專利名稱：一種液壓打樁錘的液壓系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于機械工程和土木工程的樁工機械施工裝備以及機械零件與傳動裝置技術領域，涉及一種打擊能量大、打擊頻率快和能量綜合利用的液壓打樁錘的液壓系統。
背景技術：
人類對樁和樁基礎工程的認識和利用由來已久。考古學發現智利古文化遺址中的樁，距今約有12000年；我國浙江余姚河姆渡遺址和陜西西安半坡村遺址中都可以看到7000年前人們就已經把樹桿貫入松軟的土層中以支承原始形態的建筑物，在漫長的人類歷史發展進程中，樁基礎的類型和工藝都有了很大的發展和變化。樁按材料可分為木樁、鋼筋混凝土樁、鋼樁及組合材料樁等。木樁具有工期短、施工方便、技術簡單、經濟效益明 顯的優點，適用于河堤、護欄等地基；鋼筋混凝土樁能承受較大的荷載，具有堅固耐久、施工速度快、不受地下水位與土質條件限制的特點，適用于大中型建筑工程的承載樁；鋼樁承載力高，材料強度均勻可靠，適用于超重型設備基礎，江河深水基礎，高層建筑深基護坡工程。液壓錘技術起源于六十年代。1964年荷蘭HBG公司開始著手研究，1965年成功試制世界上第一臺液壓錘，1966年制成HBM型液壓錘。德國menck公司1883年研制汽錘，1967年生產液壓錘(參見專利文獻Hydraulic valve system for a pile driver hammer.Inventor:KUEHN HANS[DE]Applicant:MENCK GMBH[DE]EC:B25D9/14BE02D7/10IPC:B25D9/14E02D7/10(IPCl-7):B25D9/20(+2)Publication info:EP0388498(Al)1990-09-26EP0388498 (BI) 993-03-17Priority date: 1989-03-23)。從 60 年代開始，荷蘭 IHC 公司和 HBMHYDR0BL0K公司共同開發液壓錘(參見論文閶耀保，胡興華，李玉杰，沈耀沖，陸鳴九.液壓-氣動復合錘數學建模與分析[J].中國工程機械學報，2012 (12):379-384)。1976年，英國BSP公司研制錘重為10噸的液壓錘，隨后日本日立建機公司購買了該專利并于1979年試制液壓錘，1983年在日本普及推廣液壓錘。70至80年代，德國、前蘇聯(參見專利文獻INST G0RN0G0 DELA SIBIRSK0G0 O [RU], TIMONIN VLADIMIR VLADMIR0VICH，深水液壓錘，專利號RU2300618(C1))、芬蘭、美國和瑞典也先后研制了不同形式的液壓錘。我國上海工程機械廠等單位自90年代開始陸續引進日本等國外技術并研制液壓錘，已有樣機問世，因為元器件精度要求高，價格昂貴，工作效率較低等原因投入批量生產的數量極為有限。目前國外基礎施工中主要采用液壓錘，其產品已形成系列化。樁工機械按其工作原理可分為沖擊式、振動式、靜壓式和成孔灌注式四類。樁工機械用于完成預制樁向土層貫入的作業機械，包括打入、沉入、壓入、拔出或灌注樁成孔等樁的作業過程，已經廣泛應用于橋梁、建筑、碼頭和港口等基礎施工中的預制樁施工。