CN102864778A - 一种液压打桩锤的液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械工程和土木工程的桩工机械施工装备以及机械零件与传动装置技术领域，公开了一种液压打桩锤的液压系统；该系统包括双壁液压缸（6）、液压滑阀（5）、负载阀（1）、两位四通控制阀（2）、低压蓄能器组（3）、液压锤行程开关组（4）、高压蓄能器组（7）和动力源。本发明的液压系统采用一体化结构，缩短了管路长度以及可能的弯道，较大地减小了沿程损失，尤其是在大流量、高压力的情况下效果更加明显。

Description

一种液压打桩锤的液压系统

技术领域

本发明属于机械工程和土木工程的桩工机械施工装备以及机械零件与传动装置技术领域，涉及一种打击能量大、打击频率快和能量综合利用的液压打桩锤的液压系统。

背景技术

人类对桩和桩基础工程的认识和利用由来已久。考古学发现智利古文化遗址中的桩，距今约有12000年；我国浙江余姚河姆渡遗址和陕西西安半坡村遗址中都可以看到7000年前人们就已经把树杆贯入松软的土层中以支承原始形态的建筑物，在漫长的人类历史发展进程中，桩基础的类型和工艺都有了很大的发展和变化。桩按材料可分为木桩、钢筋混凝土桩、钢桩及组合材料桩等。木桩具有工期短、施工方便、技术简单、经济效益明显的优点，适用于河堤、护栏等地基；钢筋混凝土桩能承受较大的荷载，具有坚固耐久、施工速度快、不受地下水位与土质条件限制的特点，适用于大中型建筑工程的承载桩；钢桩承载力高，材料强度均匀可靠，适用于超重型设备基础，江河深水基础，高层建筑深基护坡工程。液压锤技术起源于六十年代。1964年荷兰HBG公司开始着手研究，1965年成功试制世界上第一台液压锤，1966年制成HBM型液压锤。德国menck公司1883年研制汽锤，1967年生产液压锤（参见专利文献：Hydraulic valve system for a pile driver hammer.Inventor:KUEHN HANS[DE]Applicant:MENCK GMBH[DE]EC:B25D9/14BE02D7/10IPC:B25D9/14E02D7/10(IPC1-7):B25D9/20(+2)Publication info:EP0388498(A1)1990-09-26EP0388498(B1)993-03-17Priority date:1989-03-23）。从60年代开始，荷兰IHC公司和HBM HYDROBLOK公司共同开发液压锤（参见论文：訚耀保，胡兴华，李玉杰，沈耀冲，陆鸣九.液压-气动复合锤数学建模与分析[J].中国工程机械学报，2012（12）：379-384）。1976年，英国BSP公司研制锤重为10吨的液压锤，随后日本日立建机公司购买了该专利并于1979年试制液压锤，1983年在日本普及推广液压锤。70至80年代，德国、前苏联（参见专利文献：INST GORNOGO DELASIBIRSKOGO O[RU]，TIMONIN VLADIMIR VLADIMIROVICH，深水液压锤，专利号：RU2300618(C1)）、芬兰、美国和瑞典也先后研制了不同形式的液压锤。我国上海工程机械厂等单位自90年代开始陆续引进日本等国外技术并研制液压锤，已有样机问世，因为元器件精度要求高，价格昂贵，工作效率较低等原因投入批量生产的数量极为有限。目前国外基础施工中主要采用液压锤，其产品已形成系列化。

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。桩工机械用于完成预制桩向土层贯入的作业机械，包括打入、沉入、压入、拔出或灌注桩成孔等桩的作业过程，已经广泛应用于桥梁、建筑、码头和港口等基础施工中的预制桩施工。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使用的液压锤。液压打桩锤由于打桩效率高，噪声低，振动小，无油烟污染，已经广泛使用。一些欧美国家和亚洲的日本、韩国、香港和新加坡等地区，液压打桩锤已经完全取代了柴油打桩锤。本世纪初，上海建造的国际饭店、锦江饭店等20层左右的标志性建筑物都采用了10多米长的木桩；本世纪末，上海建造的如88层金茂大厦等超高层建筑已经采用了80多米长的钢管桩。从桩和桩工机械发展的轨迹看，桩的材料从木桩到钢管桩，桩的长度从10多米到80多米。我国已经建设了数座大型跨江跨海大桥，如长江苏通大桥、南京长江三桥、上海南汇芦潮港至宁波大小洋山岛的东海大桥，乍浦港至慈溪的杭州湾大桥。这些大桥的主要工程就是基础施工，一般桥墩采用大直径大深度钢管桩作为基础，最大的钢管桩直径达1.6m，长88m。施工设备主要是打桩船和大吨位柴油锤、大吨位液压锤。大吨位柴油锤由上海工程机械厂生产D160、D180，液压锤是进口的。大桥的主桥墩一般由大直径混凝土灌注桩组成的群桩作为基础，如苏通大桥钢护筒直径2.85m，长度69m，重量120t，入土深度35m，最大的桩径2.8m，桩深120m。杭州湾大桥钢护筒直径3.1m，长度52m，入土深度30m，最大的桩径3.0m，桩深122m。在水上施工大直径灌注桩必须首先将大直径钢护筒沉入水中并入土一定深度。苏通大桥和杭州湾打入钢护筒采用的是浙江振中工程机械有限公司生产的2台DZJ200可调偏心力矩电动振动锤（双锤联动），和进口的联动液压振动锤。

