低空间落锤式液压自动打桩机综述

1、低空间落锤式液压自动打桩机综述摘要：本文介绍了一种新型低空间落锤式液压自动打桩机的工作原理及组成结构，侧重打桩锤的发展历史及趋势，打桩锤的结构、工作原理以及控制方式。阐述了液压系统的设计要点，给出了液压系统的工作原理图及动作循环表，列举了该打桩机的工程应用实例。该打桩机较好的克服了在旧房加高、建筑物纠偏扶正、建筑物地基加固等建筑施工中低空间打桩的难题。关键词：低空间落锤液压自动打桩Investigation into hydraulic automatic pile driver with low type frame and with drop hammerAbstract：This pap

2、er introduces the operating principle and constituent structure of a new hydraulic automatic pile driver with low type frame and with drop hammer, describes the design of the hydraulic system, gives out the schematic diagram of operating principle and the table of operating cycle, and takes the actu

3、al examples of the pile driver in engineering application.Keywords：Low type frame; Drop hammer; Hydraulics; Automatic piling一、概述无论一栋建筑物是多么复杂还是多么简单，其地基的处理都是必不可少的。随着时代的发展，时间的推移和其它一些因素的影响，出现了有些建筑物需要加高、有些建筑物需要加固地基、有些建筑物因倾斜需要纠偏扶正等问题。在进行上述几项工作的过程中，都会遇到地基处理时难于打桩的难题。其原因就在于有些桩基的处理需要在原有建筑物内部完成，而原有建筑物的高度限制了现有各

4、种打桩机的工作空间，使这些设备难以发挥其应有的作用。要解决这一问题就必须使用一种在低空间条件下能完成打桩工作的低空间打桩机，并且这种打桩机应具备拆装方便、移动迅速、轻便、工作完全可靠等特点。二、低空间落锤式液压自动打桩机的组成与工作原理(1)低空间落锤式液压自动打桩机的组成为了能够实现在建筑物内低空间打桩的工作要求，该打桩机必须具备下列特点：整机便于拆装组合，且拆开后的小组件能在一般的建筑物门内通过。整机在建筑物的有效空间内能正常工作，且工作时的操作安全、可靠、简便。整机在交换桩位的过程中应移动轻便、安全、快速、准确以减少打桩的辅助时间。根据以上三点要求，低空间落锤式液压自动打桩机的组成与工作

5、原理图如图1所示。该打桩机主要由以下部分组成：枕木1、导轨2、自动夹紧装置3、机架4、提锤液压缸5、桩锤6、自动挂钩机构7、滑轮8、电动葫芦9、接近开关10、13、自动打桩滑架11、滑架升降液压缸12、桩帽14、分段式预制水泥桩15、液压控制系统16等组成。图1低空间落锤式液压自动打桩机组成原理(2)低空间落锤式液压自动打桩机的工作原理根据图1所示的结构，该打桩机的工作原理如下：打桩机的整体移动和夹紧。在打桩的现场根据桩位的布局，预先用枕木和槽钢铺设一段简易导轨，并将打桩机组装在导轨上，使自动夹紧装置处松开状态，然后用人力将整机移至需要打桩的位置(由于整机的重量较轻，2kN，采用人力就能较轻松

6、地移动)。在移动过程中松开的夹紧装置仍能起保护作用，防止整机移动过程中可能出现的倾翻现象；当将打桩机准确地移动到需要打桩的新桩位时，通过液压控制系统使夹紧装置将打桩机紧紧地固定在导轨上，以保证打桩机能正常工作。桩机的调整与自动打桩过程。当桩机在新的桩位被固定好后，用液压系统操纵液压缸5，经自动挂钩机构7，将桩锤6提升到某一高度；然后用液压系统操纵液压缸12，使自动打桩滑架11上升到一合适位置，并调整滑架11上的接近开关10和13以确定桩锤6的提锤高度和打桩行程；通过电动葫芦9将一预制水泥桩15调入桩位，并放下滑架11使桩帽14完全落在桩15上。在完成了上述调整工作后，就能开始自动打桩的工作，自