打樁錘是最常用的樁工機械，主要有落錘、柴油打樁錘、振動樁錘、蒸汽打樁錘、電磁錘等形式。隨著打樁機械的發展，打樁錘由傳統的落錘、蒸汽錘、柴油錘、振動錘發展到了現在廣泛使用的液壓錘。液壓打樁錘由于打樁效率高，噪聲低，振動小，無油煙污染，已經廣泛使用。一些歐美國家和亞洲的日本、韓國、香港和新加坡等地區，液壓打樁錘已經完全取代了柴油打樁錘。本世紀初，上海建造的國際飯店、錦江飯店等20層左右的標志性建筑物都采用了 10多米長的木樁；本世紀末，上海建造的如88層金茂大廈等超高層建筑已經采用了 80多米長的鋼管樁。從樁和樁工機械發展的軌跡看，樁的材料從木樁到鋼管樁，樁的長度從10多米到80多米。我國已經建設了數座大型跨江跨海大橋,如長江蘇通大橋、南京長江三橋、上海南匯蘆潮港至寧波大小洋山島的東海大橋，乍浦港至慈溪的杭州灣大橋。這些大橋的主要工程就是基礎施工，一般橋墩采用大直徑大深度鋼管樁作為基礎，最大的鋼管樁直徑達I. 6m,長88m。施工設備主要是打樁船和大噸位柴油錘、大噸位液壓錘。大噸位柴油錘由上海工程機械廠生產D160、D180，液壓錘是進口的。大橋的主橋墩一般由大直徑混凝土灌注樁組成的群樁作為基礎，如蘇通大橋鋼護筒直徑2. 85m,長度69m，重量120t，入土深度35m，最大的樁徑2. 8m,樁深120m。杭州灣大橋鋼護筒直徑3. Im,長度52m，入土深度30m，最大的樁徑3. 0m，樁深122m。在水上施工大直徑灌注樁必須首先將大直徑鋼護筒沉入水中并入土一定深度。蘇通大橋和杭州灣打入鋼護筒采用的是浙江振中工程機械有限公司生產的2臺DZJ200可調偏心力矩電動振動錘(雙錘聯動),和進口的聯動液壓振動錘。樁是用某種方法設置在土體內的棱柱形或柱形桿件，其目的是把基礎的荷載傳遞到較深的和較強的土層中去，荷載傳遞同時出現在樁側表面上和樁端支撐面上，并且涉及離開樁的相當距離范圍內的土體。樁基在沖擊載荷作用下，其載荷傳遞機理和樁體的破壞模式與樁體本身的材料強度、抗彎剛度、樁側土體的抗力、摩阻力、樁端土體的承載能力以及施加載荷等因素密切相關。液壓錘利用加速下落的錘體沖擊樁頭，使樁下沉貫入土層。液壓錘的沖擊能量以應力波的形式在樁內進行傳遞。目前基于液壓錘的錘擊理論研究和樁土接觸的復雜力學過程研究還不多見，如何開發和正確使用液壓錘至關重要。現代基礎施工要求樁工機械打樁效率高、噪聲低、振動小、無油煙污染，環境友好。如何開發一種可靠、準確、環境友好的液壓打樁錘，特別是提出一種新型、打樁效率高、無廢氣等污染排放、噪聲低的液壓打樁錘建筑基礎樁工機械裝備，具有十分重要的理論意義和工程應用價值。

發明內容
針對現有技術的缺陷，本發明的目的是提供一種液壓打樁錘的液壓系統，通過液壓系統的差動回路和帶液壓滑閥的雙壁液壓缸進行液壓錘上升過程和下降過程的高壓大流量的控制，進而達到較大的打擊能量、打擊頻率，提高液壓能源使用效率，實現液壓打樁錘打樁過程的可靠性、準確性、環境友好性等綜合性能。