CN112160949A - 防爆型高效能液压打桩锤控制系统以及其打桩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防爆型高效能液压打桩锤控制系统以及其打桩方法，该系统包括电气控制端以及与电气控制端连接的泵源、液压打桩锤模块，所述液压打桩模块包括液压缸、活动设置在液压缸内的活塞杆以及与活塞杆底部固定连接的桩锤，还包括还防爆模块和动作控制模块。本发明利用特殊设计的系统，使得本发明打桩过程高效、节能、防爆且安全性高。

Description

防爆型高效能液压打桩锤控制系统以及其打桩方法

技术领域

本发明涉及液压打桩技术领域，尤其涉及防爆型高效能液压打桩锤控制系统以及其打桩方法。

背景技术

随着科学的发展、液压打桩技术的广泛运用，人们对液压打桩技术的要求也逐渐变高，市场上的液压打桩技术已经满足不了实际运用以及客户对其要求，现有技术的液压打桩锤有以下几大缺点：

第一，控制效率低，由于其液压打桩机控制系统复杂，使用了多种阀动作的组合来满足控制需求，且阀之间存在动作的顺序性，导致控制时存在响应迟滞，影响了打桩机的工作效率：换向控制过程中，因通过不同的换向阀控制不同二通阀的开闭，存在迟滞响应，造成负责不同平行位或交叉位的二通阀同时处于开启的过渡状态，导致能量外泄；或者同时处于关闭的过渡状态，使系统产生抖动和瞬时高压冲击。这种瞬时的过渡状态影响了系统的稳定和使用寿命，减缓了动作速度，降低了打桩机的工作效率；

第二，各控制控制阀连接的不合理，系统的瞬时憋压或者换向不畅，使得系统内部受到瞬时的高压冲击，这种不合理的动作顺序在影响系统寿命的同时，也会造成打桩能量的损耗，降低打桩效率；

第三，无防爆、防泄、排险结构，危险度大，当液压打桩锤进行打桩作业时，桩锤运动方向高频切换对系统造成高频率瞬时冲击。由于软管为打桩机系统的最薄弱部分，遭受液压冲击的同时又处于施工现场的恶劣环境中，加速其老化破损。当油管损坏时，若系统无特殊的防爆模块，油泵将继续运转，将液压站油箱中剩余的油液全部通过油管的破裂处排出；同时由于油缸的进油口失压，桩锤受自重下落，导致油缸内一部分油液经进油口从油管破裂处排出；与进油口直连的高压蓄能器也因进油口失压，将高压蓄能器内的油液经进油口从油管破裂处完全排出。以16吨液压锤为例，其系统排量大于500L/min，液压站油箱的油液约800～1000L，系统中的高压蓄能器容量总和约15～30L，当油管发生破裂时，若无法及时关停主泵，油箱中的油将在2min内排尽，而油缸中部分油液与高压蓄能器内所有油液会在短时间内被排尽且无法阻止；强行关停主泵，可防止液压站内剩余的油液被排出，但也会对主泵及电机造成损害；软管破裂后，由于系统失液、失压，桩锤只能停在最低处，在维修完成前无法起升；

第四，高压蓄能器无法进行快速有效排压，增大了拆卸和检修时的风险；

第五，无法进行有效的系统保护以及防空锤系统措施；

第六，无法进行有效的油缸过载保护和泵源系统保护效果不佳；

第七，结构复杂、冗长且灵敏度低。

因此，这些问题严重影响了液压打桩锤的安全性、高效性、节能性，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种高效、节能、防爆、安全性高的防爆型高效能液压打桩锤控制系统以及其液压打桩方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种防爆型高效能液压打桩锤控制系统，包括电气控制端、与电气控制端连接的油缸总成和桩锤，所述油缸总成包括油缸以及与油缸连接的动作控制模块，所述桩锤与油缸的活塞杆底部固定连接，还包括防爆模块；

所述防爆模块用于泵源防爆，包括第一单向阀、第一溢流阀、第一二通阀、第一换向阀、第二二通阀和第一压力传感器，第一二通阀的c口与泵源连接，第一二通阀的a口与第一换向阀的a口连接且第一二通阀的b口与第一溢流阀的a口连接，第一换向阀与电气控制端连接且第一换向阀的c口与第一单向阀的a口连接，第一单向阀的b口与泵源的油箱连接，第一换向阀的b口与第二二通阀的a口连接且第一换向阀的d口分别与第二二通阀的b口和第一二通阀的c口连接，第一溢流阀的b口和第一二通阀的d口均与泵源的油箱连接，第一压力传感器与电气控制系统连接且第一压力传感器与第二二通阀的c口连接，第一压力传感器用于监测泵源出口压力，第二二通阀的b口与泵源进油口连接；

所述动作控制模块包括第三二通阀、第二单向阀、第二溢流阀、第二换向阀、第四二通阀、第五二通阀、第六二通阀、第三换向阀、高压蓄能器、低压蓄能器、第二压力传感器，所述第三二通阀用于油缸总成防爆，第三二通阀的b 口与第二二通阀的c口连接，第三二通阀的c口与a口直接连接后分别与第二压力传感器、高压蓄能器连接，第四二通阀的a口与第二换向阀的a口连接且第二换向阀的d口与第二单向阀的a口连接，第二换向阀的c口与第二溢流阀的a口连接，第二单向阀的b口与第二溢流阀的b口、第四二通阀的d口均与泵源的油箱连接，第四二通阀的c口与低压蓄能器连接，第三换向阀的a口与第二换向阀的d口连接，第三换向阀的b口分别与第三二通阀的c口、第五二通阀的b口、第六二通阀的b口、油缸的下腔连接，第三换向阀的c口与第二换向阀的a口连接，第六二通阀的a口与第五二通阀的a口连接后与第三换向阀的d口连接，第六二通阀的d口与油缸的上腔连接，第四二通阀的b口与第五二通阀的c口连接，第五二通阀的d口与第六二通阀的c口连接，第六二通阀的d口与油缸的上腔连接；

进一步地，所述电气控制端依次连接有触点开关、按钮开关和接近开关，所述接近开关设置在油缸的上腔一侧，所述触点开关设置在活塞杆与桩锤的连接处。

进一步地，所述动作控制模块的进油口与出油口分别链接有第一高压软管和第二高压软管，第二二通阀的c口通过第一高压软管与第三二通阀的b口连接，泵源的油箱通过第二高压软管与第二单向阀的b口、第二溢流阀的b口、第四二通阀的d口连接。

一种采用防爆型高效能液压打桩锤控制系统的打桩方法，步骤如下：

第一步，开启泵源，给防爆模块、动作控制模块、油缸提供能量，油液首先进入防爆模块；

第二步，第一换向阀默认处于平行位，第二二通阀的控制腔得压，第二二通阀关闭，第一二通阀的控制腔失压，开启，液压油通过第一二通阀后回流至油箱，人工经确认各连接管路正常后，通过电气控制端将第一换向阀切换成交叉位，第二二通阀的控制腔失压，第二二通阀打开，第一二通阀控制腔得压，第一二通阀关闭，油液通过第一高压软管输送至动作控制模块，第一二通阀与第一溢流阀组成大通径安全阀,起防止过载作用以及系统二级调压作用；

第三步，防爆、防泄功能：系统正常工作时，第一压力传感器可读取第二二通阀的c口端输出压力并将其数据反馈至电气控制端，若第一高压软管破裂导致大幅度降压时，电气控制端分析后将第一换向阀由交叉位切换成平行位，使第二二通阀控制腔得压，第二二通阀关闭，第一二通阀控制腔失压，第一二通阀开启，使高压油液内循环回流至油箱，阻止更多外泄漏；

第四步，泵源的液压油通过第三二通阀进入动作控制模块，第三二通阀的a 口与其c口直接连接，第三二通阀起单向阀作用，当第三二通阀的b口于其阀芯上产生的力大于第三二通阀的a口其阀芯上产生的力时，第三二通阀的b口至c口方向单向导通，当第三二通阀的a口其阀芯上产生的力大于其b口其阀芯上产生的力时，第三二通阀的c口至b口方向锁闭起防爆作用，即第三二通阀的b口失压，防止第三二通阀的c口油液通过第三二通阀反流外泄；

