CN1182154A - 液压锤 - Google Patents

Abstract

提供一个用来打入结构部件,例如桩的液压锤,该液压锤包括外壳(2),能相对于外壳(2)做往复运动的桩锤(3),固定在外壳(2)中的液压油缸(4),其带有联结杆的活塞和桩锤(3)相连,通过液力分配器(6)与液压油缸(4)的腔室相连的,带有压力管、溢流管(12以及13)的液压锤的液压传动泵(5),桩锤(3)具有充满弹性介质的腔室(8)。在桩锤(3)的腔室中装配有2个或更多个能从桩锤(3)向外运动到桩(1)方向的柱塞(9,10)。柱塞(9,10)由同轴的中心柱状塞(9)和包箍它并互相包箍的环状柱塞(10)组成。每个柱塞(9,10)相对于相邻的包箍的柱塞,都能向桩(1)的方向运动。

Description

液压锤

本发明涉及在建筑物地基施工中把钢筋混凝土桩、钢板桩、钢管以及其它任何类型的桩打入地下的一种冲击运动的机械装置。

保护桩免于破坏，特别是对钢筋混凝土桩的保护问题是在打桩技术中最尖锐的问题之一。而利用缓冲部件是解决这个问题的方法之一。该缓冲部件被分别安置在液压锤的冲击物(桩锤)和桩的端面之间。通常缓冲部件由与钢相比较软的材料制成，例如，可由硬木、石棉、毡子、胶木等制成。(ЛубчийВ.В.，3аикичаВ.3。用于沉桩的机械和设备。1988年.)。但是缓冲部件是不耐用的，很快地会被损坏掉。这种快速损坏是由于缓冲部件的低导热材料在运作过程中的过度增热而导致的。除此之外，过度增热会降低材料的弹性，因而不能够保持持久的缓冲性能。缓冲部件的不耐用性降低了打桩工程的总产率。

另一种技术上较为先进的缓冲方法是使用液压锤(见日本专利N61-47932)，该液压锤包括有外壳，能相对于外壳和装有弹性介质的腔室做往复运动的桩锤，被安置在上述腔室中并能从桩锤向外向桩方向运动的活塞，以及带有活塞杆一活塞的移动桩锤的液压油缸，带有压力管、溢流管和液力分配器的泵。

由于上述装置，冲击的硬度大大降低了，即冲击能量的传递在较长时间间隔内完成，这是由于桩锤的动能首先转化为桩锤腔室中被压缩的弹性介质的势能，随后再转化为移动桩所做的功。

上述装置的主要缺点是在“反冲”时活塞上存在强大的冲击负载，就是说，在将桩打入地下作功时(此功来源于桩锤腔室中弹性介质的压缩能)，被压缩的弹性介质作用于活塞，驱动它(以及桩)，并冲击腔室底端。

这个液压锤的第二个缺点是存在弹性介质经活塞密封装置的渗漏。除此之外，由于摩擦，活塞密封圈的磨损和受热升温也造成一定的问题。

本发明的任务是以降低产生的冲击应力，降低摩擦力和补充可压缩介质的漏失来提高液压锤的可靠性和耐用性。

为解决所提出的任务，打入结构部件如桩的液压锤应包括：外壳和相对于外壳能做往复运动的桩锤，以及固定在外壳中的液压油缸，其带有连杆的活塞与桩锤连接，通过液力分配器与液压油缸的腔室相连的带有压力管、溢流管的液压锤的液压传动泵；同时，桩锤具有充满弹性介质的腔室。根据本发明，在桩锤的腔室中安装两个或更多个伸出桩锤外指向桩的柱塞，它们由同轴的中心杆状柱塞和包箍它以及相互包箍的环状柱塞组成，同时每一个柱塞均伸出到相邻的包箍的柱塞之外。

柱塞的侧面和柱锤包箍外柱塞部分的表面做成圆柱形是合理的。这时，所有柱塞在靠腔室一面都具有外侧环状凸出部，而所有的环状柱塞和包箍外环柱塞的桩锤，在朝桩的一面都具有内侧凸出部。在各柱塞的每一个相接处以及在外柱塞与桩锤的相接处，在外侧环状凸出部和内侧环状凸出部之间，都置有金属管状衬套。

