CN110714944A - 一种差动落锤装置及落锤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动落锤装置及落锤方法，包括落锤系统，落锤系统包括液压站、提升缸、提升阀、低压蓄能器、高压蓄能器和背压阀，所述提升缸为竖向设置、活塞杆向下的双作用单活塞杆液压缸，其活塞杆端部联接有重锤，所述背压阀出油口接液压站的回油管，所述二位四通电磁换向阀的进油口接所述液压站的压力管，其回油口接液压站的回油管或提升缸的无杆腔油口，其常通出油口封闭或连通其回油口，其另一出油口接二通基本插件的控制口。发明具有提高液压锤落锤时的差动力和排油补油阻力的双重效果，相应具有提高落锤速度、击打能量、击打力的作用和特点及节能。

Description

一种差动落锤装置及落锤方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，更具体地说，特别涉及一种差动落锤装置及落锤方法。

背景技术

目前液压锤的重锤提升缸普遍采用双作用双活塞杆式，或双作用单活塞杆式。由于提升缸竖直安装在重锤上方，无术语表达的双作用双活塞杆式提升缸活塞上方的空腔称上腔，活塞下方的空腔称下腔。

双作用双活塞杆式活塞两侧面积及两腔容积相等，优点是上腔容积小于双作用单活塞杆式提升缸无杆腔，单循环需要的油液少，液压站供油量一定时击打频率较高。缺点是落锤时不能利用活塞两侧面积差加力，下腔的排油阻力及上腔的补油阻力直接影响了落锤速度，击打能量及击打力明显小于自由落体。另一缺点是提升时上活塞杆向上伸出，整机高度大幅度提高，打桩时需要更高的桩架，提高了使用成本，降低了安全性及适用范围。

双作用单活塞杆式提升缸无杆腔侧活塞面积及容积均大于有杆腔侧，无杆腔（上腔）与有杆腔（下腔）活塞面积比较小（如标准比值1.25:1或1.33:1）且配置合理时可实现差动加力，差动力抵消或部分抵消有杆腔排油及无杆腔补油阻力，此时相对于常见双作用双活塞杆式落锤速度快，相应击打能量和击打力大。主要缺点是为了保证无杆腔的补油量，须采用相对缸径较细的活塞杆以降低两腔容积差值，落锤时有杆腔向无杆腔补油的同时，由低压蓄能器的余液（大部分经回油管排出）及源于液压站的压力油补充两腔容积差值，技术要求较高。当两腔容积差值较大时，甚至需从回油管吸油以补充无杆腔，落锤速度更低，击打能量及击打力小，属单作用液压锤。由于落锤速度不断提高的同时液流阻力成平方级增加，落锤末速度远低于自由落体。

无杆腔、低压蓄能器、回油管连通且常通是其难以提高加力水平的固有缺点，重锤高速提升时无杆腔向回油管排油，提锤速度快（每分钟30～40击的液压锤全程提升时间1秒左右）、回油阻力大时部分充入低压蓄能器，低压蓄能器充液量少且随时向回油管排出，低压蓄能器主要作用是通过降低回油阻力而减少提升压力，兼有少量蓄液补液功能。

由于两腔面积差小，且无杆腔与回油管连通，系统匹配良好时落锤时的差动作用主要是部分抵消排油、补油阻力，其加力效果不大；系统匹配不佳时尚需从液压站的回油管吸油补充无杆腔，增加了吸油阻力。

发明 编号 一种液压锤集成液压装置 公开了一种减少管件等技术降低落锤时排油补油阻力的结构与方法。由于理论上液流阻力与流速的平方成正比，该发明降低排油补油阻力的效果显著。

