宋光伟液压打桩机机毕业设计

中南大学毕业设计论文（本科）第1页共66页机电工程学院中南大学本科生毕业论文（设计）题目ZCY07型液压打桩锤液压控制系统设计学生姓名宋光伟指导教师胡均平教授学院机电工程学院专业班级机械0412班完成时间2008年6月8日中南大学毕业设计论文（本科）第2页共66页摘要打桩锤是用于建筑、码头等桩基础施工的预制桩施工机械。液压打桩锤从20世纪70年代中期开始研制，是世界各国对节能和环保问题重视以及机电液一体化技术发展的结果，与目前较常使用的落锤、柴油锤相比，它具有能量传递效率高、噪音低、打击能量高且易于控制等优点。因此，液压打桩锤的研究和开发，对于环保、节能、促进社会技术进步具有重要的意义。本论文针对液压打桩锤的特点和发展趋势，通过对国内外典型同类产品液压系统的结构和工作原理进行深入的研究，并结合液压系统方案的选择与设计要求,设计出了一种新型的液压打桩锤的液压系统ZCY07型打桩锤液压系统。然后是液压系统参数的计算与元件选则，最后对设计的液压系统进行了仿真。关键词液压打桩锤；液压系统；设计计算与仿真中南大学毕业设计论文（本科）第3页共66页ABSTRACTHYDRAULICPILEHAMMERWASAKINDOFMACHINE,WHICHWASWIDELYUSEDINARCHITECTUREANDDOCKTOMAKEBASEASTHERESULTOFTHEDEVELOPMENTOFTECHNOLOGYOFINTEGRATIONOFMECHANICS,ELECTRONANDHYDRAULICPRESSURE,HYDRAULICPILEHAMMERHASBEENRESEARCHEDANDMANUFACTUREDSINCE1970SBECAUSEITCOULDSAVEENERGYSOURCESANDBENEFITENVIRONMENTCOMPAREDTOSUCHCONVENTIONALHAMMERASFALLINGHAMMERANDPILEHAMMERUSINGDIESELOIL,ITOWNEDSOMEADVANTAGELIKEHIGHTRANSMISSIONEFFICIENCY,LOWNOISE,HIGHPILINGENERGYANDEASYCONTROLLINGSORESEARCHANDDEVELOPMENTONITWERETAKENINTHEWORD,WHICHHAVEANIMPORTANTINFLUENCEONENVIRONMENTPROTECTION,ENERGYSAVINGANDTECHNOLOGYADVANCEMENTAIMINGATTHEPECULIARITYANDTRENDOFHYDRAULICHAMMER,BASEDONTHOROUGHRESEARCHOFTHEDOMESTICANDFOREIGNMODELSOFSIMILARPRODUCTOFTHEHYDRAULICSYSTEMSCHEMATICDIAGRAMANDCOMBINETHEHYDRAULICSYSTEMPLANCHOICEANDTHEDESIGNREQUEST,DESIGNEDANEWTYPEHYDRAULICSYSTEMOFTHEHYDRAULICPILINGHAMMERTHEHYDRAULICSYSTEMOFZCY07PILINGHAMMERTHENISCALCULATIONOFPARAMETERSANDCOMPONENTSCHOOSEOFTHEHYDRAULICSYSTEM,FINALLYISTHESIMULATIONOFTHEDESIGNEDHYDRAULICSYSTEMKEYWORDSHYDRAULICPILEHAMMERHYDRAULICSYSTEMDESIGNCALCULATIONSANDSIMULATION中南大学毕业设计论文（本科）第4页共66页目录第1章绪论111桩基础简介112设桩设备4121设置打入式预制桩设备4122设置钻孔式就地灌注桩设备513液压打桩机5131国内外研究现状9132存在的问题9133发展方向1014选题的背景和意义10第2章国内外几种典型液压打桩锤液压控制系统方案的比较1321电磁阀控制换向回路设计1322电磁阀控制的弹簧和桩锤自重双重作用方案1523内外差动式液压作用方案1724日本NH系列液压锤液压控制系统原理方案1925气液联合控制的打桩方案21第3章液压系统原理设计2331设计要求2332设计分析2333工作过程分析24331防空打过程分析24332漏气保护分析24333打桩工作过程分析2434工作状态中阀的状态耦合25341初始状态25342上升过程25343下降过程2635打桩频率和冲击能的无级调节27中南大学毕业设计论文（本科）第5页共66页36液压系统中阀的作用27第4章标准件的选用和油路压力损失计算2941液压油的确定2942标准阀件的选用29421插装阀的设计和选用29422其他主要标准件的选用314221单向阀的选用314222溢流阀的选用314223手动换向阀的选用3243管路的选用32431吸油管路的选用32432回油管路的选用33433高压进油油路的选用34434接回油低压蓄能器钢管的选用34435接进油高压蓄能器钢管的选用3544蓄能器及其选择计算35441蓄能器的用途和分类35442蓄能器的安装与使用37443蓄能器的选择计算3745其他元件的选用4046压力损失计算40461沿程压力损失计算41462