一种自动冲孔桩机 【技术领域】
本发明涉及一种水利水电、 交通港口、 公路、 铁路系统等工程制桩设备， 具体与一 种自动冲孔桩机有关。背景技术
目前路桥施工， 尤其是在国家大力发展交通的背景下， 针对高架铁路、 高架公路、 桥梁桥墩的施工过程中， 需要将墩固立于地下的岩石层中， 以确保桥梁的稳固。 因此在桥墩 孔的形成上必须保证墩孔的深度达到岩石层中， 这样就需要有专用的设备向地面下打孔， 并在打孔的过程中将多余的泥土 / 浆和碎石挤压到孔的两侧或清理出去， 以不断的继续向 下打孔。
目前上述的打孔主要是利用重锤 ( 也称为冲击钻 ) 通过冲孔桩机来实现， 现有的 冲孔桩机主要为手动控制， 其结构包括有机架、 机座、 安装于机座上的电动机、 通过联轴器 与电动机相连的变速箱、 与变速箱输出轴相连且是定轴的卷筒、 与卷筒相隔一定距离的第 一定滑轮、 高于机座的第二定滑轮、 一钢丝绳和连接于钢丝绳一端的重锤， 所述的钢丝绳另 一端依次绕设于第二定滑轮和第一定滑轮后卷绕并固定于卷筒上， 及刹车控制手柄和离合 器控制手柄。提升重锤至一定高度并使其突放自由降落， 往复利用重锤冲击动能冲挤土层 或破碎岩石成孔。 部分碎渣和泥浆被挤入孔壁中， 大部分成为泥浆或碎渣， 利用掏渣筒或其 它方法将泥渣排出孔外。然后再放下钢筋笼， 灌注混凝土成桩。所以当需要落锤 ( 冲击钻 ) 时， 需松开离合器控制手柄， 重锤即会从第二定滑轮上自由下落， 在预设的孔位内由上而下 撞击， 粉碎泥土和渣料， 当需要再次提锤冲击墩孔或清理被粉碎的泥土或渣料时， 则需要由 操作人员用力拉动离合器控制手柄， 使卷筒正转而将重锤提起。为了使桩孔中不能被看到 的重锤起落点准确， 一般是在地面以上的钢丝绳中部系一标记物， 操作人员根据标记物的 位置来判断重锤的位置决定是否提锤或落锤。
如图 7 所示， 目前的冲孔过程中的提锤和落锤有两个重要要求 ：
1、 根据桩孔冲击面硬度不同， 确定不同的提锤高度 h1( 图 7-a)， 冲击面硬度低时 提锤高度小， 硬度高时则提锤高度大 ；
2、 落锤到桩孔底部时能有效冲击冲击面并且钢丝绳保证一定的张力 ( 图 7-c)， 防 止绳松引起歪锤 ( 图 7-d) 导致斜孔、 偏孔。
冲孔过程中应避免的三个现象 ： 1、 锤未落到桩孔底部进行有效冲击就被强行向上 拉起 ( 即空锤现象 )， 这会导致整个桩机强烈振动， 加速桩机损坏， 导致桩机移位和移位后 偏孔 ； 2、 重锤落到桩孔底部冲击后， 钢丝绳无张力或太松引起重锤歪斜在桩孔底部， 这种状 态会引起斜孔、 偏孔和卡锤的情况发生 ( 图 7-d) ； 3、 重锤落到桩孔底部冲击后， 卷筒未被及 时停转， 溜放钢丝绳太多， 可能会导致钢丝绳从两个定滑轮中跳出， 或卷筒乱绳、 反绕绳及 钢丝绳弹出伤人等事故。
以上冲孔过程中提锤和落锤的两个重要要求和三个应避免的现象就要求操作工 对提锤和落锤时间进行准确掌握， 提锤和落锤在冲孔过程中都是通过控制离合器的分、 合来实现的， 拉动离合器控制手柄使控制离合器由完全分开到完全有效啮合， 肯定有一个时 间差。落锤时重锤是自由落体运动， 速度快且卷筒呈微小阻力快速溜放钢丝绳， 综上所述， 一般人员很难把握提锤、 落锤的准确控制。
另外， 上述的操作还有如下缺点 ：
1、 操作过程中需要人不断用力的拉动或退回控制手柄往复操作， 按每天 2 班工作 16 小时， 每 10 秒钟冲孔一次计算， 工作一天共需要操作手柄 11520 次， 劳动强度非常大， 这 样会非常浪费人的体力 ； 导致目前冲孔桩机操作工因太劳累很少人愿意从事该工作 ；
2、 当操作人员劳累到需要休息时， 往往需要停工而影响施工进度 ；
3、 由于人工操作不可能像机械控制那样， 需要休息， 而且疲劳操作使动作容易变 形， 容易形成有害的空锤现象， 浪费资源和容易损坏机器 ； 或出现钢丝绳松驰的情况， 这时 钢丝绳就容易从滑轮上脱落， 影响到下一个工序的正常进行， 也容易导致桩孔的偏移， 影响 工程质量 ；