充满有弹性介质的桩锤的腔室能够持久地与液压锤的液压传动装置的压力管接合。在这个接合的管道中可以接通节流阀，或者接通引导液体流往桩锤的腔室方向的单向阀，或者是同时接通节流阀和上述的单向阀。

柱塞的彼此之间的相接处，外侧的环状柱塞与包箍它的桩锤部分之间的相接处都具有密封圈。另一可能的方案为：不用上述的密封圈，而用弹性密封隔板把柱塞和桩锤的腔室隔开。

在液压锤的这种结构处理下，当反冲时，即当柱塞在桩锤腔室弹性介质压力下运动出桩锤时，每一个柱塞对相邻的包箍的柱塞的冲击力，以及外部的柱塞对桩锤的内侧环状凸出部的冲击力，与传统的装置相比降低几倍。这是由于，首先，与传统装置的单独一个活塞的质量相比较每个柱塞的质量都减少了，其二，由于与传统装置的活塞的运行长度相比每一个柱塞的运行长度都有减少，结果互相撞击的速度就降低了。除此之外，在被包箍部件的外侧环状凸出部分与包箍部件的内侧环状凸出部之间安置的金属管状衬套抑制了冲击，减少了产生的应力。

桩锤腔室与压力管之间的联通，与公知结构相比，具有非常重要的优点，因为有了这个联通，腔室中的弹性介质在冲击的一开始就已经处于工作压力之下，从而使弹性介质的能的容量增大，就是说，在介质具有相同体积和压缩性以及接受相同的能量的情况下，柱塞的行程将变小。除此之外，也正是由于这种联通，桩锤腔室介质的漏失也可得到补偿。

由于采用若干个柱塞，也改善了柱塞之间以及外柱塞与桩锤之间密封圈的发热和散热情况，因为冲击时产生的热量分布在两个或更多个密封圈之间。同理，密封圈的损耗也将减小。

在液压锤的方案中，也可利用弹性密封隔板代替柱塞之间连接面的密封圈，和外部的环状柱塞与包箍它的桩锤之间的密封圈。该弹性密封隔板把柱塞和桩锤的腔室隔开，并从根本上减少摩擦和发热。

通过下述实施方案和图，本发明的目的和优点将更加明确。

图1所示为根据本发明的液压锤的纵向剖面图。

图2所示为根据本发明的一个实施方案的液压锤的桩锤的纵向剖面图。

图3所示为根据本发明的另一个实施方案中，在初始位置下的液压锤的桩锤的纵向剖面图。

图4所示为根据本发明的如图3所示实施方案中，在冲击过程中的液压锤的桩锤的纵向剖面图。

图5所示为液压锤的打入力F与柱塞相对初始位置的位移S之间的关系曲线。实线对应本发明的液压锤，虚线对应公知液压锤。

在图1中所示为根据本发明的用来打入结构部件，例如桩1的液压锤，它包括有外壳2，桩锤3，移动桩锤3用的液压油缸4，带有液力分配器6的泵5，桩1的桩帽7，桩锤3的充满弹性介质的腔室8，弹性介质可用液体或气体，或者液体、气体的混合物充当，中心杆状柱塞9，环状柱塞10。中心柱塞9相对于包箍它的环状柱塞10向桩的方向凸出长度A，而环状柱塞10相对于桩锤3向桩的方向凸出长度B。在外壳2和桩帽7之间具有缓冲器11，而液压锤的液压传动装置包括有压力管12和溢流管13。

在图2中所示的是带有2个柱塞—中心柱塞9和环状柱塞10的液压锤的桩锤3的实施方案。柱塞9和10相应具有外侧环形凸出部14和15，而环状柱塞10和包箍它的桩锤3相应具有靠桩1方向的内侧环形凸出部16和17。在中心柱塞9的外侧环形凸出部14和环状柱塞10的内侧环形凸出部16之间安置了金属的管状衬套18，而在环状柱塞10的外侧环形凸出部15和桩锤3的内侧环形凸出部17之间也安置了金属管状衬套19。

桩锤3的腔室8(图1)可以通过管道20与液压锤的液压传动装置的压力管12相连。在管道20中可以接通节流阀21或者是单向阀22，或者是平行接通节流阀21和单向阀22，如图中所示。柱塞9，10相应地用密封圈23和24密封。