局部压力损失计算42463从油缸到主泵的压力损失42第5章主控换向阀的设计4351主控换向阀的设计要求4352主控换向阀材料的确定4353主控换向阀阀件参数的确定44531阀芯直径和阀体开口量的确定44中南大学毕业设计论文（本科）第6页共66页532阀芯其它参数的设计确定45533阀体壁厚的设计计算46534阀盖厚度的设计计算46535其它考虑4754主控换向阀的性能校核47541主控换向阀的泄漏特性47542主控换向阀的功率损失49第6章打桩锤液压控制系统的动态仿真5161仿真的基本概念5162仿真技术在液压系统中的应用5263仿真的目的5264建模仿真软件AMESIM的介绍5265打桩锤液压系统的动态仿真与分析53第7章设计总结与展望5871本论文的总结5872今后要做的工作58第8章结束语59参考文献60附录1英文译文附录2英文原文附录3实习报告中南大学毕业设计论文（本科）第7页共66页第1章绪论在土木建筑中，桩基础是应用的比较广泛的一种基础类型，也是最古老的基础之一，它是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创举。起支撑作用的打入式承载桩是土木工程科学与工艺的最早实例之一。早在新石器时代，人类为防范敌人袭击、猛兽侵犯和不断占地，就已经懂得在湖泊和沼泽地里栽木桩搭平台修建定居所1。人类关于桩基础的使用早有记载23，我国水经注汾水记载的公元前557531年在今山西省汾水建成三十墩柱木桩桥梁；三辅黄图记载的秦代所建的渭桥（公元前221260年）；英国保存的罗马时代修建的桥梁工程和河滨住宅的木桩基础；东安格里亚（EASTANGLIA）沼泽地区修建的大修道院基础等。伴随着人类文明长河的不断奔涌，桩基础通过其丰富万千的形式和不可替代的作用，书写着建筑史上璀璨的篇章。11桩基础简介桩基础是由若干个沉入土中的单桩在其顶部用承台联结起来的一种深基础。其作用在于穿过弱的压缩性土层或水，把来自上部结构的荷载传递到更硬或更密实且压缩性较小的土壤或岩石上。它具有承载能力大、抗震性好、沉降量小等特点。在一般房屋基础工程中，桩基还需要承受来自侧向的风力、波浪力、土压力和地震力等水平荷载4。桩的种类五花八门，如果考虑用于复合地基的各种柔性桩（如粉喷桩、碎石桩、CFG桩等）和近年来发展起来的异型桩（如树根桩、支盘桩、后压浆桩等）。据统计，竟有三百多种，但总的来讲，如不考虑尺寸的影响，根据不同目的，我们可以按不同的分类方法对刚性桩进行分类。按不同的施工方法进行分类，可分为非挤土桩、部分挤土桩和挤土桩三大类。（1）非挤土桩指采用干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法的钻（冲）孔、挖孔桩。非挤土桩在成桩的过程中，对周围的土体没有挤压作用，不会引起土体中超孔隙水压的增长，因而桩的施工不会危及周围相邻建筑物的安全。其主要的类型如图11所示。（2）部分挤土桩指沉管灌注桩、预钻孔打入式预制桩、打入式敞口桩；打入敞口管桩时，土可以进入桩管形成土塞，从而减少了挤土作用。打入实体桩时，为了减少挤土作用，可以采取预钻孔措施，将部分土取走，也属于部分挤土桩。部分挤土桩的类型如图12所示。（3）挤土桩指打入或压入土中的实体预制桩、闭口管桩（钢管桩或预应力管桩）和沉管灌注桩。这类桩在沉桩过程中，周围土体受到桩体的挤压作用，土中超孔隙水中南大学毕业设计论文（本科）第8页共66页压增长，土体发生隆起，对周围环境造成严重的损害，如相邻的建筑物的变形开裂、市政管线断裂，造成水、煤气的泄漏。在大中城市的建成区已严格限制挤土桩的施工。挤土桩的类型如图13所示5。非挤土桩干作业法机动洛阳铲成孔灌注桩泥浆护壁法螺旋钻孔灌注桩多节扩孔灌注桩钻孔扩底灌注桩人工挖掘灌注桩潜水钻成孔灌注桩管套护壁法贝诺特灌注桩钻孔扩底灌注桩钻头钻成孔灌注桩反螺旋钻成孔灌注桩正螺旋钻成孔灌注桩图11非挤土桩的种类中南大学毕业设计论文（本科）第9页共66页部分挤土桩冲击成孔灌注桩螺旋式预制桩打入式开口灌注桩组合桩埋入式桩冲击成孔灌注桩桩端压力注浆桩小桩（IM桩）孔底压力注浆桩CIP工法桩MIP工法桩PIP工法桩爆破灌注桩中掘施工法桩预制孔打入式预制桩图12部分挤土桩的种类挤土桩挤土灌注桩挤土预制桩沉管灌注桩夯扩灌注桩干振灌注桩静压桩打入式桩振动沉管桩锤击沉管桩锤击振动沉管桩平底大头桩沉管灌注同步桩冲击施工法桩摇动施工法桩福兰克桩夯击成型桩图13挤土桩的种类中南大学毕业设计论文（本科）第10页共66页12设桩设备设桩机械设备是从工业革命后逐渐发展起来的。特别是二十世纪，人类社会飞速发展，高大办公楼，重型工业设备。高炉以及船坞设备的发展都对设桩设备提出了更高的要求，与此同时各行各业新技术的发展又为设桩设备提供了无限发展的动力。特别是从1950年至今，在全世界范围内重型基础工程大量增加，同时，近海油田的开采经验，要求重型基础工程全面发展，这极大地刺激了设桩设备的发展，现在无论桩机的尺寸、高度，还是锤的重量、效率都在增加；并且，各种类型的较高容量机械的发展均伴随着移动灵活性和操作方便性的更多改进。设桩设备的类型一般可分为设置打入式预制桩设备、设置钻孔式就地灌注桩设备。121设置打入式预制桩设备67此类设桩设备的沉桩方式包括锤击沉桩、静力压桩、振动沉桩和射水沉桩等数种方式，其中射水沉桩只适用于砂土层中，水的压力需要达到05507MPA,必要时可用压缩空气代替。