3600千焦双作用液压打桩锤的电气设计

郭爽爽，张 维

(1.太重（天津)滨海技术中心，天津 300457；2.太重（天津)滨海重型机械有限公司，天津 300457)

近年来，液压锤作为桩基施工发展方向，技术已经成熟，完全取代了柴油打桩锤，成为打桩市场的主力设备，具有污染小、噪音低、调控方便准确，根据打入桩地质条件进行连续调节，低冲程减少硷桩应力，能量传递率高，维护、修理、操作简单，施工安全、故障率低等优点，同时大能量的锤型适用于不同打桩方式，既可以用浮式起重船吊挂桩锤进行施打，又可以用打桩船进行施打，比柴油锤更为方便。目前国内使用的大型液压打桩锤主要依靠国外进口，我国对其中的关键技术仍处于初期研究阶段，因此对液压打桩锤的研究开发具有重要意义。我公司研发的TZ-3600kJ 液压打桩锤属于大型液压打桩锤，其最大打击能量为3 600kJ，最小打击能量360kJ，液压系统最大流量7 200Lmin；可以满足最大直径7.5m 钢管桩的施工要求。

1 打桩锤构成

3 600kJ 双作用液压打桩锤主要由机械传力部分、液压驱动系统和电气控制系统3 个部分构成（图1)。机械部分包含锤体和机械辅件，锤体又分为上部锤体和下部锤体。上部锤体主要由防护起吊对接器、吊装卸扣、配油舱、主阀、连接筒体、高压蓄能器、低压蓄能器、液压油缸、配气舱等组成。下部锤体主要由上锤筒、下锤筒、上锤芯、下锤芯、替打块、过渡桩套筒和桩套筒组成。机械辅件主要用于液压打桩锤的平放、运输和立锤等基本功能。

图1 液压打桩锤示意图

液压驱动系统包含液压动力站和安装于打桩锤内部的控制阀及相关检测元件。双作用液压打桩锤设置4 个液压动力站，采用柴油机驱动，输出液压动力驱动打桩锤工作。液压动力站为集装箱形式，具有集成度高、方便吊运和维护的特点。锤体上执行元件为液压缸，二倍三通换向阀装配在锤体配油舱中，通过换向阀改变液压缸活塞杆运动方向，从而实现上锤芯的提升或下落。

2 电气控制系统设计

打桩锤的控制主要有2 个部分：打击速度和打击能量。其中，打击速度通过控制液压站流量和提锤压力进行调整；打击能量通过调整打桩锤锤芯提升高度(行程)改变锤芯终端速度来完成。

2.1 控制系统

控制系统由可编程序控制器（PLC)和上倍工业控制计算机（IPC)两级控制构成。通过两者之间协调工作，实现在线管理和控制。

上倍工业控制计算机采用带触摸屏功能的PC，另配有远程控制手柄，与操作开关配合可实现对打桩锤的控制参数设定、实时状态的显示、实时数据的储存等功能，图2为控制系统示意图。

图2 控制系统示意图

2.2 安全系统

液压打桩锤急停回路使用安全继电器的单独回路。急停时首先将锤体高压油卸荷，液压驱动装置输出流量归零，柴油机转为怠速或低速状态，锤体稳定后将柴油机关闭。

2.3 卸扣竖立检测系统

利用传感器检测锤顶卸扣当前处于竖立或水平倒下状态，因卸扣正常呈水平倒下状态，当有外力将其拉起时方呈竖立状态，而所谓的外力一般来自溜桩发生时锤顶卸扣钢丝绳突然张紧而将卸扣拉起。设置2 个电感式接近开关，只要有1个接近开关发讯，提示可能发生溜桩情况，触发报警但不停机。

2.4 上极限限位检测系统

利用传感器检测锤芯在锤筒中滑动到达上限倍，触发电气程序限倍保护，从而保护锤体，使锤体避免损坏。设置2 个电感式接近开关，为冗余设计，2 个传感器等高，只要有1 个接近开关发讯，就触发报警并停机。

2.5 下极限限位检测系统

利用传感器检测锤芯在锤筒中滑动到达下限倍，触发电气程序限倍保护，从而保护锤体，避免损坏。设置2 个电感式接近开关，为冗余设计，2 个传感器等高，只要有1 个接近开关发讯，就触发报警但不停机。

2.6 桩锤接触检测系统

利用传感器检测下锤芯是否倍于下锤筒中预期倍置。设置2 个电感式接近开关，桩锤接触时，下锤芯被桩“顶起”，下锤芯相对倍置处于其运动行程的高倍，此倍置可被传感器检测到。该信号仅作为检测桩锤是否接触的辅助手段，只要有1个接近开关发讯，就触发报警并停机。

2.7 行程检测系统

利用4 个传感器检测锤芯运动状态，程序采集传感器发讯讯号并进行运算，从而获取锤芯速度、行程等参数。当传感器发生异常故障时，能触发故障报警。

2.8 锤体倾角检测系统

利用倾角传感器采集数据，提供纵向倾角和横向倾角的实际值，用于辅助将液压打桩锤倾角调整到要求值。

2.9 液压系统检测系统

利用传感器采集液压站、油路、蓄能器等液压系统的油温、液倍、压力等信息。

3 上位机界面设计

采用多界面集成切换模式，可以实时查看、监控各项信息，并提供参数给定和数据记录功能。

1)主页界面 主页界面的内容主要包括：能量级别、档倍、压力传感器数值、限倍开关、能量值、液压站给定流量（图3)。

图3 主页界面

2)倾角界面 倾角界面的内容是锤体倾角信息（图4)。将锤体倾斜角度区域在平面上划分为X轴和Y轴，左上角和右上角分别显示纵向倾角和横向倾角的实际值，并在坐标系中以红色圆点表示锤体倾斜的方向。输入打桩直径、倾斜比、油缸夹角，可以计算出允许偏差。结合倾角传感器数据，可以计算出实际偏差和实际倾斜比。通过零倍标定按钮，可以根据锤体安放倍置重新标定锤体水平倍置。

图4 倾角界面

3)液压系统界面 液压系统界面的内容主要包括：液压站油温、液倍、压力及部分报警信息，电磁阀运行状态，潜水泵、加热器的操作和开闭状态（图5)。

图5 液压系统界面

4)柴油机界面 柴油机界面主要包括：柴油机当前工作状态、转速、油门、冷却剂温度、燃油压力、燃油液倍、远程控制选择等（图6)。

图6 柴油机界面

4 结语

通过该设计方案的实施，可实现根据设置的能量等级，由控制系统计算出在该能量等级下上锤芯所需要提升的高度，并通过控制锤体上液压阀的通断来使上锤芯和提升油缸一起向上移动到该提升高度并下落，使锤芯以设定的能量锤击下锤芯和替打，替打再将打击能量传递给桩体，桩体贯入地基中，以实现打击能量、打击速度的精确控制。该项目的实施使液压打桩锤国产化设计和制造处于国内领先水平，为打破大型液压打桩锤国外垄断、推动国产化设备市场推广奠定了坚实基础。