CN103526740B - 强夯机防后倾控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强夯机防后倾控制系统及方法，包括撑杆、导杆、油缸、弹簧和液压控制装置，其中：导杆一端的外侧壁具有限位部；撑杆为一根具有开口端和封闭端的中空柱；撑杆的封闭端与油缸固定连接；导杆从所述撑杆的开口端插入撑杆的空腔中，限位部位于撑杆之外；弹簧套装在导杆外，并位于限位部与撑杆的开口端之间；在强夯机工作过程中，液压控制装置通过油缸为撑杆提供恒定的预紧力，使不同工况下弹簧维持为恒定的预压缩量。本发明可以使夯锤脱钩后臂架的反弹量最小，解决了现有技术中夯锤脱钩后臂架晃动过大的问题。

Description

强夯机防后倾控制系统及方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种强夯机防后倾控制系统及方法。

背景技术

目前，如图1所示，强夯机在使用过程中，夯锤1’脱钩时，防后倾装置2’中的弹簧将有一定的压缩量，比未压缩弹簧时臂架的反弹量小。由于臂架3’的工作角度(臂架的工作角度是指臂架与水平面之间的夹角)是一个范围，因此防后倾装置2’中的弹簧不能在臂架3’的工作角度范围内始终保证一定的预紧力，或者是臂架3’工作时防后倾装置2’中的弹簧根本没有预紧力，突然卸载后，臂架3’在变幅拉索4’力的作用下将会产生大幅度晃动和反复震动。

现有的防后倾装置2’只能起到臂架3’不后翻的功能，不能有效控制臂架3’晃动。强夯机施工时臂架晃动大，使得整车重心变化，造成变幅钢丝绳6’掉道或起升绳5’掉道，增大了施工的危险性。臂架3’晃动大引起整车晃动，还会使操作人员感觉非常不舒服。

发明内容

本发明的目的是提出一种强夯机防后倾控制系统及方法，其可以使夯锤脱钩后臂架的反弹量最小，解决了现有技术中夯锤脱钩后臂架晃动过大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种强夯机防后倾控制系统，其包括撑杆、导杆、油缸、弹簧和液压控制装置，其中：所述导杆一端的外侧壁具有限位部；所述撑杆为一根具有开口端和封闭端的中空柱；所述撑杆的封闭端与所述油缸固定连接；所述导杆从所述撑杆的开口端插入所述撑杆的空腔中，所述限位部位于所述撑杆之外；所述弹簧套装在所述导杆外，并位于所述限位部与所述撑杆的开口端之间；在强夯机工作过程中，所述液压控制装置通过所述油缸为所述撑杆提供恒定的预紧力，使不同工况下所述弹簧维持为恒定的预压缩量。

进一步地，所述液压控制装置包括减压阀和平衡阀，其中：所述减压阀的出油口与所述平衡阀的进油口相连通；所述平衡阀的出油口与所述油缸的无杆腔相连通；所述平衡阀的先导压力油口用于连接变幅卷扬制动器压力油。

进一步地，所述平衡阀为单向平衡阀。

进一步地，所述油缸的缸筒底部与所述撑杆的封闭端螺栓连接或焊接。

进一步地，所述油缸为柱塞缸。

一种采用上述各实施例中的强夯机防后倾控制系统的强夯机防后倾控制方法，其包括以下步骤：在夯锤静止的状态下，根据强夯机的臂架的受力情况，计算强夯机防后倾控制系统中的撑杆所需要的恒定预紧力大小；根据计算出的所述恒定预紧力，通过强夯机防后倾控制系统中的液压控制装置调节油缸中无杆腔的压力，直至油缸为撑杆所提供的支撑力为恒定预紧力大小。

进一步地，根据弹簧的预压缩量，计算强夯机防后倾控制系统中的撑杆所需要的恒定预紧力大小。

进一步地，脱钩后弹簧的压缩长度的计算方法包括以下步骤：

1)设定参数：强夯机防后倾控制系统中弹簧预压缩量Δl，反弹后弹簧的压缩量Δl'，油缸与转台的铰点为第一铰点、强夯机防后倾控制系统中导杆与臂架的铰点为第二铰点、臂架与转台的铰点为第三铰点；

2)采集数据：第一铰点与第二铰点的间距s，第二铰点与第三铰点的间距b，第一铰点与第三铰点的间距c，臂架长度L，臂架重心与第三铰点的间距a，臂架的工作角度θ，臂架底节臂上主弦杆与下主弦杆夹角α，第一铰点和第三铰点的连线与水平面之间的夹角β，夯锤脱钩前且夯锤处于静止状态下的臂架重力G_臂架、夯锤重力G_夯锤和起升绳对臂架的拉力F_起升绳；