桩是用某种方法设置在土体内的棱柱形或柱形杆件，其目的是把基础的荷载传递到较深的和较强的土层中去，荷载传递同时出现在桩侧表面上和桩端支撑面上，并且涉及离开桩的相当距离范围内的土体。桩基在冲击载荷作用下，其载荷传递机理和桩体的破坏模式与桩体本身的材料强度、抗弯刚度、桩侧土体的抗力、摩阻力、桩端土体的承载能力以及施加载荷等因素密切相关。液压锤利用加速下落的锤体冲击桩头，使桩下沉贯入土层。液压锤的冲击能量以应力波的形式在桩内进行传递。目前基于液压锤的锤击理论研究和桩土接触的复杂力学过程研究还不多见，如何开发和正确使用液压锤至关重要。现代基础施工要求桩工机械打桩效率高、噪声低、振动小、无油烟污染，环境友好。如何开发一种可靠、准确、环境友好的液压打桩锤，特别是提出一种新型、打桩效率高、无废气等污染排放、噪声低的液压打桩锤建筑基础桩工机械装备，具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种液压打桩锤的液压系统，通过液压系统的差动回路和带液压滑阀的双壁液压缸进行液压锤上升过程和下降过程的高压大流量的控制，进而达到较大的打击能量、打击频率，提高液压能源使用效率，实现液压打桩锤打桩过程的可靠性、准确性、环境友好性等综合性能。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种液压打桩锤的液压系统，该系统包括双壁液压缸、液压滑阀、负载阀、两位四通控制阀、低压蓄能器组、液压锤行程开关组、高压蓄能器组和动力源；高压蓄能器组位于双壁液压缸的下腔进油口，低压蓄能器组位于双壁液压缸的上腔排油口，双壁液压缸的内壁和双壁液压缸的外壁之间设置有液压滑阀；负载阀的出油口T口接双壁液压缸上腔排油口，T口的连接位置在低压蓄能器组的位置之前，负载阀的进油口P口接双壁液压缸下腔进油口并与动力源连通，P口的连接位置在高压蓄能器组的位置之前；两位四通控制阀进油口P口接双壁液压缸下腔进油口，并与负载阀和高压蓄能器组形成通路，两位四通控制阀负载口A口接液压滑阀上端容腔，两位四通控制阀回油口T口接回油路；液压锤行程开关组位于双壁液压缸的缸筒上，动力源分别与负载阀和高压蓄能器组以管路连接。

所述的双壁液压缸是具有内壁和外壁的双壁结构形式，内壁的上端的有效面积大于内壁的下端的有效面积；双壁液压缸的活塞杆为双出杆形式，上腔的有效面积大于下腔的有效面积。

所述的液压滑阀的上端的有效面积大于液压滑阀的下端的有效面积。

所述的动力源为液压泵，动力源分别与负载阀和高压蓄能器组以管路连接，为系统源源不断的供应高压油。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明的液压系统采用一体化结构，缩短了管路长度以及可能的弯道，较大地减小了沿程损失，尤其是在大流量、高压力的情况下效果更加明显。

2、本发明巧妙地使用双壁液压缸6，并在液压缸壁之间安置液压滑阀5，滑阀上端有效面积大于下端有效面积。上升阶段，负载阀1左位，两位四通控制阀2左位，滑阀下位，高压油进入液压缸下腔，上腔液压油直接回油箱；下降阶段，负载阀1左位，两位四通控制阀2右位，滑阀上位，液压缸上下腔连通，活塞杆上杆外径小于下杆外径，锤体以大于1g的加速度加速下降。通过控制油路控制滑阀不同的工作位置来实现上升和下降过程，极大的简化了液压系统。通过双壁液压缸和液压滑阀的组合，实现了液压锤的快速供油和快速回油，即液压锤的快速上升和快速下降。