本發明的技術方案如下本發明提供了一種液壓打樁錘的液壓系統，該系統包括雙壁液壓缸、液壓滑閥、負載閥、兩位四通控制閥、低壓蓄能器組、液壓錘行程開關組、高壓蓄能器組和動力源；高壓蓄能器組位于雙壁液壓缸的下腔進油口，低壓蓄能器組位于雙壁液壓缸的上腔排油口，雙壁液壓缸的內壁和雙壁液壓缸的外壁之間設置有液壓滑閥；負載閥的出油口 T 口接雙壁液壓缸上腔排油口，T 口的連接位置在低壓蓄能器組的位置之前，負載閥的進油口 P 口接雙壁液壓缸下腔進油口并與動力源連通，P 口的連接位置在高壓蓄能器組的位置之前；兩位四通控制閥進油口 P 口接雙壁液壓缸下腔進油口，并與負載閥和高壓蓄能器組形成通路，兩位四通控制閥負載口 A 口接液壓滑閥上端容腔，兩位四通控制閥回油口 T 口接回油路；液壓錘行程開關組位于雙壁液壓缸的缸筒上，動力源分別與負載閥和高壓蓄能器組以管路連接。 所述的雙壁液壓缸是具有內壁和外壁的雙壁結構形式，內壁的上端的有效面積大于內壁的下端的有效面積；雙壁液壓缸的活塞桿為雙出桿形式，上腔的有效面積大于下腔的有效面積。所述的液壓滑閥的上端的有效面積大于液壓滑閥的下端的有效面積。所述的動力源為液壓泵，動力源分別與負載閥和高壓蓄能器組以管路連接，為系統源源不斷的供應高壓油。本發明同現有技術相比，具有以下優點和有益效果
I、本發明的液壓系統采用一體化結構，縮短了管路長度以及可能的彎道，較大地減小了沿程損失，尤其是在大流量、高壓力的情況下效果更加明顯。2、本發明巧妙地使用雙壁液壓缸6，并在液壓缸壁之間安置液壓滑閥5，滑閥上端有效面積大于下端有效面積。上升階段，負載閥I左位，兩位四通控制閥2左位，滑閥下位，高壓油進入液壓缸下腔，上腔液壓油直接回油箱；下降階段，負載閥I左位，兩位四通控制閥2右位，滑閥上位，液壓缸上下腔連通，活塞桿上桿外徑小于下桿外徑，錘體以大于Ig的加速度加速下降。通過控制油路控制滑閥不同的工作位置來實現上升和下降過程，極大的簡化了液壓系統。通過雙壁液壓缸和液壓滑閥的組合，實現了液壓錘的快速供油和快速回油，即液壓錘的快速上升和快速下降。3、本發明的液壓打樁錘在下降過程中，液壓滑閥5上位工作，雙壁液壓缸6上腔和下腔連通，形成了差動回路，由于活塞上腔的作用面積大于下腔作用面積，動力源、高壓蓄能器組7和雙壁液壓缸6下腔聯合向雙壁液壓缸6上腔供油，使得錘體加速下落，是為雙作用。通過雙作用的作用方式，減小了控制閥切換和排油時的液壓沖擊，降低了系統工作過程中產生的熱量，高壓油具有較高的利用率。


圖I是本發明的液壓打樁錘上升過程的液壓系統圖。圖2是本發明的液壓打樁錘上升過程的液壓系統原理圖。圖3是本發明的液壓打樁錘組成部分的框圖。圖4是本發明的液壓打樁錘下降過程的液壓系統圖。圖5是本發明的液壓打樁錘下降過程的液壓系統原理圖。圖6是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的位移時間圖。圖7是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的速度時間圖。圖8是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的加速度時間圖。圖9是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的單位質量打擊能量圖。其中1為負載閥，2為兩位四通控制閥，3為低壓蓄能器組，4為液壓錘行程開關組，5為液壓滑閥，6為雙壁液壓缸，7為高壓蓄能器組，8為液壓泵，9為雙壁液壓缸上腔，10為雙壁液壓缸下腔，11為液壓錘錘頭，12為溢流閥。
