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液壓打樁錘液壓系統(tǒng)仿真分析

文檔作者：許佳音王克文趙永富文檔來源：天津工程機(jī)械研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月10日
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液壓-液力
Hydrostatics and
Hydrod~ namics
液壓打樁錘液壓系統(tǒng)仿真分析
許佳音，王克文，趙永富
天津工程機(jī)械研究院
摘要I對(duì)液壓打樁錘的打擊過程和液壓系統(tǒng)工作原理進(jìn)行分析，建立液壓系統(tǒng)AMESim模型，并根據(jù)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件主
閥的結(jié)構(gòu)原理及運(yùn)動(dòng)特性建立主閥的AMESim模型。模擬液壓打樁錘完整的打擊周期，獲得液壓缸活塞桿位移、速度和加速
度變化曲線，并得到打擊力、打擊周期等性能參數(shù)，仿真結(jié)果符合預(yù)期要求。
關(guān)鍵詞：液壓打樁錘：主閥；復(fù)合動(dòng)作；AMESim
液壓打樁錘具有打樁效率高，噪聲低，振動(dòng)小，無油
煙污染的特點(diǎn)，其先進(jìn)性已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。如今，在西方
發(fā)達(dá)國(guó)家和亞洲的日本、韓國(guó)、新加坡等國(guó)家，液壓打樁
錘已經(jīng)完全取代了柴油打樁錘。目前，我國(guó)的樁工產(chǎn)品在
技術(shù)上與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有較大差距，液壓錘基本
依賴進(jìn)口，柴油錘仍是市場(chǎng)的主力設(shè)備。為此，我國(guó)的一
些企業(yè)正在積極開展液壓打樁錘的研究和開發(fā)工作，而
對(duì)于液壓打樁錘液壓系統(tǒng)及其關(guān)鍵元件的研發(fā)，則是其
中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文將利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)打擊能量
為150 kN·m的某型液壓打樁錘液壓系統(tǒng)的工作過程進(jìn)
行分析。
1 液壓打樁錘的工作過程
液壓打樁錘液壓系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，其工
作過程主要包括錘頭下落、沖擊、加壓以及錘頭提升4個(gè)
階段。
(1)錘頭下落。在液壓油的驅(qū)動(dòng)下，液壓缸5將錘頭
6提升到最大行程以后，控制器控制二位三通電磁換向閥
1換向，二位三通電磁換向閥l控制主閥2變換給油方
向，此時(shí)液壓缸無桿腔和有桿腔連通，錘頭6在液壓油壓
力與自重的作用下，產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)的加速度。
(2)沖擊。錘頭6以較大的加速度向下沖擊，擊打樁
作者簡(jiǎn)介：許佳音(1982一)，女，黑龍江大慶人，高級(jí)工程師，博士，研究方向：工程機(jī)械虛擬樣機(jī)分析。
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缸拭
第46卷l第12期
總第506期
1．二位三通電磁換向閥2．主閥3．低壓蓄能器
4．高壓蓄能器5．液壓缸6．錘頭
圖1 液壓打樁錘液壓系統(tǒng)原理圖
頭，進(jìn)行沉樁作業(yè)。
(3)加壓。在液壓油壓能的作用下，錘頭6繼續(xù)對(duì)樁
施加壓力。
(4)錘頭提升。液壓缸5的有桿腔進(jìn)油，錘頭6被提
升起來，同時(shí)高壓蓄能器4充液，完成整個(gè)循環(huán)過程。高
壓蓄能器與低壓蓄能器在整個(gè)工作過程中起到穩(wěn)定液壓
系統(tǒng)壓力與流量的作用。
2 液壓系統(tǒng)與主閥建模
2．1 液壓系統(tǒng)建模
根據(jù)液壓打樁錘的液壓系統(tǒng)原理圖及液壓系統(tǒng)性能
參數(shù)(見表1)建立打樁錘液壓系統(tǒng)AMESim模型，如圖2
