便携式液压打桩机现状分析

张步恩 余俊锋 彭 博

（华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450000）

在防洪抢险过程中，运用传统的抢护方法，需要大量的木桩［1］，在公路建设工程中，两边护栏的建设与维护，同样需要大量的钢管桩等，由此可见，打桩是各种抢护方法中不可缺少的一道工序。目前设计的打桩机主要是用于桩基工程与桥梁工程，打桩机的激振力大，整机重量大，运输不方便，适用的场地受限制。国内所用的便携式打桩机主要有落锤式打桩机、机械式打桩机、气动式打桩机。落锤式打桩机主要用于一般土层、黏土或者砾石土层，该机结构简单，使用方便，冲击力大，但是锤击速度太慢，效率较低。机械式打桩机主要用于防汛抗洪抢险等场合的打桩作业，使用方便，缺点是相对于液压式打桩机冲击能量小，打桩效率低。而气动式打桩机动力装置零件种类繁杂，维修成本高而且维修时间长，费时费力，能源效率随着工作时间的延长而逐渐下降。国外所用的便携式液压打桩机较为先进，该机具有功效高，噪音小，可靠性高等优点，但是价格相当昂贵［2-3］。

1 落锤式打桩机

小型打桩机中常见的是落锤式打桩机。落锤式打桩机，一般采用柴油机提供动力或者用电机带动卷扬机使桩锤运动，然后让桩锤自由下落，凭借桩锤重量打击木桩顶部使得桩进入土中。这种方法一般适用于打击木桩或者细长的混凝土桩等。另外在一般土层、黏土或砾石土层均可采用。落锤式打桩机的结构简单，使用方便，冲击力较大，并且还可以随意调整落距，缺点是锤击速度过慢，效率较低［4］。

2 机械式打桩机

机械式打桩机是由华北水利水电大学和三门峡水工机械厂根据水利工程的需要，联合研发了DZF-120型便携式防汛抢险打桩机。该机主要是由主机和动力装置组成，并且两者相互分离，通过借助传动软轴来连接。其中主机主要是由激振器、振动弹簧、机座、主副夹桩器与手扶架等组成。动力装置主要是由小型二冲程汽油、离心式蝶形离合器、减速器、油箱与机架等组成。动力装置是通过软轴驱动主机激振器主动轴，然后使激振器主、从动轴上对称布置的4个偏心块以相同角速度反向旋转，使其离心力的水平分力大小相等，而方向相反，从而抵消剩下的垂直分力，使激振器做垂直上下的振动［5］。激振器借助振动弹簧的耦合作用，带动机座、夹桩器与桩体一起上下振动，从而实现打桩目的。该机主要用于防汛抗洪抢险等场合的打桩作业，使用方便，缺点是相对于液压式打桩机冲击能量小，打桩效率低。

3 气动打桩机

目前，国内使用较为先进的便携式打桩机由河北五星电力设备有限公司生产的WX-KY2012型气动打桩机。该气动打桩机主要是由机体与动力装置组合而成，其中机体是由三多个精密部件组成，附加把手和固桩卡盘等外用组合部件。动力装置选用配套设备，即国产气压泵和进口双螺杆空压两种，进口的空压机最大的优点是气量较足、故障率较低、工作效率较高、运行稳定。设有通电启动装置与快装气动接头，省工省时省人力，拆装便捷，并可迅速开展防汛抢险工作。其中高压胶管在500m范围内可自由延伸，从而实现了远距离作业。自制移动小车，配置了静音胶轮，可以摞放堆置，轻松实现了搬倒移动与立体化仓储等功能。活塞式空压机的分类与型号表示方法、结构特点及工作原理的介绍如下：瑞安市艾特机电生产的静音无油空压机是微型往复式活塞式压缩机的一种，活塞式空压机的工作原理如下：当活塞式空压机的电机单轴驱动空压机压缩机的曲轴旋转时，由于连杆转动，使带有自润滑但是没有添加润滑剂的活塞做往复运动，并且使由气缸内壁、气缸盖与活塞顶面构成的工作空间体积发生周期循环性的变化。当活塞式空气压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时，空气压缩机的气缸内工作空间体积变大，此时，气体便会沿着进气管推动进气阀运动，打开进气阀，从而进入气缸，直到工作空间体积达到最大时为止，此时，进气阀关闭［6-7］。当活塞式压缩机活塞第二次反向运动时，上述工作过程便会重复出现。即活塞式压缩机的曲轴旋转了一周，活塞往复运动一次，气缸内则相应实现进气、压缩、排气的一系列过程，即完成了一个工作循环。此外单轴双缸的结构设计会使压缩机的气体流量在转速一定时是单缸的两倍多，并且能很好地控制振动噪音。

气动打桩机的优点为：①进排气压力的涵盖范围非常大，甚至能满足4000PSIG（280kg/cm2G）以上的要求；②风量的包涵范围也是相当大的，在大风量场所的应用上虽已逐渐退出市场，但是在小风量的使用范围仍具有相当大的优势。③在风量小、压力高的领域应用，来回往复式的空气压缩机可以视空气压缩机为增压机来运用。④空气压缩机的气密性相当好，所以比较适用于压缩除空气和氮气以外的特殊气体。⑤当运用高强度的设计计算时，低转速，耐用，坚固，持续使用时的故障率比较低。⑥如果设计每一段多缸式双动式的空气压缩机，能采用多阶容积控制的形式，对于压缩空气消耗量极不稳定的压缩空气系统可以使用0-50-100%的三阶控制式或0-25-50-75-100%的五阶控制，对节流控制的效益相当显著［8］。