具體實施例方式以下結合附圖所示實施例對本發明作進一步的說明。實施例I—種液壓打樁錘的液壓系統,該系統包括雙壁液壓缸6、液壓滑閥5、負載閥I、兩位四通控制閥2、低壓蓄能器組3、液壓錘行程開關組4、高壓蓄能器組7和動力源；高壓蓄能器組7位于雙壁液壓缸6的下腔進油口，低壓蓄能器組3位于雙壁液壓缸6的上腔排油口，雙壁液壓缸6的內壁和雙壁液壓缸6的外壁之間設置有液壓滑閥5 ;負載閥I的出油口T 口接雙壁液壓缸6上腔排油口，T 口的連接位置在低壓蓄能器組3的位置之前，負載閥I的進油口 P 口接雙壁液壓缸6下腔進油口并與動力源連通，P 口的連接位置在高壓蓄能器組7的位置之前；兩位四通控制閥2進油口 P 口接雙壁液壓缸6下腔進油口，并與負載閥I和高壓蓄能器組7形成通路，兩位四通控制閥2負載口 A 口接液壓滑閥5上端容腔，兩位四通控制閥2回油口 T 口接回油路；液壓錘行程開關組4位于雙壁液壓缸6的缸筒上，動力源分別與負載閥I和高壓蓄能器組7以管路連接。雙壁液壓缸6是具有內壁和外壁的雙壁結構形式，內壁的上端的有效面積大于內壁的下端的有效面積；雙壁液壓缸6的活塞桿為雙出桿形式，上腔的有效面積大于下腔的有效面積。液壓滑閥5的上端的有效面積大于液壓滑閥5的下端的有效面積。 動力源為液壓泵8，動力源分別與負載閥I和高壓蓄能器組7以管路連接，為系統源源不斷的供應高壓油。液壓缸上腔9為雙壁液壓缸6的工作上腔，液壓缸下腔10為雙壁液壓缸6的工作下腔，兩腔被活塞隔開。液壓錘錘頭11為本液壓打樁錘的直接工作部件，通過螺紋或者其他連接方式與活塞桿進行連接，上升階段提升該錘頭，下降階段使該錘頭加速下落，獲得打擊能量。溢流閥12為本系統的安全閥，若液壓系統的工作壓力大于溢流閥12的開啟壓力，溢流閥12將打開，系統卸荷，起到保護液壓系統的作用，溢流閥12安裝在液壓泵8出油口。圖I是本發明的液壓打樁錘上升過程的液壓系統圖。液壓打樁錘在上升過程中，動力源供給液壓能源，負載閥I的左位工作，兩位四通控制閥2的左位工作。動力源輸出的液壓能源和高壓蓄能器組7的液壓能源相連通，聯合將液壓能源供給雙璧液壓缸6的下腔；液壓能源通過雙璧液壓缸6和液壓滑閥5的下端面連通；同時，液壓能源通過兩位四通控制閥2的左位和液壓滑閥5的上端面連通；由于結構上液壓滑閥5的上端面的有效面積大于下端面的有效面積，上端面和下端面的所承受的壓力相等，所以在液壓油的作用下，液壓滑閥5向下移動，如圖所示的上位工作；此時，帶控制閥的雙璧液壓缸6的上腔通過液壓滑閥5和低壓蓄能器組3連通，帶控制閥的雙璧液壓缸6的上腔液壓油直接排入低壓蓄能器和與動力源相連接的油箱。液壓能源和高壓蓄能器組7聯合向帶控制閥的雙璧液壓缸6的下腔供油，帶控制閥的雙璧液壓缸6的上腔液壓油排入低壓蓄能器組3與動力源相連接的油箱，帶控制閥的雙璧液壓缸6的活塞帶動液壓錘上升。當液壓錘上升至一定高度后，液壓錘行程開關組4檢測到液壓錘活塞位置信號，通過控制模塊來控制負載閥I和兩位四通控制閥2的換向，完成液壓打樁錘的上升過程。圖2是本發明的液壓打樁錘上升過程的液壓系統原理圖。液壓泵8供給液壓能源，溢流閥12調節液壓系統的工作壓力，液壓泵8和高壓蓄能器組7聯合向雙壁液壓缸下腔10供給液壓能源，液壓錘錘頭11上升，雙壁液壓缸上腔9的液壓油排向低壓蓄能器3和液壓油箱。