代表回油箱液壓油。此液壓控制系統(tǒng)液壓元件不多,卻能實(shí)現(xiàn)諸多功能:1)通過調(diào)節(jié)控制回路壓力,即調(diào)節(jié)主控?fù)Q向閥的換向壓力,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)錘頭的行程,即實(shí)現(xiàn)打擊能和打擊頻率的無級可調(diào);2)具有防空打功能,在施工過程中出現(xiàn)斷樁和脫樁的情況,由圖1中滾輪換向閥A反饋信號鎖死進(jìn)油和回油插裝閥,實(shí)現(xiàn)錘頭制動,避免空打?qū)σ簤簶跺N的損害;3)具有漏氣保護(hù)功能,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)漏氣時,隨著氣體壓力的不斷下降,控制系統(tǒng)會自動鎖死進(jìn)油和回油插裝閥,實(shí)現(xiàn)錘頭制動,從而提醒工作人員進(jìn)行解決;4)具有非打擊狀態(tài)下的自動卸荷功能,以減少能量消耗和發(fā)熱。3國內(nèi)外關(guān)鍵技術(shù)的比較分析3.1單作用缸工作腔壓力國內(nèi)外液壓缸多采用單桿雙作用缸,而氮爆式液壓打樁錘采用單桿單作用液壓缸。無論是上升、下降,單作用缸只有一個液壓油工作腔,總是只有一股液壓油流進(jìn)油缸,從而只有較小的壓力損失。與單作用缸相比,雙作用缸有兩股液壓油流同時出現(xiàn),壓力損失較大。由于雙桿缸與單桿缸相比,加工工藝難度明顯增加,所以國內(nèi)外液壓樁錘很少采用雙桿沖擊缸3.2錘打樁的對比國內(nèi)外液壓打樁錘打樁的方案多是完全依靠錘頭提高后的重力勢能或錘頭下落過程中重力和液壓沖擊缸上腔液壓油壓力共同作用打樁。而氮爆式液壓打樁錘打樁的方案是依靠錘頭在上升的過程中,壓縮氮?dú)?在氮?dú)鈨π钋粌π钅芰?在錘頭下落過程中,儲蓄腔釋放能量,使錘頭大于自由落體的加速度下落,從而在錘頭質(zhì)量和沖擊行程相同的情況下提高樁錘的打擊能力。與國外同類產(chǎn)品相比,不僅減少系統(tǒng)所需的供油,而且打擊能量有大幅度的提高。3.3錘頭不同行程與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比較,氮爆式液壓打樁錘液壓控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在于:1)國內(nèi)外產(chǎn)品均采用電磁換向閥控制對應(yīng)的進(jìn)、回油插裝閥,從而實(shí)現(xiàn)錘頭的上升和下降,而氮爆式液壓打樁錘通過氣液聯(lián)合控制的液控?fù)Q向閥控制對應(yīng)的進(jìn)、回油插裝閥,基本實(shí)現(xiàn)全液壓控制,這不僅大幅度地降低了制造成本,也提高了機(jī)器在惡劣的環(huán)境中工作的可靠性;2)國內(nèi)外產(chǎn)品采用電氣系統(tǒng)控制多個行程閥啟閉或一套電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對錘頭不同行程控制(例如日本車輛公司的NH型液壓錘采用電氣控制系統(tǒng)控制8個行程閥進(jìn)而來控制錘頭的不同行程,而英國BSP公司的HH367型液壓錘通過負(fù)載傳感系統(tǒng)控制錘頭的不同行程),而氮爆式液壓打樁錘通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的不同壓力,從而控制所需換向的氣體壓力,即控制錘頭的不同行程,這不僅調(diào)節(jié)方便,而且實(shí)現(xiàn)一閥多用,簡化了控制系統(tǒng),降低制造成本;3)國內(nèi)外產(chǎn)品通過電氣控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)錘頭的不同行程,但沒有實(shí)現(xiàn)打擊能和打擊頻率的無級調(diào)節(jié),而氮爆式液壓打樁錘可以根據(jù)不同的工況,在系統(tǒng)穩(wěn)定工作壓力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)錘頭的行程,實(shí)現(xiàn)打擊能和打擊頻率的無級調(diào)節(jié),這有利于提高打擊效率和節(jié)約能量;4)實(shí)現(xiàn)手動與自動打樁的靈活切換,通過調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的壓力,從而實(shí)現(xiàn)打擊能量和打擊頻率的調(diào)節(jié)。手動控制系統(tǒng)由一個手動換向閥和兩個遠(yuǎn)程調(diào)壓閥組成,兩個遠(yuǎn)程調(diào)壓閥設(shè)定了兩個壓力檔次,在系統(tǒng)穩(wěn)定的壓力范圍內(nèi),通過對遠(yuǎn)程調(diào)壓閥壓力的不同調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。同時,操作手動換向閥還可以實(shí)現(xiàn)單打操作。若在打樁過程中,可實(shí)現(xiàn)自動打樁,直到將手動換向閥手柄切換到中位卸荷,停止打樁。因此,手動與自動打樁的切換非常靈活方便。4主要性能參數(shù)表1所列的主要性能參數(shù)是以ZCY70型樣機(jī)為例,樣機(jī)系統(tǒng)壓力為21MPa,流量為355.2L/min,裝機(jī)的總功率為111kW,為了方便對比,與國內(nèi)使用較多的日本車輛公司的NH70型液壓錘主要性能參數(shù)比較。5液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)通過首臺ZCY70樣機(jī)的整機(jī)調(diào)試和性能測試,結(jié)果表明:1)制造成本低,本文所提出的氮爆式液壓打樁錘采用氣液聯(lián)合控制,系統(tǒng)為全液壓設(shè)備,且系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一閥多用,簡化了液壓系統(tǒng),同時降低了制造成本;2)體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,打擊能力強(qiáng),系統(tǒng)將氮?dú)獗芎湾N頭的重力勢能作為對預(yù)制樁的打擊能,與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比,不僅主體結(jié)構(gòu)緊湊,而且打擊能提高了30%左右,其中氮?dú)獾谋芗s占總能量的45%,可見,采用氮爆式大大提高了樁錘的打擊能力;3)可調(diào)性強(qiáng),液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了沖擊能和打擊頻率的無級調(diào)節(jié),這就可以根據(jù)土質(zhì)的不同情況來調(diào)節(jié)打擊能,有利于提高打擊效率和節(jié)約能量;4)效率高,由于氮?dú)獾目蓧嚎s性,降低了樁錘沖擊所產(chǎn)生的沖擊峰值,而缸體施加壓力過程可以持續(xù)較長時間,