3、本发明的液压打桩锤在下降过程中，液压滑阀5上位工作，双壁液压缸6上腔和下腔连通，形成了差动回路，由于活塞上腔的作用面积大于下腔作用面积，动力源、高压蓄能器组7和双壁液压缸6下腔联合向双壁液压缸6上腔供油，使得锤体加速下落，是为双作用。通过双作用的作用方式，减小了控制阀切换和排油时的液压冲击，降低了系统工作过程中产生的热量，高压油具有较高的利用率。

附图说明

图1是本发明的液压打桩锤上升过程的液压系统图。

图2是本发明的液压打桩锤上升过程的液压系统原理图。

图3是本发明的液压打桩锤组成部分的框图。

图4是本发明的液压打桩锤下降过程的液压系统图。

图5是本发明的液压打桩锤下降过程的液压系统原理图。

图6是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的位移时间图。

图7是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的速度时间图。

图8是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的加速度时间图。

图9是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的单位质量打击能量图。

其中：1为负载阀，2为两位四通控制阀，3为低压蓄能器组，4为液压锤行程开关组，5为液压滑阀，6为双壁液压缸，7为高压蓄能器组，8为液压泵，9为双壁液压缸上腔，10为双壁液压缸下腔，11为液压锤锤头，12为溢流阀。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种液压打桩锤的液压系统，该系统包括双壁液压缸6、液压滑阀5、负载阀1、两位四通控制阀2、低压蓄能器组3、液压锤行程开关组4、高压蓄能器组7和动力源；高压蓄能器组7位于双壁液压缸6的下腔进油口，低压蓄能器组3位于双壁液压缸6的上腔排油口，双壁液压缸6的内壁和双壁液压缸6的外壁之间设置有液压滑阀5；负载阀1的出油口T口接双壁液压缸6上腔排油口，T口的连接位置在低压蓄能器组3的位置之前，负载阀1的进油口P口接双壁液压缸6下腔进油口并与动力源连通，P口的连接位置在高压蓄能器组7的位置之前；两位四通控制阀2进油口P口接双壁液压缸6下腔进油口，并与负载阀1和高压蓄能器组7形成通路，两位四通控制阀2负载口A口接液压滑阀5上端容腔，两位四通控制阀2回油口T口接回油路；液压锤行程开关组4位于双壁液压缸6的缸筒上，动力源分别与负载阀1和高压蓄能器组7以管路连接。

双壁液压缸6是具有内壁和外壁的双壁结构形式，内壁的上端的有效面积大于内壁的下端的有效面积；双壁液压缸6的活塞杆为双出杆形式，上腔的有效面积大于下腔的有效面积。

液压滑阀5的上端的有效面积大于液压滑阀5的下端的有效面积。

动力源为液压泵8，动力源分别与负载阀1和高压蓄能器组7以管路连接，为系统源源不断的供应高压油。

液压缸上腔9为双壁液压缸6的工作上腔，液压缸下腔10为双壁液压缸6的工作下腔，两腔被活塞隔开。

液压锤锤头11为本液压打桩锤的直接工作部件，通过螺纹或者其他连接方式与活塞杆进行连接，上升阶段提升该锤头，下降阶段使该锤头加速下落，获得打击能量。

溢流阀12为本系统的安全阀，若液压系统的工作压力大于溢流阀12的开启压力，溢流阀12将打开，系统卸荷，起到保护液压系统的作用，溢流阀12安装在液压泵8出油口。

图1是本发明的液压打桩锤上升过程的液压系统图。

液压打桩锤在上升过程中，动力源供给液压能源，负载阀1的左位工作，两位四通控制阀2的左位工作。动力源输出的液压能源和高压蓄能器组7的液压能源相连通，联合将液压能源供给双璧液压缸6的下腔；液压能源通过双璧液压缸6和液压滑阀5的下端面连通；同时，液压能源通过两位四通控制阀2的左位和液压滑阀5的上端面连通；由于结构上液压滑阀5的上端面的有效面积大于下端面的有效面积，上端面和下端面的所承受的压力相等，所以在液压油的作用下，液压滑阀5向下移动，如图所示的上位工作；此时，带控制阀的双璧液压缸6的上腔通过液压滑阀5和低压蓄能器组3连通，带控制阀的双璧液压缸6的上腔液压油直接排入低压蓄能器和与动力源相连接的油箱。液压能源和高压蓄能器组7联合向带控制阀的双璧液压缸6的下腔供油，带控制阀的双璧液压缸6的上腔液压油排入低压蓄能器组3与动力源相连接的油箱，带控制阀的双璧液压缸6的活塞带动液压锤上升。当液压锤上升至一定高度后，液压锤行程开关组4检测到液压锤活塞位置信号，通过控制模块来控制负载阀1和两位四通控制阀2的换向，完成液压打桩锤的上升过程。