7、动打桩的过程如下：当提锤缸5通过7等将桩锤提升至要求的高度时，装在自动挂钩7上的位置测量秆逼近装在滑架11上的接近开关10，10发出电信号，使安装在自动挂钩7上的电磁铁YT7通电以克服弹簧力的作用实现自动挂钩7与桩锤6自动脱钩、这样桩锤就沿着滑道以接近于自由落体运动的速度进行打桩，与此同时缸5也开始反向运动，使自动挂钩7也向下运动，由于自动挂钩7向下运动的速度低于6的准自由落体运动，所以当7接近6时，6已完成了打桩运动，并停留在桩帽14上；此刻7继续向下运动，当7与6将要接触时，7上的测量杆也与装在滑架11上的接近开关13接近，13发出电信号使自动挂钩7上的电磁铁YT7断电，在弹力的作用下实现

8、7与6自动挂接、并使缸5再次向上运动，实现再次的提锤运动。另外，由于滑架与桩帽是固联的，所以当桩帽随着桩锤的锤击与桩一起下移时，滑架也跟随桩帽一起下移，以保证桩锤的有效行程和打桩的自动进行。当一根预制桩打完后，采用接桩的方法再重复上面的过程，直至达到预定的打桩要求。在将桩机移到新桩位前，应把桩锤和滑架放到最低位置，以降低整机的重心，然后再移动桩机，当全部的打桩结束后，可将整机拆成三件搬运出施工场地。三、打桩锤的研究1、打桩锤是用于完成预制桩的打入、沉入、压入、拔出作业的预制桩施工机械。打桩锤有落锤、柴油锤、蒸汽锤、液压锤、振动锤、静力锤等几种形式。伴随着我国经济的发展，打桩锤技术取得了长足的进

9、步。在土地使用日趋紧张的情况下，一些工厂、房屋或其他设施，不得不建造在海边、河滩等软弱的地基上。此外，修建海上平台、大型港口、深水码头、尤其是深海作业也都对工程作业的发展提出了新的课题。桩工机械，尤其是打桩锤，在我国的经济建设中的作用越来越大。本文将介绍打桩锤的发展历史及趋势，打桩锤的结构、工作原理以及控制方式。2、打桩锤的发展历史及趋势2.1 发展历史解放前我国几乎没有桩工机械制造业。20世纪50年代初期，我国基础施工全部使用旧中国从国外进口遗留下来的老式蒸汽打桩机和笨重的落锤。一五期间，国家开始仿制国外310t单作用和双作用蒸汽式打桩机，50年代是我国桩工机械行业的萌芽时期。60年代初期，

10、开始组建桩工机械制造行业和专业研究室，从此开始我国自行研制桩工机械的发展时期。至70年代，我国先后自行研制成功并批量生产了筒式柴油打桩锤、轨道式三支点打桩架、沉拔桩锤等产品。80年代以来，桩工行业在引进、吸收、转化国外先进技术的基础上，进入了成套开发研制的新阶段。2.2 发展趋势我国打桩锤技术和生产能力与国外先进水平相比，还有较大差距。主要表现在产品的品种规格较少，成套开发能力较低，还有一些空白的领域有待尽快开发，产品的可靠性、耐久性有待继续提高，科研条件、测试手段有待加强和完善；电子液压技术等机电液一体化应用于桩工机械还才开始。预计今后一段时间，打桩锤（预制桩沉桩机械）的发展将以液压锤为主，