4、 国内外广泛使用手动冲孔桩打桩的技术已有 20 多年历史， 其存在劳动强度大、 操作难以准确控制和打桩速度慢的缺点， 各厂家一直致力开创自动控制技术， 由于种种限 制， 至今未有实质进展， 如：
一、 利用时间的方式来发出提锤和落锤信号来实现自动控制， 由于下面两个缺陷 导致空锤、 歪锤经常发生， 并且开始冲孔几分钟后因为时间累计误差增大就不能连续工作 了， 原因一 ： 冲孔桩机中有离合器方式传动， 因为固定了提锤时间， 在冲孔过程中离合器不 能绝对避免打滑现象发生， 所以每次提锤高度就不相等 ； 原因二 ： 因提锤、 落锤时间已设 定， 所以提锤高度、 落锤高度会随着重锤的速度而变化， 而重锤速度又会随着重锤在桩孔中 移动时所受的阻力而变化， 如桩孔中的泥浆厚薄会影响重锤在桩孔中移动时所受的阻力， 所以提锤高度、 落锤高度在每一次冲孔过程中也不相同。
二、 寻求和卷筒同轴同心安装旋转编码器和 PLC 可编程控制器配合检测卷筒旋转 角度来精确定位重锤位置， 由于冲孔桩机的卷筒轴是定轴方式， 且冲孔时卷筒会轴向左右 频繁移动， 定位不上也无法联接， 故应用不上此技术。 发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种控制准确， 加快冲孔速度、 节约操作人 员体力、 施工安全、 不易偏孔、 斜孔且能延长设备使用寿命的冲孔桩机。
为了实现上述目的， 本发明采用的技术方案是 ：
一种自动冲孔桩机， 包括设于机架上的机座、 安装于机座上的电动机、 通过联轴器 与电动机相连的减速箱、 卷筒、 与卷筒相隔一定距离的第一定滑轮、 高于机座和第一定滑轮 的第二定滑轮、 一钢丝绳和连接于钢丝绳一端的重锤， 其中， 所述减速箱的输出轴连接有一 小齿轮， 另有一大齿轮与小齿轮啮合， 所述大齿轮套设于一固定轴上， 所述卷筒与大齿轮呈 可分离的锥形摩擦片式连接， 所述钢丝绳另一端依次绕设于第二定滑轮和第一定滑轮后卷 绕并固定在卷筒上， 所述卷筒外端同心安装有一齿轮盘， 所述齿轮盘外缘间断分布有多个 凸齿， 还包括有一 PLC 可编程控制器， 齿轮盘上方设有用于感应凸齿并电连接于 PLC 可编程 控制器的至少两个传感器， PLC 可编程控制器通过第一传感器和第二传感器感应到的齿轮 盘转动方向和凸齿经过传感器的数量计算出齿轮盘所转的角度及钢丝绳的运动方向和距离， 以在冲孔过程中自动控制重锤的上、 下位置和精确运动。
优选的， 所述的齿轮盘凸齿为金属材料制成且齿顶为一平面， 传感器包括有第一 传感器和第二传感器， 所述的第一、 第二传感器距离齿顶平面具有一间距， 所述间距恰好使 第一传感器与第二传感器只能感应到与其垂直的齿顶而不能感应到与其垂直方向的齿根 或齿部下缘， 所述的第一传感器与第二传感器的被感应具有一先后顺序。
优选的， 所述的齿顶经过第二传感器首先被感应， 齿轮盘继续同向转动则第一、 第 二传感器均被感应， 齿轮盘继续同向转动后第二传感器感应消失而第一传感器继续被感 应， 齿轮盘继续同向转动则第一传感器和第二传感器的感应均消失， 此时即完成一个感应 周期， 每一个感应周期即代表齿轮盘转过一个齿所转动的角度， PLC 可编程控制器根据已编 写的程序进而测定出钢丝绳在一个感应周期时间内在卷筒上所转动的距离和重锤变化的 高度， 进而根据 PLC 可编程控制器中的已编写的程序计算和给出各种操作指令。
优选的， 还包括一和 PLC 可编程控制器电连接的制动用继电器， 和制动用继电器 电连接的制动用电磁气阀， 和制动用电磁气阀气连接的制动汽缸， 所述的卷筒设有抱闸制 动装置， 所述的制动汽缸通过传动连杆与抱闸制动装置相连， 制动汽缸通过气路和电路收 到 PLC 可编程控制器发出的制动指令后连动抱闸制动装置对卷筒进行制动。 优选的， 所述大齿轮凸内侧的锥凸部设有一锥形摩擦片， 所述大齿轮通过一第一 轴承套设于固定轴上， 所述卷筒通过一第二轴承套设于固定轴上， 所述第一轴承与第二轴 承间设有一使卷筒常态向外并脱离大齿轮锥形摩擦片的弹簧， 所述卷筒外侧处的机座上设 有一通过支架固定并利用转臂与卷筒外部相接的离合汽缸， 所述离合汽缸通过离合用电磁 气阀和离合用继电器电连接于 PLC 可编程控制器， 并根据 PLC 可编程控制器发出的指令压 缩或松开弹簧以使卷筒与大齿轮锥形摩擦片进行离合， 并与制动汽缸相配合以实现卷筒的 有效转动及相应的制动， 从而使重锤进行上、 下移动或停止。