图2是本发明的液压打桩锤上升过程的液压系统原理图。液压泵8供给液压能源，溢流阀12调节液压系统的工作压力，液压泵8和高压蓄能器组7联合向双壁液压缸下腔10供给液压能源，液压锤锤头11上升，双壁液压缸上腔9的液压油排向低压蓄能器3和液压油箱。双壁液压缸上腔9的有效面积大于双壁液压缸下腔10的有效面积。

图3是本发明的液压打桩锤组成部分的框图。如图所示，液压打桩锤主要包括：动力源，控制阀，油缸，锤头，传感器，控制系统。

动力源提供液压打桩锤所需要的液压能源。控制阀实现液压能源的控制，将液压能源按照液压打桩锤的需要，输送给油缸。油缸在液压能源的作用下，驱动锤头，实现液压打桩锤的上升过程和下降过程，锤头完成液压打桩锤的打桩。传感器用于检测液压打桩锤的锤头位置，给控制系统提供液压打桩锤的锤头位置信号，由控制系统向控制阀输出控制信号。

控制系统向动力源提供控制信号，动力源输出液压能源。在控制阀的控制下，动力源向油缸输出液压能源，油缸完成上升过程或下降过程，锤头与油缸通过活塞杆连接，具有相同的运动状态。在锤头与活塞杆连接处安装有液压锤行程开关组4，将锤头的运动位置信息实时地通过传感器传递给控制系统，由控制系统及时向动力源和控制阀提供控制信号。

图4是本发明的液压打桩锤下降过程的液压系统图。液压打桩锤在下降过程中，动力源供给液压能源，负载阀1的左位工作，两位四通控制阀2的右位工作。动力源输出的液压能源和高压蓄能器组7的液压能源相连通，联合将液压能源供给双璧液压缸6的下腔；由于两位四通控制阀2的右位工作，液压滑阀5的上端面的液压油通过两位四通控制阀2的右位直接回油箱，液压滑阀5的上端面的液压油为低压状态；液压滑阀5的下端面的液压油为高压状态；液压滑阀5的下端面的高压油的作用力大于液压滑阀5的上端面的低压油的作用力时，在液压油的作用下，液压滑阀5向上移动，如图所示的下位工作，此时，双璧液压缸6的上腔和双璧液压缸6的下腔相连通，均为高压油。

双壁液压缸上腔9的有效面积大于双壁液压缸下腔10的有效面积。双璧液压缸6的上腔的液压作用力大于双璧液压缸6的下腔的液压作用力，双璧液压缸6的活塞杆下降，完成液压打桩锤的下降过程。

图5是本发明的液压打桩锤下降过程的液压系统原理图。液压泵8供给液压能源，溢流阀12调节液压系统的工作压力，液压泵8和高压蓄能器组7联合向双壁液压缸供给液压能源。由于双壁液压缸上腔9的有效面积大于双壁液压缸下腔10的有效面积，双璧液压缸6的上腔的液压作用力大于双璧液压缸6的下腔的液压作用力，双璧液压缸6的活塞杆下降。

此时，双璧液压缸6的下腔排出的液压油，与液压泵8和高压蓄能器组7供给的液压能源，联合输出至双壁液压缸的上腔9，形成液压差动回路，实现液压打桩锤下降过程的快速下降和快速打桩。由于采用液压差动回路，液压打桩锤的锤头以大于一个重力加速度的加速度值加速下落，并打击桩体。

图6是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的位移时间图。如图所示，液压打桩锤的打桩周期为1.4s。锤头在1.1s时位移达到最大值，即上升至最高位置；之后开始下降，1.1s至1.4s的0.3s以内下降至最低位置。

图7是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的速度时间图。如图所示，液压打桩锤在打桩周期1.4s以内，液压打桩锤的锤体在0.8s时上升速度达到最大值2m/s；然后速度开始减小，在1.1s时速度为0m/s；在1.4s时速度为-5.67m/s，速度达到最大值。

图8是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的加速度时间图。如图所示，液压打桩锤在打桩周期1.4s以内，液压打桩锤的锤体在0s至0.8s以内作加速运动；0.8s至1.1s作减速运动；1.1s时，由于液压打桩锤的上升过程和下降过程的切换动作中，蓄能器和差动油缸的联合工作，加速度出现波动状态。1.1s至1.4s时，液压打桩锤的锤体的下降加速度最大，达到-16m/s²。