图3所示为在原始位置下，没有冲击作用时，根据本发明的液压锤的桩锤3的实施方案。在此实施方案中，利用弹性密封隔板25代替了密封圈23、24。

图4所示的是和图3中一样的液压锤的桩锤的实施方案，但对应于冲击的瞬间。此时，桩锤3的动能，由于冲击的结果，转化成了在桩锤3的腔室8中受压的弹性介质的势能。同时柱塞10相对于桩锤3的位移正好是B，柱塞9相对于柱塞10的位移正好是A，而相对于桩锤3的位移是A+B。

在图5中用实线描绘出的关系曲线是针对本发明的液压锤的，是腔室8中的弹性介质对柱塞9、10的压力F(它传到桩帽7以及桩1)依赖于柱塞进入腔室8的距离S的关系由线，位移S从柱塞未受冲击作用的初始位置起算。这里S₁对应于中心柱塞9的行程A(参见图1)。在这时腔室8中的弹性介质对中心柱塞9的压力从数值F₀相应地变为数值F₁。长度S₂＝A+B(参看图1，3，4)对应于柱塞9，10完全被推入到腔室8中时的位置，即可与桩锤3齐平，这时腔室8中的弹性介质对柱塞的压力从F₂增加到F₃。

为了对比，图5上的虚线表示在同样比例下公知结构液压锤的关系曲线F＝f(s)。相对比的两个实施方案的初始数据是相同的：本发明液压锤柱塞9、10端面总面积与公知液压锤活塞的工作面积相同，腔室8中的弹性介质的体积和性质相同，腔室8中由于冲击而产生的弹性介质的能量相同。这个能量在比例上等于图5上轴线S与相应F＝f(s)曲线所包面积，在此情况下S^* ₂是公知液压锤中活塞向腔室内部运动的距离。

液压锤是以下列方式进行工作的。

在工作行程的末端，在冲击的开始时刻中心柱塞9打击桩帽7，在这时柱塞9和桩1上的力F₀(图5)等于腔室8中初始压强(即在压力管12中的压强)与柱塞9上端的工作面积之乘积。当往环状柱塞10中压入长度为A时，中心柱塞9插入到腔室8中(图1)，同时，随着腔室8中压力的增长，对柱塞的压力增长到数值F₁。随后，两个柱塞9、10作为一个整体运动，并进入到腔室8，一直到桩帽7顶在桩锤3的底部，进入距离为S₂-S₁＝B。此时柱塞9和10的压力从F₂增加到F₃，并等于腔室8中介质压强与柱塞9和10的上端总面积之乘积，力F的增长沿C线进行。C线的上升角度与冲击的前一阶段相比有所增大。

下一个周期段是“反冲”，即当桩1的速度超过桩锤3的速度时，缓冲器的去载过程。起初，柱塞9和10从腔室8中如同一个整体向外运动(沿C线的返回位移为B＝S₂-S₁)，一直到柱塞10的外侧环形凸出部15被衬套19顶住，而衬套本身则被桩锤3的内侧凸出部顶住。随后，柱塞9从柱塞10向外运动，一直到柱塞9的外侧环形凸出部14被衬套18顶住为止。与此同时，桩离开柱塞并依惯性继续运动，其动能转化为克服地壤阻力所做的功。

在用传统装置的情况下，过程进行是相似的；在这种情况下很显然，线C^*应该是平行于线C的。

在图5中可看出，如果是根据本发明的液压锤的结构，在腔室8中的弹性介质的能量容量就大，因为两个柱塞的总位移S₂小于单独活塞(传统的)的位移S^*2。除此之外，柱塞9和10的密封圈23和24(图1)的每一个的磨损和增热也同时小于公知结构的液压锤的活塞的密封圈的磨损和增热，因为这些参数值与冲击过程中密封圈的位移成正比，而如果A＝B，举例来说，S₁＝S₂-S₁＝0.4S^*2，而S₂＝0.8S^*2。

如果利用弹性密封隔板25代替柱塞9和10的密封圈23，24(在图3，4中桩锤3的实施方案)，则柱塞9，10移动时的磨擦力的减小带有根本性。

利用隔板25之所以可能，是由于柱塞9和10相互之间的移动，和外侧环状柱塞10与包箍它的桩锤3的部分之间的移动，实际上是很小的。例如，对于在POЛAT加工制成的带有6吨冲击物和3个柱塞的液压锤来说，每一个柱塞相对于相邻的包箍部件的位移为3mm，这将保证12mm厚的胶布隔板有足够的耐用性。