第五步，桩锤处于初始状态时，第三换向阀、第二换向阀均处于交叉位，第三换向阀处于交叉位，第五二通阀的a口、第六二通阀的a口通过第三换向阀与油箱连通，第五二通阀的阀芯、第六二通阀的阀芯处于开启状态，使油缸的上腔与下腔连通且处于差动状态，合力向下，桩锤不动作；第二换向阀处于交叉位，第四二通阀的a口与油箱连通，使第四二通阀阀芯处于开启状态，在该状态下第三二通阀、第五二通阀、第六二通阀开启，导致高压蓄能器无法充压蓄能，所有油液经第四二通阀排回油箱；

第六步，电气控制端接收到触点开关和按钮开关的信号时，第二换向阀才可切换至平行位，进入工作准备，触点开关有信号说明桩锤与活塞杆有接触，按钮开关为人工确认信号，确认桩锤与活塞杆已连接完毕，第二换向阀切换至平行位时，第四二通阀的a口通过第二换向阀与第二溢流阀连接，第二溢流阀作为第四二通阀的先导阀，通过设定第二溢流阀的溢流压力来设定第四二通阀的开启压力，第四二通阀的a口压力小于第二溢流阀设定值时，第四二通阀阀芯关闭，高压蓄能器进行充压；

第七步，正常开始工作时，第二换向阀始终处于平行位，高压蓄能器被充压至工作压力后，即可通过切换第三换向阀的平行位或交叉位来控制油缸的动作，第三换向阀切换至平行位，使得桩锤被提起，第三换向阀的平行位保持时间控制桩锤提升的高度，当第三换向阀切换至交叉位，上腔与下腔连通，使得上腔与下腔产生的合力向下并与桩锤的自重一起做向下运动，制止桩锤打至桩上，此时接近开关测得到位信号并向电气控制端发送信号，第三换向阀于交叉位继续保持一定时间，防止桩被打击后的弹跳，同时利用压桩保持时间，让泵源给高压蓄能器进行充能；第二压力传感器对高压蓄能器的进行监测，第三换向阀交叉位保持时间控制桩锤下落、压桩和高压蓄能器充能的时间，当高压蓄能器被充至设定的工作压力且压桩时间满足设定时间后，第三换向阀才可再次切换平行位，进行下一轮的提升-打桩-压桩与蓄能的打桩循环；

第八步，当打桩作业完成或处于检修状态时，第三换向阀处于交叉位，使油缸总成处于差动状态并使桩锤位于最低处，再将第二换向阀由平行位切换至交叉位，此时第四二通阀控制腔连通油箱，第四二通阀的阀芯开启，高压蓄能器开始快速泄压，泄压完成后可对系统进行安全移动或拆解。

本实发明的有益效果是：

第一，现有技术中的液压锤对其动作的控制是采用多个换向阀串联其他元件，再连通二通阀控制腔，从而控制阀芯开闭及液压锤的动作效果，其结构复杂且反应迟钝；而本发明控制结构简洁，从而使各阀动作执行效率高，进而提升打桩效率。本发明采用一个换向阀(第三换向阀)控制多个不同功位的二通阀(第四二通阀、第五二通阀、第六二通阀),简化了控制路，第三换向阀与各二通阀之间的控制路不设置其它功能阀做逻辑控制，避免了控制压力过阀行进控制信号转换造成的反应迟滞，保证了多个二通阀的同步响应；其次，本发明在动作控制模块的进油口处设置第三二通阀，并让液压缸的下腔直接连接有高压蓄能器，当活塞杆运行速度超过系统泵源的流量上限时，高压蓄能器可立即介入工作，将高压蓄能器中的油液补充至液压缸中，并且持续提供推力，在油路上不设置液控单向阀来控制高压蓄能器介入工作的阶段，使活塞杆带动桩锤可持续做变加速上升运动，使油缸提升桩锤的速度远高于系统泵源流量的限制，以达到快速提升，缩短提升用时的效果；当液压缸处于上腔和下腔连通的差动状态时，高压蓄能器能回收桩锤向上运动的剩余动能和吸收系统泵源持续提供的能量补充，起到制动和能量回收的作用；

第二，现有技术中，由于不同阀在同一时刻的动作顺序的不同会导致油缸不同的运行状态，其不合理的动作顺序会造成系统的瞬时憋压或者换向动作不畅，使得系统内部受到瞬时的高压冲击，这种不合理的动作顺序在影响系统寿命的同时，也会造成打桩能量的损耗，降低打桩效率，而本发明在液压系统的控制过程中，保证了第四二通阀、第五二通阀、第六二通阀各阀的动作响应同步以及控制各阀的动作顺序，提高了系统动作的灵敏，也保证了系统的稳定。本系统各个控制路及阻尼孔经过计算和实践验证，可使得各二通阀按照合理的起闭时序微差，消除动作乱序造成的瞬时高压冲击和运行抖动；

第三，现有技术中，因桩锤运动方向高频切换对连接第一高压软管和第二高压软管造成高频率瞬时冲击，会导致第一高压软管和第二高压软管老化、破损且无防爆、调压、排险功能，而本发明在泵源处设置防爆模块，在油缸总成油液入口处设置第三二通阀,对整个动作控制模块进行保护，同时利于油缸总成的防爆和排险；

第四，由于液压打桩机油缸上集成了多个高压蓄能器，当系统运作一定时间或完成预定工作后，需要进行检修、维护或者移位，需将系统中的压力完全释放后才可进行以上工作，现有技术的打桩机的高压蓄能器排压，是通过拧开球阀，或者通过小流量回流至油箱进行泄压，存在安全隐患并且效率低，同时也无法观测到底是否还存有余压，而本发明利用第四二通阀和第二换向阀的配合，可进行快速排压；

第五，在实际运用中，当液压打桩机开启新的工作，或长时停工后重新开始运行时，可能会因工作人员的疏忽，未将桩锤与液压缸连接，或其它因素导致液压缸空载运行，由于打桩系统流量大、压力高，空载运行将导致油缸总成撞击造成系统严重损坏。现有技术中并无有效的防范措施，而本发明中设置了双重保护措施：利用触点开关、按钮开关以及接近开关组成信号反馈并与电气控制端的数据分析配合控制，由人工确定和系统数据评估的双保险来保证系统运行安全。

第六，本发明在系统启动保护和防空锤的基础上增加了系统过载保护，利用第二溢流阀、第二换向阀和第四二通阀的功能组合，使得该系可调定安全压力，当活塞杆动作产生瞬时冲击时，油缸总成压力超过第二溢流阀的预设安全压力时，第四二通阀的阀芯快速开启，进行快速泄压，使油缸总成内压力迅速降至安全压力以下；

第七，将控制油缸动作的各阀集成于油缸的上缸头上组成油缸总成，最大的缩短了控制端与执行端的距离，避免了控制端与执行端之间使用管路连接，提高了阀的执行效率，而减少了承压零件数量的同时，还避免了连接管路承压膨胀带来的压力波动，影响各阀的控制效果，由于油缸差动运动方向朝下腔端，将各阀集成于上腔，可有效防止油缸空载运行或打空锤对下腔端部的部件造成损坏，可将损失降至最小；将防爆模块设置于泵源出油口，靠近泵源，缩短监测范围，可使其反应灵敏，有效阻止管路破裂造成大量外泄。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明的动作控制模块的系统示意图；

图3为本发明的防爆模块的系统示意图；

图4为本发明第一二通阀或第二二通阀或第三二通阀或第四二通阀或第五二通阀或第六二通阀或第三换向阀或第一二通阀的油路结构示意图；

图5为本发明的实体结构简要示意图；

图6为本发明的工作状态的压力-速度-时间-高度曲线图；

图7为本发明的合理系统设计参数的理论曲线图；

图8本发明的高压蓄能器容积过小的理论曲线图；

图9本发明的高压蓄能器预充压力过小的理论曲线图；

图10本发明系统运行流量不匹配(泵源提供流量过小)的曲线图；

图11本发明系统运行区间不匹配(提升高度过高导致系统供能不足)的曲 线图；

图中：1、第一单向阀；2、第一溢流阀；3、第一二通阀；4、第一换向阀； 5、第二二通阀；6、第一压力传感器；7、第三二通阀；8、第二单向阀；9、第二溢流阀；10、第二换向阀；11、第四二通阀；12、第五二通阀；13、第六二通阀；14、第三换向阀；15、高压蓄能器；16、低压蓄能器；17、第二压力传感器；18、触点开关；19、按钮开关；20、接近开关；21、油缸；22、活塞杆；23、桩锤；24、上腔；25、下腔；26、第一高压软管；27、第二高压软管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