（1）锤击沉桩设备包括各种落锤式打桩锤、蒸汽打桩锤、柴油打桩锤以及液压打桩锤等。1）落锤式打桩锤落锤式打桩锤由卷扬机拉升锤体，然后自由落下，利用自重夯击桩顶。一般锤重130KN，每分钟锤击次数小于12次，仅能在小规模工程中使用。其优点是构造简单、费用低廉。缺点是生产效率低、贯入能量小、对桩损伤大。2）蒸汽打桩锤蒸汽打桩锤利用蒸汽的压力将锤体上举，然后由锤的自重向下冲击桩顶。可以打水下桩、斜桩，甚至水平桩，对桩损伤小；工作性能不受土层软、硬和工作时间长短的限制，但需要配备一套锅炉设备，效率低、使用不方便。3）柴油打桩锤柴油打桩锤是利用柴油燃烧时释放的能量提升锤体的。柴油锤自带动力、使用方便、能耗低、生产效率高、能根据沉桩阻力的大小自动调节冲击力等优点；缺点是噪声大、废气污染严重、在软土及低温条件下启动困难、不能长时间持续工作。因受自重、公害及性能的约束，难以向超大型方向发展。4）液压打桩锤液压打桩锤是近几十年来发展起来的一种较理想的打桩锤。它利用液压能驱动锤体升降。其优点是可以根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的充分发挥而不损害桩身；在打桩过程中，同时可获得冲击力和贯入度指标，因而可有效地确定桩是否已经进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力；液压打桩锤适合打斜桩作业及水下桩施工，液压打桩锤不存在软土启动困难的问题，而且能适应各种气候下的施工作业；沉桩力作用时间长，有中南大学毕业设计论文（本科）第11页共66页效贯入能量大；液压打桩锤的公害小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩锤低20DB左右，因而能适应城市桩基础的施工作业，但其不足之处是结构复杂、价格贵。（2）静力压桩机静力压桩机是利用静压力将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。它与普通的打桩机相比，可以消除噪声，避免震动的骚扰与危害且节约材料。适用于对防震有要求的部门和城市居住密集区施工。但静力压桩机要配有较多的配重，施工时整机的拼装、移动及工作效率仍比打击式低。3振动桩锤预制桩除了采用打桩和压桩之外，还有振动沉桩。振动沉桩适用于砂纸粘土、砂土和软土地区的沉桩施工，不宜在砾石和密实的粘土中使用。122设置钻孔式就地灌注桩设备此类设桩设备包括以下几种动力螺旋钻、震动钻孔机、逆循环钻孔机和三角架式钻孔机。（1）动力螺旋钻动力驱动的旋转式螺旋钻机适用于在粘性土中设置钻孔桩。（2）振动钻孔机为了打入衬管，并在灌注混凝土时拔出他们，把振动器和螺旋钻机一起使用。（3）逆循环钻孔机该钻孔机在多种土壤条件下（包括软质岩石在内），能快速钻进，而钻入颗粒状土中最为有效。（4）三角架式钻孔机三角架式钻孔机特别适宜在低空间或通道狭隘的条件下工作。13液压打桩锤随着液压技术的发展与逐步成熟，加之传统使用的柴油锤噪声大、效率低、污染严重等原因，在基础施工中受到限制，20世纪70年代，各国先后开发了液压打桩锤以适应建筑行业的新需要。经过30多年的改进与发展，目前液压打桩锤已成为建筑施工中一种不可缺少的大型桩工机械，并越来越受到重视。一、液压打桩锤与其他打桩锤相比具有以下优点5（1）可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的充分发挥而不损害桩身，施工时可省去桩垫；（2）在打桩过程中，同时可获得下打冲击力和贯入度指标，因而可有效地确定桩是否已进入预定的土层中，并能直观地知道桩的允许承载力；（3）液压打桩锤特别适应打斜桩作业及水下桩基施工，液压锤不存在软土起动困难的问题，而且能适应各种气候下的施工作业；（4）冲击能量可提高很多；（5）液压打桩锤的公害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其中南大学毕业设计论文（本科）第12页共66页他桩锤低20DB左右，因而能适应城市桩基础的施工作业。（6）一般不需要特别的夹桩装置，因此可不受限地对各种形式的钢板桩、混凝土预制桩、木桩等进行沉桩作业。二、液压打桩锤的分类、构造与工作原理（1）液压打桩锤的分类根据液压打桩锤的下落方式可将打桩锤分为单作用下落式和双作用下落式两种类型。单作用方式即桩锤在自重的作用下以接近自由落体的方式下落，如英国BSP公司的HH3579型锤、日立公司生产的NHC型锤、美国HPSI公司的MODE16503505型锤等；双作用下落方式即桩锤在自重和外力的共同作用下以大于自由落体的加速度下落，因此，在相同行程、相同锤重时产生的打击力比单作用下落方式大得多，如日本车辆公司的NH型锤、荷兰IHC公司的SC型锤、芬兰JUNTTAN公司的HHKA系列液压锤等。表11、12为典型液压锤产品的主要技术参数。8。