气动打桩机的缺点为：①在压力和风量上和其他类型的空气压缩机有重合的适用范围，若利用过高强度设计的往返式空气压缩机，则压缩机单位风量的造价特别高。②运转的过程中会产生不一定程度的振动，在空气压缩机基座的设计上，除要思考压缩机机座静荷之外，还需要考虑机座动荷重才可以避免不必要的危险。③类似于引擎设计，空气压缩机零件种类繁杂，其中需要更换的消耗性零件的数量和项目相当多，这就造成维修成本高且维修时间过长，这也是往复式空压机在应用范围逐渐淡出市场竞争的主要因素。④往复式空气压缩机有吸入气体和排出气体的过程，所以，排气是一个非连续性的动作，因此可能会造成比较明显的脉动现象。⑤阀片活塞环与密合垫等消耗性零件是否正常工作，会直接影响空气压缩机的效率，所以在缺乏其他检测气密性设备时，空气压缩机的效率会因为内部的空气泄漏而逐渐降低。

该机以不断压缩空气作为动力源泉，采用快接头与高压气管和小型动力气压泵相连接，利用气体压缩膨胀的原理，使活塞冲击桩锤，在整个运动过程中产生强大的冲击力来冲击木桩，从而达到木桩进入土层的目的。该机优点是气密性较好，工作可靠，相对于机械式打桩机效率有所提高，缺点是动力装置零件种类繁杂，维修成本高而且维修时间长，费时费力，能源效率随着工作时间的延长而逐渐下降。

4 国外液压打桩机

国外便携式打桩机的水平较为先进，主要代表是以美国STANLEY公司研发的，并由河北五星电力设备有限公司在中国代销的WX-QY2002-1【美国进口型】便携式液压打桩机。WX-QY2002-1【美国进口型】便携式液压打桩机操作简单（一人便能快速作业），携带方便，组装迅速，适用性强，打桩作业效率较高等特点。主要适用在中等硬度的黏性土、沙壤土质［9］。

WX-QY2002-1【美国进口型】便携式液压打桩机的动力源采用美国进口型液压动力站，具备如下特点:采用坚固的可折叠不锈钢钢管框架结构，WX-QY2002-1【美国进口型】便携式液压打桩机的动力站具备工作效率高、噪声小、可靠性较高。并且采用美国B&S发动机等成熟产品，可以连续稳定工作。WX-QY2002-1【美国进口型】便携式液压打桩机具备两个导向手柄，一个吊耳和远程或整体式开关阀。安装有快速接头。该机动力源采用美国进口液压动力站，以液压为动力源，利用巨大的冲击力来冲击木桩上部，达到打桩目的，实现了打桩的机械化。可在不同作业环境下植入钢桩木桩。该机具有功效高、噪音小、可靠性高等优点，缺点是价格昂贵［10］。

5 山东黄河梁山机械厂的便携式液压打桩机

该便携式液压防汛打桩机主要由动力装置、液压系统、主机锤体和机架部分组成，锤体重量42kg，整机可以万向转动，行走方便，能适应复杂的作业环境。动力装置的结构主要包括小型四冲程汽油发动机、联轴器、液压齿轮泵、换向阀、液压油箱等部分，整个动力装置安装在一个机架上，机架由角钢、钢管和钢板材料焊接而成，机架下面安装4个万向轮。主机锤体由缸体、活塞、钎体、控制阀、托架等零部件组成，锤体是将液压能转换成机械冲击能的打击式液压机械装置，是打桩机的关键部分。锤体的工作原理：锤体将控制阀、执行器等元件集于一身，控制阀与执行器相互反馈控制，自动完成活塞的往复运动，将液体、气体压力转化为活塞的冲击能打击钎体，将能量传递给钎体，钎体再把能量传递给木桩达到木桩下沉的目的。

6 结语

为改变抢险工程与公路建设工程中靠人工打桩这种劳动强度大、生产效率低的落后局面，实现打桩过程机械化，研发一种新型式的便携式液压打桩机是非常有必要的，本文针对目前国内外存在的便携式打桩机，深入研究了各类打桩机的结构组成、工作原理，并总结了各类打桩机的优缺点，为研发更优的便携式液压打桩机产品样机奠定良好的理论基础。

［1］刘兴燕.便携式液压防汛打桩机研制试验研究［J］.科技视界，2014（28）：62-66.

［2］刘伟.液压振动沉桩机沉桩机理及其振幅和频率调节系统研究［C］.湖南：中南大学，2004.

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［4］陈岱杰，陈龙珠，郑建国.高频振动打桩机理的试验研究［J］.铁道建筑技术，2006（3）:45-48.

［5］韩林山，臧海燕，严大考.轻型液压打桩机主机结构的优化设计［J］.水利电力机械，2005（2）：7-12.

［6］高山.国内外桩工机械生产发展概况［J］.工程机械与维修，1997（4）：57-60.

［7］邓明权.振动沉桩机简捷设计计算方法［J］.工程机械，1983（6）：52-56.

［8］邹经湘.结构动力学［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999.

［9］贾武学.振动打桩机沉桩的理论计算［J］.机械研究与应用，1999（S1）：88-91.

［10］周林森.冲击式振动锤沉桩的土力学特性研究［J］.试验与研究，1996（10）：122-125.