如图1-6所示，一种防爆型高效能液压打桩锤控制系统，包括电气控制端、与电气控制端连接的油缸总成和桩锤23，所述油缸总成包括油缸21以及与油缸 21连接的动作控制模块，所述桩锤23与油缸21的活塞杆22底部固定连接，还包括防爆模块。

所述防爆模块用于泵源防爆，包括第一单向阀1、第一溢流阀2、第一二通阀3、第一换向阀4、第二二通阀5和第一压力传感器6，第一二通阀3的c口与泵源连接，第一二通阀3的a口与第一换向阀4的a口连接且第一二通阀3 的b口与第一溢流阀2的a口连接，第一换向阀4与电气控制端连接且第一换向阀4的c口与第一单向阀1的a口连接，第一单向阀1的b口与泵源的油箱连接，第一换向阀4的b口与第二二通阀5的a口连接且第一换向阀4的d口分别与第二二通阀5的b口和第一二通阀3的c口连接，第一溢流阀2的b口和第一二通阀3的d口均与泵源的油箱连接，第一压力传感器6与电气控制系统连接且第一压力传感器6与第二二通阀5的c口连接，第一压力传感器6用于监测泵源出口压力，第二二通阀5的b口与泵源进油口连接。

所述动作控制模块包括第三二通阀7、第二单向阀8、第二溢流阀9、第二换向阀10、第四二通阀11、第五二通阀12、第六二通阀13、第三换向阀14、高压蓄能器15、低压蓄能器16、第二压力传感器17，所述第三二通阀7用于油缸总成防爆，第三二通阀7的b口与第二二通阀5的c口连接，第三二通阀7 的c口与a口直接连接后分别与第二压力传感器17、高压蓄能器15连接，第四二通阀11的a口与第二换向阀10的a口连接且第二换向阀10的d口与第二单向阀8的a口连接，第二换向阀10的c口与第二溢流阀9的a口连接，第二单向阀8的b口与第二溢流阀9的b口、第四二通阀11的d口均与泵源的油箱连接，第四二通阀11的c口与低压蓄能器16连接，第三换向阀14的a口与第二换向阀10的d口连接，第三换向阀14的b口分别与第三二通阀7的c口、第五二通阀12的b口、第六二通阀13的b口、油缸21的下腔25连接，第三换向阀14的c口与第二换向阀10的a口连接，第六二通阀13的a口与第五二通阀12的a口连接后与第三换向阀14的d口连接，第六二通阀13的d口与油缸 21的上腔24连接，第四二通阀11的b口与第五二通阀12的c口连接，第五二通阀12的d口与第六二通阀13的c口连接，第六二通阀13的d口与油缸21 的上腔24连接。

所述电气控制端依次连接有触点开关18、按钮开关19和接近开关，所述接近开关20设置在油缸21的上腔24一侧，所述触点开关18设置在活塞杆22与桩锤23的连接处，触点开关18可以设置在活塞杆22靠近桩锤23的一端，也可以设置在桩锤靠近23的一端。

所述动作控制模块的进油口与出油口分别链接有第一高压软管26和第二高压软管27，第二二通阀5的c口通过第一高压软管26与第三二通阀7的b口连接，泵源的油箱通过第二高压软管27与第二单向阀8的b口、第二溢流阀9的b口、第四二通阀11的d口连接。

所述泵源包括电机、齿轮泵、泵源溢流阀和泵源单向阀，所述齿轮泵与电机连接并用于驱动齿轮泵运转，齿轮泵的进油口与油箱连接且其出油口与所述泵源溢流阀的进油口连接，所述泵源单向阀的出油口与油箱连接且其前油路与溢流阀的出油口连接。

一种采用防爆型高效能液压打桩锤控制系统的打桩方法以及工作原理如下：

第一步，开启泵源，给防爆模块、油缸总成提供能量，油液首先进入防爆模块；

第二步，第一换向阀4默认处于平行位，第二二通阀5的控制腔得压，第二二通阀5关闭，第一二通阀3的控制腔失压，开启，液压油通过第一二通阀3 后回流至油箱，电气控制端经确认各连接管路正常后，通过电气控制端将第一换向阀4切换成交叉位，第二二通阀5的控制腔失压，第二二通阀5打开，第一二通阀3控制腔得压，第一二通阀3关闭，油液通过第一高压软管26输送至动作控制模块，第一二通阀3与第一溢流阀2组成大通径安全阀,起防止过载作用以及系统二级调压作用；

第三步，防爆、防泄功能：系统开始工作时，第一压力传感器6可读取第二二通阀5的c口端输出压力并将其数据反馈至电气控制端，若第一高压软管 26破裂导致大幅度降压时，电气控制端分析后将第一换向阀4由交叉位切换成平行位，使第二二通阀5控制腔得压，第二二通阀5关闭，第一二通阀3控制腔失压，第一二通阀3开启，使高压油液内循环回流至油箱，阻止更多外泄漏；

第四步，泵源的液压油通过第三二通阀7进入动作控制模块，第三二通阀7 的a口与其c口直接连接，第三二通阀7起单向阀作用，当第三二通阀7的b 口于其阀芯上产生的推力大于第三二通阀7的a口其阀芯上产生的推力时，第三二通阀7的b口至c口方向单向导通，当第三二通阀7的a口其阀芯上产生的推力大于其b口其阀芯上产生的推力时，首先第三二通阀7的c口至b口方向锁闭起防爆作用，即第三二通阀7的b口失压，防止第三二通阀7的c口油液通过第三二通阀7反流外泄；其次，第三二通阀7对第一高压软管26及防爆模块起保护作用：由于油缸21在打桩作业时，经常产生瞬时高压冲击，由于高压冲击来自于第三二通阀7的c口，因此每当有来自第三二通阀7的c口的冲击时，冲击高压作用于第三二通阀7的控制腔，第三二通阀7单向锁闭，防止油压冲击第一高压软管26、接头和前端系统；

第五步，桩锤23处于初始状态时，即桩锤23未开始启动时的位置，第三换向阀14、第二换向阀10均处于交叉位。第三换向阀14处于交叉位，第五二通阀12的a口、第六二通阀13的a口通过第三换向阀14与油箱连通，第五二通阀12的阀芯、第六二通阀13的阀芯处于开启状态，使油缸21的上腔24与下腔25连通且处于差动状态，合力向下，桩锤23不动作；第二换向阀10处于交叉位，第四二通阀11的a口经第二单向阀8与油箱连通，使第四二通阀11 阀芯处于开启状态，在该状态下第三二通阀7、第五二通阀12、第六二通阀13 开启，导致高压蓄能器15无法充压蓄能，所有油液经第四二通阀11排回油箱；

第六步，电气控制端接收到触点开关18和按钮开关19的信号时，第二换向阀10才可切换至平行位，进入工作准备，触点开关18有信号说明桩锤23与活塞杆22有接触，按钮开关19为人工确认信号，确认桩锤23与活塞杆22已连接紧固完毕，当前状态桩锤23与活塞杆22不会产生脱落，将第二换向阀10 切换至平行位时，第四二通阀11的a口通过第二换向阀10与第二溢流阀9连接，第二溢流阀9作为第四二通阀11的先导阀，通过设定第二溢流阀9的溢流压力来设定第四二通阀11的安全开启压力；当工作过程中，第四二通阀11压力超过设定值时，第二溢流阀9泄荷，使第四二通阀11泄压，第四二通阀11 开启，使油缸总成快速卸荷至安全压力以下，以保证整个系统的安全和使用寿命；当第四二通阀11的a口压力小于第二溢流阀9设定值时，第四二通阀11 阀芯处于关闭状态，系统泵源压力小于设定压力时，第二溢流阀9停止卸荷，从而使第四二通阀11控制腔重新建压，高压蓄能器15进行充压，此时油缸总成停止对外卸荷；