表11典型双作用液压锤厂家及规格主要参数日本车辆荷兰IHC荷兰HBG英国BSP芬兰JUNTTAN中国NH70S200HBM18HH2HHK9ADY25A质量（KG）7000100009200200090002557行程（M）081120851210相当自由下落高度（M）128201610514416最大打击能量（KGM）896020000180002100108003995最大行程打击频率（BPM）254560554028工作压力（MPA）212635142116液压油流量（/MINLIT）218350225140450最大160表12典型单作用液压锤厂家及规格主要参数日本日立HNC日本日车NHS日本常盘建筑公司英国BSPHH357美国HPSI公司上海远东建筑公司HNC80NHS70TK110HH7MODEL1000HPH7桩锤质量（KG）800070006500700045407000最大行程（M）1212121212最大打击能量（KGM）960084007800840069008400最大行程打击频率（BPM）203820404035工作压力（MPA）16521152427622液压油流量（/MINLIT）232232190140180根据液压打桩锤的吨位来分,可将打桩锤分为小型、中型和大型液压打桩锤。桩锤在3吨以下的为小型打桩锤；桩锤重量在3吨到10吨之间的为中型液压打桩锤；桩锤重量超过10吨的为大型液压打桩锤，最大桩锤重量可达40吨。小型液压打桩锤适用于打截面尺寸较小的钢桩、混凝土桩，一般截面尺寸小于200MM200MM或直径小于200MM；中型、大型液压打桩锤适用于港口、码头、中南大学毕业设计论文（本科）第13页共66页机场、高层建筑、桥梁等工程的桩基施工5。（2）液压打桩锤体的构造9目前使用的液压打桩锤形式多种多样，其基本机构大致相同，主要包括液压打桩锤本体机械部分、液压动力装置、液压控制装置等部分；锤体部分包括驱动装置、打击力传递装置、行程控制装置、液压控制装置等；液压动力装置一般由发动机、液压泵、油箱等组成，相当于一个液压泵站；操纵控制装置包括电控柜、数据显示及打印装置等。驱动装置包括液压缸和液压锤，打击力传递装置包括缓冲垫和桩帽，行程控制装置一般由无触点、时间继电器或光电开关等组成，液压控制装置则由各种阀和蓄能器组成。图14为液压锤的基本结构。图14液压锤的基本结构1、驱动装置液压锤的驱动装置包括液压油缸和锤头。最常用的形式如图15，液压油缸1固定在壳体上，其活塞杆与桩锤2直接相连，这种方式结构简单，容易制造，应用最广。中南大学毕业设计论文（本科）第14页共66页图15液压锤的驱动装置图16打击力传递装置2、打击力传递装置液压锤的打击力传递装置一般由锤缓冲垫、砧座、桩帽及桩缓冲垫组成，其主要功能是将锤头的打击能量传递到桩上；同时又要保护桩头不受损伤，避免发生大的噪声。一般形式如图16。3、锤头下落高度控制装置锤头下落高度控制装置由锤头下落高度给定装置与下落高度检测装置构成。锤头下落给定高度分为时间给定和位置给定方式。时间给定方式是以时间来确定下落高度，采用时间继电器来控制液压动力装置供给压力油的时间，锤的下落高度是无级调整的。位置给定方式是通过设置在桩锤外壳上的位置检测装置的信号来进行控制的，锤头的下落高度是有级调节的。锤头下落检测装置，可采用各种位置检测传感器，用以控制电液阀的动作。如无触点开关、光电开关等。4、隔音装置液压打桩锤的噪声主要发生在打击力传递装置上。因此，主要在这一部分采取降低噪声的措施。（3）液压打桩锤的工作原理6液压打桩锤以液压能为动力，举起锤垂体后快速泄油或同时反向供油，使锤中南大学毕业设计论文（本科）第15页共66页体加速下降，撞击缓冲垫和桩帽，利用锤体冲击时动量变化所产生的巨大冲击力，克服土壤对桩的阻力，将桩沉入土中。131国内外研究现状8自从荷兰在1965年研制出液压打桩锤以来，80年代以后，液压打桩锤便很快在英国、芬兰、日本、美国等国家得到快速的发展。以下列举国外主要液压打桩锤生产厂家及其液压打桩锤的特点。芬兰的永腾公司是最早生产打桩设备的专业厂家之一。它主要生产两个系列（HHK，HHKA），20余种不同型号的液压锤，都是采用单作用自由下落式液压系统。两个系列最主要的区别是HHKA型系列采用了液压辅助落体的措施来消除阻力的影响，真正实现自由落体。所以HHKA型与HHK系列相比，以相同的结构参数可产生相对较高的冲击能量。英国的BSP国际基础有限公司也早在70年代开始系列生产液压锤，他们生产的产品也采用单作用自由下落式工作原理，但其液压系统与永腾公司的HHKA系列一样，采取特别的增压措施消除阻力的影响，真正实现无阻力自由下落，提高了冲击能量。荷兰IHC公司是世界上最大的挖泥船制造厂商，其强大的机械制造能力使其生产的液压锤享誉世界。其生产的液压锤与众不同，采用了独特的双作用下落式工作原理。锤头在提升的过程中同时压缩活塞上方的气体，上升到行程顶端时，供油阀关闭，回油阀打开。在下冲过程中，活塞上方的压缩气体的附加能量作用在锤头上，和重力一起使锤头产生大于982/MS加速度，这样以较短的行程可以获得较大的能量，但因要求具有良好的密封性使其制造成本相应地提高了很多。我国80年代开始从国外购买液压锤产品用于基础建设，产品的维护维修也由外国人进行，谈不上开发与研制液压锤。进入90年代以后，我国一些有远见的单位开始液压锤产品的研究开发工作，主要是通过对国外液压锤产品的测绘进行仿造。目前我国液压锤技术领域的研究处于探索阶段，主要精力集中在对国外产品的分析、消化和吸收方面。132存在的问题1011121314目前，液压锤的研究存在的问题主要有1、缺少液压系统理论分析资料，了解液压系统只能通过观测实物或者在国外产品说明书中油路原理图的基础上进行分析。在我国目前还没有见到关于液压锤理论分析与研究的完整资料。