TZ1900kJ液壓打樁錘測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 福，焦學(xué)勇，潘 河，賈 濤

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

打樁錘是公路橋梁、港口碼頭、大陸架勘探、工業(yè)開采、海上風(fēng)電和海底作業(yè)平臺等基礎(chǔ)設(shè)施建造過程中的施工機(jī)械。隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，為節(jié)約成本，大直徑單根鋼管樁越來越廣泛地應(yīng)用在海上風(fēng)電建設(shè)過程中，因此對大直徑鋼管樁的施工設(shè)備——液壓打樁錘需求日益旺盛，對液壓打樁錘能力也提出更高要求。為打破國外技術(shù)壟斷，我公司研發(fā)出TZ1900kJ液壓打樁錘，其最大打擊能量為1 900kJ，可以滿足通常地質(zhì)條件下（非砂石巖層）直徑5.5～6.5m 鋼管樁的施工要求。產(chǎn)品研發(fā)成功后，為驗(yàn)證產(chǎn)品性能，對該液壓打樁錘進(jìn)行了廠內(nèi)試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了一套測試系統(tǒng)來檢測其產(chǎn)品性能，本文就測試原理和測試方法進(jìn)行詳述。

1 工作原理及主體結(jié)構(gòu)

TZ1900KJ 液壓打樁錘工作原理如圖1 所示。其工作原理為當(dāng)電磁閥得電時(shí)，上錘芯在液壓力作用下提升至設(shè)定高度，電磁閥斷電，上錘芯在重力和液壓力的作用下加速下落，以一定的速度沖擊下錘芯，完成一個(gè)打擊過程。液壓打樁錘結(jié)構(gòu)主要包含3 部分（圖2）：上部驅(qū)動系統(tǒng)、外部筒體和上、下錘芯。為了適應(yīng)大直徑鋼管樁的需要，在下部還需要配有過渡樁套筒和替打。TZ1900kJ 液壓打樁錘的主要參數(shù)如下。

圖1 TZ1900kJ液壓打樁錘工作原理圖

圖2 TZ1900kJ液壓打樁錘主要結(jié)構(gòu)

最大打擊能量（kJ） 1900

最小打擊能量（kJ） 190

最大能量時(shí)打擊次數(shù)（次/分） 25

錘體總重量（t） 350

錘體長度（帶殼體）（m） ≈21

上錘芯重量（t） 95

下錘芯重量（t） ≈40

2 測試系統(tǒng)介紹

從其結(jié)構(gòu)和工作原理可知，在錘體提升過程中，液壓力一方面作用在上錘芯上，形成一個(gè)對上錘芯向上的提升力，同時(shí)通過油缸外筒對外部錘筒形成一個(gè)向下的壓力，通過測試外部筒體的應(yīng)變情況，可以測試提升力的大小。在錘體下落過程中，由于液壓作用力方向發(fā)生改變，對上錘芯形成一個(gè)向下的壓力，同時(shí)對外部筒體形成一個(gè)向上的拉力。即在一個(gè)打樁過程中外部錘筒將經(jīng)歷一個(gè)由壓應(yīng)力到拉應(yīng)力的交變變化。由于變形發(fā)生在材料的彈性變形階段，根據(jù)式（1）和（2）可以方便計(jì)算出所受力的大小。采用外部筒體敷設(shè)應(yīng)變片的方法，通過檢測應(yīng)變，獲得錘體應(yīng)變變化，獲得筒體的應(yīng)力，繼而推算出提升力和下打力的大小。

式中σ——材料的應(yīng)力，MPa；

E——材料的彈性模量，MPa；

ε——材料的應(yīng)變，無量綱。

式中F——材料所受到的力，N；

A——材料的受力截面積，m2；

σ——材料的應(yīng)力，MPa。

根據(jù)提升力的大小，可以計(jì)算出提升過程的加速度，并通過加速時(shí)間計(jì)算出錘體的運(yùn)動速度，從而求出錘芯的打擊能量，見式（3）和（4）。

