孫 福，邱成國(guó)，樊秉力，張志崇，丁全智SUN Fu, QIU Cheng-guo, FAN Bing-li, ZHANG Zhi-chong, DING Quan-zhi（太重（天津）濱海技術(shù)中心海工所，天津 300457）

產(chǎn)品·技術(shù) Product·Technology

TZ200雙作用液壓打樁錘

孫 福，邱成國(guó)，樊秉力，張志崇，丁全智
SUN Fu, QIU Cheng-guo, FAN Bing-li, ZHANG Zhi-chong, DING Quan-zhi
（太重（天津）濱海技術(shù)中心海工所，天津 300457）

[摘 要]液壓打樁錘是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中一種重要的樁工機(jī)械，本文主要介紹了TZ200雙作用液壓打樁錘的工作原理和主要結(jié)構(gòu)，闡述了其液壓系統(tǒng)和操作系統(tǒng)構(gòu)成。利用Simulation X仿真系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TZ200雙作用液壓打樁錘性能可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

[關(guān)鍵詞]打樁錘；液壓系統(tǒng)；仿真

打樁錘是公路橋梁、港口碼頭、大陸架勘探、工業(yè)開采、海上風(fēng)電和海底作業(yè)平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施建造過程中的施工機(jī)械。常見的打樁錘有三種：蒸汽錘、柴油錘和液壓錘。其中液壓打樁錘以其打樁效率高、噪音低、振動(dòng)小、無油煙污染及能在水下打樁等優(yōu)勢(shì)，逐步贏得人們的青睞。如今在西方發(fā)達(dá)國(guó)家和亞洲的日本、韓國(guó)、香港和新加坡等國(guó)家和地區(qū)，液壓打樁錘已經(jīng)完全取代了柴油打樁錘，成為打樁市場(chǎng)的絕對(duì)主力。

液壓打樁錘有沖擊式和振動(dòng)式兩大類。沖擊式液壓錘是一種比較流行的液壓錘，振動(dòng)式液壓錘是新近興起的一種液壓錘，與沖擊式液壓打樁錘相比，振動(dòng)式液壓打樁錘結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴,主要適用于松軟土層施工。沖擊式液壓錘按照其結(jié)構(gòu)形式可以分為單作用液壓錘和雙作用液壓錘兩種。單作用液壓錘由液壓動(dòng)力向上舉升錘體，靠錘體重力下落，打擊在樁墊上。雙作用液壓錘不僅靠液壓提升，在下降過程中還靠液壓加速下降，從而提高錘體下落速度，獲得更大的打擊能量。

目前，我國(guó)的樁工機(jī)械與國(guó)外相比，還有比較大的差距。液壓打樁錘的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)主要集中在荷蘭IHC、德國(guó)MENCK、英國(guó)BSP、美國(guó)APE和日本神戶等國(guó)際知名品牌手中，他們壟斷了全球90%以上的液壓打樁錘市場(chǎng)。而國(guó)內(nèi)液壓打樁錘的研制進(jìn)展緩慢，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前工程施工市場(chǎng)的需求。因此研制國(guó)產(chǎn)液壓打樁錘并使之產(chǎn)業(yè)化便成為當(dāng)前亟待解決的問題。筆者公司依照自身優(yōu)勢(shì)，開發(fā)和試制了TZ200雙作用液壓打樁錘，并成功推向市場(chǎng)。

1 主要參數(shù)

TZ200液壓打樁錘的主要參數(shù)如下。

最大打擊能量（kJ） 200

最小打擊能量（kJ） 20

最大功率時(shí)打擊次數(shù)（次/min） 34～36

錘體總重量（t） 36.7

錘體長(zhǎng)度（帶殼體）（m） 12.96

殼體內(nèi)徑（m） 1.0

上錘芯重量（t） 10

下錘芯重量（t） 4.3

替打塊重量（t） 1.9

2 結(jié)構(gòu)組成

TZ200雙作用液壓錘的外形圖，如圖1所示。整個(gè)錘分上下兩個(gè)錘體，其中上錘體主要集成液壓動(dòng)力部分，下錘體為錘芯和替打裝置。在上錘體中集成有高壓蓄能器、低壓蓄能器、液壓油缸及相關(guān)的控制閥塊和壓力傳感器等液壓元件，上錘體外部被做成一個(gè)密閉殼體，從而保護(hù)整個(gè)液壓動(dòng)力裝置。下錘體內(nèi)集成上錘芯、下錘芯、替打塊和緩沖裝置。液壓缸和錘體連接部分采用緩沖彈簧結(jié)構(gòu)，可以有效防止錘體偏載和振動(dòng)沖擊對(duì)油缸的不利影響。整個(gè)打樁錘結(jié)構(gòu)緊湊，其密閉式設(shè)計(jì)，不僅適合陸上和海平面上的操作，也可進(jìn)行一定水深的水下操作。

圖1　 TZ200雙作用液壓打樁錘

TZ200雙作用液壓打樁錘配有一個(gè)獨(dú)立液壓站和操作間。液壓動(dòng)力站采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝在一個(gè)專門的集裝箱中，移動(dòng)吊裝方便，適應(yīng)野外作業(yè)要求。液壓站采用定量泵和電液比例變量泵組合方式，定量泵的選定主要考慮平均流量需要，電液比例變量泵根據(jù)錘體提升高度的變化，自動(dòng)調(diào)整泵的排量，既能滿足錘體下打時(shí)的流量需求，又可以達(dá)到節(jié)能目的。