11、作为柴油锤的替换产品；加大锤重和打击力；不仅能在陆上和近海作业，也能在水下，尤其是深海下作业。3、打桩锤的分类及对比从预制桩打入的方式来看，打桩锤主要有三种作业方式：打入法、振动法和压入法。3.1 打入法（又称冲击法）它是用桩锤冲击桩头，在冲击瞬间，桩头受到一个很大的力，从而使桩逐步贯入土中。采用打入法的打桩锤主要有以下四种：（1）落锤 主要特点：使锤自由下落，冲击桩头。这是一种古老的桩工机械，构造简单，使用方便。但贯入能力小，生产力低，对撞的损害较大。适用范围：轻型以打木桩为主；重型及特重型可打钢筋混凝土桩；除轻型落锤（0.5-0.75t）用人力外，一般均用卷扬机牵引锤施打。（2）柴油锤 主

12、要特点：其工作原理类似二冲程发动机，是目前使用最广泛的打桩锤，但公害较严重，在我国一些城市的中心地区已禁止使用这类打桩锤。适用范围：轻型宜用于打木桩、钢板桩；重型宜用于打钢筋混凝土桩、钢管桩；不适用于在过硬或过软土层中打桩。（3）蒸汽锤 主要特点：它是以蒸汽或压缩空气为动力的一种最早使用的打桩锤，他曾经在柴油锤发展使用后被逐渐淘汰，后因柴油锤公害严重使用受到限制，使蒸汽锤又获得重新使用。适用范围：适用于打各种桩，且便于打斜桩；如改用压缩空气时，可在水下打桩；可用于拔桩。（4）液压锤 主要特点：它是以液压为动力，具有冲击频率高、冲技能量大、公害少等优点的打桩锤。但构造复杂，造价高，使用、维修要求

13、高。适用范围：适用于各类土层和桩形；具有良好的打斜桩的能力；适用于精度要求高的大型桩基础工程。3.2 振动法 它是使桩身产生高频振动，从而使桩尖和桩身周围的阻力大大减小，装在自重或稍加压力的作用下贯入土中。振动法采用的设备是振动锤。主要特点：需要和打桩架配套组成打桩机，利用桩锤的机械振动能使桩沉入或拔出。适用范围：适用于沉拔钢板桩、钢管桩、钢筋混凝土桩；适用于沙土、塑性粘土及松软砂粘土；在卵石夹砂及紧密粘土中效果较差。3.3 压入法 它是给桩头施加强大的静压力，把桩压入土中。这种施工方法噪声极小，桩头不致受冲击力而损坏。但压入法使用的静力锤本身非常笨重，组装迁移都比较困难，况且它只适用于软弱地

14、质的施工。主要特点：采用机械或液压方式产生静压力，使桩在持续静压力作用下压至所需深度。适用范围：适用于压拔板桩、钢板桩、型钢桩以及各种钢筋混凝土方桩；宜用于软土基础及地下铁道明挖施工中。4典型打桩锤的介绍4.1 D220筒式柴油打桩锤上海工程机械厂有限公司研制的D220筒式柴油打桩锤具有打击能量大、操作维护方便等特点，是海上工程比较理想的桩基施工设备。该锤的最大打击能量达733000Nm，填补了我国特大型筒式柴油打桩锤的空白。以下简要介绍该柴油打桩锤的关键部件。如图l所示，D220柴油锤主要由上气缸、下气缸、上活塞、下活塞、燃油供给系统、润滑系统和专用桩帽等组成。1上活塞(冲击体)上活塞是柴油

15、锤的主要部件，其球头与下活塞的球碗一起构成燃烧室。当燃烧室内的柴油爆炸时，上活塞承受爆发压力而跳起，上活塞的落下冲击下活塞完成对桩的一次冲击。2下活塞下活塞也是柴油锤的主要部件，位于顶部的球碗是燃烧室的一部分，主要承受上活塞的冲击和柴油爆发的压力，并将作用力传递给桩。3上气缸上气缸是上活塞上下运动的导向部分，在上气缸上端面与接长缸结合处设计斜台阶环槽，与上活塞上的阻挡环一起防止因剧烈爆炸时上活塞跳起过高飞出上气缸。4下气缸柴油锤燃烧室吸排气口位置采用非对称的布置方式，使上活塞在起跳过程中产生一定的自旋转，确保上活塞均匀磨损，提高柴油锤的安全性。为提高D220柴油锤的打击效率，在下气缸燃烧室设计

