项目三：液压桩锤液压系统设计

项目学习项目三：液压桩锤液压系统设计教学过程的实施如下:教学目标：使学生掌握工程机械液压系统的设计步骤及方法教学程序：根据教学安排该项目教学的实施应在学生完成液压传动课程之后进行。1.由教师指定该项目；2.学生分组调研、查阅相关资料；3.学生集中在一起对该项目进行仔细认真的研讨，提出自己的见解，大家经过充分的交流沟通，分组制定各小组的项目方案；4.教师指导学生复习与该项目相关的知识内容；5.小组内进行分工，学生协作完成项目设计的相关内容；6教师或企业技术人员进行点评。一、原始依据：设计要求，主要技术指标及基本要求1.完成夹桩和打桩2个动作，夹紧力可调，打桩频率和冲击质量可调；2.冲击质量7000-10000Kg，冲击行程200-1200mm；3.推荐油缸活塞直径200mm，活塞杆直径170mm；4.下落加速度：12.5m/s2；5.打击频率：15-80bmp；二、设计内容和要求：1.液压系统工作原理图的设计；2.液压系统的设计、计算及液压元件的选型；3.油缸方案设计；1液压桩锤液压系统设计说明书一台能够独立作业的打桩机通常由自走式底盘、桩架和桩锤三大部分组成。自走式底盘按行走方式又分为履带式、步履式等形式。其中的桩锤可分为振动锤和冲击锤两大类。按工作介质的不同，冲击锤又可分为落锤、蒸汽锤、空气锤、柴油锤和液压锤等多种类型。液压桩锤又有自由下落冲击式和加速下落冲击式两种型式。本文所研究与开发的新型液压桩锤（不含自走式底盘、桩架）属于加速下落冲击式液压桩锤。图为履带式行走底盘、桩架及液压桩锤本体。履带式行走底盘、桩架及液压桩锤本体一、方案及工作原理1．液压桩锤本体结构组成锤体：桩锤主体主要包括砧座、锤体、锤头、锤盖、油缸和液控阀组等6个部分总成。同时2也包括桩帽、阀组防护罩、柔性悬吊轴、导向悬挂滑轮组和液压管路等附属装置。下图为液压锤结构示意图。8001067φ400φ950φ1150120021403470桩12151617141312111098abcde65437546238455501.桩帽2.桩垫3.砧座4.锤垫5.缓冲密封环6.锤头7.回油管8.锤壳体9.油缸10.锤盖11.油缸安装座12.进油管13.控制阀组14.防护罩15.护栏16柔性悬调轴17.排油管a.液压油工作腔b.压力氮气工作腔c.气体储能室d.颗粒金属填充e.中转油箱工作腔2．与国内外现有产品比较设计方案的创新：①采用双杆单作用液压缸：管道压力损失小；锤头由缸筒驱动，整体尺寸小。②采用双壁缸筒结构，缸筒夹壁容腔做储能室：结构紧凑。可全行程加力，并减缓锤头反弹；下落加速度可调。③活塞杆兼做锤头导杆：摩擦阻力小；简化锤体制造工艺。3④锤头中空，内置颗粒金属：冲击重量可调；减缓锤头振动和反弹。⑤采用双壁锤体结构，锤体夹壁容腔做中转油箱：降低油缸排油阻力；增强自身散热能力和隔音能力。⑥液控阀组，选用两只带先导控制的插装阀（通用逻辑元件）实现三位三通阀机能，油路最简，液阻最小。PT12346测压点857测压点测压点测压点液压阀组系统原理图1.提升先导阀2.下降先导阀3.提升阀4.下降阀5.减压阀6.缓冲阀7.电磁换向阀8.液压锁3．液压油源液压油源主要由液压泵、交流三相异步电机和液压附件等组成。下图为液压油源系统原理图。4M4235612111097813151141.油箱2.空气滤清器3.温度传感器4.液位计5.吸油过滤器6.柱塞泵—电机组7.压力表8.压力表开关9.单向阀10.电磁溢流阀11.水冷却器12.回油过滤器13.供油管14.回油管15.蓄能器4．打桩工作原理液压锤实施打桩过程的工作原理：打桩过程实际上也就是锤头的提升与下落的过程。如液压油源系统图所示，油泵出口装有常开式电磁溢流阀10，当它的电磁铁不加电时，溢流阀处于卸荷状态，可保证主电机的无负载起动，以及桩锤不工作时避免无效能耗和油温升高。电磁铁加电后则油源供油管路及桩锤进油管路的油压为电磁溢流阀的调定压力。