雙壁液壓缸上腔9的有效面積大于雙壁液壓缸下腔10的有效面積。圖3是本發明的液壓打樁錘組成部分的框圖。如圖所示，液壓打樁錘主要包括 動力源，控制閥，油缸，錘頭，傳感器，控制系統。動力源提供液壓打樁錘所需要的液壓能源。控制閥實現液壓能源的控制，將液壓能源按照液壓打樁錘的需要，輸送給油缸。油缸在液壓能源的作用下，驅動錘頭，實現液壓打樁錘的上升過程和下降過程，錘頭完成液壓打樁錘的打樁。傳感器用于檢測液壓打樁錘的錘頭位置，給控制系統提供液壓打樁錘的錘頭位置信號，由控制系統向控制閥輸出控制信號。控制系統向動力源提供控制信號，動力源輸出液壓能源。在控制閥的控制下，動力源向油缸輸出液壓能源，油缸完成上升過程或下降過程，錘頭與油缸通過活塞桿連接，具有相同的運動狀態。在錘頭與活塞桿連接處安裝有液壓錘行程開關組4，將錘頭的運動位置信息實時地通過傳感器傳遞給控制系統，由控制系統及時向動力源和控制閥提供控制信號。圖4是本發明的液壓打樁錘下降過程的液壓系統圖。液壓打樁錘在下降過程中， 動力源供給液壓能源，負載閥I的左位工作，兩位四通控制閥2的右位工作。動力源輸出的液壓能源和高壓蓄能器組7的液壓能源相連通，聯合將液壓能源供給雙璧液壓缸6的下腔；由于兩位四通控制閥2的右位工作，液壓滑閥5的上端面的液壓油通過兩位四通控制閥2的右位直接回油箱，液壓滑閥5的上端面的液壓油為低壓狀態；液壓滑閥5的下端面的液壓油為高壓狀態；液壓滑閥5的下端面的高壓油的作用力大于液壓滑閥5的上端面的低壓油的作用力時，在液壓油的作用下，液壓滑閥5向上移動，如圖所示的下位工作，此時，雙璧液壓缸6的上腔和雙璧液壓缸6的下腔相連通，均為高壓油。雙壁液壓缸上腔9的有效面積大于雙壁液壓缸下腔10的有效面積。雙璧液壓缸6的上腔的液壓作用力大于雙璧液壓缸6的下腔的液壓作用力，雙璧液壓缸6的活塞桿下降，完成液壓打樁錘的下降過程。圖5是本發明的液壓打樁錘下降過程的液壓系統原理圖。液壓泵8供給液壓能源，溢流閥12調節液壓系統的工作壓力，液壓泵8和高壓蓄能器組7聯合向雙壁液壓缸供給液壓能源。由于雙壁液壓缸上腔9的有效面積大于雙壁液壓缸下腔10的有效面積，雙璧液壓缸6的上腔的液壓作用力大于雙璧液壓缸6的下腔的液壓作用力，雙璧液壓缸6的活塞桿下降。此時，雙璧液壓缸6的下腔排出的液壓油，與液壓泵8和高壓蓄能器組7供給的液壓能源，聯合輸出至雙壁液壓缸的上腔9，形成液壓差動回路，實現液壓打樁錘下降過程的快速下降和快速打樁。由于采用液壓差動回路，液壓打樁錘的錘頭以大于一個重力加速度的加速度值加速下落，并打擊樁體。圖6是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的位移時間圖。如圖所示，液壓打樁錘的打樁周期為I. 4s。錘頭在I. Is時位移達到最大值，即上升至最高位置；之后開始下降，I. Is至I. 4s的O. 3s以內下降至最低位置。圖7是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的速度時間圖。如圖所示，液壓打樁錘在打樁周期I. 4s以內，液壓打樁錘的錘體在O. 