新型氮爆式液压桩锤设计与分析

　　0 引言

　　液压桩锤是以液压能为动力,提起锤头然后通过快速泄油或同时反向供油,使锤头加速下降,锤击桩帽并将桩体打入土壤。液压桩锤在施工过程中噪声低、振动小、无油烟污染且可以实现在软地基上连续作业,另外还可以方便地进行陆上与水上的斜桩作业,与其他桩锤相比有独到的优越性。但目前国内外液压桩锤还普遍存在以下几方面问题: 1)液压桩锤多采用电气控制。尽管电控系统便于检测、控制精度高,但在恶劣的野外作业环境下,电气元件易出故障是其不可避免的弱点。而且采用电控系统,设备购置成本大幅提高; 2)液压桩锤能量多为有级调节,适应性、可调性差; 3)液压桩锤贯入力主要有两种:一种是完全依靠锤头提高后的重力势能,其限制了打击能量的提高,而且打击频率也不高;另一种是锤头下落过程中重力和液压油压力共同作用于锤头,尽管打击力得到一定程度的提高,但由于供、排油系统的限制,打击频率仍难以提高,影响作业效率。

　　因此,设计一种新型的液压桩锤,就成为当前液压桩锤值得研究的课题。氮爆式液压桩锤虽然在国内已有应用,但多采用电气控制,成本高,而且在打击能和打击频率方面没有实现无级调节,施工作业效率低。

　　1 结构组成

　　氮爆式液压桩锤由机身、桩架和液压锤三部分组成。机身主要包括行走机构、悬臂支撑机构和机身回转机构。桩架主要由立柱、斜撑和鹅头组成。液压锤包括锤主体、液压源及测试控制装置。液压源和测试装置安装在机身上,并通过进、回油管路以及控制集成阀组与锤体相连。氮爆式液压桩锤的主体结构如图1所示,主要由机架、冲击缸、锤头、锤盖、砧座和控制集成阀组等六个部分组成,所有零/部件都放在机架内,为了便于分析,将液压锤分上机架、中间架和下机架进行分别说明。

　　1)上机架:主要放置冲击缸、高压蓄能器、低压蓄能器以及控制集成阀组。为了减少系统能量损失,控制集成阀组直接与冲击缸油腔相连。

　　2)中间架:由锤头、锤头导向衬板和封闭板组成。封闭板主要起减振和减少噪声的作用。

　　3)下机架:由砧座、液压缓冲垫、打击套和桩帽、桩垫组成,是冲锤与桩之间的传力部分。桩帽将桩罩住,起传力和导向作用,不同尺寸的预制桩对应不同的桩帽。下机架支撑整机重量,并作为打击部件的导向体。下机架中的各零/部件是液压锤体设计的关键,它们不仅承受强大的打击力,而且必须起到良好的减振隔音效果。因此缓冲垫和桩帽的材料特性相当重要,需经过理论和实验研究设计,以达到最佳的缓冲效果和最长的打击寿命。

　　另外,在锤体背面安装锤体导向装置。该产品的主要技术特点体现于a、b、c、d四个工作腔室。a腔为氮气工作腔,b腔为高压氮气储蓄腔(即压缩后最小氮气体积), c腔为液压油工作腔, d腔为缓冲腔。由图1可知: d腔的背面安装有溢流阀,它主要起安全保护作用,防止压力过大。d腔的进油口为单向阀设计结构,在锤头上升的同时, d腔也注入一部分液压油,在锤头冲击打桩时,起缓冲作用,同时对冲击缸油腔下端盖起到保护作用。