本发明充分保障了在“反冲”时，柱塞上的冲击负载减少的这一非常重要的特征。大家都知道，动能是用mV²/2来表示。这里m是运动物体的质量，而V是运动物体的速度。在这种情况下，即使只使用2个柱塞，则每个柱塞的质量与原始的相比减少了1倍。除此之外，每个柱塞的V²值与它们的位移成正比，因此，中心柱塞的V²值只相当于公知结构液压锤相应的V²值的0.8，而对于环状柱塞，此值为0.4。这样，在反冲时柱塞的能量对于中心柱塞减少了1.5倍，对于环状柱塞减少了4倍。利用衬套18和19(图2，3，4)，使我们能够通过转化柱塞的动能为衬套的弹性压缩能的途径，均匀地减弱柱塞的上述反冲力，这将根本地降低冲击时在柱塞上产生的应力。在实际应用中，柱塞强度，装置的耐久性和耐磨性以及热条件等质量特性，可以在以下两种实施方案中达到：一种方案中采用两个或两个以上柱塞，同时在柱塞连接面加密封圈；另一种方案采用弹性密封隔板，而柱塞的数量为三个或三个以上。

这样，所递交的发明保证了下列特征

·由于减少了柱塞的反冲能量和对冲击的缓冲，根本降低了“反冲”时柱塞上的冲击应力。

·减少了由于活塞密封圈的摩擦而产生的损耗和增热。

·自动补偿桩锤缓冲腔室的漏失。

Claims (7)

1、一个用来打入结构部件，例如桩的液压锤，该液压锤包括有外壳(2)，能相对于外壳(2)做往复运动的桩锤(3)，固定在外壳(2)中的液压油缸(4)，其带有连杆的活塞和桩锤(3)相连接，通过液力分配器(6)与液压油缸(4)的腔室相连的带有压力管、溢流管(12以及13)的液压锤的液压传动泵(5)，同时桩锤(3)具有充满弹性介质的腔室(8)，液压锤的特征在于，在桩锤(3)的腔室中安装有2个或更多个能从桩锤(3)中向外向桩(1)方向运动的柱塞(9，10)，其中柱塞(9，10)由同轴中心杆状柱塞(9)和包箍它并互相包箍的环状柱塞(10)组成，同时每个柱塞(9，10)相对于相邻的包箍的柱塞都能向桩(1)的方向运动。

2、如权利要求1的液压锤，其特征在于，所有的柱塞(9，10)都具有圆柱形的侧面，该圆柱形侧面桩锤(3)的腔室(8)一面具有外侧环形凸出部(14和15)，除此之外，所有的环形柱塞10和包箍于它们的桩锤的部分在朝向桩(1)的一面都具有环形内侧凸出部(16，17)。

3、如权利要求1和2的液压锤，其特征在于，在柱塞(9，10)的彼此之间的每一个连接处，在外侧的环状柱塞10和包箍它的桩锤(3)的每一个连接处，在被包括柱塞(9)的外侧环形凸出部(14)和包箍柱塞(10)的环形内侧凸出部(16)之间，以及在外侧环状柱塞10的外侧环形凸出部15和包箍它的桩锤(3)的环形内侧凸出部17之间，都安置了金属管状衬套(18，19)。

4、如权利要求1-3的液压锤，其特征在于，桩锤(3)的腔室(8)与液压锤的液压传动泵(5)的压力管(12)相联通。

5、如权利要求4的液压锤，其特征在于，在带有压力管(12)的桩锤(3)的腔室(8)的管道(20)中接通节流阀(21)或者是接通引导液体流往桩锤(3)的腔室(8)方向的单向阀(22)，或者是平行接通节流阀(20)和上述的单向阀(22)。

6、如权利要求1-5的液压锤，其特征在于，柱塞(9，10)彼此之间的连接处和外侧的环状柱塞10与包箍它的桩锤(3)之间的连接处都具有密封圈。

7、如权利要求1-5的液压锤，其特征在于，柱塞(9，10)和桩锤(3)的腔室(8)被弹性密封隔板(25)隔开。

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