可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统.pdf

本发明公开了一种可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统，包括冲击油缸(2)、冲击点信号采集阀(3)、主进油锥阀(4)、主回油锥阀(9)、主控阀(13)，冲击油缸(2)下腔与主进油锥阀(4)及主回油锥阀(9)连通，冲击油缸(2)上腔充氮气并与主控阀(13)的Ak3控制口相通；主控阀(13)的输出K2口和K1口分别连通主进油锥阀(4)及主回油锥阀(9)的控制腔，主控阀(13)的控制口Ak2与K2腔相通、控制口Ak接控制油Pk、控制口Ak1接冲击点信号采集阀(3)。本发明是一种使液压打桩锤既可达到大的冲击能目的又可实现远程无级调节冲击能和冲击频率，满足实际施工对冲击能和冲击频率的调节要求的可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统。

1、  一种可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统，包括冲击重锤(1)、冲击油缸(2)、冲击点信号采集阀(3)、主进油锥阀(4)、第一无桩和低气压停止冲击控制阀(5)、低气压信号采集阀(6)、冲击油缸过载保护阀(7)、回程吸空补油阀(8)、主回油锥阀(9)、第二无桩和低气压停止冲击控制阀(10)、回油蓄能器(11)、高压蓄能器(12)、主控阀(13)、高频低冲击能调压阀(14)、低频大冲击能调压阀(15)、冲击能冲击频率切换阀(16)、控制油路蓄能器(17)、无桩信号采集阀(18)、桩帽(19)，P、O、Pk和T分别是主油路高压油入口、主油路回油口、控制油入口和泄漏回油口，其特征是：所述的冲击油缸(2)下腔与所述的主进油锥阀(4)及主回油锥阀(9)连通，所述的冲击油缸(2)上腔充氮气并与所述的主控阀(13)的Ak3控制口相通；所述的主控阀(13)的输出K2口和K1口分别连通所述的主进油锥阀(4)及主回油锥阀(9)的控制腔，所述的主控阀(13)的控制口Ak2与K2腔相通、控制口Ak接控制油Pk、控制口Ak1接所述的冲击点信号采集阀(3)。

可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统
技术领域
本发明涉及桩基础施工机械，尤其是涉及液压打桩锤的一种气液联合控制与驱动系统。
背景技术
近年来，国内的一些科研院所开始引进国外液压打桩锤的技术进行试验、研究。主要是对国外的几种液压打桩锤的液压系统进行理论研究、系统仿真等，根据实验结果，改进系统回路。其工作方式基本上就是两种：一种是单作用油缸把锤头提升到预定位置，然后释放液压力，在重力作用下向下冲击实现打桩；另一种是双作用油缸下腔进高压油上腔通回油把锤头提升到预定位置，然后上腔进高压油下腔通回油，在重力和液压力共同作用下向下冲击实现打桩。第一种方式的冲击能无法达到很大，同时无法远程实现调节冲击能和冲击频率，也就无法满足实际施工对冲击能和冲击频率的调节要求；第二种方式虽然可以达到大的冲击能，但结构复杂，且也无法远程实现调节冲击能和冲击频率，也即无法满足实际施工对冲击能和冲击频率的调节要求。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种使液压打桩锤既可达到大的冲击能目的又可实现远程无级调节冲击能和冲击频率，满足实际施工对冲击能和冲击频率的调节要求的可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供的可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统，包括冲击重锤、冲击油缸、冲击点信号采集阀、主进油锥阀、第一无桩和低气压停止冲击控制阀、低气压信号采集阀、冲击油缸过载保护阀、回程吸空补油阀、主回油锥阀、第二无桩和低气压停止冲击控制阀、回油蓄能器、高压蓄能器、主控阀、高频低冲击能调压阀、低频大冲击能调压阀、冲击能冲击频率切换阀、控制油路蓄能器、无桩信号采集阀、桩帽，P、O、Pk和T分别是主油路高压油入口、主油路回油口、控制油入口和泄漏回油口，冲击油缸下腔通过主进油锥阀及主回油锥阀交替进高压油或回油，上腔充氮气并与主控阀的Ak3控制口(压力作用面积为Ak3)相通；主控阀的输出K2口和K1口分别通主进油锥阀及主回油锥阀的控制腔，控制其交替开关，其控制口Ak2(压力油作用面积为Ak2)通K2腔、控制口Ak(压力油作用面积为Ak)接控制油Pk、控制口Ak1(压力油作用面积为Ak1)接冲击点信号采集阀。