发明 编号 一种液压锤差动液压装置 提供了一种通过差动技术实现加速落锤的可能性，能否有效或更接近自由落体的末速度则取决于补油技术及系统匹配。

作为液压锤典型案例，中央电视台公开报道了一款大国重器：太原重型机械集团有限公司的“TZ-1900双作用式全液压打桩锤”，重锤质量200t、最大落锤高度1.5m、最大落锤高度时击打能量1900kJ，其击打能量仅为重锤势能的63%，相当于不足1m的自由落体。“双作用式全液压”的加力效果远未抵消落锤时的排油补油阻力，效能损失巨大，尚未达到无加力的单作用液压锤一般水平。由此例可见，直接向提升缸的上腔提供压力油加力的“双作用式全液压打桩锤”及相关落锤加力技术也未必能够有效提高落锤速度。

打夯、破碎用液压锤一般7t以下，个别10t左右。5t～＞100t液压锤主要用于打桩。采用双作用单活塞杆式提升缸的液压锤整机高度至少比双作用双活塞杆式提升缸整机高度低最大工作行程、防打空等储备行程及与其它件安全距离之和。因此利用双作用单活塞杆式提升缸活塞两侧的面积差，提高落锤差动力，有利于在保持其安全性好、使用成本低、适用范围广的既有优势的前提下，提高击打效能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种差动落锤装置及落锤方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种差动落锤装置，包括落锤系统，落锤系统包括液压站、提升缸、提升阀、低压蓄能器、高压蓄能器和背压阀，所述提升缸为竖向设置、活塞杆向下的双作用单活塞杆液压缸，其活塞杆端部联接有重锤，所述提升阀为二通基本插件与二位四通电磁换向阀组成的二通插装阀，所述液压站的压力管接所述高压蓄能器、提升缸有杆腔油口和二通基本插件的进油口，所述二通基本插件出油口接低压蓄能器、提升缸无杆腔油口和背压阀进油口，所述背压阀出油口接液压站的回油管，所述二位四通电磁换向阀的进油口接所述液压站的压力管，其回油口接液压站的回油管或提升缸的无杆腔油口，其常通出油口封闭或连通其回油口，其另一出油口接二通基本插件的控制口。

优选地，所述低压蓄能器及高压蓄能器均为气囊式蓄能器。

优选地，所述背压阀为溢流阀、溢流阀与带阻尼孔的二通插件组成的具有调压功能的二通插装阀和单向阀中的任一阀体。

优选地，所述提升缸无杆腔油口及提升阀均设多个，所述二通基本插件共用一个所述二位四通电磁阀控制。

优选地，所述提升阀为二位四通换向阀或三位四通换向阀任一阀体替代，其中所述二位四通换向阀具有P、T、B和A油口，二位四通换向阀油口P、T、B常通、或B、T常通或四油口均常通，所述液压站的压力管接高压蓄能器、二位四通换向阀P油口，二位四通换向阀A油口封闭或与T油口连通，二位四通换向阀B油口接低压蓄能器、提升缸无杆腔油口和背压阀进油口，背压阀出油口连通液压站的回油管。

优选地，所述落锤系统还包括充液阀，充液阀为二通插装阀，充液阀与提升阀共用一件二位四通电磁换向阀控制，所述二位四通电磁换向阀进油口接液压站的压力管，二位四通电磁换向阀回油口接液压站回油管或提升缸无杆腔油口，二位四通电磁换向阀的两个出油口分别接充液阀及提升阀的二通基本插件的控制口，液压站的压力管接高压蓄能器、充液阀进油口，充液阀出油口接提升缸有杆腔及二通基本插件进油口，所述二通基本插件出油口接低压蓄能器、提升缸无杆腔油口及背压阀进油口，所述背压阀出油口接液压站的回油管。

优选地，所述二位四通电磁换向阀独立设置，或与任一二通基本插件组合为二通插装阀，二位四通电磁换向阀一出油口接充液阀出油口，其另一出油口接二通基本插件的控制口。

利用上述差动落锤装置的落锤方法，包括以下步骤：

S1、二位四通电磁换向阀的电磁铁通电后换向，二位四通电磁换向阀的进油口、出油口连通，二通基本插件的控制口加压进油口封闭，压力油向高压蓄能器充液及缓冲重锤由落转升瞬间的液流冲击，直至达到提锤压力时压力油推动提升缸有杆腔活塞，重锤提升。同时提升缸无杆腔排出的液压油向低压蓄能器充液，直至背压阀开启，多余油液通过回油管回液压站；