采用上述方案后， 通过传感器感应到的凸齿盘转动方向和齿轮盘转过的角度， 由 PLC 可编程控制器根据已编写的程序计算出钢丝绳的移动方向和移动的距离， 从而精确地 对重锤的位置进行精确定位和控制， 这样就避免人通过目测的方法和凭手感、 经验控制机 器所带来的误差和偏孔情况， 加快施工进程并大大的节省操作人员的体力。另外由于控制 精确， 减少了空锤或脱绳的危害， 设备就不会轻易损坏， 使设备的寿命得以延长。
附图说明
图 1 是本发明冲孔桩机的整体结构示意图 ；
图 2 是图 1 的局部放大示意图 ；
图 3 是本发明冲孔桩机的主传动结构示意图 ；
图 4 是本发明冲孔桩机的电气自动控制部分的流程方框图 ；
图 5 是本发明冲孔桩机的自动控制部分的气动原理图 ；
图 6 是本发明离合控制中的丝杆传动结构示意图 ；
图 7 是现有冲孔技术的工作状态示意图 ； 具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明 ：如图 1 至图 6 所示， 本发明包括有工作时安装在机架 1 上的机座 10、 电动机 11、 减 速箱 13、 固定轴 19、 卷筒 20、 第一定滑轮 14、 第二定滑轮 15、 一钢丝绳 2 和重锤 16， 其中 ：
所述机架 1 上还设有第一支架 4、 第二支架 5 和一拉杆 6， 第一支架 4 的高度与卷 筒 20 高度相当或略高于卷筒 20 的高度并装设在机架 1 的近前端， 在第一支架上装设有第 一定滑轮 14 ； 第二支架 5 绞设于机架 1 的前端并高于第一支架 1 的高度， 所述第二支架 5 的 中上部与机架 1 之间的斜度方向通过一拉杆 6 连接， 并在第二支架 5 顶端装设有第二定滑 轮 15 ；
所述电动机 11 安装在机座 10 上并为本发明的冲孔桩机提供动力 ；
所述减速箱 13 通过联轴器 12 与电动机 11 相连， 其输出轴 131 上还连接有一小齿 轮 17 ；
所述机架 1 上支撑有一固定轴 19， 所述固定轴 19 通过第一轴承 26 套设有一大齿 轮 18， 大齿轮 18 能与小齿轮 17 相互啮合， 当小齿轮 17 被减速箱 13 的输出轴 131 带动转动 时， 则进一步带动与之啮合的大齿轮 18 在固定轴 19 上转动 ；
所述卷筒 20 通过两个第二轴承 22 套设于固定轴 19 上， 并与大齿轮 18 呈可分离 的连接， 所述大齿轮 18 内侧的锥凸部设有一锥形摩擦片 181， 所述固定轴在第一轴承 26 与 第二轴承 22 间套设有一使卷筒 20 常态向外并脱离大齿轮锥形摩擦片 181 的弹簧 23， 弹簧 23 常态或被外力压缩后即可实现卷筒 (20) 与大齿轮 18 的分离和连接 ； 所述钢丝绳 2 的一端与重锤 16 相连， 另一端依次绕设于第二定滑轮 15 和第一定 滑轮 14 后卷绕并固定于卷筒 20 上 ；
所述卷筒 20 外端同心安装有一齿轮盘 60， 该齿轮盘 60 外缘间断分布有多个凸齿 61， 该凸齿 61 为金属材料制成且凸齿 61 的齿顶 610 为一平面 ；
一 PLC 可编程控制器 30 设于机架 1 外的电气控制柜 3 中， 齿轮盘 60 上方设有至 少两个电连接于 PLC 可编程控制器 30 的传感器 70， 该传感器 70 可感应齿轮盘 60 的转动， 本实施例中传感器 70 为两个， 即第一传感器 71 和第二传感器 72 ； 所述的第一传感器 71 和 第二传感器 72 距离齿顶 610 平面间具有一间距， 所述间距恰好使第一传感器 71 与第二传 感器 72 只能感应到与其垂直的齿顶 610 而不能感应到与其垂直方向的齿根 611 或齿部下 缘 612， 所述的第一传感器 71 和第二传感器 72 的被感应具有先后顺序 ；
