CN114458663A - 基于液压打桩锤的能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液压打桩锤的能量控制方法，根据现场实际需计算得到锤击能量，根据物理能量公式计算打桩锤芯所需提升高度；根据液压打桩锤结构和液压系统建立仿真模型，仿真获得打桩锤芯提升到所需高度的进油阀P阀和回油阀R阀的开关时序，分析液压系统回路能量损耗，优化液压系统回路能耗，调整优化P阀和R阀开关时序，获得实际工况下的打击能量及控制方法。不仅能够依据不同工况随时调整输出的锤击能量，提高能量利用率，还能保证良好的打桩效果。

Description

基于液压打桩锤的能量控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压打桩锤技术，特别涉及一种基于液压打桩锤的能量控制方法。

背景技术

液压打桩锤(单作用)是一种将能量转换为势能，利用锤体自身重量，将桩打入地下的工程机械，被广泛应用于海洋工程、石油开采、建筑开发中。通过对国外液压锤技术的消化吸收，液压锤技术取得了很大的进展，但是在关键技术领域仍然依赖国外技术。国外引进的液压锤不仅价格高，而且维修困难。因此大型液压打桩锤的研究与开发，对大型桩工机械的发展与应用起着关键作用。

液压打桩锤由锤体、液压动力站和电气控制系统单元等几个部分组成，相比柴油锤具有安全、可靠坚固耐用，可抗拒恶劣作业环境，绿色环保，防爆、工作效率高等优点。液压控制系统是以电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油，具有刚度大、精度高、驱动力大，调速范围宽等优点，故液压系统非常适用于海上打桩锤。

海上打桩锤主要由控制室、动力站、压力盖部、阀体部、壳体部、锤芯部、减震部、桩帽部组成。控制室实现对整个系统的控制；动力部提供满足工况要求的能量；压力盖顶部保证工作的平稳性及补充冲击能量；阀体部实现回路切换；壳体部支撑整个冲击系统；锤芯部储存冲击能量，并实现能量转化，减震部减少冲击瞬间释放的能量对冲击系统的影响。

能量作为打桩锤的重要参数，能衡量打桩锤的打桩能力的高低。液压锤具有体积小、重量轻、锤击力大的特点，并且在打桩过程中可以依据不同工况随时调整输出的锤击能量。为了在短时间内完成高能量的提锤动作，这就要求打桩锤具有高效的能量利用率，减少能量浪费，因此需要分析在工作过程中液压系统回路的能耗特性。

发明内容

针对液压打桩锤能效问题，提出了一种基于液压打桩锤的能量控制方法，对功率损耗的影响，通过AMEsim的仿真优化，降低回路的能量损耗。

本发明的技术方案为：一种基于液压打桩锤的能量控制方法，根据现场实际需计算得到锤击能量，根据物理能量公式计算打桩锤芯所需提升高度；根据液压打桩锤结构和液压系统建立仿真模型，仿真获得打桩锤芯提升到所需高度的进油阀P阀和回油阀R阀的开关时序，分析液压系统回路能量损耗，优化液压系统回路能耗，调整优化P阀和R阀开关时序，获得实际工况下的打击能量及控制方法。

进一步，所述调整优化P阀和R阀开关时序：蓄能器充能时间到后，打开P阀，打桩锤提升，然后关闭P阀，补油阀S阀打开，油液供给至打桩锤达到最高点，此时打桩锤速度为0，关闭S阀，打开R阀，锤体在重力势能和气压能作用下下落进行打桩，通过仿真，将打桩锤速度为0的时间作为R阀的开启时间，满足打桩锤位移为最高点和规定时间内打桩次数的情况下，通过各阀打开后的流量计算P阀和R阀的开启时间。

进一步，所述P阀开关时间、R阀开关时间与打桩锤提升的高度H关系表达式：

其中q_p表示P阀打开后通过的流量，q_r表示R阀打开后通过的流量，q_s表示通过S阀的流量，A表示打桩锤活塞面积，t₁为P阀打开的时间，t_p为P阀关闭的时间，t₂为R阀打开的时间，t_r为R阀关闭的时间。