2、国内外关于液压锤产品的设计理论与设计方法不够成熟，还没有形成一套完整的液压锤产品设计理论与方法。关于液压锤系统工作过程运动特性和过渡过程的动态特性分析，液压锤打桩过程中由油缸锤头桩帽桩地基等组成系统的动力学特性分析也很少见到。国内对引进液压锤的工作机理、结构形式、设计思路、设计计算理论等消化吸收不够充分，还没有真正意义上开发出液压锤产品。中南大学毕业设计论文（本科）第16页共66页3、产品的设计、制造和试验手段的层次较低。计算机辅助设计、计算机仿真与优化设计等技术在该领域的利用效率较低。液压锤的设计方法与设计理论处于比较传统的估算、类比等阶段。还没有利用计算机进行产品的参数化、系列化、标准化设计等，不能高效的进行新产品的开发研制。4、国内外液压锤产品本身也存在问题。双作用液压锤打击频率很低，例如日本车辆公司生产的NH100型液压锤每分钟打击次数最大行程时为20次，回程速度仅为05M/S左右。单作用液压锤的打击能量仍显不足，主要利用桩锤的自由下落所产生的能量打击桩，冲击力较小。若需要大的打击能量则需要增加打击行程，增加桩锤结构尺寸。5、制造成本高，产品结构复杂，价格昂贵。由于液压锤是典型的高压力、大流量、换向频繁、冲击大的产品，对液压元件的制造精度和配合精度要求很高，附属部件多且价格比较昂贵，制造成本很高。同时，目前液压锤产品的结构工艺也存在一些问题。昂贵的价格是制约液压锤技术发展的最重要的因素之一。133发展方向由于液压锤技术符合绿色环保施工要求，随着液压锤技术的不断发展和功能的不断完善，液压锤必将取代传统的柴油锤和蒸汽锤，液压锤技术的发展方向可包括以下几个方面1、设计理论将不断完善，建立完善的液压锤产品的设计理论与方法，实现参数化、系列化、标准化设计。2、采用先进的设计手段，提高设计效率。计算机仿真技术、计算机辅助设计技术、虚拟设计技术的采用将大大提高设计精度和设计速度，降低设计成本。3、采用先进控制技术。采用微机控制或PLC控制不但可以使桩锤工作方式更加灵活，同时也大大提高了控制精度，操作更加方便。同时可以方便地输出打桩过程中各种重要的数据资料。4、节能。通过优化设计，实现液压泵、液压缸、蓄能器、管路之间的最优匹配，减少能耗，提高打桩效率。5、继续降低噪声，减小振动。由于液压锤的液压系统为大流量、高频率、大冲击型系统，目前液压锤产品中的噪声和振动问题仍然是阻碍液压锤技术发展的一个重要因素。6、开发能用于海下打桩的大型液压锤产品以及适用于港口码头等可以打斜桩、搬运方便的大型液压锤。7、开发适用于不同土质、不同桩形式和尺寸、不同的施工要求的多功能型液压锤。通过多对泵和阀的电子控制，选择打桩形式、调节桩锤行程、打击能量和打击频率，以满足实际施工要求，提高经济性和施工性。14选题的背景和意义在当今所有打桩锤中，包括机械设备的灵活性，对环境的适应性，噪声和大气污染的控制有待加强，打桩力度和打击频率也需要进一步提高，且实现打桩能中南大学毕业设计论文（本科）第17页共66页的无级调速等。现在发展的静力压桩机，它的无噪音工作和液压控制得到了充分的发挥。但是，它的设备体积大，造价高，打桩效率也有待提高。而另一种振动桩锤，则因为其噪音方面存在一定局限，仍待进一步完善。作为液压动力的桩工机械，拥有别的动力所不能拥有的一些特点，在建筑市场日益得到重视和应用。我们深信，液压桩工机械必将是未来桩工机械的发展方向。而目前的液压打桩机技术主要存在的问题是1、冲击能量小，打击力度提高不上。2、调速不方便，不能实现无级调速。3、打击频率不高，无法实现快速打桩。4、含有电磁阀和电气设备，安全可靠系数不高。5、在恶劣的环境下的使用寿命不长。本课题针对目前国内外打桩锤存在的如上问题，尤其是打击能量难以提高和打击频率难以实现无级调节，噪声大而提出了机、电、气、液联合控制的打桩锤方案，即ZCY07型液压打桩锤。它有效地解决了上述问题，大大提高了打桩锤的性能。其主要研究工作如下1、通过查阅大量的文献资料，了解国内外典型液压锤产品的液压控制系统方案，并通过对比、分析，提出一种新型的液压打桩锤的液压控制系统方案；2、对设计的液压系统方案进行各个工况的分析，并对其中的元器件参数进行设计计算选型；3、建立打桩锤控制系统的数学模型，并进行动态性能的仿真；本人的子课题主要是ZCY07型液压打桩机打击锤的控制系统的设计。其基本参数及要求如下设计参数打击能100KNM液压系统压力20MPA气腔压力变化1545MPA锤头重7T打击频率2560次/MIN电动机3台45KW液压泵3台160泵设计要求（1）、运动要求设计满足要求的液压系统回路，选择液压泵、蓄能器与液压阀件之间的合理匹配；（2）、要求设计的系统具有无级调节冲击能量和调节频率的功能；中南大学毕业设计论文（本科）第18页共66页（3）、工作性能要求低噪音，冲击性能优良，桩锤运动平稳；施工性、经济性、密封性好；（4）、要求设计的系统具有防空打的功能和漏气保护功能；（5）、要求设计的系统具有自动打桩功能；（6）、要求设计的系统具有单打操纵功能。（7）、结构尺寸小，简单紧凑，采用细长形状桩锤；（8）、油路系统简单可靠，操作方便。中南大学毕业设计论文（本科）第19页共66页第2章国内外几种典型液压打桩锤液压控制系统方案的比较21电磁阀控制换向回路设计15图21电磁阀控制换向回路方案1液压缸2锤头3电磁行程开关4二位四通电磁换向阀5单向阀6溢流阀7二位二通电磁换向阀8液压泵9、12蓄能器10防空打开关11油箱图21是电磁阀控制换向回路方案的液压系统原理图，其主要工作过程如下桩锤工作时，油泵8从油箱11中吸取并提供给系统压力油。