第七步，正常开始工作时，第二换向阀10始终处于平行位，高压蓄能器15 被充压至工作压力后，即可通过切换第三换向阀14的平行位或交叉位来控制油缸21的动作，第三换向阀14切换至平行位，使得桩锤23被提起，第三换向阀 14的平行位保持时间控制桩锤23提升的高度，当第三换向阀14切换至交叉位，上腔24与下腔25连通，使得上腔24与下腔25产生的合力向下并与桩锤23的自重一起做向下运动，制止桩锤23打至桩上，此时接近开关20测得到位信号并向电气控制端发送信号，第三换向阀14于交叉位继续保持一定时间，防止桩被打击后的弹跳，同时利用压桩保持时间，让泵源给高压蓄能器15进行充能；第二压力传感器17对高压蓄能器15的进行监测，第三换向阀14交叉位保持时间控制桩锤23下落、压桩和高压蓄能器15充能的时间，当高压蓄能器15被充至设定的工作压力且压桩时间满足设定时间后，第三换向阀14才可再次切换平行位，进行下一轮的提升-打桩-压桩与蓄能的打桩循环；

第八步，当打桩作业完成或处于检修状态时，第三换向阀14处于交叉位，使油缸总成处于差动状态并使桩锤23位于最低处，再将第二换向阀10由平行位切换至交叉位，此时第四二通阀11控制腔连通油箱，第四二通阀11的阀芯开启，高压蓄能器15开始快速泄压，泄压完成后可对系统进行安全移动或拆解。

另外，低压蓄能器16设置在动作模块的出油口处，便于防止油缸总成排油时因背压造成的管路震颤和油缸21异响。

第二压力传感器17对应的测压点位于靠近高压蓄能器15一侧，实时监测高压蓄能器15压力变化，当一次打桩动作完成后油缸总成进行压桩时，泵源对高压蓄能器15进行充能；为保证下一个打桩动作的能量足够，提桩锤2323时油缸总成内部压力必须达到工作压力，即压桩时间必须大于高压蓄能器15最小充能时间；当压桩时间不能满足该条件时，第二压力传感器17的压力读值小于工作压力，此时电气控制模块将阻止第三换向阀14进行换向，直至高压蓄能器 15充能至满足设定的条件。

与现有技术相比，有以下优点：

第一，具有更高的打桩效率：

《1》本发明采用新的原理，采用一个换向阀(第三换向阀14)来同时控制多个不同平行位或交叉位的二通阀(第四二通阀11,第五二通阀12,第六二通阀 13)，简化了控制路，且换向阀与二通阀之间的控制路不设置其它阀或做逻辑控制，避免了油液经过阀进行二次控制，造成的反应迟滞，保证了多个二通阀的同步响应；

《2》新结构于进油口(如图所示CP端)处设置了第三二通阀7，第三二通阀7的c口连接的是油缸21的下腔25，并于此设置了一个高压蓄能器15。高压蓄能器15与油缸21提升腔之间采用直接连接，不设液控单向阀来控制高压蓄能器15介入工作的阶段。由于液压打桩锤23系统要求运行速度快、压力高、流量大，当油缸21提升桩锤23时仅需很短的时间，就可使油缸21的运行速度达到系统提供的流量上限，因该系统不在油缸21与高压蓄能器15之间设置液控阀，当活塞杆22带动桩锤23的运行速度超过系统的流量上限时，高压蓄能器15可立即介入工作，将高压蓄能器15中的油液补充至油缸21中，并且持续提供推力，使活塞杆22带动桩锤23继续做变加速上升运动，使提升速度远高于系统流量限制的速度，以达到快速提升，缩短提升用时的效果；

《3》当第三换向阀14切换至平行位后，油缸21前后腔连通，油缸总成出油口(即CT口)关闭，油缸21呈差动状态，由于此时活塞杆22与桩锤23具有运动惯性，速度方向仍然向上，所以桩锤23需要再向上做一段距离的减速运动后，才将运动方向转变为向下运动。该阶段油缸21处于两腔连通的差动状态，上腔24的作用面积大于下腔25，所以差动时油缸总成压力的作用合力方向向下，同活塞杆22和桩锤23的重力一起，对桩锤23施加反力，加强减速效果；与此同时油缸21上腔24的一部分油液被排入下腔25，因上腔24作用面积大于下腔 25作用面积，差动时存在一定量多余的油液，多余的油液同泵源输出的油液一同补入高压蓄能器15内，此时高压蓄能器15吸能使得油缸总成压力升高，起到了制动和能量回收的作用；

《4》在制动过程中，因打桩机系统设定的不同参数，会有两种状态：

一种，高压蓄能器15压力还未充至系统工作压力时已完成制动，并向下进行加速运动：在活塞杆22向下运动速度未达到系统极限流量能满足的运行速度前，系统多余的流量将持续为高压蓄能器15充能，且最大压力不高于系统工作压力；当活塞杆22运动速度超过系统极限流量后，高压蓄能器15开始释放油液和能量，活塞杆22和桩锤23向下做变加速运动；

另一种，高压蓄能器15压力已充至系统工作压力时，桩锤23仍具有向上运动的速度：

当高压蓄能器15的压力已达到系统的最大工作压力时，活塞仍做向上运动，导致油缸总成内压力逐渐增大并超过泵源压力，使第三二通阀7关闭；上腔24的油液补进下腔25，而多余的油液只能排入高压蓄能器15，该部分动能被高压蓄能器15吸收的同时，补入的高压蓄能器15油液压缩了高压蓄能器15中的气体，使得系统内压力增大，加大了对活塞的制动反力，使制动时间和距离缩短，提升了换向效率。

在此过程中，高压蓄能器15与第三二通阀7的配合，阻止了超限压力对连接第一高压软管26和泵源系统冲击的同时，迫使超限压力进入高压蓄能器15 进行能量回收，提高了油缸总成能量回收效率；高压蓄能器15也对压力冲击起到一定的缓解作用，保障了系统的稳定、安全和可靠性。

《5》活塞杆22与桩锤23在下行过程中，速度由0开始做变加速运动，通常有以下几个阶段：

[1]油缸总成内压力高于系统泵源压力：此时第三二通阀7关闭，只有高压蓄能器15释放能量做功，由于油缸总成内压力高于系统泵源压力，所以拥有更大的加速度；(根据系统参数不同，该阶段不一定都存在)

[2]油缸总成内压力等于系统泵源压力：此时第三二通阀7开启，泵的流量供给油缸21使活塞杆22与桩锤23进行匀加速向下运动，活塞杆22与桩锤23 的下行速度小于泵流量可满足的最大速度前，泵源多余的流量将由泵源溢流回油箱；

[3]油缸总成内压力小于系统泵源压力，活塞杆22与桩锤23的下行速度小于泵流量可满足的最大速度：此时第三二通阀7开启，泵源流量提供至活油缸 21，使活塞杆22与桩锤23进行下降动作，而多余的油液被补入高压蓄能器15，使活塞杆22与桩锤23进行变加速下降的同时，也为高压蓄能器15充能；当高压蓄能器15压力等于系统泵源压力时，油缸21进行匀加速运动，高压蓄能器 15停止充能；([2]与[3]阶段在一个设定参数下，只能存在一种)

[4]当油缸21下行速度大于泵流量可满足的最大速度时，高压蓄能器15开始释放能量与油液，以满足更高速度的运行需求；

在以上阶段的低速加速过程中，高压蓄能器15收集多余的泵源能量进行储备，当活塞杆22加速至泵源流量无法满足活塞杆22与桩锤23下行速度时进行至释放，以满足更高的速度需求，使系统运行末速度最大化，打击能量最大化。

综上所述，在《4》完成后，桩锤23的速度为零且位于最高点，此时，若油缸总成内压力高于系统泵源压力，则依次经历[1]、[2]、[3]、[4]阶段；若油缸总成内压力等于系统泵源压力，则依次经历[2]、[3]、[4]阶段；若油缸总成内压力小于系统泵源压力，则依次经历[3]、[4]阶段。