3)根据以下公式：

F_防后倾＝kΔl

R_臂架＝α·cosθ

R_夯锤＝L·cosθ

R_臂架＝a·cosθ

G_臂架R_臂架+G_夯锤R_夯锤+F_防后倾R_防后倾＝F_起升绳R_起升绳+F_变幅拉索R_变幅拉索

计算出F_变幅拉索；

4)根据以下公式，计算出P_静态能量：

$P_i=\frac{k{\left(\mathrm{\Δl}\right)}^2}{2}=\frac{F^2}{2k}=\frac{F^{2}l}{2\mathrm{EA}},$

P_静态能量＝P_变幅拉索+P_起升绳+P_弹簧+P_臂架

式中，E为弹性模量，A为横截面积，k为刚度，F为作用在变幅拉索或弹簧或起升绳或臂架上的轴向力，Δl为伸缩量或变形量，l为变幅拉索或弹簧或起升绳或臂架的长度；

5)根据以下公式：

计算出反弹后弹簧的压缩量Δl'，反弹后弹簧的压缩量Δl'为防后倾弹簧预压缩量Δl的函数；

6)通过求取步骤5)中反弹后弹簧的压缩量Δl'最小值，计算出弹簧预压缩量Δl。

进一步地，根据不同臂架的长度，计算油缸的补足行程。

基于上述技术方案中的任一技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

由于本发明设置了撑杆、导杆、油缸、弹簧和液压控制装置，在强夯机工作过程中，液压控制装置通过油缸为撑杆提供恒定的预紧力，使不同工况下的弹簧维持为恒定的预压缩量，因此臂架起臂从0度到第一工作角度，弹簧未压缩，防后倾控制系统对臂架作用力为零；臂架起臂从第一工作角度到第二工作角度，弹簧压缩，防后倾控制系统对臂架有作用力，作用力大小小于设定的油缸为撑杆提供的恒定预紧力；臂架从第二工作角度到第三工作角度，通过弹簧压缩以及油缸活塞杆运动，防后倾控制系统对臂架作用力始终为设定的油缸为撑杆提供的恒定预紧力；夯锤脱钩臂架反弹时，油缸为一刚性缸，油缸的活塞杆保持原位不动，臂架反弹带动导杆，通过再次压缩弹簧作用于撑杆和油缸，从而弹簧中被动储存能量，给臂架提供支反力，通过弹簧吸收变幅拉索、臂架等储存的能量，并且通过弹簧的行程有效控制臂架摆动或震动，使夯锤脱钩后臂架的反弹量最小，解决了现有技术中夯锤脱钩后臂架晃动过大的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中强夯机的结构示意图；

图2为本发明所提供的强夯机防后倾控制系统一实施例的部分结构示意图；

图3为图2的分解示意图；

图4为本发明所提供的强夯机防后倾控制系统中液压控制装置一实施例的原理示意图；

图5为强夯机的受力分析示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图2-4所示，本发明所提供的强夯机防后倾控制系统包括撑杆1、导杆2、油缸3、弹簧4和液压控制装置5。其中：撑杆1是一根具有开口端和封闭端的中空柱体，撑杆1的封闭端与油缸3的缸筒底部固定连接，例如二者通过法兰进行螺栓连接，也可以采用焊接的方式固定在一起。撑杆1的开口端用于插入导杆2。

导杆2的一端的外侧壁具有限位部21，导杆2从撑杆1的开口端插入撑杆1的空腔中，限位部21位于撑杆1之外。导杆2的伸出端通过销轴卡子与强夯机的臂架6相连接。限位部21可以是一圈凸缘，也可以是间隔设置并且围成一圈的凸起，其可以与导杆2一体成型，其可以采用现有的一体成型的方法获得，也可以通过焊接的方式固定在导杆2的外侧壁。

油缸3的活塞杆通过销轴卡子与强夯机的转台相连接。油缸3作为执行机构，通过撑杆1和导杆2为工作过程中的强夯机的臂架6提供预紧力和支撑反力。本实施例中，油缸3采用的是柱塞缸，但不限于此。

弹簧4套装在导杆2上，并位于限位部21与撑杆1的开口端之间。导杆2通过弹簧4调整在撑杆1中的位置来提供一个较大的行程以及和撑杆1相互作用，压缩弹簧4。弹簧4则通过其弹性形变为臂架6提供预紧力或支撑反力。