所示。液壓系統(tǒng)模型通過插裝閥和主閥的通斷來控制液
壓打樁錘的動(dòng)作，以及高低壓蓄能器的充液與排液過程。
由于AMESim液壓元件庫中沒有主閥模型，因此，需
要根據(jù)液壓系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)通過HCD庫建立主閥模型。
2-2 主閥建模
主閥是液壓打樁錘液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，主要功
能是在電磁換向閥控制下進(jìn)行周期性的全開口、閉合切
換，使液壓系統(tǒng)功率得到最大限度的利用。主閥性能好壞
直接影響打樁錘的沖擊能和沖擊頻率，其結(jié)構(gòu)與常規(guī)液
表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)
系統(tǒng)供油~f／(L／min) 380
液壓缸行程／mm 1 10o
錘頭質(zhì)量／kg 8 700
活塞直徑／nun 100
活塞桿直徑／mm 63
溢流閥設(shè)定壓力／MPa 29
高壓蓄能器充氣壓力 Pa 20
低壓蓄能器充氣壓力／MPa 0．4
高壓蓄能器容積幾 l1．4
低壓蓄能器容積／L 11．4
液壓油密度／(kg／m ) 789
液壓油黏度／(mm2／s) 46
38O
1．主行程閥與換向閥封裝模塊2，3，4．插裝閥封裝模塊
圖2 液壓系統(tǒng)AMESim模型
壓控制閥不同。
液壓打樁錘的主閥結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由閥體、滑
閥閥芯、電磁換向閥、電磁閥板及閥板總成等組成。通過
控制液壓油作用在滑閥閥芯的環(huán)形腔面積，可以控制主
閥的油路換向，從而實(shí)現(xiàn)錘頭的提升和下降；當(dāng)液壓油作
用在滑閥閥芯右端環(huán)形面積時(shí)，滑閥閥芯在液壓壓力及
彈簧力作用下處在左端，此時(shí)A口與T口相通；當(dāng)液壓
油作用在滑閥閥芯左端環(huán)形面積時(shí)，滑閥閥芯在液壓壓
力作用下克服彈簧力處在右端，此時(shí)A口與P口相通?；?
閥閥芯在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與閥體、孔口螺母形成緩沖腔，起
到緩沖閥芯撞擊力的作用。
為深入研究主閥的穩(wěn)態(tài)壓差一流量特性、內(nèi)部泄漏量
和瞬態(tài)響應(yīng)特性，根據(jù)主閥的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)(見表2)建
一 I I柏
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液壓-液力
Hydrostatics and
Hydrodynamics
1．閥體2．滑閥閥芯3．電磁閥板4．閥板總成
5．孔口螺母6．電磁換向閥
圖3 主閥結(jié)構(gòu)原理圖
表2 主閥性能參數(shù)
主閥閥芯的行程／ram 22
主閥閥芯的質(zhì)量 g 3．6
主閥閥芯臺(tái)肩直徑／mm l20
主閥負(fù)載端閥口最大開度／mm 13
主閥回油端閥口最大開度／mm 9
主閥環(huán)形控制腔外徑／mm ． 35
主閥環(huán)形控制腔內(nèi)徑，mm 22
主閥黏性摩擦系數(shù)，(N／(rn，s)) l1．524
主閥密封摩擦力／N 93．8
主閥進(jìn)油口壓力／MPa 29
主閥回油口壓力，MPa 3
彈簧剛度系~／(N／m) 2 372
零位移時(shí)的彈簧力，N 97．2
閥芯控制壓力／MPa 29
立了主閥的AMESim模型，如圖4所示，其中液壓管路1
的管路直徑為5 rm ，長(zhǎng)度為216 mm；液壓管路2的管路
直徑為5 Im ，長(zhǎng)度為150 mm；負(fù)載口壓力為29 MPa；回
油口背壓為3MPa。
3 液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真及結(jié)果分析
根據(jù)系統(tǒng)需要選取恒流源，其流量為380 L／min，液
壓系統(tǒng)壓力為29 MPa，在完成整體模型參數(shù)設(shè)置后，對(duì)主
閥以及插裝閥施加控制信號(hào)，以完成一次完整的打擊過
程。打樁錘錘頭開始位于最低位置，模擬打樁錘“升起一
