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打桩锤概述


打桩锤
一.前言
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。

二.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 3—10t 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,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,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。

三.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。

四.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

图 1 筒式柴油打桩锤结构图

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 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
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体结构如 主要由机架、 冲击缸、 图 2 所示: 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
图 2 氮爆式液压打桩锤结构图

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。

五.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。

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 容量选择 PLC 的容量选择包括两个方面:lJO 点数和存储器的容量。 (1)I/O 点数 根据被控对象的输入输出信号的总点数再加上 15%左右的扩展备用量即

可。 (2)存储器容量 存储器容量可按下式估计

M= 对于既有开关量又有模拟量的控制系统,可用下式计算

M= 上两式中: 一为数字开关量输入信号通道数 一为数字开关量输出信号通道数 一为模拟输入信号通道数 一为每个接 点所占存储器字节 数 M 一为存 储器 的容量 在实际选用中, 还应考虑 20%的余 量。 2、PLC 输入输 出方式选择 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

图 3 PLC 控制系统设计步骤

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,I/O 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: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、A/D 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 4 液压锤控制系统结构框图


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