如果此时桩帽上有桩存在，则防空打开关10工作，给电磁铁B一个信号，电磁铁7的右位工作，则溢流阀6处于正常工作状态，液压系统有压力存在。如果这时桩帽上无桩，则阀7的左位工作，则液压油直接从溢流阀6经过电磁阀7流回油箱。所以，电磁阀7起到了防空打的安全作用。假设桩锤处于最低位置，则此时电磁接近开关给换向阀4的A1端一个信号，泵8和蓄能器9的系统高压油经过换向阀4左端进入油缸1的下腔，抬起桩锤2上升，油缸1上腔的油经过电磁阀4左端流回油箱。当桩锤上升到一定高度时，行程接近开关又给电磁换向阀4的左端A2一个电信号，电磁换向阀4实现换向，右位工作，桩锤2在液压和重力的双重作用下快速下降，冲击桩帽，实现打桩功能。而下腔的低压油则经过电磁阀4的右端排入蓄能器和油箱。中南大学毕业设计论文（本科）第20页共66页可以在锤体的冲程中装有多个行程接近开关，通过对这些行程接近开关的控制可以调节锤体冲击的行程以及冲击能量的大小。本方案的优点1、构造简单，制造方便，成本较低；2、电磁阀控制方向，换向迅速方便；3、可以实现防空打功能；4、蓄能器和液压泵给液压缸提供较高压力油，可以抬起较重的锤体，提高打击效率。5、全部采用液压设备，噪音较低；6、打桩主要依靠锤体自身重量和液压能的双重作用，故冲击能量较大，桩的贯入度大。本方案的缺点1、本方案的蓄能器的工作作用不大，故所需泵的要求较高；2、主要靠液压抬起桩锤上升和依靠锤体的自身重量下落，故打击频率不高；3、依靠形成接近开关控制冲击行程，不能实现无级调速和调能；4、含有电气设备，在恶劣的环境中工作寿命较短，对环境的依赖性较强，稳定性较差。中南大学毕业设计论文（本科）第21页共66页22电磁阀控制的弹簧和桩锤自重双重作用方案16图22电磁阀控制的弹簧和锤体双作用方案1桩锤2液压缸3溢流阀4蓄能器5换向阀6溢流阀7电磁阀8油泵9油箱10液控单向阀11行程开关图22是电磁阀控制的弹簧和桩锤自重双重作用方案液压系统原理简图，其主要工作过程如下当桩帽上有桩存在时，给电磁阀7一个电信号，阀7的左位工作，停止系统卸荷，系统可以开始工作。否则系统压力一直为零。完成防空打功能。当有桩存在时，初始状态桩锤位于最低端，电磁接近行程开关给换向阀5一个信号，阀5的右位工作，则液控单向阀10受高压控制，反程打开，蓄能器4和液压泵8中的高压油通过阀5的右位进入液压缸2的下腔，压缩上腔的弹簧，抬起重锤1上升。而上腔的液压油则返回油箱。当重锤上升到一定的高度时，形成接近开关给换向阀5一个信号，阀5的左位工作，此时单向阀10的液控压力为零，反向关闭，但液压泵8可以继续向蓄能器4泵油，存储液体压力能量。此时重锤1在弹簧和自身重力的作用下，快速下落，冲击桩头，实现打桩功能。而液压缸2的下腔的压力油受锤体重力和弹簧的压力的影响，快速从换向阀5的左位排回油箱。液压缸2的上腔产生真空，会吸入油箱里的油自动补充。当锤1到达最低端时，阀5则又会变为右位工作，重复上述动作过程。可以在锤体的冲程中安装有多个形成接近开关，通过对这些形成接近开关的控制调节锤体冲击的行程以及能量的大小。本方案的优点1、构造简单，制造方便，成本较低；中南大学毕业设计论文（本科）第22页共66页2、电磁阀控制换向，换向迅速方便；3、可以实现防空打功能；4、桩锤受弹簧和自身重力的双重作用下落，冲击能量大，打桩贯入度大；5、蓄能器较好的发挥了作用，能提高桩锤的打击频率，可以减小液压泵的负荷。6、基本上全部使用液压设备，噪音低。本方案的缺点1、含有电气设备，工作的可靠性和稳定性较差，在恶劣环境中的工作适应能力降低；2、形成接近开关控制桩锤冲击行程，不能实现无级调速和调能；3、桩锤的下落主要靠弹簧和自身重力，调节不方便；4、打桩的频率仍然很低。中南大学毕业设计论文（本科）第23页共66页23内外差动式液压作用方案6图23内外差动式液压也用方案1油箱2滤油器3油泵4、11单向阀5溢流阀6二位二通电磁阀7蓄能器8单向节流阀9、10二位四通电磁阀12活塞13液压缸14活塞杆15锤头16行程开关图23所示是内外差动式液压作用控制方案原理简图，其工作过程如下工作时，电磁阀6通电，回油腔关闭，建立系统压力。液压泵3通过滤油器2将油箱1中的液压油泵出，经过单向阀4后，一路进入蓄能器7，另一路液压油进入已通电的二位四通阀9，进入液压缸13的下腔，将锤头15提起。液压缸13上腔的液压油经过二位四通阀10回油箱。活塞上行到顶部时，电磁阀10换向，蓄能器7及液压泵泵出的压力油进入液压缸13的上腔，实现外差动；同时单向阀11被打开，液压缸13的上下腔连联通，实现内差动。内外差动的双重作用使锤头15快速下降。锤头15下降到接近行程开关16时，二位四通阀9、10断电换向，液压泵3泵出的压力油进入蓄能器7，而液压缸13中的液压油快速降压并通过电液阀9、10的左位返回油箱。停留一段时间，当单向阀11内的弹簧弹力克服液压缸13中的液压油的压力时，弹簧回位，关闭内差动油路，液压缸13的上下腔的联系切断。这时电液阀9通电，压力油通过电液阀9进入液压缸下腔。另一路进入蓄能器7，活塞上升。重复上述动作，液压垂头便开始连续工作。本方案的优点1、结构简单，液压缸的体积小；2、液体压力和桩锤重量双重作用，打击能量高，打击力度大，桩的贯入度中南大学毕业设计论文（本科）第24页共66页大；3、排油迅速，换向准确；4、可以实现防空打，还可通过设计控制系统手动或自动调节冲击能；5、蓄能器较好的发挥了作用，能提高打桩的频率，减小泵的负荷；6、本系统基本上采用液压设备，因此噪声较低。