第二，控制阀合理的动作顺序：

本系统通过计算和实践验证，通过精细调节各个控制路，使得各二通阀按照合理的起闭时序微差，消除动作乱序造成的瞬时高压冲击和运行抖动。

第三，液压打桩系统防爆防外泄漏：

液压打桩机系统的特点是压力高、流量大；与其配套的油缸21特点是动作速度快、运行频率高、瞬时冲击大；为了保证油缸21的建压迅速、反应灵敏，通常还配备了大容积高压蓄能器15。液压打桩机动力液压站放置于打桩机机房内，与机架上的油缸总成通过若干根长软管进行连接，

{1}该发明于泵源处防爆、调压和主泵保护：在泵源的出口处设置防爆模块，该防爆模块由第一单向阀1、第一溢流阀2、第一二通阀3、第二二通阀5、第一换向阀4、第一压力传感器6和触点开关18、按钮开关19和接近开关组成，该部分起防爆作用的同时，还可以监测系统泵源压力并且对系统进行调压：泵源P输出的液压油通过防爆模块S再经过第一高压软管26输送至液压动作控制模块。压力监测点第一压力传感器6设在第二二通阀5之后、第一高压软管26 连接之前，当第一高压软管26发生损坏、破裂时，该测压点的压力将迅速下降，此时电气控制端接收到异常信号，切换防爆模块上的第一换向阀4，使出口端第二二通阀5关闭的同时，打开第一二通阀3，使高压油形成内循环，即让高压油直接输回液压站油箱，避免外泄的同时不用对齿轮泵进行紧急停机，避免了对齿轮泵和电机的伤害。当系统运作正常时，出油端第二二通阀5处于常开状态，回油端第一二通阀3的控制口通过第一溢流阀2后连回油路，即该第一溢流阀2 作为回油端第一二通阀3的先导阀，使该二通阀组成大通径溢流阀，对系统进行保护。

{2}该发明于液压打桩油缸21的防爆和排险：本设备所使用的油缸21利用差动原理，可保证其往复运动时的进油口CP、出油口CT不做交换，恒定不变。所以在工作状态下，只有与进油口PT相连接的第一高压软管26受液压系统的高频高压冲击。在该油口端CP加装第三二通阀7，由第三二通阀7后液路控制二通阀的控制腔，组成大通径单向阀：当连接油口CP的第一高压软管26发生爆破时，第三二通阀7前立即失压，高压蓄能器15可提供稳定的压力，通过第三二通阀7的控制路关闭第三二通阀7，将油口CP关闭，高压蓄能器15及油缸21内的油液无法从进油口CP外泄；同时系统接收到第一压力传感器6的失压信号，S8停止换向工作并回复失电位，将桩锤23放置在最底位置；由于高压蓄能器15内任存有压力和油液，其后还可以根据需要，即使在进油口CP失压的情况下，还可以动作多次(其次数由高压蓄能器15容积大小决定)，以满足排险时提升桩锤23的需要。

第四，液压打桩油缸总成快速排压：

本发明增加了打桩机油缸21的快速排压功能：该系统在动作控制模块出口的第四二通阀11控制腔油路上设置了第二换向阀10，通过该第二换向阀10切换至泄压路后(即该控制路通过第二单向阀8直连回油路)，第四二通阀11的控制腔失压，由于油缸总成高压蓄能器15存在压力，该第四二通阀11会被压力打开，进行大流速排压；同时又因为系统液路的设计，该功能只能当桩锤23 处于最低位处才有效，避免了桩锤23位于高位时,系统误操作带来的危险。

第五，液压打桩系统启动保护和防空锤：

本发明在快速排压的基础上增加了启动保护功能：当液压打桩机开启新的工作，或长时停工后重新开始运行时，可能会因工作人员的疏忽，未将桩锤23 与桩机油缸21连接，或其它因素导致桩机油缸21空载运行，由于打桩系统流量大、压力高，空载运行将导致自身钢结构撞击造成系统严重损坏。

该系统设置了双重保护措施，由人工确定和系统数据评估来保证系统安全。本系统在桩锤23与油缸21连接附近处设置了人工确定开关E2，每当系统重新运行时，需要人工检查是否桩锤23与油缸21连接妥当后，按下确定开关E2，只有系统接收到该开关信号后，方可进行下步操作；同时又在桩锤23与油缸21 的连接处设置触点开关18：当系统动作时，若油缸21与桩锤23连接稳定，该触点E1始终有信号保持，系统方可执行下一次提桩-锤击动作；当该触点E1脱离时，信号失联，系统将暂停下一次的提桩-锤击动作。

系统进行新的工程时，即移机后系统处于无蓄能状态，在以上所述的两个信号均未接收到的情况下，系统将一直保持快速排压状态；当系统接收到以上信号后，才可切换进入蓄能状态；若工作过程中发生桩锤23脱落，接触开关断开，系统会停止下一次的动作，并将系统切换至快速排压位，使油缸21在最低处进行快速排压，也防止高压蓄能器15内存有压力，当人员进行检修时误触系统，导致空锤运行且伤害检修人员。

第六，液压打桩油缸过载保护：

本发明在系统启动保护和防空锤的基础上增加了系统过载保护：油缸总成切换至蓄能状态时，出油口CT上的第四二通阀11控制腔油路由第二换向阀10 切换至通过第二溢流阀9再与回油路CT连接，此时第二溢流阀9与第四二通阀 11组成大通径溢流阀，满足快速泄压，且第二溢流阀9作为二通阀第四二通阀 11的先导阀，以调定安全压力。当油缸21系统动作产生瞬时冲击时，内部压力超过油缸总成预设压力，该第二溢流阀9开启，使第四二通阀11也打开进行快速泄压，使系统内压力快速降至安全压力以下。

第七，更为紧凑和安全的结构：

将控制油缸21的动作阀块独立设置于上缸头上，最大的缩短了控制端与执行端的距离，减少了响应时间；阀组控制油路设置于上缸头，因油缸21空载运行或空锤主要是对下腔25部件造成损坏，设置于上腔24可将损失降至最小；将防爆模块设置于泵源出口，靠近泵源，缩短监测范围，可使其反应灵敏，有效阻止管路破裂造成大量外泄。

以上的防爆防外泄和过载保护，为本发明的高效节能性设计提供了基础和保护。该系统用于节能、提高运行效率的结构被设置于油缸21控制部分：油缸 21的入口处设置了大通径第三二通阀7(二通阀作单向阀)，当动作控制模块内部的压力大于泵源的输出压力时，由于压差作用，第三二通阀7无法开启，泵源的压力油将被拦于油缸21外，且动作控制模块内部的超高压力也因第三二通阀7拦截，不会传递至第一高压软管26和其他系统(防爆模块、泵源)中。油缸总成的压力超过系统泵源压力的状况有以下几种：

当油缸21提升桩锤23至预定时间时切换第三换向阀14，改变液路原理，使油缸21的上腔24、下腔25连通，并关闭出油口处的第四二通阀11，由于上腔24的油压作用面积大于下腔25，所以此时油缸21为差动状态，对桩锤23产生向下的合力进行制动。在制动过程中，桩锤23的运动方向向上，做减速运动；向上运动过程始终有一部分多余体积的油液被持续排入高压蓄能器15内，导致油缸总成内压力增加，该压力大于系统入口CP处压力(即泵源压力)，使得入口处第三二通阀7(起单向阀功能的第三二通阀7)关闭。整套系统只有在油缸21动作时会产生瞬时高压，利用单向阀的工作特性，使得单向阀之外的系统和第一高压软管26不受动作控制模块的任何状态的高压冲击；油缸21系统在桩锤23的减速过程中，随着桩锤23上升，更多的油液被排入高压蓄能器15，同时高压蓄能器15的升压也使得油缸21对桩锤23的合力增加，加强了制动效果。高压蓄能器15起到能量收集作用的同时，还给与了桩锤23更为强劲的反作用力，使得制动时间更短，动能回收更高效。相较于其它未设置防爆功能的液压打桩机系统，当执行换向指令时，第一高压软管26和第二高压软管27与整套设备都要承受该状态下的高压冲击，增加管路失效的风险，而多余的压力和动能不会被高压蓄能器15吸收、储存，只能通过液压系统的溢流阀进行卸荷，造成了动能的浪费，加长了制动时间；