操作間設(shè)置有人性化的操作臺(tái)和人機(jī)控制界面，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互式操作。在下錘體上安裝有接近開關(guān)，可以檢測(cè)和控制錘芯上升高度。整個(gè)液壓打樁錘電控系統(tǒng)采用PLC控制，在操作臺(tái)上設(shè)置有觸摸屏，如圖2所示。操作人員可以通過觸摸屏設(shè)置打擊能量和打擊次數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)打樁過程的自動(dòng)控制。在觸摸屏中還設(shè)置了液壓站和錘體的狀態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警界面，可以方便地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，保證液壓打樁錘安全使用，降低操作人員的工作強(qiáng)度。操作臺(tái)上還設(shè)置有手動(dòng)和應(yīng)急按鈕，保證設(shè)備和人員安全。

3 工作原理

圖2　 觸摸屏界面

圖3　 雙作用液壓打樁錘原理圖

TZ200雙作用液壓打樁錘如圖3所示。雙作用液壓缸9用于驅(qū)動(dòng)上錘芯10的升降，液壓閥5 和6分別用來控制液壓缸的下降和上升。當(dāng)電磁閥5得電液壓閥6斷電時(shí)錘芯10下降，此時(shí)形成差動(dòng)回路，由于液壓缸的面積差，錘芯將獲得一個(gè)除重力加速度外的另外一個(gè)加速度（以豎直狀態(tài)為例），從而提高液壓錘的打擊能量。當(dāng)液壓閥6得電液壓閥5斷電時(shí)，液壓缸上腔泄壓，依靠桿腔壓力液壓缸9帶動(dòng)錘芯10迅速提升。通過位移傳感器或接近開關(guān)等測(cè)量錘芯行程，從而控制錘芯的上升高度。在對(duì)能量要求不高的場(chǎng)合也可采用時(shí)間控制方式（控制閥開關(guān)時(shí)長(zhǎng)）來控制錘芯的上升高度。液壓泵2提供系統(tǒng)動(dòng)力。蓄能器7作為輔助動(dòng)力源并吸收震動(dòng)沖擊。蓄能器8用來吸收回油沖擊。

4 仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析

在新設(shè)備的開發(fā)過程中，往往要求較短的開發(fā)和實(shí)施時(shí)間、較低的風(fēng)險(xiǎn)，以及可靠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)。因此在項(xiàng)目開發(fā)階段，通常采用仿真工具去實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，尤其是針對(duì)機(jī)電液一體化的系統(tǒng)。在液壓打樁錘的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中也采用了這些手段。

SimulationX在統(tǒng)一的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科多領(lǐng)域系統(tǒng)工程的建模和仿真。不同領(lǐng)域的模塊之間直觀的物理連接方式使得仿真變得簡(jiǎn)單快捷。鑒于此，液壓打樁錘在SimulationX的平臺(tái)上進(jìn)行仿真分析。利用該仿真系統(tǒng)可以隨意計(jì)算出錘芯從不同位置下降時(shí)的速度和加速度、油缸壓力等信息。通過分析，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致。在錘芯向下運(yùn)動(dòng)過程中由于錘芯的重力作用及油缸的差動(dòng)連接，其桿腔的壓力始終高于無桿腔。由于在仿真過程中沒有考慮錘芯下落打樁時(shí)的相互作用，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)值相比在運(yùn)動(dòng)末端并沒有出現(xiàn)震蕩的情況，這也說明在實(shí)際打樁過程中存在彈性環(huán)節(jié)。

錘芯從不同位置下落時(shí)速度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果如圖4所示。從圖中看出，隨著錘芯高度的增加，摩擦等損失加大，實(shí)際效率降低。因此提高錘筒加工精度，降低摩擦等損失也是今后液壓打樁錘研制需要努力的方向。通過對(duì)30s時(shí)間內(nèi)的打擊頻次進(jìn)行仿真分析液壓打樁錘能夠滿足每分鐘打樁36次的頻次要求，而且在每次打樁終了時(shí)還有一定的保壓時(shí)間，這也為后續(xù)的時(shí)間優(yōu)化提供了空間。

5 結(jié) 論

TZ200雙作用液壓打樁錘采用單個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)，包含上下兩部分，其中上部為液壓動(dòng)力單元，下部為錘芯等打擊裝置。整個(gè)液壓打樁錘結(jié)構(gòu)緊湊，保護(hù)性好，不僅適用于陸上作業(yè)，還可以適用于一定水深的水下作業(yè)。該錘擁有獨(dú)立的液壓站和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，操作使用方便。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TZ200雙作用液壓打樁錘性能可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。但還需在以下幾方面改進(jìn)：①提高下錘體的機(jī)械加工精度，優(yōu)化下錘體摩擦副設(shè)計(jì)，減少摩擦力，降低能量損耗；②優(yōu)化液壓閥的開關(guān)時(shí)間，減少液壓沖擊，提高打擊頻次；③優(yōu)化液壓打樁錘的緩沖設(shè)計(jì)，降低對(duì)樁頂部尤其是水泥樁頂部的破壞也是值得研究和提高的地方。

圖4　 錘芯在不同位置下落時(shí)速度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果

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（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號(hào)］TU67

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366（2015）02-0051-03

［收稿日期］2014-12-15

TZ200 hydraulic pile hammer based on double action