PLC 可编程控制器 30 通过第一传感器 71 和第二传感器 72 感应到的齿轮盘 60 转 动方向和凸齿 61 经过传感器 70 的数量计算出齿轮盘 60 所转的角度及钢丝绳 2 的运动方 向和距离， 以在冲孔过程中自动控制重锤 16 的上、 下位置和精确运动 ；
另有一与 PLC 可编程控制器 30 电连接的制动用继电器 43、 一与制动用继电器 43 电连接的制动用电磁气阀 41 以及与制动用电磁气阀 41 气路连接的制动汽缸 40， 参见图 4、 图 5， 该制动汽缸 40 与外部气源 117 相接， 所述 PLC 可编程控制器 30 通过制动用电磁气阀 41 和制动用继电器 43 控制所述制动汽缸 40， 所述卷筒 20 外侧端部还设有抱闸制动装置 21， 所述的制动汽缸 40 通过传动连杆 42 与抱闸制动装置 21 相连， 制动汽缸 40 通过气路、 电路收到 PLC 可编程控制器 30 发出的制动指令后连动抱闸制动装置 21 对卷筒 20 进行制 动；
所述卷筒 20 外侧处的机座 10 上设有通过一第三支架 24 固定并利用转臂 25 与卷 筒 20 外部相接的离合汽缸 50， 第三支架 24 及设于其上的离合汽缸 50 的位置并不限于图
中所示， 参见图 4、 图 5， 该离合汽缸 50 与外部气源 117 相接， 所述离合汽缸 50 通过离合用 电磁气阀 51 和离合用继电器 (52) 电连接于 PLC 可编程控制器 30， 并根据 PLC 可编程控制 器 30 发出的指令松开或压缩弹簧 23， 以使卷筒 20 与大齿轮 18 里的锥形摩擦片 181 进行离 合， 并与制动汽缸 40 相配合以实现卷筒 20 的有效转动及相应的制动， 从而使重锤 16 进行 上、 下移动或停止。
如图 6 所示， 是关于卷桶 20 和锥形摩擦片 181 之间的离合原理图， 所述卷桶 20 外 的固定轴 19 外端加工为带螺纹槽的丝杆 65， 丝杆 65 套设一与之配套的丝杆外套 64， 一推 杆 63 与丝杆外套 64 相连。当推动推杆 63， 丝杆外套 64 沿着丝杆 65 的螺纹槽旋转并向左 移动， 推动卷筒 20 与锥形摩擦片 181 啮合 ； 当拉动推杆 63， 丝杆外套 64 沿着丝杆 65 的螺 纹槽方向旋转， 弹簧 23 将卷筒 20 沿着固定轴 19 的轴向向右推动， 使锥形摩擦片 181 与卷 筒 20 脱离。
本发明的传感器 70 对凸齿 61 感应检测的原理为 ： 当所述一凸齿齿顶 610 经过第 二传感器 72 的垂直方向时首先被感应， 第一传感器 71 没有被感应， 齿轮盘 60 继续同向转 动后， 第一、 第二传感器均被感应， 齿轮盘 60 继续同向转动后， 第二传感器 72 感应消失而第 一传感器 71 继续被感应， 齿轮盘 60 继续同向转动， 第一传感器 71 和第二传感器 72 的感应 均消失， 此时即完成一个感应周期， 每一个感应周期即代表齿轮盘 60 转过一个齿所旋转的 角度， PLC 可编程控制器 30 依据已编写的程序计算出钢丝绳 2 在一个感应周期时间内在卷 筒 20 上所转动的距离和重锤 16 变化的高度， 进而根据 PLC 可编程控制器 30 中的已编写的 程序计算和给出各种操作指令。 如图 4 所示的流程方框图， 其中自动控制部分即是利用传感器 70 对凸齿感应检测 的原理和 PLC 可编程控制器中已编写的程序进行相应设定， 其各功能描述如下 ：
(1)、 ( 控制方式选择 ) 手动控制 101 ： 有此输入指令时， 装置可进行手动控制操作。
