TZ1900kJ液压打桩锤测试系统设计

孙 福，焦学勇，潘 河，贾 涛

(1.太重（天津）滨海技术中心，天津 300457；2.太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

打桩锤是公路桥梁、港口码头、大陆架勘探、工业开采、海上风电和海底作业平台等基础设施建造过程中的施工机械。随着海上风电的发展，为节约成本，大直径单根钢管桩越来越广泛地应用在海上风电建设过程中，因此对大直径钢管桩的施工设备——液压打桩锤需求日益旺盛，对液压打桩锤能力也提出更高要求。为打破国外技术垄断，我公司研发出TZ1900kJ液压打桩锤，其最大打击能量为1 900kJ，可以满足通常地质条件下（非砂石岩层）直径5.5～6.5m 钢管桩的施工要求。产品研发成功后，为验证产品性能，对该液压打桩锤进行了厂内试验，并设计了一套测试系统来检测其产品性能，本文就测试原理和测试方法进行详述。

1 工作原理及主体结构

TZ1900KJ 液压打桩锤工作原理如图1 所示。其工作原理为当电磁阀得电时，上锤芯在液压力作用下提升至设定高度，电磁阀断电，上锤芯在重力和液压力的作用下加速下落，以一定的速度冲击下锤芯，完成一个打击过程。液压打桩锤结构主要包含3 部分（图2）：上部驱动系统、外部筒体和上、下锤芯。为了适应大直径钢管桩的需要，在下部还需要配有过渡桩套筒和替打。TZ1900kJ 液压打桩锤的主要参数如下。

图1 TZ1900kJ液压打桩锤工作原理图

图2 TZ1900kJ液压打桩锤主要结构

最大打击能量（kJ） 1900

最小打击能量（kJ） 190

最大能量时打击次数（次/分） 25

锤体总重量（t） 350

锤体长度（带壳体）（m） ≈21

上锤芯重量（t） 95

下锤芯重量（t） ≈40

2 测试系统介绍

从其结构和工作原理可知，在锤体提升过程中，液压力一方面作用在上锤芯上，形成一个对上锤芯向上的提升力，同时通过油缸外筒对外部锤筒形成一个向下的压力，通过测试外部筒体的应变情况，可以测试提升力的大小。在锤体下落过程中，由于液压作用力方向发生改变，对上锤芯形成一个向下的压力，同时对外部筒体形成一个向上的拉力。即在一个打桩过程中外部锤筒将经历一个由压应力到拉应力的交变变化。由于变形发生在材料的弹性变形阶段，根据式（1）和（2）可以方便计算出所受力的大小。采用外部筒体敷设应变片的方法，通过检测应变，获得锤体应变变化，获得筒体的应力，继而推算出提升力和下打力的大小。

式中σ——材料的应力，MPa；

E——材料的弹性模量，MPa；

ε——材料的应变，无量纲。

式中F——材料所受到的力，N；

A——材料的受力截面积，m2；

σ——材料的应力，MPa。

根据提升力的大小，可以计算出提升过程的加速度，并通过加速时间计算出锤体的运动速度，从而求出锤芯的打击能量，见式（3）和（4）。

式中V——锤芯的运动速度，m/s；

a——锤芯运动加速度，m/s2；

t——运动时间，s。

式中E——锤芯打击能量，kJ；

m——上锤芯运动质量，kg。

基于上述分析，在外部筒体和下锤芯上敷设应变片。为了安全，应变片数据采用无线传输，利用BeeData 数据采集系统进行数据采集和分析。图3 给出了应变安装位置和采集系统构成示意。图4 为现场实验和应变粘贴位置图。

图3 测试系统构成示意图

图4 现场试验和应变片粘贴位置图

3 测试过程

在实验过程中，由于无法采用真实的钢桩进行模拟，采用沙坑模拟。首先在地基上设置一个预制沙坑，并采用一定的缓冲措施与其他基础相隔离，在沙坑内部分层布设石子和沙子，形成松软基础。将液压打桩锤直立在沙坑上部，利用砂石吸收其下落的冲击能量。

测试过程中将液压打桩锤竖直放在试验台处，起吊钢丝绳处于悬松状态（为了保证安全，以钢丝绳受力接近0 时为止，放松长度远大于贯入量），液压锤靠自重立在沙坑上。

测试时，控制上锤芯不同的提升高度，获得不同的打击能量，利用测试系统进行数据采集和记录，数据采样周期为1ms。图5 展示了某能量下，锤筒和下锤芯的应变采集情况。

从图中可以看出，在锤芯上下运动过程中，锤筒的受力出现变化，并且提升力稍大于下落时的力，从而证实下落时的加速度可以达到2g。从受力可以分析出提升高度和运动速度等参数，从而验证液压打桩锤的设计参数是否满足要求。

图5 数据采集结果

通过对不同能量等级的测试结果表明，该液压打桩锤的主要结构参数满足设计要求。图6 给出了反映液压打桩锤主要性能的打击能量实测和理论对照结果。

图6 打击能量实测和理论对照图

从实际的测试结果来看，实测的能量值略大于理论的能量值，这是由两个原因造成。

1）在锤芯提升和下降过程中摩擦力的影响，理论计算时取得摩擦系数可能偏大。

2）在提升过程中由于惯性的存在，锤芯提升至下降过程中的实际上冲高度可能比理论计算的偏大造成。在能量较低时，由于锤芯提升高度小，摩擦力和惯性力影响较小，上冲行程较小，所以实际能量值和理论计算值比较接近。

4 结论

通过实际应用，验证了TZ1900KJ 液压打桩锤测试系统能够正确测试出液压打桩锤的力能参数和冲击过程的下锤芯和筒体状态，验证了液压打桩锤设计主要参数，可为后续液压打桩锤的设计提供有益参考。但由于在工厂只能进行近似的模拟，与实际打桩过程还有一定差别，尤其是拒锤时液压打桩锤的受力状态还很难在工厂条件下进行实际模拟，还需要在后续的工程实践中做进一步的测试和总结。