S2、二位四通电磁换向阀的电磁铁断电后复位，二位四通电磁换向阀的进油口与常通出油口连通、另一出油口与回油口连通，二通基本插件呈单向阀状态，在重锤重力的作用下，提升缸有杆腔排出的油液通过二通基本插件向无杆腔补油；

S3、高压蓄能器、压力为设定背压的低压蓄能器及液压站压力管同时向提升缸无杆腔供油，背压阀的超调作用及充裕的补油使无杆腔压力始终大于或等于设定背压，推动活塞加速下行，提升缸有杆腔油液加速排出，重锤加速下落，当对无杆腔的补油压力大于设定背压时多余油液经背压阀、回油管回液压站。

S4、设置背压阀，在提锤压力、背压及进回油管液流损失之和不大于液压站额定压力的前提下，背压阀开启压力提高，使低压蓄能器蓄蓄有充裕的油液且具有与背压相同的较高压力。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明适用于双作用双活塞杆提升缸的液压锤，无差动加力效果，仅降低落锤时的排油补油阻力。

因此，本发明具有提高液压锤落锤时的差动力和排油补油阻力的双重效果，相应具有提高落锤速度、击打能量、击打力的作用和特点及节能的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一的结构框图。

图2是本发明实施例二的结构框图。

图3是本发明实施例三的结构框图。

图4是本发明实施例四的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

附图1为本实施例的附图，本实施例为本发明的基础方案。

一种差动落锤装置，包括落锤系统，落锤系统包括液压站、提升缸1、提升阀2、低压蓄能器3、高压蓄能器4和背压阀5，提升缸1为竖向设置、活塞杆向下的双作用单活塞杆液压缸，其活塞杆端部联接有重锤6，本实施例中，提升阀2为二通基本插件11与二位四通电磁换向阀12组成的二通插装阀，低压蓄能器3及高压蓄能器4均为气囊式蓄能器，背压阀5为溢流阀、溢流阀与带阻尼孔的二通插件组成的具有调压功能的二通插装阀和具有设定开启压力的单向阀中的任一阀体，液压站的压力管接高压蓄能器4、提升缸1有杆腔油口和二通基本插件11的进油口，二通基本插件11出油口接低压蓄能器3、提升缸1无杆腔油口和背压阀5进油口，背压阀5出油口接液压站的回油管，二位四通电磁换向阀12的进油口P接液压站的压力管，其回油口T接液压站的回油管或提升缸1的无杆腔油口，其常通出油口A封闭或连通其回油口，其另一出油口B接二通基本插件11的控制口。

为了方便理解工作原理，附图中各阀体的各口均通过字母进行标记。

其落锤方法为：正常停机状态时，由于二通插装阀的先导阀二位四通电磁换向阀12的B、T口常通，二通基本插件11相当于单向阀，提升缸1的有杆腔通过二通基本插件11与无杆腔连通，重锤6稳定在初始位。

二位四通电磁换向阀12的电磁铁通电后换向，二位四通电磁换向阀12的P、B口连通，二通基本插件11的控制C口加压进油A口封闭，压力油向高压蓄能器4充液及缓冲重锤6由落转升瞬间的液流冲击，直至达到提锤压力时压力油推动提升缸1有杆腔活塞，重锤6提升。同时提升缸1无杆腔排出的液压油向低压蓄能器3充液，直至背压阀5开启，多余油液通过回油管回液压站。

二位四通电磁换向阀12的电磁铁断电后复位，二位四通电磁换向阀12的P、A口通、B、T口通，二通基本插件11呈单向阀状态，在重锤6重力的作用下，提升缸1有杆腔排出的油液通过二通基本插件11的A口、B口向无杆腔补油，同时高压蓄能器4、压力为设定背压的低压蓄能器3及液压站压力管同时向提升缸1无杆腔供油，背压阀5的超调作用及充裕的补油使无杆腔压力始终大于等于设定背压，推动活塞加速下行，提升缸1有杆腔油液加速排出，重锤6加速下落。对无杆腔的补油压力大于设定背压时多余油液经背压阀5、回油管回液压站。