本发明的有益效果在于：本发明基于液压打桩锤的能量控制方法，不仅能够依据不同工况随时调整输出的锤击能量，提高能量利用率，还能保证良好的打桩效果。

附图说明

图1为液压打桩锤液压系统原理图；

图2为本发明液压仿真模型(功率损耗)图；

图3为本发明控制信号示意图；

图4为本发明负载行程与速度曲线图；

图5为本发明液压系统进油功率对比图；

图6为本发明液压系统进油效率图；

图7为本发明液压系统回油功率对比图；

图8为本发明液压打桩锤效率曲线图；

图9为本发明液压系统进油路效率曲线图；

图10为本发明R阀能量损失测试示意图；

图11为本发明R阀能量损失与锤体行程曲线图；

图12为传统打桩锤P、R阀控制时序图；

图13为本发明打桩锤P、R阀控制时序图；

图14为本发明打桩锤位移和速度曲线图；

图15为本发明方法调整后时序与打桩锤位移图；

图16为本发明方法调整打桩锤速度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为液压打桩锤液压系统原理图。如图1所示，系统中共3个主阀，分别为P、R、S阀，油源1通过P阀2、R阀3分别控制系统的进油与回油，S阀4为补油阀。在系统运行时，先导阀中电磁阀通电则对应的主阀打开。液压锤体整体5行程2.108m，质量150t，再考虑到锤体顶部的气压，故液压系统给系统的能量一定＞3000KJ。由于系统对打桩锤负载的进油口与回油口是一条路，各个阀控制进油与回油的工况，所以对于整个系统的功耗需要分为负载提升的效率与负载下落的效率。而整个系统的效率则为两部分的效率相乘。

图2为液压仿真模型(功率损耗)图，仿真参数设置如表1。

表1

图3为控制信号示意图，由于系统存在多个蓄能器，前4s给出蓄能器充能时间。R,P阀在前5s处于关闭状态，在5s时将P阀打开，系统工作，在6.5s时关闭P阀，打开R阀，系统回油，并且再次给高压蓄能器充能，为下一次冲击做准备。

图4为负载行程与速度曲线图。可以看出，锤体在5s开始上升，直到5.9s时，锤体到达最高位置，准备一次打桩冲击，在6.5s时锤体下落，由于桩的具有一定刚度，所以锤体落到最低位置后还有一定的反弹过程。最大速度达到7m/s以上。若负载部分功率若是负值，则说明该工况下作为动力源。

图5为液压系统进油功率对比图。在锤体提升阶段的功率对比，可以看出，进油路液压系统功率与锤体提升功率曲线基本接近，在5.9s左右，锤体提高到最高点，停止位移，故功率瞬间变为0。同时注意到最开始的负功，是由于油源刚启动，压力未建立，并且负载部分压力较大，将P阀顶起，将系统负载中部分油液压回蓄能器，属于正常现象，若将负载调小则不会出现此种现象。

图6为液压系统进油效率图。进油效率即为液压系统进油效率，是液压系统将能量通过压力与流量送进锤体，使锤体具有较大的势能，为一次打击桩体的能量做准备，而这一阶段的效率很高，功耗小。

图7、图8、图9可以看出，进油效率较高，都在95％以上，而从锤体进油处到锤体打桩过程中损失了大部分能量，并且回油部分的效率也是较低的，只有不超过40％的效率，故大部分的功耗在于R阀、S阀或者打桩过程的磨损，对于液压系统来说，系统回油过程时间短，而油液必须提供压力抬起S阀一定开度，油液才可以回油，而在此过程中能量损失较大。

图10、图11可以看出，在锤体上升到最顶部，一次打击工作准备就绪，在锤体即将下落时，即控制信号从高电平至低电平后，液压回油路R阀打开，响应51ms后，锤体开始下落，而R阀口基本在17ms内就开始做功，很大一部分能量消耗在这里，可以看到，在20ms的过程中，功率损耗高达1102KW，消耗能量大约11KJ，而锤体落到底部的过程，R阀也消耗大量能量，约150KJ。S阀在系统回油时，功率曲线有部分抖动，相对于R阀而言，S阀消耗的能量不大。

液压油输入的能量假设为3000KJ，根据AMEsim仿真结果可知，提锤需要0.74s，锤体由最高点落到桩上需要0.997s，锤体初始高度为0.06m，锤体最高高度为1.863m。工作过程中锤体所受的摩擦力f与锤体的速度V存在一定的函数关系，f＝0.5V×1000N。同时主阀工作过程中会有滞后响应。