本方案的缺点1、含有电气设备，工作可靠性和稳定性较差，在恶劣环境中的工作适应能力差；2、必须通过无触点开关预先设置提升高度，才能控制冲击力的大小；3、不能实现无级调速和调节能量；4、由于单向阀回位需要时间，影响速度，打击频率还是比较低的。中南大学毕业设计论文（本科）第25页共66页24日本NH系列液压锤液压控制系统原理方案6图24日本NH系列液压锤控制系统原理方案1低压蓄能器2高压蓄能器3液压缸4锤体图24是日本NH系列液压锤液压控制系统原理简图5，其工作原理是桩锤上升时，关闭V1和V2阀，开启V3阀。液压油通过液压泵进入液压缸3的下腔，提起桩锤4。与此同时，液压油进入低压蓄能器1桩锤下降时，开启V1阀和V2阀，关闭V3阀。液压油由泵进入液压缸3的上腔，桩锤4快速下落，与此同时，高压蓄能器2的液压油也注入液压缸3的上腔，由此加快了桩锤4的下落速度。重复上述动作过程，桩锤上下往复运动作业。本方案的优点1、由桩锤和液压双重作用，打击能量大，桩的贯入度大；2、换向迅速，打击速度高，打击频率较高；3、液压冲击桩锤，无噪声污染；4、如果安装无触点接近行程开关，则可以调节冲击行程和冲击能量的大小。中南大学毕业设计论文（本科）第26页共66页本方案的缺点1、不能实现无级调速和调节能量；2、含有电气设备，工作的可靠性和稳定性较差，在恶劣环境中的工作适应能力差；3、必须通过无触点开关预先设置提升高度，才能控制冲击力的大小；4、生产工艺的要求较高，制造的成本较高。中南大学毕业设计论文（本科）第27页共66页25气液联合控制的打桩方案图25气液联合控制打桩方案1油箱2主泵组3插装阀4插装阀5低压蓄能器6高压蓄能器7上腔气缸8行程开关9锤头10控制泵组11下腔油缸图25是气液联合控制的打桩方案的液压系统的原理简图，其主要工作过程是当锤头上升的时候，阀4通过主控换向阀控制打开，阀3关闭；泵2和高压蓄能器5里的高压油进入液压缸的下腔11，抬起锤头9上升。上腔7的气体被压缩，压力逐渐增加。当锤头9上升到一定高度时，气压推动主控换向阀换向，阀3打开，阀4关闭，锤体9受上腔压缩气体的爆炸力和自身重力的作用快速下降，冲击锤头，完成打桩任务。当锤头冲击完桩头时，行程阀8换向，使主控阀快速换向，回到初始状态，重复上述动作。本方案的优点1、全液压设备，安全性能高，可以适应恶劣的环境；2、低噪音污染，符合环保的要求；3、具有无级调节冲击能量和调节冲击频率的功能；中南大学毕业设计论文（本科）第28页共66页4、通过设计可具有防空打功能和失压保护功能；5、气体爆炸力和锤重双重作用，冲击频率高，打桩的贯入度大；6、制造成本低，适应中国市场的需求。本方案的缺点1、换向不及电磁阀换向迅速；2、噪音仍比静力压桩机大；3、打桩频率有待进一步的提高。通过分析比较可知，目前的桩锤研制方面主要考虑以下几个问题1、从中国的实际市场情况出发，考虑制造工艺要求和成本条件；2、从打桩的环境出发，尽量提高打桩锤的使用安全稳定性能；3、实现打桩锤的无级调能和无级调频是桩锤的一大要求；4、进一步提高打击能和打击频率，从而提高打桩效率。通过比较可知，方案五选用全液压设备，无价格较贵的电磁阀等，且本桩锤可以放在柴油锤架上直接使用，无需另外设计专用机架等，所以造价较低，较适合中国市场的要求，且桩锤性能优良，可实现设计目标的基本要求，故选用方案五。中南大学毕业设计论文（本科）第29页共66页第3章液压控制系统原理设计31设计要求（1）、运动要求设计满足要求的液压系统回路，选择液压泵、蓄能器与液压阀件之间的合理匹配；（2）、要求设计的系统具有无级调节冲击能量和调节频率的功能；（3）、工作性能要求低噪音，冲击性能优良，桩锤运动平稳；施工性、经济性、密封性好；（4）、要求设计的系统具有防空打的功能和漏气保护功能；（5）、要求设计的系统具有自动打桩功能；（6）、要求设计的系统具有单打操纵功能。（7）、结构尺寸小，简单紧凑，采用细长形状桩锤；（8）、油路系统简单可靠，操作方便。32设计分析本桩锤要求用全液压设备代替电磁开关等电气设备，故其行程开关要用液压行程开关，因此其主控换向阀件也不能使用电磁换向阀，而必须设计出一种非标准件来实现这种换向功能。我们可以借阅日本车辆公司的NH系列液压锤液压系统方案，用插装阀的开闭来控制油缸活塞的行程方向，那么我们所设计的主控换向阀的主要功能就是控制插装阀的启闭。在油缸的上腔冲入压缩气体，则活塞在行程过程中气体压力会不断的变化，可以用气体压力的变化来实现主控换向阀的换向。系统要求能实现无级调节打击能量和调节打击频率的要求。要实现这两个功能，必须对主控换向阀有另外的控制压力，通过对这种外加的控制压力的调节来改变主控换向阀换向时所需的气体压力的大小，从而实现这两种调节功能。系统的防空打功能和漏气保护功能通过对主控换向阀的控制来实现。所设计的系统必须要让这时的主控换向阀阀芯无法移动工作，这样才能使桩锤处于静止状态。系统的单打功能也要通过对主控换向阀的控制来实现，我们可以设计其操作系统，使其可以控制主控换向阀，让主控换向阀在打桩过程完成一次后，其阀芯无法再移动工作，从而来实现这种功能。