基于插裝閥的打樁錘電液控制仿真與實驗研究

與汽式發夾、振動器、壓路機等樁工具相比，靈式發夾打擊能量大，能量傳輸效率高。它可以調節施工中產生的噪聲和污染量。Patrick等1壓力油系統電液一體化打樁錘工作原理如圖1所示。首先,在上位機上設置打樁錘的樁的大小和類型,上位機從離線數據庫中調取上升時間數據,電磁閥16處于右位機得電狀態,電磁閥的控制口和電磁閥的回油口相通,順序閥18控制腔內的壓力油流向電磁閥的控制口(即順序閥18處于關閉狀態),再流向電磁閥16的回油口,之后流回回油箱。第3插裝閥14控制腔內的壓力油流向電磁閥的控制口(即第3插裝閥14處于打開狀態),再流向電磁閥16的回油口,再流回回油箱。壓力油裝置中的壓力油流向第1單向閥7后:一部分流向差動液壓缸9的下液壓腔,以促使打樁錘向上運動;另一部分流向第1插裝閥12和第2插裝閥13的控制腔,使得第1插裝閥12和第2插裝閥13處于關閉狀態。由于第1插裝閥12和第2插裝閥13處于關閉狀態,壓力油只能流入第1插裝閥12和第2插裝閥13的下容腔內;由于順序閥18處于關閉狀態,一部分的壓力油只能流到順序閥18的第一油口處。差動液壓缸9上液壓腔內的壓力油,一部分流向第1插裝閥12的上容腔,另一部分流向第3插裝閥14的下容腔。第1插裝閥12上容腔的壓力油流向第2插裝閥13的上容腔后再流向第3插裝閥14的下容腔。由于第3插裝閥14處于打開狀態,第3插裝閥14下容腔內的壓力油流向回油箱。通過控制電磁閥的得電時間可控制打樁錘的上升高度。當打樁錘進行落錘作業時,該液壓控制系統的電磁閥16處于左位機得電狀態,電磁閥的控制口和壓力油口相通,壓力油裝置中的壓力油流向第1單向閥7后:一部分經電磁閥后流向順序閥18的控制腔內(即順序閥18處于打開狀態);另一部分經電磁閥后流向第3插裝閥14的控制腔(即第3插裝閥14處于關閉狀態)。由于順序閥處于打開狀態,第1插裝閥12和第2插裝閥13控制腔內的壓力油流過順序閥18后再流回回油箱。然后壓力油裝置的壓力油再次流向第1單向閥后,一部分壓力油流向第1插裝閥12和第2插裝閥13的下容腔后(即第1插裝閥12和第2插裝閥13已處于打開狀態),再流入差動液壓缸9的上液壓腔,以促使打樁錘向下運動。差動液壓缸9下液壓腔內的壓力油流向第1插裝閥12和第2插裝閥13的下容腔,從而使得上液壓腔和下液壓腔相連通。數/模轉換器21、行程開關10反饋的信號可以確定當前巖土的阻力,從而通過上位機的計算來優化上升和下降時間。該液壓控制系統處于中位緩沖過程時,打樁錘處于最低位置,第1插裝閥12、第2插裝閥13和第3插裝閥14處于換向期間的關閉狀態,順序閥18處于關閉狀態。當所打擊的樁有反彈時,差動液壓缸9的上液壓腔的壓力處于瞬時憋壓狀態,此時第4插裝閥11會打開,從而使差動液壓缸9的上液壓腔和下液壓腔相連通,起到緩沖作用;同時,第1蓄能器8可以吸收此時油路振動脈沖的能量,起到減振作用。配備該控制系統的打樁錘具有如下獨特的功能:1)采用在線監測和上位機處理數據,保證打樁所要求的能量和打擊的重復精度高,同時使得打樁錘時間控制更加合理且打樁效率更高。2)插裝閥和蓄能器的使用使得換向壓力波動小、輸油管晃動小。3)具有高的安全保護作用,上位機CPU能監測打樁過程中出現的危險情況,如預制樁的斷裂或者樁帽的脫離等。脫樁保護開關22反饋信號使得液壓系統通過自鎖來制動錘頭,從而很好地保護了樁錘,保證了操作安全。4)該系統采用高速開關閥和大流量插裝閥組合,使得該系統與上位機系統連接方便,同時使該系統的響應速度和可靠性更好。蓄能器的使用也使得該系統的能量利用率增高。5)上位機CPU的閉環控制使得該系統能夠通過傳感器對打樁過程進行動態監測和反饋,從而很好地控制了油壓和樁錘的上升及下降時間,提高了打樁效率。2稱重傳感器網絡系統的數學模型和參數設計2.1位移m打樁錘提錘過程中液壓系統簡化圖如圖2所示。