采用上述技术方案的可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统，冲击重锤向上运动(简称回程)由液压力驱动、向下运动(简称冲程)由上腔氮气压力和冲击重锤自重联合驱动产生强大冲击能、回程换向由不断增大的上腔氮气压力与液压先导控制压力比较控制主控阀换向来实现，于是远程调节液压先导控制压力即可无级调节打桩锤的冲击能和频率。冲击油缸活塞在下腔进高压油时带动冲击重锤向上运动，冲击油缸上腔氮气压缩蓄能、氮气压力Pq升高，当Pq对主控阀心的作用力Pq·Ak3大于控制压力Pk对主控阀心的作用力Pk·Ak时使主控阀换向，进而关闭主进油锥阀、打开主回油锥阀，于是使冲击油缸下腔回油，冲击油缸的活塞及冲击重锤在自重和氮气压力作用下加速向下运动冲击桩帽实现打桩，同时冲击点信号采集阀动作引压力油到主控阀使其换向，关闭主回油锥阀打开主进油锥阀实现冲程换向。调节Pk大小即可调节冲击能和冲击频率的大小。
本发明的优点和技术效果是：
1、冲击油缸下腔为液压油腔，上腔为密封的氮气腔，下腔进高压油时，冲击油缸活塞杆带动冲击重锤向上运动同时上腔氮气压缩蓄能；冲击油缸下腔通回油时，冲击重锤在自重和氮气压力的共同作用下加速向下运动冲击桩帽。所以，相对完全依靠重力产生冲击的打桩锤来说，本发明可使液压打桩机的冲击能最大可提高50％以上。
2、冲击油缸回程换向控制原理是：冲击油缸活塞向上运动使其上腔的氮气压力Pq升高，直至Pq对主控阀心的作用力Pq·Ak3大于控制压力Pk对主控阀心的作用力Pk·Ak使主控阀换向，实现回程换向，因此，改变Pk的大小，即可改变主控阀换向时的冲击油缸氮气腔的氮气压力大小。由于换向时的氮气压力取决于冲击油缸向上运动行程，而该行程又决定了冲击能和冲击频率，因此，无级调节Pk大小也就无级调节了冲击能和冲击频率。
综上所述，本发明是一种使液压打桩锤既可达到大的冲击能目的又可实现远程无级调节冲击能和冲击频率，满足实际施工对冲击能和冲击频率的调节要求的可无级调节冲击能和频率的液压打桩锤气液控制驱动系统。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明液压打桩锤气液压控制与驱动原理图(打击点位置、主阀心未换向)；
图2是本发明液压打桩锤气液压控制与驱动原理图(主阀心已换向、冲击重锤向上运动位置)
图中：1-冲击重锤1，2-冲击油缸2，3-冲击点信号采集阀3，4-主进油锥阀4，5-第一无桩和低气压停止冲击控制阀5，6-低气压信号采集阀6，7-冲击油缸过载保护阀7，8-回程吸空补油阀8，9-主回油锥阀9，10-第二无桩和低气压停止冲击控制阀10，11-回油蓄能器11、12-高压蓄能器12，13-主控阀13，14-高频低冲击能调压阀14，15-低频大冲击能调压阀15，16-冲击能冲击频率切换阀16，17-控制油路蓄能器17，18-无桩信号采集阀18，19-桩帽19，P-主油路高压油入口，O-主油路回油口，Pk-控制油入口，T-泄漏回油口
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
参见图1，包括冲击重锤1、冲击油缸2、冲击点信号采集阀3、主进油锥阀4、第一无桩和低气压停止冲击控制阀5、低气压信号采集阀6、冲击油缸过载保护阀7、回程吸空补油阀8、主回油锥阀9、第二无桩和低气压停止冲击控制阀10、回油蓄能器11、高压蓄能器12、主控阀13、高频低冲击能调压阀14、低频大冲击能调压阀15、冲击能冲击频率切换阀16、控制油路蓄能器17、无桩信号采集阀18、桩帽19，P、O、Pk和T分别是主油路高压油入口、主油路回油口、控制油入口和泄漏回油口，冲击油缸2下腔与主进油锥阀4及主回油锥阀9连通，冲击油缸2下腔通过主进油锥阀4及主回油锥阀9交替进高压油或回油，冲击油缸2上腔充氮气并与主控阀13的Ak3控制口(压力作用面积为Ak3)相通；主控阀13的输出K2口和K1口分别通主进油锥阀4及主回油锥阀9的控制腔，控制其交替开关，主控阀13的控制口 Ak2(压力油作用面积为Ak2)与K2腔相通、控制口 Ak(压力油作用面积为Ak)接控制油Pk、控制口 Ak1(压力油作用面积为Ak1)接冲击点信号采集阀3。
