具有高压蓄能器的液压打桩锤性能研究

　　氮爆式液压打桩锤是一种新型的冲击式桩工机械,在施工过程中相对于柴油锤具有噪声低、振动小、无油烟污染,以及打击能量可无级调节等优点,而相对于静力压桩机具有较明显的成本优势,因而逐渐在国内外广泛推广。而国内对氮爆式液压打桩锤工作过程的研究尚不熟,为进一步使氮爆式液压打桩锤满足市场多方面的需求,对其打桩过程机理的深入研究势在必行[1]。

　　基于高压蓄能器参数的设定及其连接方式对液压打桩锤工作性能有着极为重要的影响,借助MAT-LAB/Simulink/Simscape基于原理图的物理仿真工具模块对高压蓄能器参数的设定进行优化,并对其连接方式进行研究。

　　1　系统工作原理

　　氮爆式液压打桩锤是采用气-液联合做功的新型打桩锤,其工作原理如图1所示。主控换向阀8在左端油液与右端气体的共同作用下分别控制插装阀5、插装阀6的开合,进而控制打桩油缸3(以下简称油缸)的伸缩。在初始状态下,打桩油缸在桩锤重力和打桩油缸上腔(无杆腔)气体的作用下活塞杆处于伸出状态,此时主控换向阀8左端通过行程阀12与控制油路连接,而由于控制压力大于气体预充力,使主控换向阀8处于右位工作状态,从而使插装阀5打开,插装阀6闭合,主油泵9(恒压变量泵)与高压蓄能器4(以下简称蓄能器)一起将高压油液压入打桩油缸下腔(有杆腔)从而实现提锤动作。在提锤的过程中,锤头2重力势能增加,同时打桩油缸上腔气体被压缩而积蓄压力能。当气体压力达到控制压力并足以克服阀芯移动阻力时,主控换向阀8实现换向并最终稳定在左位工作状态,从而将插装阀5闭合、插装阀6打开,主油泵9向高压蓄能器4充油,同时打桩油缸下腔与回油管路连通,锤头2在其自身重力和打桩油缸上腔压缩气体爆炸力的共同作用下迅速加速下冲,并打击桩头,下冲完成后,行程阀12复位,从而使主控换向阀8重新处于右位,锤头2以一定初速度反弹并重新提锤,如此反复实现自动打桩。

　　2　仿真建模

　　Simscape是Mathworks公司近年推出的基于MATLAB/Simulink软件的扩展工具模块,可用来搭建不同领域物理系统的模型并进行仿真。其中的Sim-Hydraulics为基于原理图的液压仿真工具模块组,它能与Simulink完美结合,充分利用Simulink在控制方面的独特优势,大大简化了建模过程,对复杂液压、机械和电子混合系统的建模仿真尤为适用[2]。笔者采用Simscape物理仿真模块组,以ZCY70氮爆式液压打桩锤为例对其供油控制系统进行仿真建模。ZCY70氮爆式液压打桩锤主要工作参数见表1。

　　为完整描述系统工作过程中动态性能,现将系统中主油泵、蓄能器和打桩油缸等关键部件的性能描述如下。