根据现场工况设置实际所需要的能量，并用仿真技术计算和优化液压系统回路能耗，计算出锤芯需提升的高度。装置启动时，高压液压油会由液压油管路流入活塞缸的下油缸实现提锤，基于能量控制，使得液压锤芯在提升至最高点时，速度接近0m/s。这样不仅减少了能量浪费，还能保证液压锤具有最大的重力势能。如果锤芯在实际运动过程中超过了期望高度，会受到液压锤顶部高压气罐提供气压的反向作用力，对其进行限位的同时气液双作用使得液压锤拥有更大的能量，从而使打桩效果得到进一步提升。

本发明采用单作用形式，可实现打击加速度2.2g以上。液压锤设备由控制室，动力站，顶盖压力部，阀体部，壳体部，锤芯部，减震部，桩帽部组成。控制室实现对整个系统的控制；动力站提供满足工况要求的能量；顶盖压力部保证工作的平稳性及补充冲击能量；阀体部实现回路切换；壳体部支撑整个冲击系统；锤芯部储存冲击能量，并实现能量转化，减震部减少冲击瞬间释放的能量对冲击系统的影响。液压打桩锤最大打击能量≥2500KJ，工作压力为41MPa，液压回路流量达到18000L/min，并且工作频次30次/分钟，要求每次提锤要在0.7～0.8s内完成。在短时间内完成高能量的提锤动作，要求打桩锤需要达到高效的能量利用，避免能量浪费，因此需要分析在工作过程中液压系统回路的能耗特性，研究一种基于液压打桩锤的能量控制方法对功率损耗的影响，通过AMEsim的仿真优化，降低回路的能量损耗。

液压系统的能耗主要用于提升锤体，故P阀的开关也同时表示着液压系统是否做功，液压系统给予锤体重力势能和气压能并且克服摩擦等，在锤体落下后，转化为动能并且作用于桩体。于是规定油源泵出口功率P_液与锤体提升阶段功率(P_锤+P_气)之比为液压系统进回路的效率。

上式中，η_f越大，则效率越高，液压系统回路的功率损耗就越小。

提升锤体的能量可以以进入锤体部分的液压能表示，于是可以将分子写成：P_气+P_锤＝P_进口

锤体落下时，相当于提升锤体时进口处作为油源处理，而回油口作为负载处，于是规定提升锤体进口功率与回油油源功率之比为液压系统回油路效率：

锤体在上升下降过程中存在摩擦和其他阻力引起的能量损失，油液压力大时可能有泄露等问题引起的能量损失，撞击过程也可能存在一定的能量损失，这一系列的能量损失在液压系统将高压油给入锤体，用于提升锤体时已经开始消耗，故锤体自身的效率可以表示为进入锤体油液功率与锤体上作用力与速度乘积之比。但由于锤体与壳体导向等之间的摩擦和阻力都作为常数，在实际工作中也不需要液压系统做功，故只列出其效率。

传统打桩锤P、R阀控制时序如图12所示，即P阀的关闭时间与R阀的开启时间相同，这时由于高压与低压的接通，通过P阀的流量会流入低压，导致P阀打开后通过的流量q_p突变，造成打桩锤位移突变，并且打桩锤上升高度不足，导致打击能量不足。在液压打桩锤液压系统中，由P阀、R阀控制打桩锤提升或降落打击，在此过程中，需要满足打桩锤提升阶段，即如图12(最后)中打桩锤的位移在处于0位置时(0位置是打桩锤最高点)时，在整套系统中采用开关控制，P阀和R阀只有开和关两个状态(图12中0为开，700为关)。这种简单的开关控制对其速度和加速度等状态量的控制没有直接关系，阀的流量是否充足也无法从在工程实际中有效检测。