打樁錘活塞桿受力平衡方程:式中:m為錘體和活塞桿的質量之和,kg;Y為活塞桿位移,m;F提錘油缸進油口流量方程:階段壓力平衡方程:提錘過程中蓄能器內氣體體積為:第1蓄能器的氣體狀態方程:第2蓄能器的氣體狀態方程:油泵開啟后,系統壓力逐漸升高,達到與平衡樁錘重力相等時,假定此時臨界壓力為P結合式(7),(9),(12)和(13)可得:將式(15)代入式(1)可得:式中:v為提錘過程中錘的速度,m/s;Q2.2游戲過程的數學模型的建立打樁錘下打過程中液壓系統簡化圖如圖3所示。打樁錘活塞桿受力平衡方程:流量連續方程為:2.3控制系統參數閥芯平衡方程為:式中:A當∑F>0時,閥芯開啟,油路接通;當∑F<0時,閥芯關閉,油路斷開。綜上所述,設定打樁錘控制系統的關鍵參數:打樁錘液壓系統壓力為21MPa,流量為540L/min;打樁錘打擊頻率為36~90次/min;打樁錘打擊能量為50~210kN·m;錘頭的最大行程為0.2~1.5m;錘頭質量為14000kg;油缸下腔有桿腔面積為0.0078m3系統建模、模擬和實驗結果的分析3.1系統的amesim模型AMESim是一款用于模擬控制對象真實建模環境的圖形化仿真軟件。本文建立的系統AMESim模型充分考慮到了液壓油的物理特性和元件的非線性,例如油溫,油的壓縮性、庫侖力等,同時能夠實現機電液耦合動力學仿真。根據打樁錘液壓系統的原理圖搭建了仿真模型,如圖4所示。3.2液壓油缸下腔壓力仿真結果由于影響因素較多,本文主要對打樁錘電液控制系統的油腔壓力、錘體速度和位移等幾個重要的性能進行分析。圖5所示為打樁錘性能現場測試圖。圖6所示為該電液控制系統在有無蓄能器時,打樁錘液壓油缸上腔壓力隨時間變化曲線的對比。在沒有蓄能器時,提錘過程中打樁錘液壓油缸上腔在排油過程中,壓力脈動劇烈從而引起液壓油管的振動,該過程中最大油壓力值達到18MPa,沖擊壓力最大值達到26MPa。在該系統中加入蓄能器和大流量插裝閥后,由于蓄能器的充壓和插裝閥的流量增大,在提錘過程中液壓油缸上腔排油壓力的峰值降至16MPa,進油壓力的峰值降為14MPa,打擊時產生的最大壓力為20MPa。同時在差動連接的時候,上下腔的壓力差降至2MPa。由上述仿真和實驗對比可知,該仿真誤差較小,同時插裝閥和蓄能器的使用使得換向壓力波動小、輸油管波動小。圖7所示為打樁錘液壓油缸下腔壓力隨時間變化的曲線。一開始,蓄能器慢慢地沖壓,當下腔壓力達到一定值時,錘體在油壓增大的過程中慢慢往上提錘,下腔壓力最大值為14MPa。當液壓回路轉變為差動油路的時候,下腔排油壓力的最大值為13MPa。查閱資料可知,相同規格的其他液壓打樁錘的下腔壓力峰值達到了25MPa由圖8和圖9可知,錘體速度的仿真與實驗結果的相對誤差為5%,錘體位移速度的相對誤差為3%。基于傳感器反饋的樁下降的位移和油壓的大小,上位機根據其反饋值調整電磁閥換向時間以調整打樁錘錘頭的上升高度,進而調整打擊能量。由錘體速度和位移曲線可知,采用閉環控制系統,打樁錘根據土壤土層的阻力不同來調整打樁的頻率從而使得打樁效率高,可以方便且高效地實現對打樁過程打擊能的自適應控制。4實驗驗證和模型建立1)通過對新型打樁錘結構組成和工作原理的分析,設計了新型打樁錘的電液控制系統,該系統具有換向壓力波動小、油管振動小、打樁效率高等優點。2)根據該控制系統,本文建立了打樁錘提錘、下打及插裝閥的數學模型,并搭建了AMESim控制模型,進行了動態仿真和實驗,通過分析液壓腔壓力曲線、錘體速度曲線、錘體位移曲線,驗證了該控制系統的能夠使得打樁錘的油壓峰值小和自適應調節頻率。3)該仿真模型考慮了打樁錘油液回路和打樁過程中多種因素的影響,通過實驗驗證,該系統仿真結果的誤差在5%以內,表明該仿真模型能夠較好地描述打樁錘的實際工作情況,為今后的設計和研發提供了很好的依據。其中單位時間蓄能器內氮氣體積的變化量就是蓄能器的瞬時流量,因此蓄能器瞬時流