16、了加长型气缸套。5活塞环活塞环除了和一般发动机一样具有密封、导向功能外，还必须具有承受频繁图 2 筒式柴油打桩锤结构图而巨大冲击力的能力。 6燃油供给系统为满足D220柴油锤打击能量的需要，采用2组相对独立的燃油泵系统，燃油泵为径向可调式柱塞泵，能提供四档供油量，以适应不同地质条件和桩型。当柴油锤上活塞被提起自由落下时，撞击安装于下气缸外壁相同高度位置的每组燃油泵内的压油杠杆，推动柱塞同步打开出油阀，通过油管将高压燃油输送到喷油嘴向燃烧室喷油。7润滑油供给系统润滑油供给装置按以下方式设计，由进油管、润滑油泵、高压油管和润滑油嘴构成的润滑油供给装置共有3组。且相互独立。每一润滑油泵沿下气缸轴向方

17、向彼此相距一定距离或绕下气缸径向方向以相间900或1800的位置布置，而且能以轴向和径向相结合的方式布置。当上活塞被提起自由落下时，撞击位于压油杠杆并推动柱塞同步打开出油阀，将高压润滑油输送到润滑油嘴中，向柴油锤的上气缸内壁、上活塞外圆和下气缸内壁喷射高压润滑油，从而对柴油锤进行润滑。4.2氮爆式液压锤图 3 氮爆式液压打桩锤结构图氮爆式液压打桩锤由机身、桩架和液压锤3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。氮爆式液压打桩锤的主

18、体结构如图2所示：主要由机架、冲击缸、锤头、锤盖、砧座、控制集成阀组等6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。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块。为了减少系统压力损失，控制集成阀组直接与冲击缸下腔相连。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降低噪音的作用。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，起导向和传力作用，不同尺寸的预制桩对应不同的桩帽。下机架支撑液压锤重量，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

19、承受强大的打击力，而且应尽可能提高桩锤的打击传递效率。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共4个工作腔室。a腔为氮气工作腔，b腔为氮气储藏腔(即冲击缸活塞最大行程时，氮气腔最小体积)，C腔为液压油工作腔，d腔为缓冲腔。在图1中，d腔的背面安装有溢流阀，它主要起安全保护作用，防止系统压力过大；d腔的进油口设计为单向阀结构，在锤头上升的同时，d腔通过该单向阀也注入一部分液压油，在锤头冲击打桩时，起一定的缓冲作用，同时对冲击缸下端盖起保护作用。5液压锤的控制目前。液压锤的系统控制方式主要有三种：继电器控制、PLC控制和单片机控制。下面分别介绍一下这三种控制方式。

20、5.1 继电气控制目前市场所见的打桩锤大多采用继电器控制，即为硬接线，利用继电器触点和时间继电器组合形成控制系统。但是继电器控制功能比较简单，不能满足现代系统复杂化的需求。5.2 PLC控制PLC(可编程序逻辑控制器)源于上个世纪70年代，是将控制逻辑以程序方式存储到存储器中，若要改变控制逻辑，只需改变程序，具有控制方便，触点数不受限制，可扩展性好，控制精度高等优点。PLC控制成本较高。5.2.1 控制系统的组成其主要由传感器、控制元件，执行元件以及连接器件组成。执行元件包括各种电磁换向阀、报警器，输出打印设备。电磁换向阀用于控制本系统中的液压阀(插装阀等)换向、开关，用于实现油路改变以达到桩