通过设置了背压阀5，在提锤压力、背压及进回油管液流损失之和不大于液压站额定压力的前提下，背压阀5开启压力可尽量提高，使低压蓄能器蓄3蓄有充裕的油液且具有与背压相同的较高压力。由于不存在落锤时提升缸1无杆腔补油量不足问题，尽量增加活塞两侧的面积差，提高差动加力效果。落锤时，提升缸1无杆腔补油量充裕、压力提高，活塞两侧的面积差加大，压力与面积差的乘积即下推力，也显著增加。

大型液压锤重锤6的质量远大于安装重锤6的机架及关联件，所谓的“加力”最大值约为机架及关联件的重力。否则，重锤6始落瞬间，该加力的作用是向上顶起机架及关联件，导致机架窜动及关联件相互撞击。

因此，本发明的本实施例具有提高液压锤差动加力的效果，相应提高落锤速度、击打能量、击打力的作用和特点。

实施例2

附图2为本实施例的附图。受结构及供货限制，连接提升缸1有杆腔油口与二通基本插件进油口A口的压力管通径不可能过大，如工作压力31.5MPa级标准供货的高压油管的最大公称通径为DN50，为了降低液流阻力可采用4个及以上油口，至少2个，受标准原理图为平面图形所限本实施例附图2只能表述为2个，油管分别并联连接提升缸1有杆腔各油口及二通标准插件11进油口A口，可大幅度降低有杆腔排油阻力。

受结构及供货限制不便设置更大通径的二通插装阀或不便加大提升缸1无杆腔油口或结构需要时，无杆腔油口及二通插装阀也可设多个，受标准原理图为平面图形所限本实施例附图2只能表述为2个，进一步降低液流阻力。各二通插装阀的二通基本插件11可共用一个二位四通电磁阀12控制，即二位四通电磁阀12的B口分别连接增设二通基本插件14的控制口C口，简化系统、降低成本、提高可靠性。标准供货的二通插件通径规格及流量大，二通插件数量无需与提升缸1无杆腔油口数量对应。

大型液压锤的最大提锤高度大多1.5m，此时自由落体的末速度为5.42m/s、时间0.55s，例如50t液压锤，提升缸1缸径20cm、杆径10cm、行程1.5m重锤落距1.5m、一根标准供货最大通径的DN50油管实际通径50.8mm，。提升缸1无杆腔面积236cm2、容积35.3L，DN50油管截面积20.3cm2。按自由落体时间0.55s计，油管的平均流速31.6m/s；按自由落体末速度计时提升缸1有杆腔最大排油量128L/s7680L/min、油管的最大流速63 m/s，远超压力管流速推荐值不大于10m/s及回油管流速推荐值不大于5m/s。当采用4油口及4油管时，流速约为初始设定的1/4、理论上阻力约为初始设定的1/16，降低阻力效果显著，阻力偏大但可接受，还可增设油口或采取其它技术措施改善。

本实施例可见，降低落锤时排油补油阻力的效果及潜力远大于任何直接加力技术，增效且节能。本实施例与实施例1组合后，本发明具有既提高落锤主动力，又显著减少落锤阻力的双重效果。

实施例3

附图3为本实施例的附图。本实施例提升阀2采用二位四通换向阀13，油口P、T、B常通,也可B、T常通或四油口常通。源于液压站的压力管接高压蓄能器4、二位四通换向阀13压力口P口，二位四通换向阀13的A口封闭或与T口连通，二位四通换向阀13的B口接低压蓄能器3、提升缸1无杆腔油口、背压阀5进油口A口，背压阀5出油口B口接连通液压站的回油管。二位四通换向阀13也可用三位四通换向阀替代，其中一位闲置或它用。

