基于插裝閥的打樁錘電液控制仿真與實(shí)驗(yàn)研究

基于插裝閥的打樁錘電液控制仿真與實(shí)驗(yàn)研究

與汽式發(fā)夾、振動器、壓路機(jī)等樁工具相比，靈式發(fā)夾打擊能量大，能量傳輸效率高。它可以調(diào)節(jié)施工中產(chǎn)生的噪聲和污染量。Patrick等1壓力油系統(tǒng)電液一體化打樁錘工作原理如圖1所示。首先,在上位機(jī)上設(shè)置打樁錘的樁的大小和類型,上位機(jī)從離線數(shù)據(jù)庫中調(diào)取上升時間數(shù)據(jù),電磁閥16處于右位機(jī)得電狀態(tài),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(nèi)的壓力油流向電磁閥的控制口(即順序閥18處于關(guān)閉狀態(tài)),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(nèi)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(tài)),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(yùn)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(guān)閉狀態(tài)。由于第1插裝閥12和第2插裝閥13處于關(guān)閉狀態(tài),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(nèi);由于順序閥18處于關(guān)閉狀態(tài),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(nèi)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(tài),第3插裝閥14下容腔內(nèi)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(dāng)打樁錘進(jìn)行落錘作業(yè)時,該液壓控制系統(tǒng)的電磁閥16處于左位機(jī)得電狀態(tài),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(jīng)電磁閥后流向順序閥18的控制腔內(nèi)(即順序閥18處于打開狀態(tài));另一部分經(jīng)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(guān)閉狀態(tài))。由于順序閥處于打開狀態(tài),第1插裝閥12和第2插裝閥13控制腔內(nèi)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(tài)),再流入差動液壓缸9的上液壓腔,以促使打樁錘向下運(yùn)動。差動液壓缸9下液壓腔內(nèi)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(shù)/模轉(zhuǎn)換器21、行程開關(guān)10反饋的信號可以確定當(dāng)前巖土的阻力,從而通過上位機(jī)的計(jì)算來優(yōu)化上升和下降時間。該液壓控制系統(tǒng)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(guān)閉狀態(tài),順序閥18處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)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(tài),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(tǒng)的打樁錘具有如下獨(dú)特的功能:1)采用在線監(jiān)測和上位機(jī)處理數(shù)據(jù),保證打樁所要求的能量和打擊的重復(fù)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(hù)作用,上位機(jī)CPU能監(jiān)測打樁過程中出現(xiàn)的危險情況,如預(yù)制樁的斷裂或者樁帽的脫離等。脫樁保護(hù)開關(guān)22反饋信號使得液壓系統(tǒng)通過自鎖來制動錘頭,從而很好地保護(hù)了樁錘,保證了操作安全。4)該系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥和大流量插裝閥組合,使得該系統(tǒng)與上位機(jī)系統(tǒng)連接方便,同時使該系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性更好。蓄能器的使用也使得該系統(tǒng)的能量利用率增高。5)上位機(jī)CPU的閉環(huán)控制使得該系統(tǒng)能夠通過傳感器對打樁過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)設(shè)計(jì)2.1位移m打樁錘提錘過程中液壓系統(tǒng)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(zhì)量之和,kg;Y為活塞桿位移,m;F提錘油缸進(jìn)油口流量方程:階段壓力平衡方程:提錘過程中蓄能器內(nèi)氣體體積為:第1蓄能器的氣體狀態(tài)方程:第2蓄能器的氣體狀態(tài)方程:油泵開啟后,系統(tǒng)壓力逐漸升高,達(dá)到與平衡樁錘重力相等時,假定此時臨界壓力為P結(jié)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(shù)學(xué)模型的建立打樁錘下打過程中液壓系統(tǒng)簡化圖如圖3所示。打樁錘活塞桿受力平衡方程:流量連續(xù)方程為:2.3控制系統(tǒng)參數(shù)閥芯平衡方程為:式中:A當(dāng)∑F>0時,閥芯開啟,油路接通;當(dāng)∑F<0時,閥芯關(guān)閉,油路斷開。綜上所述,設(shè)定打樁錘控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù):打樁錘液壓系統(tǒng)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(zhì)量為14000kg;油缸下腔有桿腔面積為0.0078m3系統(tǒng)建模、模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析3.1系統(tǒng)的amesim模型AMESim是一款用于模擬控制對象真實(shí)建模環(huán)境的圖形化仿真軟件。本文建立的系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)機(jī)電液耦合動力學(xué)仿真。根據(jù)打樁錘液壓系統(tǒng)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(jié)果由于影響因素較多,本文主要對打樁錘電液控制系統(tǒng)的油腔壓力、錘體速度和位移等幾個重要的性能進(jìn)行分析。圖5所示為打樁錘性能現(xiàn)場測試圖。圖6所示為該電液控制系統(tǒng)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(dá)到18MPa,沖擊壓力最大值達(dá)到26MPa。在該系統(tǒng)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(jìn)油壓力的峰值降為14MPa,打擊時產(chǎn)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(shí)驗(yàn)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(dāng)下腔壓力達(dá)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(dāng)液壓回路轉(zhuǎn)變?yōu)椴顒佑吐返臅r候,下腔排油壓力的最大值為13MPa。查閱資料可知,相同規(guī)格的其他液壓打樁錘的下腔壓力峰值達(dá)到了25MPa由圖8和圖9可知,錘體速度的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對誤差為5%,錘體位移速度的相對誤差為3%?；趥鞲衅鞣答伒臉断陆档奈灰坪陀蛪旱拇笮?上位機(jī)根據(jù)其反饋值調(diào)整電磁閥換向時間以調(diào)整打樁錘錘頭的上升高度,進(jìn)而調(diào)整打擊能量。由錘體速度和位移曲線可知,采用閉環(huán)控制系統(tǒng),打樁錘根據(jù)土壤土層的阻力不同來調(diào)整打樁的頻率從而使得打樁效率高,可以方便且高效地實(shí)現(xiàn)對打樁過程打擊能的自適應(yīng)控制。4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模型建立1)通過對新型打樁錘結(jié)構(gòu)組成和工作原理的分析,設(shè)計(jì)了新型打樁錘的電液控制系統(tǒng),該系統(tǒng)具有換向壓力波動小、油管振動小、打樁效率高等優(yōu)點(diǎn)。2)根據(jù)該控制系統(tǒng),本文建立了打樁錘提錘、下打及插裝閥的數(shù)學(xué)模型,并搭建了AMESim控制模型,進(jìn)行了動態(tài)仿真和實(shí)驗(yàn),通過分析液壓腔壓力曲線、錘體速度曲線、錘體位移曲線,驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的能夠使得打樁錘的油壓峰值小和自適應(yīng)調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)仿真結(jié)果的誤差在5%以內(nèi),表明該仿真模型能夠較好地描述打樁錘的實(shí)際工作情況,為今后的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了很好的依據(jù)。其中單位時間蓄能器內(nèi)氮?dú)怏w積的變化量就是蓄能器的瞬時流量,因此蓄能器瞬時流