该压力大于提升锤头所需的油源压力。此时，液压阀组系统原理图所示下降先导阀2和提升先导阀1同时加电，则下降阀关闭了油缸的排油通道，与此同时提升阀打开了油缸的进油通道。于是，油缸上腔即液压油工作腔a中引入了高压油。高压油向下的推力作用在活塞上，向上的推力作用在油缸上盖。活塞杆以内卡键方式与油缸安装座联结。安装座固定在锤盖上。活塞杆相对于锤盖、锤体固定不动。因此，油缸上盖通过油缸缓冲垫、油缸压盖和压盖螺栓将锤头向上推起。推起到预期高度后使提升先导阀和下降先导阀的电磁铁失电，则提升阀关闭油缸的进油通道，下降阀打开油缸的排油通道。于是油缸上腔a排油，锤头下落，直至锤头下端面与锤缓冲垫的上表面接触并发生碰撞。锤头将机械动能通过锤垫——砧座——桩垫传输给预制桩使之向地层贯入。打击过程结束后再次给两先导阀的电磁铁加电，第二个工作循环开始。如此往复给两个先导阀加电和断电，则锤头反复提升与降落，实现连续打桩。5．锤头加速下落的机理5使锤头下落加速度大于重力加速度，以期获得比自由落体更大的锤头末速度和打桩能量。在打桩能量相同的情况下加速下落冲击式液压锤比自由落体冲击式液压锤有较小的冲击行程或者较小的冲击质量。比能容量即能量与结构重量之比是评价桩锤的技术指标之一。压力p1液压油工作腔压力p2锤头高压氮气工作腔如上图所示，兼做导杆的活塞杆固定，与锤头联结的缸筒可上下动，压力p1大于压力p2，当油缸上腔（液压油工作腔）接通高压油时，由于活塞固定，缸筒带动锤头向上运动，同时压缩油缸下腔中的氮气；当油缸上腔卸荷时，锤头在自重和高压氮气的作用下加速下落。当忽略摩擦阻力和回油阻力时，若p2=0，既不充氮气，锤头以自由落体状态下落；若充入适当压力的氮气时，锤头加速下落，这时加速度大于重力加速度。由公式（2－1）可知，p2越高，a越大。p2=m(a-g)/A公式（2－1）式中：m为锤头总质量，a为锤头获得的理论加速度，g为重力加速度，A为油缸有效受力面积。如液压锤结构示意图所示，新型液压锤采用了双杆单作用气体储能式液压缸。油缸上腔即a腔是液压油的工作腔。其下腔即b腔是高压氮气的工作腔。该液压缸采用双层缸筒结构。其夹壁容腔即c腔（称为油缸的储能室）中充有高压氮气。而b腔与c腔是连通的。当锤头上升时b腔容积减小，b腔中的氮气被压入c腔中。于是气体的压缩势能被储存在储能室中。当锤头下落时，储能室释放能量。b腔中氮气压力形成的向上的推力作用在固定不动的活塞上，向下的推力作用在油缸下盖上。下缸盖通过油缸缓冲垫推动锤头加速下落。此外，气压推力还可以借助于锤体重力有效地减小锤头与锤垫碰撞后的反弹，提高能量利用率和打击过程的平稳性，有效减小了冲击噪声。当高压氮气工作腔充入3.2MPa高压氮气时，设锤头最大质量为10000Kg，活塞有效受力面积为87.18Cm2，根据公式（2－1）a=32X87.18x9.8/10000+9.8=12.5m/S2最大冲程时（油缸最大工作行程H=1.2m）锤头末速度6V0=aH2V0=5.5m/s最大冲击能量为Q=m.a.H=10000x12.5x1.2=150000（J）＝150KJ6．中转油箱¾中转油箱的结构如图液压锤结构示意图所示，新型液压桩锤的壳体采用了双层式结构，夹壁容腔e有很大的有效容积。里面充满空气。油缸排油口通过短而粗的管道与之相通，排油压力不至过大。油缸排油在e腔收集，然后经回油管返回主油箱。因为不仅在打桩过程中有液压油流经回油管，在停止打桩后一段时间内仍有液压油流经回油管。可见，回油管中的流量不会大于油泵的供油流量。¾中转油箱的作用液压桩锤的核心技术问题在于降低锤头下落过程中液压缸的排油阻力。通常锤头最大冲击行程为1.2m，以自由落体计，末速度已达5.5m/s，比锤头提升速度高出一个数量级。通常打桩架的高度为30m左右，液压锤的进油管和回油管也在30m左右，若按油泵供油流量选择输油管径，则回油管液阻可造成100Kg/cm2的瞬时压力损失。油缸背压甚大，阻碍锤头下落，将大大降低液压锤的打桩力度。