具体的液压系统原理设计见图31中南大学毕业设计论文（本科）第30页共66页33工作过程分析331防空打过程分析当无桩存在时，阀XHF2处于上位工作状态，则PKY为高压油控制状态，因此QHF为下位工作状态，断开通往主控阀的高压油路，AK2的油压永远为零，故不可能推动主控换向阀做任何移动，所以锤体也一直处于最下端而不会有任何动作，处于防空打状态。332漏气保护过程分析当油缸的上腔漏气时，则其气压始终为低压，不能给阀QHF提供换向条件，阀QHF始终是下位工作，断开通往主控阀的高压油路，AK1的油压永远为零，故不可能推动主控换向阀做任何移动，所以锤体也一直处于最下端而不会有任何动作，处于漏气保护状态。333打桩工作过程分析当有桩存在时，行程阀XHF2的下位工作，则PKY接油箱，QHF为上位工作状态。主控换向阀和行程阀XHF1接通，可以实现换向动作，处于可以工作状态。3331自动打桩过程分析假设桩机的初始状态是锤头位于最低端，气体压力初始值PAK3为15MPA，控制压力PAK10MPA,系统工作压力为20MPA。系统启动后，由于桩锤位于最低位置，挤压桩垫，使阀XHF1处于右位工作状态，高压油通过阀QHF的上位和阀YHF的上位进入主控换向阀的AK1腔，此时主控阀的左端作用力大于右端，推动阀芯迅速右移，完成右移换向动作，移动的过程中，主控换向阀的O腔将与K2腔连通，使插装阀CF1的上腔为低压油，CF1打开。同时主控换向阀的P腔与A腔连通，使插装阀CF2的上腔为高压，CF2关闭。系统高压油经过插装阀CF1进入油腔的下腔，推动锤体上升。垂体上升后，行程阀XHF1受复位力的影响，马上复位，使主控阀的AK1腔变为低压。但由于主控换向阀的AK2与K2腔连通，在换向过程中也变成了低压，所以，行程阀XHF1的复位并不影响主控换向阀阀芯的状态。锤体继续上升，压缩油缸上腔气体的体积，使其压力不断增大。当油缸上腔气体的压力增大到一定程度时，主控换向阀的阀芯右端受气体压力和弹簧力的双重作用，其总值大于左端的控制油提供的压力，阀芯开始向左缓慢移动，在P腔与K2腔未连通之前，锤体不断上升，压缩气体，使其压力不断的增大，所以阀芯左移的速度也越来越快。当阀芯左移到一定的程度时，主控换向阀A腔与O腔连通，P腔与K2腔连通，而AK2腔与K2腔一直连接，所以也变成了高压，此时会推动阀芯做快速的左移运动。而插装阀CF1的上腔与K2腔连通，变为高压，CF1阀关闭，插装阀CF2上腔与A连通，变为低压，CF2阀打开，使液压缸的下腔与低压油路连通，锤体受上腔气体压力和自身重力的双重作用，迅速下落，使下腔的液压油排回低压蓄能器和油箱，桩锤冲击桩帽，完成打桩动作。而行程阀XHF1受桩锤冲击影响，变成右位工作，回到初始状态，重复上述打桩过程。中南大学毕业设计论文（本科）第31页共66页3332手动单打过程分析当操纵阀PKH1左位工作的时候，主控换向阀的左端压力PAK1通过对PKH2的操纵可以是0或工作控制压力，从而实现单打操作。假设初始状态是PKH2和PKH1都处于左位工作状态。系统启动后，使手动换向阀PKH1的右位工作，则液控单向阀YHF的PK端受控制压力作用，阀YHF处于下位工作状态。因为手动换向阀PKH2处于左位工作，所以主控换向阀的AK1腔连通低压油箱，主控换向阀阀芯无任何动作。若此时把手动换向阀PKH2推向右位工作，则主控换向阀AK1腔接通系统控制压力，推动主控换向阀阀芯右移，使插装阀CF1打开，CF2关闭，锤体实现上升动作。然后把手动换向阀PKH2推回左位工作，则锤体在上升到一定的高度后使主控换向阀阀芯左移，锤体开始其下降过程，在冲击桩帽后，由于主控换向阀AK1腔通过PKH2左位接通油箱低压，所以主控换向阀不能再实现其阀芯右移动作，因此本过程只能打击一次桩帽，成为单打过程。本过程中阀的状态配合见表31。表31手控单打操纵阀状态一览表PKH1PKH2YHF主控换向阀桩机运动状态（左位工作）（左位工作）（上位工作）自动换向自动打桩（右位工作）（左位工作）（下位工作）最左端单打保护状态（右位工作）（右位工作）（下位工作）右移锤体上升（右位工作）（左位工作）（下位工作）到一定程度阀芯换向左移到一定程度锤体下降（左位工作）（右位工作）（上位工作）自动自动打桩34工作过程中阀的状态耦合341初始状态假设锤头位于最低端，则此时的气体压力初始值PAK3为15MPA,控制压力PAK10MPA，系统工作压力为20MPA。阀XHF1处于右位工作状态。342上升状态CF1工作状态控制泵泵油，主泵组泵油，通过阀QHF的上位和YHF的上位，进入主控换向阀的AK1端，则此时主控阀的左端作用力远大于右端，推动阀芯右移。则主控阀的O腔与K2腔连通，阀CF1的上腔为低压，下腔为高压，故CF1的阀芯被顶起，阀CF1打开工作。CF2工作状态主泵泵油，通过XHF1右位和QHF的上位以及YHF的上位，进入主控阀左端，推动阀芯右移，主控阀P腔与A腔连通，同为高压油，则CF2的上腔是高压而下腔是低压，所以，CF2关闭。中南大学毕业设计论文（本科）第32页共66页锤体的工作状态主泵泵油，通过CF1阀，进入液压缸下腔，抬起活塞和锤体上升。上升后XHF1马上回到左位工作，PAK10。但此时主控阀的左端作用力仍大于右端，故阀芯仍位于右端工作。343下降工作过程CF1工作状态液压缸的活塞上升，压缩上腔的气体，气压逐渐增大，到一定的程度时，推动主控换向阀的阀芯左移。这时，K2腔与P腔连通，同为高压。阀CF1的上腔也变为高压，故CF1关闭。CF2工作状态主控阀的A腔与O腔连接，上腔为低压，下