二位四通换向阀13换向时接通P口、B口，重锤6提升，二位四通换向阀13复位后落锤，工作原理与采用二通插装阀相同，属等效替代。

实施例4

附图4为本实施例的附图。为了提高击打频率，充分利用液压站提供的液压能，本实施例在实施例1所述技术方案的基础上增设充液阀15，充液阀15为与提升阀2相同的二通插装阀。为了降低成本简化操作，充液阀15与提升阀2可共用一件二位四通电磁换向阀12控制。二位四通电磁换向阀12P口接源于液压站的压力管，T口接液压站回油管或提升缸1无杆腔油口，A口、B口分别接充液阀15、提升阀2二通基本插件的控制口C口。为了便于与实施例1对比，本实施例二位四通电磁换向阀12T口接提升缸1无杆腔油口。源于液压站的压力管接高压蓄能器4、充液阀15二通基本插件进油口A口，充液阀15二通基本插件出油口B口接提升缸1有杆腔、提升阀2二通基本插件11进油口A口，提升阀2二通基本插件11出油口B口接低压蓄能器3、提升缸1无杆腔油口、背压阀5进油口A口，背压阀5出油口B口接液压站的回油管。二位四通电磁阀12通电换向后，P口、B口连通控制提升阀2二通基本插件关闭，A口、T口连通后充液阀15二通基本插件释放呈单向阀状态，液压站压力管与高压蓄能器4通过充液阀15A口、B口共同向提升缸1有杆腔供油，重锤6提升速度加快。二位四通电磁阀12断电复位后，B口、T口连通，提升阀2二通基本插件释放呈单向阀状态，重锤6下落，提升缸1有杆腔及低压蓄能器3共同向无杆腔补油；同时，P口、A口通后充液阀15二通基本插件关闭，液压站向高压蓄能器4充液。由于落锤时仅低压蓄能器补3充无杆腔与有杆腔的容积差，低压蓄能器3释放油液的同时压力降低，因此差动力小于实施例1，大于不设背压阀5，重锤6击打频率提高随着提升速度加快而提高。

二位四通电磁换向阀12可独立设置，或与任一二通基本插件组合为二通插装阀。常通出油口接充液阀15二通基本插件出油口C口，另一出油口接提升阀2的二通基本插件的控制口C口。

可用三位四通电磁换向阀代替二位四通电磁换向阀12，液压站的液压原理各不相同，常流、常压、定量、变量等，为了与不同液压原理或配置的液压站匹配，可用三位四通电磁换向阀代替二位四通电磁换向阀12。如，用于常流式液压站时三位四通电磁换向阀中位时四油口常通卸荷，用于常压式液压站时三位四通电磁换向阀中位时压力口封闭，其余三油口油口常通卸荷。三位四通电磁换向阀P口、B口接通后，液压站与高压蓄能器4共同向提升缸1无杆腔供油，重锤提升；P口、B口断开， P口、A口接通后，重锤下落的同时，液压站向高压蓄能器4充液；不工作时中位。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种差动落锤装置，包括落锤系统，落锤系统包括液压站、提升缸（1）、提升阀（2）、低压蓄能器（3）、高压蓄能器（4）和背压阀（5），其特征在于：所述提升缸（1）为竖向设置、活塞杆向下的双作用单活塞杆液压缸，其活塞杆端部联接有重锤（6），所述提升阀（2）为二通基本插件（11）与二位四通电磁换向阀（12）组成的二通插装阀，所述液压站的压力管接所述高压蓄能器（4）、提升缸（1）有杆腔油口和二通基本插件（11）的进油口，所述二通基本插件（11）出油口接低压蓄能器（3）、提升缸（1）无杆腔油口和背压阀（5）进油口，所述背压阀（5）出油口接液压站的回油管，所述二位四通电磁换向阀（12）的进油口接所述液压站的压力管，其回油口接液压站的回油管或提升缸（1）的无杆腔油口，其常通出油口封闭或连通其回油口，其另一出油口接二通基本插件（11）的控制口。