21、锤上升和加速下打，停止，单独或连续工作，显示打桩过程中的数据，在系统出现异常情况时紧急停车，同时报警器报警。5.2.2 选择PLC时注意的问题1、PLC输入输出方式选择PLC控制系统设计步骤输入输出模块是PLC与外界连接的接口，输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号：一类是由按钮、选择刀：关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开笑关、数字拔码开关等的开关量的输入信号；另类是电位器、测速发电机和各种变换器等传来的模拟量输入信号。输出信号用来连接被控对象中的各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯，调节阀，调整装置等常用的开关量输入单元有直流输入单元和交流输入单元。直流输入电路外接电源的极性可任

22、意，单元中含有R1及C构成的滤波电路。交流输入单元含有隔直流电容c，直流及交流输入电路中均采用光耦合实现输入信号与机内电路的耦合。常用的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元和继电器输出单元。三种电路的区别是采用的输出器件不同，控制器件分别为晶体管、晶闸管和继电器。继电器输出模块价格便宜，选用电压范围广，承受过压和过电流能力强，且有隔离作用。便其响应速度慢，寿命短，适用于动作不频繁场合。3、被控对象对PLC响应时间要求响应时间是指给定的外部输入信号转换为相应的输出的延迟时间，它包括滤波器的延迟时间，IO服务延迟时间，逻辑运算和输出滤波器的延迟时间。对于以开关量为主的系统，PLC响应

23、时间影响不大。一般机型均能满足要求，对于有模拟量的控制系统，就要考虑响应时间因索。因此选用时可考虑使用快速响应和中断输入模块。4、是否进行通讯联网大部分小型PLC都是以单机控制为主要目的，一般没有和上位机通讯接口，近年来一些PLC通过RS232可与上位机或另一台PLC相连，也可连接打印机、显示装置等设各。5、外界环境对PLC设备的影响及其对策PLC及其电路多由半导体电路，晶体管，电阻，电容等元器件组成。温度、湿度及冲击对PLC本身的可靠性和寿命都有影响。尤其是液压打桩锤多在野外比较恶劣的环境中施工，所以应考虑改善环境策略。如在环境过高时，在控制系统框中安装风扇或冷风机；冬季施工时，设置加热器：

24、在控制柜中设置吸湿剂以防潮湿；采取安装防振橡皮和紧固可能松动的元器件等措施。6、供电系统采用隔离变压器、不问断电源(UPS)或双电路供电系统以确保PLC以其外部设备正常工作。5.2.3 单片机控制采用单片机控制的成本较低、且控制可靠，对被测量的各种数据可以非常方便地进行处理、传送、存储、显示和打印。系统主要由各种传感器、滤波器、多路转换器、AD转换器、单片机、译码器、锁存器等组成，主要用于数字采集和工业控制，对于液压锤也可以采用单片机控制。液压锤控制系统可划分为两大部分：液压控制部分和电气控制部分。液压控制部分利用电信号作为控制输人，以液体为动力传输和控制的介质，因此响应灵活快速，适应性强，容

25、易实现自动化。电气控制部分则是基于Mcu的嵌入式控制系统，通过对实时工作数据的分析和处理，得到锤体的动作控制信息，最后以电信号的形式输出锤体的动作逻辑时序，其具有很强的扩展性，系统控制框图如图4所示。图 1 液压锤控制系统结构框图四、液压控制系统的设计该打桩机的液压控制系统工作时应满足如下要求：(1)能实现整机在导轨上的自动夹紧与松开。(2)能实现对桩锤和滑架的任意调整，并确保桩锤在提锤的过程中能在任意位置处可靠停住(点动功能)。(3)能实现打桩机的自动打桩。(4)液压控制系统的操纵应可靠、准确、简单、轻便。根据以上几点要求，设计的液压系统工作原理图如图2所示，液压系统的动作循环如表1所示。图