主进油锥阀4、第一无桩和低气压停止冲击控制阀5、低气压信号采集阀6、冲击油缸过载保护阀7、回程吸空补油阀8、主回油锥阀9、第二无桩和低气压停止冲击控制阀10、和主控阀13集成为一整体(简称集成阀组)，与冲击油缸2下腔连接管路尽可能短，即集成阀组与冲击油缸2要安装在一起，同样3个蓄能器回油蓄能器11、高压蓄能器12、控制油路蓄能器17也要与集成阀组紧挨在一起安装；冲击点信号采集阀3安装保证在冲击重锤1打击点位置时处于右位，而冲击重锤1向上运动时又必须处左位；无桩信号采集阀18安装保证在整个打桩锤压在桩上时处下位，没有桩打桩锤被卷扬吊起时无桩信号采集阀18处上位；高频低冲击能调压阀14、低频大冲击能调压阀15、冲击能冲击频率切换阀16安装在司机室内对打桩锤进行遥控。为方便控制，保证Ak与Ak3基本相等，Ak1与Ak2基本相等；冲击油缸2氮气腔的氮气初始压力根据设计定，一般在0.5～3MPa；高压蓄能器12和回油蓄能器11充氮气压力根据设计定，一般分别在10～18MPa和0.3～1.5MPa；高频低冲击能调压阀14压力调为比氮气腔初始压力高0.5～4MPa，低频大冲击能调压阀15压力调为比高频低冲击能调压阀14调压力高。
本实施例的工作原理如下：
(1)准备：桩吊入桩帽19，整个打桩锤通过桩帽19自由压在桩上，无桩信号采集阀18处于下位，由于低气压信号采集阀6在氮气压力Pq作用下处上位，于是第一无桩和低气压停止冲击控制阀5左控口和第二无桩和低气压停止冲击控制阀10右控口通过低气压信号采集阀6与无桩信号采集阀18通泄漏口T；冲击重锤1在冲击点位置，冲击点信号采集阀3处右位；压力油进入高压油口 P；主控阀13中Ak2通过K2腔与其P相通，Ak1通过冲击点信号采集阀3与P油路相通，Ak3通冲击油缸2氮气腔，此时控制油口 Pk无压力控制油进入，第一无桩和低气压停止冲击控制阀5、第二无桩和低气压停止冲击控制阀10分别处左位和右位，主控阀13阀心处左位(图1示位置)，主进油锥阀4和主回油锥阀9均关闭，冲击油缸不动作。
(2)进入循环打桩：Pk通入控制压力油(压力值为Pk)，在Pk作用下，第一无桩和低气压停止冲击控制阀5、第二无桩和低气压停止冲击控制阀10分别处右位和左位，主控阀13阀心在Pk作用下换到右位(图2示位置)，Ak2通回油O，主进油锥阀4上控腔通过主控阀13的K2腔通回油O，主回油锥阀9上控腔通过主控阀13的K1腔通高压油P，主进油锥阀4打开，主回油锥阀9关闭，冲击油缸2下腔进高压油，冲击油缸2带动冲击重锤1向上运动，冲击油缸2上腔氮气压缩，氮气压力升高，冲击点信号采集阀3在冲击重锤1作用下处左位，Ak通回油O，由于Ak＝Ak2，此时主控阀13由力Pk·Ak-Pq·Ak3作用处于某平衡状态。当冲击油缸2向上运动到某一位置使Pk·Ak小于Pq·Ak3，主控阀13向左运动，主控阀13的K2、Ak2通高压油，K1通回油，主进油锥阀4上控腔通过主控阀13的K2腔通高压油P，主回油锥阀9上控腔通过主控阀13的K1腔通回油O，主进油锥阀4关闭，主回油锥阀9打开，冲击油缸2下腔通回油，冲击油缸2在冲击重锤1自重和冲击油缸2上腔氮气压力作用下高速向下运动直到打击桩帽19并通过桩帽19打击桩进入地基，同时冲击点信号采集阀3进入右位，高压油通过冲击点信号采集阀3进入主控阀13的Ak1口，主控阀13阀心运动到右位(图1)，进入下一个工作循环。
(3)无桩(或断桩)防空打保护：无桩(或断桩)时，控制油路蓄能器17处上位，控制油Pk从控制油路蓄能器17、低气压信号采集阀6进入第一无桩和低气压停止冲击控制阀5左控口和第二无桩和低气压停止冲击控制阀10的右控口，第一无桩和低气压停止冲击控制阀5处左位，第二无桩和低气压停止冲击控制阀10处右位，主进油锥阀4、主回油锥阀9关闭，冲击油缸2下腔处封闭状态，冲击油缸2处停顿状态。
(4)氮气压力过低保护：冲击油缸2上腔氮气压力过低，低气压信号采集阀6处下腔，控制油Pk经低气压信号采集阀6进入第一无桩和低气压停止冲击控制阀5左控口和第二无桩和低气压停止冲击控制阀10的右控口，第一无桩和低气压停止冲击控制阀5处左位，第二无桩和低气压停止冲击控制阀10处右位，主进油锥阀4、主回油锥阀9关闭，冲击油缸2下腔处封闭状态，冲击油缸2处停顿状态。