按上述结构设置中转油箱后，因为回油管路中无任何液压控制阀节流，e腔中压力自然就不会过高，锤头下落过程中油缸的排油阻力就不会很大。此外，e腔的出油口设置在锤体半腰间，油缸排油有内部通道引至e腔下方。因而e腔出口以下总有最后排入的液压油滞留其中。所以e腔能起到散热器的作用，也能起到油中杂质沉淀的作用。由以上几项作用看，e腔颇象一个压力油箱，因而称之为“中转油箱”。当锤头行程较大且打击频率较高时中转油箱内的贮油量会有所增加，其中空气被压缩，从而回油压力升高。回油流量自动增加。反之，锤头行程小而打击频率低时，特别是在接桩操作或转换打桩工位时，中转油箱内贮油量减少，其中被压缩的空气膨胀，回油压力降低直至出现负压。中转油箱上装有单向充气阀，当其中压力低于大气压时自动给中转油箱补充空气。缓冲阀如液压阀组系统原理图所示，液压阀组中在油缸的液压工作腔与中转油箱之间跨接一个溢流阀6起缓冲阀作用，以缓解油缸内过大的压力冲击，保护系统免遭损伤。此外，它还有第二个作用，即当锤垫以新换旧操作时，为保证操作安全需将锤头高位机械锁定，此时使用缓冲阀可使锤头缓慢降落在锤垫上避免打坏专用支架。7¾夹桩器备用回路锤头在提升转向下落的瞬间在高压氮气作用下有很大的下落加速度。按作用与反作用原理，锤盖、锤体及砧座产生向上的加速度。从而有在桩垫与桩顶之间产生轴向间隙的趋势，破坏打击过程的稳定性。如果用液压夹桩器取代桩帽，则可以借助桩体重力以及桩与地层的摩擦力克服这一现象。为此，本项目在液控阀组中设置了夹桩器液压回路，包括减压阀，电磁换向阀和液压锁。这里，液压锁的作用在于保持夹桩油缸工作腔的压力，从而维持夹桩力不变。二、液压系统设计与计算新型液压桩锤液压系统工作环境恶劣，作业时间长,因而要求在液压系统设计时选择工作可靠的回路；故障率低的元件。该系统的突出特点是：本系统液压缸兼做桩锤主体；液控阀组放置在桩锤主体上，工作时随桩锤主体一起运动。液压系统设计1．液压系统液压系统主要由液压油源、液控阀组和液压缸（兼作桩锤主体）三部分组成。整体液压系统原理图如下图所示。8M23413测压点20181916171415测压点测压点97822621321PTBA1211测压点105新型液压桩锤液压系统原理图1、液位液温计2、空气滤清器3温度传感器4、油泵电机组5、冷却器6、回油过滤器7、单向阀8、电磁溢流阀9、压力表开关10、压力表11、叠加式单向阀12、叠加式减压阀13、三位四通电磁换向阀14、二位四通电磁换向阀15、二位四通电磁换向阀16、固定节流阀17、固定节流阀18、提升用二通插装阀19、下降用二通插装阀20、溢流阀21、吸油过滤器22、油箱23、蓄能器2．主要液压元件及密封件的确定¾液控阀组元件类型确定由于液控阀组放置在桩锤主体上方，工作时连同桩锤主体一起运动。要求所选择元件9不仅性能可靠，故障率小，而且寿命长、维修方便。本系统选择了液压技术中别具一格的新分枝——液压逻辑阀（也称插装阀）。从性能方面看：该类型阀具有液阻损失小，通油能力大；反应速度快，灵敏度高；工作可靠稳定；密封性好，泄漏小；噪声小等特点。从保养、维修方面看：寿命长，保养容易，二次维修之间的间隔长；容易找到发生故障的部位；维修时间短；延长了工作介质的寿命。实践证明该阀完全满足要求。¾液压缸密封件选择为确保油缸工作需要，选用了德国HME公司的导向密封元件，许用线速度为15m/s。而锤头提升速度为0.5m/s左右，下落末速度为5.5m/s左右。密封元件许用工作压力为40MPa，而实际工作上腔压力为15.5MPa，下腔4.5MPa。可见油缸的导向密封元件能有较高的使用寿命，完全可以满足工作要求。¾液压系统主要技术参数计算主要技术参数的设定冲击质量7000—10000kg冲击行程200—1200mm油缸直径200mm活塞杆直径170mm油缸工作行程作用面积A=100x100x3.14－85ｘ85ｘ3.14＝8718m㎡最大下落加速度12.5m/s2最大下落末速度5.5m/s供油管公称通径3