当桩锤23的运动速度为0时，制动过程完毕，此时油缸21系统C内的压力为最大值且远大于泵源提供的压力，油缸总成进油口处的起单向阀功能的第三二通阀7由于压差原因始终保持关闭。在高压蓄能器15压力释放和桩锤23 的重力作用下，桩锤23向下开始做变加速运动，高压蓄能器15将之前收集的动能，于桩锤23下降过程逐渐释放，随着高压蓄能器15中的液压油减少，油缸21系统C内的压力逐渐减小，当油缸总成C内压力小于等于泵源的压力时，位于油缸总成入口处的起单向阀功能的第三二通阀7开启，泵源开始重新介入，继续提供向下运动的动能。

该系统通过以上两个过程，使桩锤23上升制动过程中的动能转换为液压能并利用压差关闭起单向阀功能的第三二通阀7，使这部分能量无法外泄，收集并储存于高压蓄能器15中，同时又利用高压蓄能器15存液越多，压力越大的特性，对运动部件实施快速制动，减小了减速时间。反向加速(即向下加速)过程中，还是因为压差因素，导致入口处起单向阀功能的第三二通阀7无法打开，动作控制模块内的高压和能量只能作用于桩锤23上，不会冲击泵源，更不会因系统进行过载卸荷而造成能量流失，同时高压蓄能器15的高压也能为桩锤23 向下运动提供更大的推力，产生更大的加速度。当高压蓄能器15能量释放一定程度，压力下降至系统泵源压力时，压力差消失，系统再介入工作。在以上过程中，本发明结构提升了能源的利用率，缩短了换向时间，缩小了受冲击的系统范围，不用泵源的溢流阀介入卸荷工作也使得油液温升得到缓解。

在以上过程中，为保证瞬时冲击不高于油缸总成可承受能力，油缸21的过载保护也起了关键作用。当换向过程中高压蓄能器15充压时，压力高于油缸21 出口第四二通阀11的作为先导阀的第二溢流阀9设定压力时，第二溢流阀9开启，使该第四二通阀11控制腔失压，使迅速泄压至安全压力，以保障系统安全。同时当油缸21带动桩锤23打桩时产生的瞬时冲击，高于系统设定的承受压力时，第二溢流阀9进行迅速卸荷。

原理计算与验证：

注：第三换向阀14处于平行位的时间为t0n,液压缸上腔24面积为S1，下腔25面积为S2；油缸21工作压力为P；油缸总成最大压力为Pm；油缸总成设定安全压力为Ps；桩锤23质量为m；系统流量为Q；

第三换向阀14由交叉位切换至平行位，第四二通阀11控制腔连通油箱，第四二通阀11阀开启，同时第五二通阀12、第六二通阀13

【1】控制腔充压，使得第五二通阀12、第六二通阀13阀关闭，此时油缸 21的下腔25进油，上腔24出油，油缸总成对桩锤23进行提升，由于上活塞运动经过接近开关E3，接近开关E3得到电信号：

油缸21在此过程中有以下几种状态：

[1]已知系统流量Q，油缸21下腔25面积S2，所以系统流量可提供的最大上行速度

已知工作最大压力Pm，下腔25面积S2，桩锤23质量m，所以当速度达到V_Qmax前，

加速度

临界时间

根据上述条件，当第三换向阀14处于平行位时间t_0n≤t₀时，油缸21带动桩锤23做向上匀加速运动，末速度

[2]当第三换向阀14处于平行位时间t_0n＞t₀时，油缸21带动桩锤23先做向上匀加速运动，当速度超过V_Qmax时，系统的流量不足以提供继续增加的速度，但又因此时系统与高压蓄能器15的压力产生的作用力大于桩锤23的重力，所以高压蓄能器15开始释放内部的能量和油液，供桩锤23继续做向上变加速运动，随着高压蓄能器15内的能量释放导致压力降低，加速度逐渐减小：

设在该运动状态内某时刻系统速度是V₀₁，系统泵源压力剩余压力为P₀₁，经过Δt后，速度

上升高度

系统流量可满足的上升高度

所以可得出高压蓄能器15释放的油量ΔV＝(ΔH-Δh)×S₂，高压蓄能器15剩余压力

该压力也等于经过Δt后，系统泵源内的剩余压力。(式中P_C0是高压蓄能器15预充压力，V_C0是高压蓄能器15可用容积)

该变加速上升状态需采用迭代法计算下个时段末的上升高度、速度及蓄能器剩余压力(即系统内剩余压力)，时间Δt的划分越精细，结果越精确；

[3]当系统泵源内压力P_0t所提供的力P_0t×S₂＜m×g时，桩锤23做变减速运动，速度方向随时间增加，或由向上转为向下。系统在设计阶段必须提供足够的设计参数，避免该状态出现，使系统的工作效率最大化；

[4]若高压蓄能器15容积太小，将会出现在向上变加速运动过程中，因桩锤23向上运动的惯性，将高压蓄能器15内的油液抽干的现象，高压蓄能器15 油液抽干后桩锤23向上运动速度仍大于V_Qmax，此时系统将受到压力冲击，桩锤 23运行速率被强制降至V_Qmax以下，该状态会对系统造成不良影响，因此必须在设计阶段避免此现象出现。

综上，经过n个Δt后系统内压力为P_0n，即设计参数应满足n×Δt＝t_0n时，运动参数符合上述a～c的状态，不能出现d状态，即此时刻桩锤23运动速度V_0n≥V_Qmax，运动方向向上。

【2】第三换向阀14于平行位保持一段指定的时间T1后(T₁＝t_0n)切换至交叉位，第四二通阀11控制油路充压，第四二通阀11关闭，同时第五二通阀12、第六二通阀13控制腔连通油箱，使得第五二通阀12、第六二通阀13阀开启，此时油缸21的下腔25 与上腔24连通，由于Ar1大于Ar2，所以此时油缸21进行差动，合力方向竖直向下，油缸总成对桩锤23进行下推，当上活塞杆22远离接近开关E3后，失去E3电信号；该过程运动状态如下：

[1]第三换向阀14由平行位切换至交叉位时，运动速度为v_0n，方向向上，系统内压力为P_0n。从此时开始至第三换向阀14切换至另个机能位时，油缸21 一直处于差动状态，差动面积S_k＝A_r1-A_r2，方向与重力方向同向，所以该时刻其合力F_k＝P_0n×(A_r1-A_r2)+m×g，所以其加速度

方向均向下；

[2]由以上条件可知，桩锤23因第三换向阀14切换瞬间仍保持向上的初速度V_0n，且合力a_k方向向下，所以此时桩锤23是先做一段时间的变减速上升运动，当速度降为0后再向下做变加速运动，直至桩锤23落至桩锤23上；设向上运动用时t_k1，下落用时t_k2，压桩设定时长T₂，则第三换向阀14保持在交叉位的总时长T_x＝t_k1+t_k2+T₂；

[3]在t_k1时间内，将t_k1均分成若干个Δt，从初状态开始，经过第一个Δt后，速度v_K-up＝v_0n-a_k×Δt，方向向上；桩锤23上升高度

油缸21差动状态，上腔24的油液排入下腔25，多余的部分进入第三二通阀70，Δt内由油缸21差动排入第三二通阀70的油液体积V_cy＝ΔH_up1×(A_r1-A_r2)，泵源排入第三二通阀70的油液体积V_pu＝Δt×Q，只要油缸总成内压力≤泵源提供的压力 P，则进入高压蓄能器15的油液总体积V_up＝V_cy+V_pu；若系统内压力＞泵源提供的压力P，可进入高压蓄能器15的油液体积V_up＝V_cy，该效果是因单向阀第三二通阀7作用，使泵源提供的油液回流油箱不进入油缸总成，而油缸21差动产生多余的油液因第三二通阀7的截止，只能进入高压蓄能器15进行能量回收，达到节能目的；

[4]经Δt后，体积为V_up的油液进入高压蓄能器15，使高压蓄能器15的气体产生压缩，使得总成内压力增加，即经过Δt后油缸总成压力

因此可知，该状态实则为高压蓄能器15充能的状态，桩锤23的动能转换为压力能存储于高压蓄能器15中；

[5]以上是由第三换向阀14切换时的初状态，经过一个Δt后得到的第二个初状态，以此方法(迭代法)，计算下个Δt的运动状态，直至经若干个Δt后，向上速度减为0，且这些Δt的总和为t_k1；