图9是本发明的液压打桩锤一个打桩周期内的单位质量打击能量图。假设液压打桩锤打桩时不考虑摩擦损失，锤体下降动能转化为打击能量，打击能量E表达方程式为：

$E=\frac{1}{2}m{v}_d^2\·\mathrm{\η}.$

式中，η为液压打桩锤的打桩效率，m为锤体的质量，vd为锤体的下降速度。如图所示，该实施例的液压打桩锤在打桩周期1.4s以内，液压打桩锤的锤体在1.1至1.4s时，液压打桩锤的锤体的下降加速度最大，1.4s时的速度达到-16m/s²，此时可获得最大打击能量约为16kNm/ton，当锤体可动部分质量为30吨时，本实施例的最大打击能量可达到480kNm。

双壁液压缸6的内壁和双壁液压缸6的外壁之间设置有液压滑阀5；液压滑阀5用于控制双壁液压缸6的上腔的液压油的流动方向；通过液压系统实现液压滑阀5的工作位置的控制，当液压滑阀5处于上位时，双壁液压缸6的上腔和液压系统的油路连通；当液压滑阀5处于下位时，双壁液压缸6的上腔和双壁液压缸6的下腔的油路连通。

负载阀1、两位四通控制阀2、液压锤行程开关组4、动力源和控制模块形成双壁液压缸的上升过程和下降过程的控制。下降过程中，双壁液压缸的上腔和双壁液压缸的下腔相互连通，形成差动回路，所述的动力源、所述的高压蓄能器组和双壁液压缸的下腔的三者联合向双壁液压缸的上腔供油，实现液压打桩锤的快速下降和快速打桩。

一种液压打桩锤，通过液压系统的差动回路和双壁液压缸进行液压锤上升过程和下降过程的高压大流量的控制，通过液压缸产生的液压力、活塞杆和锤头的重力势能形成打桩锤的锤击力，进而达到较大的打击能量、打击频率，提高液压能源使用效率，实现液压打桩锤打桩过程的可靠性、准确性、环境友好性等综合性能。

进一步，液压打桩锤，可以通过所属的控制模块和所述的液压锤行程开关组进行液压打桩锤的打桩频率设定和控制。

通过所述的负载阀和所述的两位四通控制阀，实现液压系统的工作状态和非工作状态的控制，也可实现在异常状况时的卸荷，保证液压打桩锤系统的安全。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种液压打桩锤的液压系统，其特征在于：该系统包括双壁液压缸（6）、液压滑阀（5）、负载阀（1）、两位四通控制阀（2）、低压蓄能器组（3）、液压锤行程开关组（4）、高压蓄能器组（7）和动力源；高压蓄能器组（7）位于双壁液压缸（6）的下腔进油口，低压蓄能器组（3）位于双壁液压缸（6）的上腔排油口，双壁液压缸（6）的内壁和双壁液压缸（6）的外壁之间设置有液压滑阀（5）；负载阀（1）的出油口T口接双壁液压缸（6）上腔排油口，T口的连接位置在低压蓄能器组（3）的位置之前，负载阀（1）的进油口P口接双壁液压缸（6）下腔进油口并与动力源连通，P口的连接位置在高压蓄能器组（7）的位置之前；两位四通控制阀（2）进油口P口接双壁液压缸（6）下腔进油口，并与负载阀（1）和高压蓄能器组（7）形成通路，两位四通控制阀（2）负载口A口接液压滑阀（5）上端容腔，两位四通控制阀（2）回油口T口接回油路；液压锤行程开关组（4）位于双壁液压缸（6）的缸筒上，动力源分别与负载阀（1）和高压蓄能器组（7）以管路连接。

2.根据权利要求1所述的液压打桩锤的液压系统，其特征在于：所述的双壁液压缸（6）是具有内壁和外壁的双壁结构形式，内壁的上端的有效面积大于内壁的下端的有效面积；双壁液压缸（6）的活塞杆为双出杆形式，上腔的有效面积大于下腔的有效面积。

3.根据权利要求1所述的液压打桩锤的液压系统，其特征在于：所述的液压滑阀（5）的上端的有效面积大于液压滑阀（5）的下端的有效面积。

4.根据权利要求1所述的液压打桩锤的液压系统，其特征在于：所述的动力源为液压泵（8），动力源分别与负载阀（1）和高压蓄能器组（7）以管路连接。

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