在强夯机提锤或脱锤过程中，液压控制装置5通过油缸3为撑杆1提供恒定预紧力或支撑反力，该作用力经由撑杆1依次传递到弹簧4和导杆2，最后施加到臂架6上。通过使不同工况下弹簧4维持为恒定的预压缩量，从而使臂架6受到恒定的预紧力。

本发明所提供的强夯机防后倾控制系统组装时，如图5所示，首先，使用螺栓螺母将油缸3的缸筒底部与和撑杆1的封闭端固定连接；然后，将弹簧4套装在导杆2上；之后将套装有弹簧4的导杆2与撑杆1组装在一起，组装完毕。

本发明所提供的强夯机防后倾控制系统装配在强夯机上时，将整个防后倾装置的导杆2的伸出端通过销轴卡子与强夯机的臂架6底节臂上的铰点组装，再将油缸3的活塞杆与强夯机的转台上的铰点组装在一起即可。

作为液压控制装置5的优选实施方式，如图4所示，液压控制装置5包括减压阀51和平衡阀52，其中：减压阀51的出油口与平衡阀52的进油口相连通，平衡阀52的出油口与油缸3的无杆腔31相连通，减压阀51用来为油缸3提供低压压力油。平衡阀52采用的是单向平衡阀，平衡阀52作为油缸3的回油通道，其先导压力油口与变幅卷扬制动器压力油相连，用来控制油缸3提供高低两级反向背压。

本发明的工作过程如下：

(1)在强夯机提锤过程中，液压控制装置5主动低压供油，油缸3提供恒定预紧力F₀：

当臂架6处于0度到第一工作角度θ1范围内的时候，导杆2和弹簧4均未受到臂架6的压力作用，此时油缸3不承受外载荷。高压油源经减压阀51减压后，向油缸3提供一个低压压力油，低压压力油的压力大小与油缸3的活塞杆的横截面积的乘积正好为所述恒定预紧力F0的大小，此时油缸3的活塞杆外伸，直至到全伸状态，也就是说，此时油缸3提供的预紧力大小为F₀。

当臂架6处于第一工作角度θ1到第二工作角度θ2范围内的时候，导杆2和弹簧4均受到臂架6的压力作用，此时油缸3承受弹簧4的反力作用，弹簧4的弹力F<F0，油缸3依然提供一个预紧力F₀，处于全伸状态。

当臂架6处于第二工作角度θ2到第三工作角度θ3范围内的时候，导杆2和弹簧4均受到臂架6的压力作用，此时油缸3承受弹簧4的反力作用，弹簧4的弹力F＝F₀，弹簧4的长度保持不变，油缸3还是提供一个预紧力F₀。此时，臂架6作变幅动作，变幅卷扬制动器压力油作用于平衡阀52的先导腔，平衡阀52处于低反向背压状态。变幅起时，油缸3的活塞杆受压缩回，油缸3的油液经平衡阀52和减压阀51，反向流回油箱；变幅落时，液压控制装置5向油缸3供油，油缸3的活塞杆伸出，但弹簧4的长度保持不变，弹簧4的预紧力保持不变，仍然为F0。

也就是说，夯锤9在非脱钩状态下，油缸3给臂架6提供一个恒定的预紧力F0。

(2)在强夯机脱锤过程中，油缸3提供大支撑反力：

当变幅动作停止时，变幅卷扬制动器泄压，平衡阀52的先导腔也随之泄压，平衡阀52处于高反向背压状态。脱钩后，臂架6给弹簧4一个冲击压缩力，弹簧4受压后将力传递给油缸3。但由于平衡阀52的高背压，油缸3里的油液能形成高压，使油缸3的输出力变大，最终油缸3的活塞杆保持原位不动，臂架6的作用力完全由弹簧4来吸收。

也就是说，夯锤9脱钩过程中，油缸3给臂架6提供了一个接近刚性的大的支撑反力。

本发明能够还提供一种采用上述各实施例中的强夯机防后倾控制系统的强夯机防后倾控制方法，其包括以下步骤：

在夯锤9静止的状态下，根据强夯机的臂架6的受力情况，计算强夯机防后倾控制系统中撑杆1所需要的恒定预紧力大小；

根据计算出的恒定预紧力，通过强夯机防后倾控制系统中的液压控制装置5调节油缸3中无杆腔液压油压力，直至油缸3为撑杆1所提供的支撑力为恒定预紧力大小。

减压阀51出口的压力油可以直接经过平衡阀52中的单向阀521进入油缸3的无杆腔，实现油缸3的活塞杆伸出；当油缸3被动压缩时，压力油经过平衡阀52反向流回，从而产生反向背压。由于平衡阀52的先导压力油口连接变幅卷扬制动器压力油。当强夯机的变幅卷扬制动器压力油有压力时，强夯机的卷扬动作，此时平衡阀为反向低背压，可以使油缸3为弹簧4提供预紧力保持不变；当变幅卷扬制动器压力油无压力时，卷扬停止动作，此时平衡阀5为反向高背压，臂架6反弹时，油缸3被动受压，可以产生大的接近刚性的支撑反力。