2.根据权利要求1所述的差动落锤装置，其特征在于：所述低压蓄能器（3）及高压蓄能器（4）均为气囊式蓄能器。

3.根据权利要求1所述的差动落锤装置，其特征在于：所述背压阀（5）为溢流阀、溢流阀与带阻尼孔的二通插件组成的具有调压功能的二通插装阀和单向阀中的任一阀体。

4.根据权利要求1所述的差动落锤装置，其特征在于：所述提升缸（1）无杆腔油口及提升阀（2）均设多个，所述二通基本插件（11）共用一个所述二位四通电磁阀（12）控制。

5.根据权利要求1-4任一所述的差动落锤装置，其特征在于：所述提升阀（2）为二位四通换向阀（13）或三位四通换向阀任一阀体替代，其中所述二位四通换向阀（13）具有P、T、B和A油口，二位四通换向阀（13）油口P、T、B常通、或B、T常通或四油口均常通，所述液压站的压力管接高压蓄能器（4）、二位四通换向阀（13）P油口，二位四通换向阀（13）A油口封闭或与T油口连通，二位四通换向阀（13）B油口接低压蓄能器（3）、提升缸（1）无杆腔油口和背压阀（5）进油口，背压阀（5）出油口连通液压站的回油管。

6.根据权利要求1-5任一所述的差动落锤装置，其特征在于：所述落锤系统还包括充液阀（15），充液阀（15）为二通插装阀，充液阀（15）与提升阀（2）共用一件二位四通电磁换向阀（12）控制，所述二位四通电磁换向阀（12）进油口接液压站的压力管，二位四通电磁换向阀（12）回油口接液压站回油管或提升缸（1）无杆腔油口，二位四通电磁换向阀（12）的两个出油口分别接充液阀（15）及提升阀（2）的二通基本插件的控制口，液压站的压力管接高压蓄能器（4）、充液阀（15）进油口，充液阀（15）出油口接提升缸（1）有杆腔及二通基本插件（11）进油口，所述二通基本插件（11）出油口接低压蓄能器（3）、提升缸（1）无杆腔油口及背压阀（5）进油口，所述背压阀（5）出油口接液压站的回油管。

7.根据权利要求1、4、6任一所述的差动落锤装置，其特征在于：所述二位四通电磁换向阀（12）独立设置，或与任一二通基本插件（11）组合为二通插装阀，二位四通电磁换向阀（12）一出油口接充液阀（15）出油口，其另一出油口接二通基本插件（11）的控制口。

8.一种利用权利要求1-7任一所述的差动落锤装置的落锤方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、二位四通电磁换向阀（12）的电磁铁通电后换向，二位四通电磁换向阀（12）的进油口、出油口连通，二通基本插件（11）的控制口加压进油口封闭，压力油向高压蓄能器（4）充液及缓冲重锤（6）由落转升瞬间的液流冲击，直至达到提锤压力时压力油推动提升缸（1）有杆腔活塞，重锤（6）提升;

同时提升缸（1）无杆腔排出的液压油向低压蓄能器（3）充液，直至背压阀（5）开启，多余油液通过回油管回液压站；

S2、二位四通电磁换向阀（12）的电磁铁断电后复位，二位四通电磁换向阀（12）的进油口与常通出油口连通、另一出油口与回油口连通，二通基本插件（11）呈单向阀状态，在重锤（6）重力的作用下，提升缸（1）有杆腔排出的油液通过二通基本插件（11）向无杆腔补油；

S3、高压蓄能器（4）、压力为设定背压的低压蓄能器（3）及液压站压力管同时向提升缸（1）无杆腔供油，背压阀（5）的超调作用及充裕的补油使无杆腔压力始终大于或等于设定背压，推动活塞加速下行，提升缸（1）有杆腔油液加速排出，重锤（6）加速下落，当对无杆腔的补油压力大于设定背压时多余油液经背压阀（5）、回油管回液压站;

S4、设置背压阀（5），在提锤压力、背压及进回油管液流损失之和不大于液压站额定压力的前提下，背压阀（5）开启压力提高，使低压蓄能器蓄（3）蓄有充裕的油液且具有与背压相同的较高压力。

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