故本发明提出一种能量控制方法，使其能量充足的前提下，减少提升液压打桩锤时，其对顶部的冲击。控制方法是利用速度状态量的变化情况对P阀进行控制，保证在打桩锤提升至0位置时速度能够无突变(在AMEsim中速度不存在不连续性，这里的无突变指曲线以一种平缓的曲线穿时间轴，这时顶部缓冲较小，由于打桩锤顶部仍有气体缓冲，认为打桩锤该控制方法对其缓冲有效果)，速度与流入的流量有关，且呈线性关系，P阀关闭后，打桩锤仍具有一定的动能，能够使其保持升高的趋势，若要继续升高，在P阀和R阀都关闭的情况下，压力会下降，S阀打开，于是油液供给后，使其达到最高点，在此过程中，需要控制P阀在某一时刻关闭。而当R阀的开启时，需保证P阀和S阀紧闭，不造成液压系统的能量浪费。在打桩过程中，显然希望每次打击能量越大越好，并且能量与提升高度有关，故同样希望提升高度高且不能到达顶端，这时能量不会由于撞击缸体顶部而造成能量浪费。

通过时序的合理安排后，其时序如图13所示，P阀关闭时间与R阀开启时间之间有一定间隔，这时打桩锤利用自身所带动能继续上升。

打桩锤速度是由P阀开启后，液压泵站向打桩锤缸体中注入油液从而形成的。若P阀开启时间过长，其注入油液过多，到达顶端时打桩锤仍有速度，会对缸体产生冲击，如图14所示(此时为开启时间为1s)，故需要精确优化P阀开关时间，P阀开关时间、R阀开关时间与打桩锤提升的高度H可以使用下式表达

其中q_p表示P阀打开后通过的流量，q_r表示R阀打开后通过的流量，q_s表示通过S阀的流量，A表示打桩锤活塞面积，t₁为P阀打开的时间，t_p为P阀关闭的时间，t₂为R阀打开的时间，t_r为R阀关闭的时间。

为了满足1分钟打桩30次的要求，即要求一次打桩需要满足下式(4s为蓄能器充能时间)

4+30(t_r-t₁)<60

即开始打桩的时间与结束打桩的时间应小于1.8s。

求得P阀开启时间，即t_p-t₁＝0.75s，而R阀开启时间t₂时刻需在P阀关闭时刻t_p之后。为了求得R阀的开启时间，需在H的最高点打开，若通过求导上式计算复杂，直接通过仿真，将打桩锤速度为0的时间作为R阀的开启时间，能够满足打桩锤位移为最高点，不造成能量浪费。R阀的关闭时刻根据实际中H＝0的时间选取。

经过P、R阀时序控制调整后，其时序与打桩锤位移如图15所示，打桩锤速度曲线如图16所示。验证开始打桩时间5s与结束打桩时间6.7s之差小于1.8s。到此完成时序控制优化，进一步减少了能量浪费。

本发明根据现场实际需计算得到锤击能量，根据物理能量公式计算打桩锤芯所需提升高度；在AMEsim仿真模型中调试P/R阀开关时序，调整仿真模型中的锤芯提升高度至所需高度；根据仿真结果得到打击能量及P/R阀开关控制策略。此方法是适用各种工况。

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专利范围的限制。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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于液压打桩锤的能量控制方法，其特征在于，根据现场实际需计算得到锤击能量，根据物理能量公式计算打桩锤芯所需提升高度；根据液压打桩锤结构和液压系统建立仿真模型，仿真获得打桩锤芯提升到所需高度的进油阀P阀和回油阀R阀的开关时序，分析液压系统回路能量损耗，优化液压系统回路能耗，调整优化P阀和R阀开关时序，获得实际工况下的打击能量及控制方法。

2.根据权利要求1所述基于液压打桩锤的能量控制方法，其特征在于，所述调整优化P阀和R阀开关时序：蓄能器充能时间到后，打开P阀，打桩锤提升，然后关闭P阀，补油阀S阀打开，油液供给至打桩锤达到最高点，此时打桩锤速度为0，关闭S阀，打开R阀，锤体在重力势能和气压能作用下下落进行打桩，通过仿真，将打桩锤速度为0的时间作为R阀的开启时间，满足打桩锤位移为最高点和规定时间内打桩次数的情况下，通过各阀打开后的流量计算P阀和R阀的开启时间。

3.根据权利要求2所述基于液压打桩锤的能量控制方法，其特征在于，所述P阀开关时间、R阀开关时间与打桩锤提升的高度H关系表达式：

其中q_p表示P阀打开后通过的流量，q_r表示R阀打开后通过的流量，q_s表示通过S阀的流量，A表示打桩锤活塞面积，t₁为P阀打开的时间，t_p为P阀关闭的时间，t₂为R阀打开的时间，t_r为R阀关闭的时间。

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