上述步骤中，计算强夯机防后倾控制系统中的撑杆1所需要的恒定预紧力F₀大小，具体包括：

1)设定参数：强夯机防后倾控制系统中弹簧4的预压缩量Δl，反弹后弹簧4的压缩量Δl'，油缸3与转台的铰点为第一铰点A、强夯机防后倾控制系统中导杆2与臂架6的铰点为第二铰点B、臂架6与转台的铰点为第三铰点C。

2)采集数据：第一铰点A与第二铰点B的间距s，第二铰点B与第三铰点C的间距b，第一铰点A与第三铰点C的间距c，臂架6长度L，臂架6重心与第三铰点的间距a，臂架6的工作角度θ，臂架6底节臂上主弦杆与下主弦杆夹角α，第一铰点和第三铰点的连线与水平面之间的夹角β，夯锤9脱钩前且夯锤9处于静止状态下的臂架6重力G_臂架(图5中的G1)、夯锤9重力G_夯锤(图5中的G2)和起升绳8对臂架6的拉力F_起升绳。

3)对臂架6进行受力分析，根据臂架6力矩平衡方程，计算出变幅拉索7力F_变幅拉索，具体地，根据以下公式：

F_防后倾＝kΔl

R_臂架＝α·cosθ

R_夯锤＝L·cosθ

R_臂架＝a·cosθ

G_臂架R_臂架+G_夯锤R_夯锤+F_防后倾R_防后倾＝F_起升绳R_起升绳+F_变幅拉索R_变幅拉索

计算出F_变幅拉索。

其中，由图5中第一铰点A、第二铰点B和第三铰点C围成的三角形中的三条边的长度s、b、c及b与c边的夹角(180-θ-β-α/2)，可以求得R_防后倾。

同理，根据公知的三角形正余弦定理及三角形面积公式，由卷扬、人字架位置以及对应的角度可以分别求出R_起升绳、R_变幅拉索。

4)强夯机提锤过程中，变幅拉索7、起升绳8、臂架6和防后倾控制系统都储存了能量，夯锤9释放后(脱锤后)的变幅拉索7、起升绳8和臂架6的能量释放转移后将能量都储存到防后倾控制系统上，提锤过程中的臂架6、变幅拉索7、起升绳8都处于静止状态，得到此时防后倾系统中的弹簧4储存的能量，因此，计算弹簧4的预压缩量，即计算强夯机脱钩后防后倾控制系统中储存的能量(臂架6的晃动范围)，再通过合理的选择臂架的晃动范围，即可知道防后倾控制系统中的撑杆所需要的恒定预紧力大小。计算脱钩后弹簧4的压缩长度的步骤如下：

(4-1)根据以下公式：

$P_i=\frac{k{\left(\mathrm{\&Delta;l}\right)}^2}{2}=\frac{F^2}{2k}=\frac{F^{2}l}{2\mathrm{EA}}$

P_静态能量＝P_变幅拉索+P_起升绳+P_弹簧+P_臂架

上述各式中，E为弹性模量，A为横截面积，k为刚度，F为作用在变幅拉索或弹簧或起升绳或臂架上的轴向力，Δl为伸缩量(或变形量)，l为变幅拉索或弹簧或起升绳或臂架的长度。

其中：P_变幅拉索、P_起升绳、P_弹簧、P_臂架可以采用P_i的任意表达式求得。而由于弹簧4的预压缩量Δl为未知数，因此P_弹簧为Δl的函数，即P_静态能量为Δl的函数。

(4-2)根据以下公式：

将步骤(4-1)计算出的P_静态能量代入上式中，求得反弹后弹簧4的压缩量Δl'，因此反弹后弹簧4的压缩量Δl'为弹簧4的预压缩量Δl的函数。

(4-3)通过求取步骤(4-2)中反弹后弹簧的压缩量Δl'的最小值，计算出弹簧4的预压缩量Δl。

(5)根据步骤(4-3)中得出的弹簧4的预压缩量Δl，将其代入公式F_弹簧＝kΔl中，计算出强夯机防后倾控制系统中的撑杆1所需要的恒定预紧力F₀。

上述步骤中，由于目前市面上的臂架6产品的长度L分为19m、22m、25m等，如果需要使臂架6伸出的水平长度，即臂架6在水平面上的投射长度L·cosθ相同，此时需要调整油缸3的伸缩量，即补足行程。因此，在控制油缸3提供恒定预紧力F₀前提条件下，还需要根据不同臂架6的长度L，计算油缸3的补足行程，并控制油缸3的补足行程。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种强夯机防后倾控制系统，