落下一升起”的工作過程。
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④
2
圖4 主閥AMESim模型圖
3．1 液壓缸活塞桿位移、速度、加速度分析
由于打樁錘在工作過程中，錘頭的行程、速度、加速
度直接關(guān)系到打樁錘的打擊頻率與打擊力，因此有必要
對(duì)錘頭的行程、速度、加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以分析打樁錘的
打擊效果。由于錘頭與液壓缸活塞桿相連接，因此對(duì)液壓
缸活塞桿進(jìn)行分析即可。
仿真得到的液壓缸活塞桿位移曲線和速度曲線分別
如圖5和圖6所示，液壓缸活塞桿加速度曲線如圖7所
示，閥芯跟隨電信號(hào)曲線如圖8所示。
蠢
時(shí)間，s
圖5 液壓缸活塞桿位移曲線
由圖5可以看出，液壓缸活塞桿的初始位置在最底
部，上升時(shí)間為1．49 s，到達(dá)最頂端位置后開始下降，在
0．35 s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大行程1．1 m，達(dá)到最低位置時(shí)開
始上升，第二次上升時(shí)間為1．16 S。由圖6所示的液壓缸
活塞桿速度變化曲線可見，液壓缸活塞桿下降的速度在
0．35 s內(nèi)達(dá)到最大為6．06 m／s，打樁錘的最大打擊能量為
156．6 kj，液壓缸活塞桿在1．16 s內(nèi)達(dá)到最大上升速度為
1．86 m／s，下降的速度遠(yuǎn)大于上升的速度，上升、下降一個(gè)
周期的時(shí)間為1．5l s，在60 s內(nèi)打擊次數(shù)為39次，滿足打
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第46卷I第12期
總第506期
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圖6 液壓缸活塞桿速度曲線
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時(shí)間，-
圖7 液壓缸活塞桿加速度曲線
— — 閥芯位移
? ? ‘ 電流
D 0．4 O．8 1．2 1．6 Z 4 2．8 3．2 6 4．0 屯4 4．E
時(shí)間『s
圖8 閥芯跟隨電信號(hào)曲線
樁錘在最大行程時(shí)，打擊頻率38次／n'dn的設(shè)計(jì)要求。由
圖7可見，液壓缸活塞桿的最大加速度為17．9 I'~S2 9大于
重力加速度，這是差動(dòng)回路起到的作用，由圖8可見，閥
芯位移能夠很好地跟隨電信號(hào)。
3．2 高低壓蓄能器流量、壓力分析
圖9所示為仿真后得到的蓄能器、液壓缸無桿腔流
量變化曲線，高低壓蓄能器壓力變化曲線如圖10所示。
— — 投壓缸尤桿腔流量
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／ ?一低高壓蓄能器流量
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． ． ． ． ． ? 州 1 ? ? ．．．．．．．．．．．．．
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圖9 蓄能器、液壓缸無桿腔流量變化曲線
圖l0 高低壓蓄能器壓力變化曲線
由圖9可見，在一個(gè)“升起一落下”循環(huán)中，液壓缸活
塞桿第1次上升時(shí)，高壓蓄能器開始充液，液壓缸活塞桿
運(yùn)動(dòng)速度逐漸加快，在1．03 s時(shí)，高壓蓄能器開始排液，此
時(shí)液壓泵同時(shí)向液壓缸和高壓蓄能器充液；當(dāng)液壓缸活
塞桿達(dá)到最頂端后開始下降，此時(shí)，高壓蓄能器開始充
液，隨著液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度的加快，在1．62 s時(shí)，高壓
蓄能器開始排液，直到液壓缸活塞桿到達(dá)最低位置，開始
下一次循環(huán)；當(dāng)液壓缸活塞桿第1次開始上升時(shí)，低壓蓄
能器開始充液，液壓缸無桿腔排出的液體充入低壓蓄能
器；當(dāng)液壓缸活塞桿到達(dá)最頂端后開始下降，此時(shí)，低壓
蓄能器流量不變，當(dāng)液壓缸活塞桿到達(dá)最低位置后，液壓