[6]由速度为0开始，桩锤23向下做加速运动，至桩锤23落至桩上经历的时间为t_k2，在此过程中：

*1当油缸总成内压力＞系统泵源压力时，泵源不做功，由高压蓄能器15与桩锤23重力一同提供向下推力，设此刻系统内压力为P_dw1，此时加速度

经Δt后速度V_dw1＝a_dw1×Δt，下落高度

(初状态v_dw0＝0)；差动下落状态中，高压蓄能器15 排油量ΔQ_dw＝ΔH_dw×(A_r1-A_r2)，经Δt后总成剩余压力

继续使用迭代法，可计算下个Δt后的油缸总成状态；

*2当油缸总成内压力＝系统泵源压力时，系统泵源压力可打开第三二通阀7，参与做功；油缸总成内压力等于系统泵源压力时，设向下速度为v_dwt1，泵流量Q可提供最大向下运动速度

则在v_dwt1≤v_dQm、油缸总成内压力＝系统泵源压力的状态内，桩锤23做向下匀加速运动，加速度

经过一段时间后，向下速度增加至v_dQm，该状态用时

下降高度

*3当上个状态末速度V_dQm经过一个Δt后，得到的速度为V_dt1＝v_dQm+a_dk×Δt，该速度大于v_dQm。因油缸21差动合力方向与重力方向始终向下，所以一直存在向下的加速度，即该状态之后桩锤23运动的速度将始终大于泵可提供的速度 v_dQm，使得泵提供的流量Q不足，需高压蓄能器15逐渐释放油液来补充桩锤23 下行所需的油液量；高压蓄能器15内能量释放、油液减少，使得油缸总成及系统泵源压力降低，导致加速度也减小，可知此后桩锤23向下做加速度逐渐减小的变加速运动：该状态内，设某时刻速度为V_dtn，经一个Δt后下行速度v_dtn2＝v_dtn+a_dtn1×Δt；下行高度

由下行高度可知该下降高度内的总需油量为V_S＝H_dtn2×(A_r1-A_r2)，则高压蓄能器15补油量 V_Sb＝H_dtn2×(A_r1-A_r2)-Q×Δt，所以Δt后高压蓄能器15内的剩余压力

即该压力也为油缸总成内的压力；通过高压蓄能器15内剩余压力可计算Δt后的加速度

利用上个状态作为初始状态，使用迭代法可计算下个Δt后的状态，当若干个Δt后的下降高度之和等于桩锤23的上行总高度时，桩锤23落至最低点，且此时的速度V_t为最终的锤击末速度，锤击的能量为

提升桩锤23时间T1 及以上状态所有的时间Δt之和再加上下文分析的压桩时间T2，则为一个循环周期的用时，即T＝T₁+n×Δt+T₂；

*4下落过程中也存在不合理状态：当高压蓄能器15油量排尽时，桩锤23 仍旧没有落至最低点，此时总成和泵源系统均需要承受很大的压力冲击，使桩锤23的速度瞬间降至V_dQm，以满足流量需求。该状态是危险状态，将对油缸总成造成严重损伤，应在设计阶段采用更大容积的高压蓄能器15来避免；

*5需要注意的是，以上状态并不一定都会出现，应根据实际情况进行分析；若桩锤23击桩前的状态处于f.1＞、f.2＞，那么高压蓄能器15内的压力大于或等于工作压力；若桩锤23击桩前的状态处于f.3＞，那么高压蓄能器15内的压力小于工作压力；桩锤23击桩前的状态必须避免处于f.4＞状态。

【3】桩锤23降至最低位进行锤击，同时失去E3信号后系统开始计时，使第三换向阀14于平行位再保持一定时间T2，进行压桩和高压蓄能器15充能，防止桩的反力弹跳：

[1]当桩锤23击桩前的状态处于上述b)中的f.1＞、f.2＞，则T2的取值仅需考虑是否为合理的压桩时长；

[2]当桩锤23击桩前的状态处于上述b)中的f.3＞，则T2的取值除了满足合理的压桩时长，还必须考虑压桩结束后(即下一次动作抬锤前)，在T2时间内，系统是否能将高压蓄能器15充至工作压力，必须保证抬锤时压力已充至系统工作压力。

【4】以上【1】至【3】为一个工作循环即T＝T₁+n×Δt+T₂：

系统设计时因避免上述的理论危险工况；换向阀第三换向阀14处于平行位时，油缸总成提升桩锤23，切换至交叉位时，因桩锤23惯性仍会上行一段高度后，才进行加速下落，运动状态分析需注意每个时刻的归属。在整个过程中，大部分运动是变加速运动，所以分析运动状态需采用上个时态的末状态作为下个时态的初始条件，进行迭代分析；

【5】T2计时结束后，第三换向阀14切换至平行位并保持T1时长，对桩锤 23进行提升，并重复以上动作，直至桩杆被打至指定深度。

需要说明的是，如图3所示，一个合理的动作周期主要参数，T1为平行位保持时长，n×Δt+T₂为第三换向阀14处于交叉位的保持时长。

与现有技术相比，本发明利用特殊的系统设计，使得液压打桩高效、节能、防爆、安全性高。

第八，当打桩作业完成或处于检修时，第三换向阀14处于交叉位，使油缸总成处于差动状态并位于最低处，再将第二换向阀10由平行位切换至交叉位，此时第四二通阀11控制腔连通油箱，第四二通阀11开启，高压蓄能器15开始快速泄压，泄压完成后可对系统进行安全移动或拆解。

最后，如图7-11所示，为了便于直观了解，根据前文的运行参数理论分析建立的数学模型，本发明对16T模拟如下：

A.速度曲线第一处与0线交点对应高度为桩锤23运行最高点；

B.速度曲线第二处与0线交点对应桩锤23下落至最低点，前一时刻桩锤23拥有的速度对应的动能为打击的动能；

如图7所示，合力的理论设计参数得到的各运行参数曲线；

如图8所示，因高压蓄能器15选取容量不足，导致桩锤23上升过程中，某一时刻将高压蓄能器15内油液完全抽干，导致桩锤23上升速度被强行降至泵源流量可提供的最大速度，对泵源系统产生冲击(压力曲线瞬时V型变0处)；桩锤23运动方向由向上转换为向下的过程中，虽然小体积高压蓄能器15可使总成内能快速增加，但也容易产生高热和高压(压力曲线高点位处)，也不利于系统寿命；向下运动过程中由于高压蓄能器15容积小，频繁的充放也将造成压力不稳定(压力曲线后端波浪形)；

如图9所示，高压蓄能器15预充压力过小，与02情况相比，虽然运行过程中不会对油缸总成造成冲击，但是会使油缸总成提升过程刚性降低，类似油气弹簧效果；

如图10所示，泵源系统流量过小，或油缸总成设计能力过大(即配合泵源系统功率过小)，造成一次锤击后蓄能时间长，效率低下；

如图11所示，运行区间设计不合理：即设计的提锤高度远大于了系统的最大合理高度，导致了系统遭受内能冲击和强制降速的效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种防爆型高效能液压打桩锤控制系统，包括电气控制端、与电气控制端连接的油缸总成和桩锤(23)，所述油缸总成包括油缸(21)以及与油缸(21)连接的动作控制模块，所述桩锤(23)与油缸(21)的活塞杆(22)底部固定连接，其特征在于：还包括防爆模块；

所述防爆模块用于泵源防爆，包括第一单向阀(1)、第一溢流阀(2)、第一二通阀(3)、第一换向阀(4)、第二二通阀(5)和第一压力传感器(6)，第一二通阀(3)的c口与泵源连接，第一二通阀(3)的a口与第一换向阀(4)的a口连接且第一二通阀(3)的b口与第一溢流阀(2)的a口连接，第一换向阀(4)与电气控制端连接且第一换向阀(4)的c口与第一单向阀(1)的a口连接，第一单向阀(1)的b口与泵源的油箱连接，第一换向阀(4)的b口与第二二通阀(5)的a口连接且第一换向阀(4)的d口分别与第二二通阀(5)的b口和第一二通阀(3)的c口连接，第一溢流阀(2)的b口和第一二通阀(3)的d口均与泵源的油箱连接，第一压力传感器(6)与电气控制系统连接且第一压力传感器(6)与第二二通阀(5)的c口连接，第一压力传感器(6)用于监测泵源出口压力，第二二通阀(5)的b口与泵源进油口连接；