8s時上升速度達到最大值2m/s ;然后速度開始減小，在I. Is時速度為Om/s ;在I. 4s時速度為_5. 67m/s，速度達到最大值。圖8是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的加速度時間圖。如圖所示，液壓打樁錘在打樁周期I. 4s以內，液壓打樁錘的錘體在Os至O. 8s以內作加速運動；0. 8s至I. Is作減速運動；1. Is時，由于液壓打樁錘的上升過程和下降過程的切換動作中，蓄能器和差動油缸的聯合工作，加速度出現波動狀態。I. Is至I. 4s時，液壓打樁錘的錘體的下降加速度最大，達到_16m/s2。圖9是本發明的液壓打樁錘一個打樁周期內的單位質量打擊能量圖。假設液壓打樁錘打樁時不考慮摩擦損失，錘體下降動能轉化為打擊能量，打擊能量E表達方程式為
權利要求
1.一種液壓打樁錘的液壓系統，其特征在于該系統包括雙壁液壓缸(6)、液壓滑閥(5)、負載閥(I)、兩位四通控制閥(2)、低壓蓄能器組(3)、液壓錘行程開關組(4)、高壓蓄能器組(7)和動カ源；高壓蓄能器組(7)位于雙壁液壓缸(6)的下腔進油ロ，低壓蓄能器組(3)位于雙壁液壓缸(6)的上腔排油ロ，雙壁液壓缸(6)的內壁和雙壁液壓缸(6)的外壁之間設置有液壓滑閥(5);負載閥(I)的出油ロ T ロ接雙壁液壓缸(6)上腔排油ロ，T ロ的連接位置在低壓蓄能器組(3)的位置之前，負載閥(I)的進油ロ P ロ接雙壁液壓缸(6)下腔進油ロ并與動カ源連通，P ロ的連接位置在高壓蓄能器組(7)的位置之前；兩位四通控制閥(2)進油ロ P ロ接雙壁液壓缸(6)下腔進油ロ，并與負載閥(I)和高壓蓄能器組(7)形成通路，兩位四通控制閥(2)負載ロ A ロ接液壓滑閥(5)上端容腔，兩位四通控制閥(2)回油ロ T ロ接回油路；液壓錘行程開關組(4)位于雙壁液壓缸(6)的缸筒上，動カ源分別與負載閥(I)和高壓蓄能器組(7)以管路連接。
2.根據權利要求I所述的液壓打樁錘的液壓系統，其特征在于所述的雙壁液壓缸(6)是具有內壁和外壁的雙壁結構形式，內壁的上端的有效面積大于內壁的下端的有效面積；雙壁液壓缸(6)的活塞桿為雙出桿形式，上腔的有效面積大于下腔的有效面積。
3.根據權利要求I所述的液壓打樁錘的液壓系統，其特征在于所述的液壓滑閥(5)的上端的有效面積大于液壓滑閥(5)的下端的有效面積。
4.根據權利要求I所述的液壓打樁錘的液壓系統，其特征在于所述的動力源為液壓泵(8)，動カ源分別與負載閥(I)和高壓蓄能器組(7)以管路連接。
全文摘要
本發明屬于機械工程和土木工程的樁工機械施工裝備以及機械零件與傳動裝置技術領域，公開了一種液壓打樁錘的液壓系統；該系統包括雙壁液壓缸(6)、液壓滑閥(5)、負載閥(1)、兩位四通控制閥(2)、低壓蓄能器組(3)、液壓錘行程開關組(4)、高壓蓄能器組(7)和動力源。本發明的液壓系統采用一體化結構，縮短了管路長度以及可能的彎道，較大地減小了沿程損失，尤其是在大流量、高壓力的情況下效果更加明顯。
文檔編號F15B1/02GK102864778SQ20121033510
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者訚耀保, 黃姜卿 申請人:同濟大學