缸活塞桿開始上升，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
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液壓-液力
Hydrostatics and
Hydrodynamics
圖10可見，在一個(gè)“升起一落下”循環(huán)內(nèi)，在液壓缸
活塞桿上升過程中，高壓蓄能器的最大壓力為24．9 MPa，
液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)到最頂端時(shí)，高壓蓄能器壓力為23．5
MPa；液壓缸活塞桿下降過程中，高壓蓄能器最大壓力為
22．8 MPa，最小時(shí)為20．6 MPa；低壓蓄能器在液壓缸活塞
桿由下降轉(zhuǎn)換為上升時(shí)，壓力有一個(gè)減小的過程，其余時(shí)
間都在上升，最大值沒有超過3 MPa。
3．3 液壓缸進(jìn)出口壓力流量分析
如圖11所示，當(dāng)液壓缸活塞桿上升時(shí)，液壓缸有桿
腔的壓力逐漸上升，當(dāng)活塞桿上升到最高位置時(shí)，主閥變
換給油方向，此時(shí)液壓缸無桿腔和有桿腔連通，無桿腔壓
力達(dá)到最大22．7 MPa，此時(shí)錘頭開始下降，當(dāng)下降到最低
位置時(shí)，無桿腔壓力降至0．8 MPa，隨后液壓缸活塞桿開
始上升，開始下一次循環(huán)；同時(shí)，液壓缸有桿腔壓力逐漸
增大，在1．06 s時(shí)達(dá)到最大23．5 MPa，當(dāng)液壓缸活塞桿上
升到最高位置時(shí)，液壓缸有桿腔和無桿腔的壓力變化一
致(主閥變換給油方向，此時(shí)液壓缸無桿腔和有桿腔連
通)。當(dāng)液壓缸活塞桿下降到最低位置時(shí)，液壓缸有桿腔
和無桿腔壓力為19．8 MPa，隨后，液壓缸活塞桿開始上
升，有桿腔壓力逐漸增大，在0．252 s時(shí)，壓力達(dá)到最大值
24．9 M Pa
時(shí)間，s
圖ll 液壓缸壓力變化曲線
如圖12所示，在錘頭下降過程中，主閥變換給油方
向，此時(shí)液壓缸無桿腔和有桿腔連通，有桿腔流量全部進(jìn)
入無桿腔，液壓缸活塞桿速度最大為6．06 m／s，因此有桿
腔流量最大為1 748．5 L／min，無桿腔流量最大為2 858．7
L／min，高壓蓄能器流量最大為738．7 L／min，液壓泵流量
為2858．7—1748．5—738．7=371．5 L／min。錘頭上升過程中，
液壓缸有桿腔最大流量為548．6 L／rein，高壓蓄能器提供
流量為168．1 L／rain，液壓泵流量為548．6—168．1=380．5
L／min，與定量液壓泵提供流量相同。
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時(shí)間，量
圖12 液壓缸流量變化曲線
4 結(jié)論
對(duì)液壓打樁錘的打擊過程及液壓系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了
分析，重點(diǎn)分析了液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件主閥的原理與動(dòng)作
過程，并建立了主閥的AMESim模型，為打樁錘整體液壓系
統(tǒng)的仿真建模工作提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。
通過仿真，得到了液壓缸活塞桿的位移、速度、加速度變
化規(guī)律，結(jié)果表明，該液壓打樁錘液壓缸活塞桿的最大位移
為1．1 m，最大速度為6．06 m／s，最大打擊能量為156．6 kJ，一
個(gè)打擊周期為1．51 s，打擊次數(shù)為39次／nfin，仿真結(jié)果均符
合打樁錘設(shè)計(jì)要求。
此外，通過液壓缸、蓄能器流量的分析，還推導(dǎo)出了液壓
泵的流量，仿真得出的流量與計(jì)算得出流量吻合，因此仿真
結(jié)果可以為試驗(yàn)提供可靠的依據(jù)。
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通信地址：天津市北辰科技園區(qū)華實(shí)路91號(hào)天津工程機(jī)械
研究院(300409)
(收稿日期：2015-07-17)
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