液压-气动复合锤数学建模与分析

　　液压锤技术起源于20世纪60年代,1965年荷兰HBG公司首先试制了液压锤.液压锤采用液压缸将锤体提升到一定高度,然后利用锤体自重或者利用自重和液压力或气动力的复合力作用使锤体加速下落,锤打击桩体,将桩体贯入土层[1~7].与传统的柴油打桩锤相比,液压打桩锤具有打桩效率高、无废气等污染排放、噪声低的特点,还可调节打击能量,适应范围广,可以用于水下打桩以及打斜桩[3,5].

　　我国上海工程机械厂等单位自20世纪90年代开始陆续引进日本等国外技术并研制液压锤,已有样机问世[1,2].因为元器件精度要求高,价格昂贵,工作效率较低等原因投入批量生产的数量还极为有限.目前国外基础施工中主要采用液压锤,其产品已形成系列化,如英国BSP公司HH357-9系列单作用液压锤,打击频率较高,但打击能量有限[6];芬兰JUNTTAN公司HHKA型双作用液压锤,打击能量和打击频率较高[7].近年来,国内基础施工中采用了国外液压锤,如荷兰IHC的液压锤[8,9].但目前基于液压和气动技术的锤击理论研究还不多见,如何开发和正确使用液压锤至关重要[8~11].为此,本文主要分析基于液压技术和气动技术的液压-气动复合锤击理论、数学模型和液压锤的基本特性.

　　1　工作原理

　　图1所示为液压-气动加速度复合锤液压系统示意图.该液压锤主要由锤体1、液压缸2、低压蓄能器3、电磁换向阀4、氮气室5、电磁换向阀6、高压蓄能器出口压力;Qp为泵流量;pha,Vha分别为高压蓄能器气体压力和体积;Qha为高压蓄能器向液压缸提供的液压油流量;pu为液压缸上腔氮气室压力;pd为液压缸下腔的液压油压力;Au,Ad分别为活塞杆无杆腔和有杆腔有效面积;Qd为流入液压缸下腔的液压油流量;pla,Vla分别为低压蓄能器内气体压力和体积;Qla为流入到低压蓄能器的液压油流量;Qh为流向油箱的液压油流量;Δp1,Δp2分别为电磁换向阀和管路工作时的压力损失.

　　液压-气动复合锤1个完整的工作周期包括3个阶段:锤体上升阶段、锤体下降阶段和锤体保压阶段.锤体上升阶段中,电磁换向阀6闭合,电磁换向阀4断开,液压泵8和高压蓄能器7同时输出液压油,经电磁换向阀6向油缸下腔供油,推动活塞,带动锤体1实现加速上升.此时液压缸2上端的氮气室5内的气体不断被压缩而进行储存能量.锤体下降阶段,当锤体上升达到设定的行程高度时,电磁换向阀6断开,电磁换向阀4闭合,锤体开始下降.锤体下降过程中,液压缸下腔液压油经电磁换向阀4和管路回油箱,氮气室高压氮气释放其储存的能量,加上锤体自重的作用,锤体实现加速下降;当锤体和桩接触时,撞击桩体,完成锤体和桩之间的打击作用.锤体保压阶段,打击桩头后,锤体利用气动力和重力继续对桩施加压力.锤体下降阶段,液压泵8同时向高压蓄能器7供给液压油,由于回油管路较长并且具有一定的压力损失,低压蓄能器3则吸收来自液压缸下腔的部分液压油以加速锤体下降.当2个电磁换向阀都在闭合位置时,液压油由泵8通过电磁换向阀6进入液压缸,并通过电磁换向阀4回油箱和低压蓄能器3,液压油回油箱,实现液压系统的卸载.