所述动作控制模块包括第三二通阀(7)、第二单向阀(8)、第二溢流阀(9)、第二换向阀(10)、第四二通阀(11)、第五二通阀(12)、第六二通阀(13)、第三换向阀(14)、高压蓄能器(15)、低压蓄能器(16)、第二压力传感器(17)，所述第三二通阀(7)用于油缸总成防爆，第三二通阀(7)的b口与第二二通阀(5)的c口连接，第三二通阀(7)的c口与a口直接连接后分别与第二压力传感器(17)、高压蓄能器(15)连接，第四二通阀(11)的a口与第二换向阀(10)的a口连接且第二换向阀(10)的d口与第二单向阀(8)的a口连接，第二换向阀(10)的c口与第二溢流阀(9)的a口连接，第二单向阀(8)的b口与第二溢流阀(9)的b口、第四二通阀(11)的d口均与泵源的油箱连接，第四二通阀(11)的c口与低压蓄能器(16)连接，第三换向阀(14)的a口与第二换向阀(10)的d口连接，第三换向阀(14)的b口分别与第三二通阀(7)的c口、第五二通阀(12)的b口、第六二通阀(13)的b口、油缸(21)的下腔(25)连接，第三换向阀(14)的c口与第二换向阀(10)的a口连接，第六二通阀(13)的a口与第五二通阀(12)的a口连接后与第三换向阀(14)的d口连接，第六二通阀(13)的d口与油缸(21)的上腔(24)连接，第四二通阀(11)的b口与第五二通阀(12)的c口连接，第五二通阀(12)的d口与第六二通阀(13)的c口连接，第六二通阀(13)的d口与油缸(21)的上腔(24)连接。

2.根据权利要求1所述的防爆型高效能液压打桩锤控制系统，其特征是：所述电气控制端依次连接有触点开关(18)、按钮开关(19)和接近开关(20)，所述接近开关(20)设置在油缸(21)的上腔(24)一侧，所述触点开关(18)设置在活塞杆(22)与桩锤(23)的连接处。

3.根据权利要求1所述的防爆型高效能液压打桩锤控制系统，其特征是：所述动作控制模块的进油口与出油口分别链接有第一高压软管(26)和第二高压软管(27)，第二二通阀(5)的c口通过第一高压软管(26)与第三二通阀(7)的b口连接，泵源的油箱通过第二高压软管(27)与第二单向阀(8)的b口、第二溢流阀(9)的b口、第四二通阀(11)的d口连接。

4.一种采用如权利要求1-3任意一项中所述的防爆型高效能液压打桩锤控制系统的打桩方法，其特征是：

第一步，开启泵源，给防爆模块、动作控制模块、油缸(21)提供能量，油液首先进入防爆模块；

第二步，第一换向阀(4)默认处于平行位，第二二通阀(5)的控制腔得压，第二二通阀(5)关闭，第一二通阀(3)的控制腔失压，开启，液压油通过第一二通阀(3)后回流至油箱，人工经确认各连接管路正常后，通过电气控制端将第一换向阀(4)切换成交叉位，第二二通阀(5)的控制腔失压，第二二通阀(5)打开，第一二通阀(3)控制腔得压，第一二通阀(3)关闭，油液通过第一高压软管(26)输送至动作控制模块，第一二通阀(3)与第一溢流阀(2)组成大通径安全阀,起防止过载作用以及系统二级调压作用；

第三步，防爆、防泄功能：系统正常工作时，第一压力传感器(6)可读取第二二通阀(5)的c口端输出压力并将其数据反馈至电气控制端，若第一高压软管(26)破裂导致大幅度降压时，电气控制端分析后将第一换向阀(4)由交叉位切换成平行位，使第二二通阀(5)控制腔得压，第二二通阀(5)关闭，第一二通阀(3)控制腔失压，第一二通阀(3)开启，使高压油液内循环回流至油箱，阻止更多外泄漏；

第四步，泵源的液压油通过第三二通阀(7)进入动作控制模块，第三二通阀(7)的a口与其c口直接连接，第三二通阀(7)起单向阀作用，当第三二通阀(7)的b口压力于其阀芯上产生的力大于第三二通阀(7)的a口压力于其阀芯上产生的力时，第三二通阀(7)的b口至c口方向单向导通，当第三二通阀(7)的a口压力于其阀芯上产生的力大于其b口压力于其阀芯上产生的力时，第三二通阀(7)的c口至b口方向锁闭起防爆作用，即第三二通阀(7)的b口失压时，第三二通阀(7)关闭，防止第三二通阀(7)的c口油液通过第三二通阀(7)反流外泄；

第五步，桩锤(23)处于初始状态时，第三换向阀(14)、第二换向阀(10)均处于交叉位，第三换向阀(14)处于交叉位，第五二通阀(12)的a口、第六二通阀(13)的a口通过第三换向阀(14)与油箱连通，第五二通阀(12)的阀芯、第六二通阀(13)的阀芯处于开启状态，使油缸(21)的上腔(24)与下腔(25)连通且处于差动状态，合力向下，桩锤(23)不动作；第二换向阀(10)处于交叉位，第四二通阀(11)的a口与油箱连通，使第四二通阀(11)阀芯处于开启状态，在该状态下第三二通阀(7)、第五二通阀(12)、第六二通阀(13)开启，导致高压蓄能器(15)无法充压蓄能，所有油液经第四二通阀(11)排回油箱；

第六步，电气控制端接收到触点开关(18)和按钮开关(19)的信号时，第二换向阀(10)才可切换至平行位，进入工作准备，触点开关(18)有信号说明桩锤(23)与活塞杆(22)有接触，按钮开关(19)为人工确认信号，确认桩锤(23)与活塞杆(22)已连接完毕，第二换向阀(10)切换至平行位时，第四二通阀(11)的a口通过第二换向阀(10)与第二溢流阀(9)连接，第二溢流阀(9)作为第四二通阀(11)的先导阀，通过设定第二溢流阀(9)的溢流压力来设定第四二通阀(11)的开启压力，第四二通阀(11)的a口压力小于第二溢流阀(9)设定值时，第四二通阀(11)阀芯关闭，高压蓄能器(15)进行充压；

第七步，正常开始工作时，第二换向阀(10)始终处于平行位，高压蓄能器(15)被充压至工作压力后，即可通过切换第三换向阀(14)的平行位或交叉位来控制油缸(21)的动作，第三换向阀(14)切换至平行位，使得桩锤(23)被提起，第三换向阀(14)的平行位保持时间控制桩锤(23)提升的高度，当第三换向阀(14)切换至交叉位，上腔(24)与下腔(25)连通，使得上腔(24)与下腔(25)产生的合力向下并与桩锤(23)的自重一起做向下运动，制止桩锤(23)打至桩上，此时接近开关(20)测得到位信号并向电气控制端发送信号，第三换向阀(14)于交叉位继续保持一定时间，防止桩被打击后的弹跳，同时利用压桩保持时间，让泵源给高压蓄能器(15)进行充能；第二压力传感器(17)对高压蓄能器(15)的进行监测，第三换向阀(14)交叉位保持时间控制桩锤(23)下落、压桩和高压蓄能器(15)充能的时间，当高压蓄能器(15)被充至设定的工作压力且压桩时间满足设定时间后，第三换向阀(14)才可再次切换平行位，进行下一轮的提升-打桩-压桩与蓄能的打桩循环；

第八步，当打桩作业完成或处于检修状态时，第三换向阀(14)处于交叉位，使油缸总成处于差动状态并使桩锤(23)位于最低处，再将第二换向阀(10)由平行位切换至交叉位，此时第四二通阀(11)控制腔连通油箱，第四二通阀(11)的阀芯开启，高压蓄能器(15)开始快速泄压，泄压完成后可对系统进行安全移动或拆解。

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