式中V——錘芯的運(yùn)動速度，m/s；

a——錘芯運(yùn)動加速度，m/s2；

t——運(yùn)動時(shí)間，s。

式中E——錘芯打擊能量，kJ；

m——上錘芯運(yùn)動質(zhì)量，kg。

基于上述分析，在外部筒體和下錘芯上敷設(shè)應(yīng)變片。為了安全，應(yīng)變片數(shù)據(jù)采用無線傳輸，利用BeeData 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。圖3 給出了應(yīng)變安裝位置和采集系統(tǒng)構(gòu)成示意。圖4 為現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和應(yīng)變粘貼位置圖。

圖3 測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖4 現(xiàn)場試驗(yàn)和應(yīng)變片粘貼位置圖

3 測試過程

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于無法采用真實(shí)的鋼樁進(jìn)行模擬，采用沙坑模擬。首先在地基上設(shè)置一個(gè)預(yù)制沙坑，并采用一定的緩沖措施與其他基礎(chǔ)相隔離，在沙坑內(nèi)部分層布設(shè)石子和沙子，形成松軟基礎(chǔ)。將液壓打樁錘直立在沙坑上部，利用砂石吸收其下落的沖擊能量。

測試過程中將液壓打樁錘豎直放在試驗(yàn)臺處，起吊鋼絲繩處于懸松狀態(tài)（為了保證安全，以鋼絲繩受力接近0 時(shí)為止，放松長度遠(yuǎn)大于貫入量），液壓錘靠自重立在沙坑上。

測試時(shí)，控制上錘芯不同的提升高度，獲得不同的打擊能量，利用測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，數(shù)據(jù)采樣周期為1ms。圖5 展示了某能量下，錘筒和下錘芯的應(yīng)變采集情況。

從圖中可以看出，在錘芯上下運(yùn)動過程中，錘筒的受力出現(xiàn)變化，并且提升力稍大于下落時(shí)的力，從而證實(shí)下落時(shí)的加速度可以達(dá)到2g。從受力可以分析出提升高度和運(yùn)動速度等參數(shù)，從而驗(yàn)證液壓打樁錘的設(shè)計(jì)參數(shù)是否滿足要求。

圖5 數(shù)據(jù)采集結(jié)果

通過對不同能量等級的測試結(jié)果表明，該液壓打樁錘的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。圖6 給出了反映液壓打樁錘主要性能的打擊能量實(shí)測和理論對照結(jié)果。

圖6 打擊能量實(shí)測和理論對照圖

從實(shí)際的測試結(jié)果來看，實(shí)測的能量值略大于理論的能量值，這是由兩個(gè)原因造成。

1）在錘芯提升和下降過程中摩擦力的影響，理論計(jì)算時(shí)取得摩擦系數(shù)可能偏大。

2）在提升過程中由于慣性的存在，錘芯提升至下降過程中的實(shí)際上沖高度可能比理論計(jì)算的偏大造成。在能量較低時(shí)，由于錘芯提升高度小，摩擦力和慣性力影響較小，上沖行程較小，所以實(shí)際能量值和理論計(jì)算值比較接近。

4 結(jié)論

通過實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了TZ1900KJ 液壓打樁錘測試系統(tǒng)能夠正確測試出液壓打樁錘的力能參數(shù)和沖擊過程的下錘芯和筒體狀態(tài)，驗(yàn)證了液壓打樁錘設(shè)計(jì)主要參數(shù)，可為后續(xù)液壓打樁錘的設(shè)計(jì)提供有益參考。但由于在工廠只能進(jìn)行近似的模擬，與實(shí)際打樁過程還有一定差別，尤其是拒錘時(shí)液壓打樁錘的受力狀態(tài)還很難在工廠條件下進(jìn)行實(shí)際模擬，還需要在后續(xù)的工程實(shí)踐中做進(jìn)一步的測試和總結(jié)。