其特征在于：

包括撑杆、导杆、油缸、弹簧和液压控制装置，其中：

所述导杆一端的外侧壁具有限位部；

所述撑杆为一根具有开口端和封闭端的中空柱；

所述撑杆的封闭端与所述油缸固定连接；

所述导杆从所述撑杆的开口端插入所述撑杆的空腔中，所述限位部位于所述撑杆之外；

所述弹簧套装在所述导杆外，并位于所述限位部与所述撑杆的开口端之间；

在强夯机工作过程中，所述液压控制装置通过所述油缸为所述撑杆提供恒定的预紧力，使不同工况下所述弹簧维持为恒定的预压缩量。

2.如权利要求1所述的系统，

其特征在于：

所述液压控制装置包括减压阀和平衡阀，其中：

所述减压阀的出油口与所述平衡阀的进油口相连通；

所述平衡阀的出油口与所述油缸的无杆腔相连通；

所述平衡阀的先导压力油口用于连接变幅卷扬制动器压力油。

3.如权利要求2所述的系统，

其特征在于：

所述平衡阀为单向平衡阀。

4.如权利要求3所述的系统，

其特征在于：

所述油缸的缸筒底部与所述撑杆的封闭端螺栓连接或焊接。

5.如权利要求4所述的系统，

其特征在于：

所述油缸为柱塞缸。

6.一种采用如权利要求1-5中任一项所述的强夯机防后倾控制系统的强夯机防后倾控制方法，

其特征在于：

包括以下步骤：

在夯锤静止的状态下，根据强夯机的臂架的受力情况，计算强夯机防后倾控制系统中的撑杆所需要的恒定预紧力大小；

根据计算出的所述恒定预紧力，通过强夯机防后倾控制系统中的液压控制装置调节油缸中无杆腔液压油压力，直至油缸为撑杆所提供的支撑力为恒定预紧力大小。

7.如权利要求6所述的方法，

其特征在于：

根据弹簧的预压缩量，计算强夯机防后倾控制系统中的撑杆所需要的恒定预紧力大小。

8.如权利要求7所述的方法，

其特征在于：

脱钩后弹簧的压缩长度的计算方法包括以下步骤：

1)设定参数：强夯机防后倾控制系统中弹簧预压缩量Δl，反弹后弹簧的压缩量Δl'，油缸与转台的铰点为第一铰点、强夯机防后倾控制系统中导杆与臂架的铰点为第二铰点、臂架与转台的铰点为第三铰点；

2)采集数据：第一铰点与第二铰点的间距s，第二铰点与第三铰点的间距b，第一铰点与第三铰点的间距c，臂架长度L，臂架重心与第三铰点的间距a，臂架的工作角度θ，臂架底节臂上主弦杆与下主弦杆夹角α，第一铰点和第三铰点的连线与水平面之间的夹角β，夯锤脱钩前且夯锤处于静止状态下的臂架重力G_臂架、夯锤重力G_夯锤和起升绳对臂架的拉力F_起升绳；

3)根据以下公式：

F_防后倾＝kΔl

R_臂架＝α·cosθ

R_夯锤＝L·cosθ

R_臂架＝a·cosθ

G_臂架R_臂架+G_夯锤R_夯锤+F_防后倾R_防后倾＝F_起升绳R_起升绳+F_变幅拉索R_变幅拉索

计算出F_变幅拉索；

4)根据以下公式，计算出P_静态能量：

$P_i=\frac{{k\left(\mathrm{\&Delta;l}\right)}^2}{2}=\frac{F^2}{2k}=\frac{F^{2}l}{2\mathrm{EA}},$

P_静态能量＝P_变幅拉索+P_起升绳+P_弹簧+P_臂架

式中，E为弹性模量，A为横截面积，k为刚度，F为作用在变幅拉索或弹簧或起升绳或臂架上的轴向力，Δl为伸缩量或变形量，l为变幅拉索或弹簧或起升绳或臂架的长度；

5)根据以下公式：

计算出反弹后弹簧的压缩量Δl'_，反弹后弹簧的压缩量Δl'为防后倾弹簧预压缩量Δl的函数；

6)通过求取步骤5)中反弹后弹簧的压缩量Δl'最小值，计算出弹簧预压缩量Δl。

9.如权利要求8所述的方法，

其特征在于：

根据不同臂架的长度，计算油缸的补足行程。