(2)、 ( 控制方式选择 ) 自动控制 102 ： 有此输入指令时， 装置可进行自动控制操作。
(3)、 ( 手动控制 ) 手动提锤 103 ： 在手动状态下， 有此输入指令时， 装置会向上提锤 至所需位置 ； 取消此指令后， 重锤 16 会停止移动。
(4)、 ( 手动控制 ) 手动落锤 104 ： 在手动状态下， 有此输入指令时， 装置会向下落锤 至所需位置 ； 取消指令后， 重锤 16 会停止移动。
(5)、 ( 自动控制 ) 探底确定 105 ： 用手动提锤或手动落锤的操作方式， 将重锤 16 溜 放至需打桩的最低点位置， 且需确保钢丝绳 2 绷紧， 然后选定自动控制方式， 输入本指令一 直等到探底确定信号后方可进行下一步骤的自动打锤工作。
(6)、 ( 自动控制 ) 自动打锤工作 106 ： 在探底确定后， 装置根据过程工艺调整指令 内容自动打锤 ( 向上提锤 - →向下自由落体 -- →冲击桩孔底部 -- →向上提锤， 如此运动 )
(7)、 ( 自动控制 ) 停止 107 ： 有此指令时， 装置会停止或取消 (3)(4)(5)(6) 提、 落 锤动作， 重锤 16 停止移动。
(8)、 自动过程中工艺调整 --- 进给量调节 108 ： 此调节档位有多个位置， 在自动打 锤前， 自动打锤过程中都可调节。由操作手根据冲击面软硬情况、 每锤能前进的长度来调 节。
(9)、 自动过程中工艺调整 --- 提锤高度调节 109 ： 此调节档位有多个位置， 在自动 打锤前、 自动打锤过程中都可调节， 由操作手根据冲击面软硬情况来调节。
(10)、 自动过程中工艺调整 --- 松紧绳长度调节 110 ： ( 在自动打锤过程中， 由于 桩洞内的泥浆稀稠程度不同， 会影响重锤 16 自由落体到桩洞底部的时间， 引起绳太松或太 紧， 太松导致绳会从装置中定滑轮中跳出， 重锤 16 自由落体到洞底时绳松了会导致重锤 16 歪斜， 引起偏孔斜孔 ； 绳太紧了， 会引起打空锤， 引起机架 1 强烈跳动而易损坏机器 ) 此调节 档位有多个位置， 可调节每次松紧绳的长度， 由操作手根据实际绳松紧程度实际调节。
(11)、 ( 过程中调整 ) 松绳 111 ： 在自动打锤过程中， 如重锤自由落体到桩洞底部时 绳太紧， 有此指令， 绳会松一次。
(12)、 ( 过程中调整 ) 紧绳 112 ： 在自动打锤过程中， 如重锤 16 自由落体到桩洞底 部时绳太松， 有此指令， 绳会紧一次。
(13)、 卷筒位置检测装置 113， 即第一传感器、 第二传感器。
(14)、 工作状态指示 114， 输出各类工作状态指示信号。
(15)、 离合用电磁气阀 51 ： 由 PLC 可编程控制器发出指令而动作， 控制离合器气缸 50。
16)、 制动用电磁气阀 41 ： 由 PLC 可编程控制器 30 发出指令而动作， 控制制动气缸 40。
(17)、 气源 117 ： 为离合器气缸 50、 制动气缸 40 提供动力。
(18)、 提锤动作超时指令 118 ： 在冲孔桩机施工过程中， 由于装置可能会因为离合 器脱离不开的故障导致一直向上提锤， 为防止发生事故。PLC 可编程控制器 30 根据卷筒位 置检测 113， 在自动打锤工作 106 状态时， 如卷筒 20 在 PLC 可编程控制器设定的规定时间范 围内， 未有放绳落锤动作， 此指令会由 PLC 发出并切断电动机控制回路电源， 让电动机 11 停 止工作， 避免事故发生。
(19)、 粘锤、 卡锤、 翻架主机自停机装置 119。
采用上述方案后， 通过传感器感应到的齿轮盘转动方向和凸齿经过的数量， 由 PLC 可编程控制器根据已编写的程序判断和计算出钢丝绳的移动方向和移动的距离， 从而精确 的对冲孔过程进行精确控制， 这样就避免操作人员通过目测的方法控制机器所带来的误差 和偏孔情况， 加快施工进程并大大的节省操作人员的体力。 另外由于控制精确， 减少了空锤 或脱绳的机率， 设备就不会轻易损坏， 使设备的寿命得以延长。