26、2液压系统原理图表1液压系统动作循环表动作状态1YT2YT3YT4YT5YT6YT7YTYJ整机夹紧点动调整滑架提升滑架下落滑架浮动提锤落锤挂钩下落挂钩挂锤整机松开停止注：“”表示通电状态，“”表示断电状态；7YT表示自动挂钩上的控制电磁铁。液压系统的主要工作过程如下：当打桩机移到一个新的桩位时，按下夹紧按钮，两位四通电磁换向阀8上的电磁铁5YT通电，换向阀8右位工作，两只夹紧液压缸10带动两套夹紧装置将打桩机牢牢的夹在导轨上，夹紧装置夹紧力的大小由溢流阀4调节，压力继电器9起安全保护作用，保证只有在打桩机被夹紧的情况下，打桩机才能正常工作。单向阀5起短时间保压的作用，防止因液压系统的压力突然

27、降低而使夹紧装置失去作用。自动滑架的升降由液压缸14和三位四通电磁阀1的配合来完成，当阀15的电磁铁3YT和4YT均不通电时，利用其Y型中位机能使缸14处于浮动状态，以满足打桩时滑架随桩帽一起下落的工作要求。桩锤的调整运动和自动打桩运动是由三位四通电磁换向阀13和提锤液压缸11的配合来完成的，当需要调整桩锤的工作位置时，采用点动方式使阀13中的电磁铁1YT通电，实现缸11的点动提锤；当需要自动打桩时，由装在自动滑架上的两个接近开关11和13(见图1)发出的电信号来控制电磁铁1YT或2YT动作，以实现缸11的自动往复运动，自动往复运动的行程由接近开关11和13两者之间的距离来确定。单向顺序阀12

28、起平衡作用，确保在提锤的过程中桩锤能在任意位置停住。电磁溢流阀16可使液压系统在工作的间歇阶段处于卸荷状态，以减少液压系统的功率损失。为了提高液压控制系统的使用性能和整机效率，液压系统采用双泵供油方式。液压泵2和3为一双联齿轮泵，其中泵2为小排量泵，主要为夹紧缸10提供压力油；泵3为大排量泵，主要为提锤缸11和滑架升降缸14提供压力油，这样既保证了液压系统工作时的供油要求，又能保证液压系统工作时功率的均衡使用。液压系统设计中有关参数的确定要根据打桩机的桩锤重量、提锤速度(打桩频率)等方面的要求不同而具体确定。为了减少液压系统的泄漏提高防尘能力，液压泵的安装应采用倒灌方式；液压元件采用集成块连接

29、方式，以使其结构尽量紧凑；液压系统与主机之间采用高压软管连接，便于安装与拆卸；当主机在导轨上移动时，液压系统也在导轨上跟随其一起移动，此时，两者之间的连接管道不用拆开。 ·五、打桩机前景及我国需研究的桩工机械产品1地下连续墙施工设备地下连续墙包括承重式连续墙、防渗挡土墙和单纯的防渗墙。一般地层的地下连续墙施工多用液压抓斗，但遇到硬质地层液压抓斗施工困难，为此宝峨、卡萨格兰地公司开发了水平多轴式掘削机，我国的三峡工程、南水北调穿黄工程、深圳地铁、上海地铁引进了上述设备，使用效果很好。在防渗挡土墙（水泥土墙）施工领域，以前多用垂直式单轴或多轴钻机，在日本和我国的沿海地区SMW工法使用非常

30、普遍。但现在的多轴钻机遇到硬质复杂地层施工困难，如在北京地区三轴钻机施工就有一定难度。为解决该问题，德国宝峨公司开发了BCM系列水平多轴式深层搅拌机，日本神钢公司开发了TRD切削机。宝峨BCM系列水平多轴式深层搅拌机下部有两个水平设置的切削头，切削头上镶有截齿，上部是一方形导杆，通过滑道与三支点打桩机立柱相联接。该机适应面广，在岩石、砾石层中都能施工，施工深度可达35m，施工精度高，成墙防水效果好，无污染。神钢TRD切削机结构独特，在履带底盘上侧向布置一个链轮链条式切削机构，周围链条上装有切削刀头。与以前纵向施工方式不同，TRD切削机开始先钻到预定深度，然后全深度横向切削，切削同时注入水泥浆，形成水泥土墙。