技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种用于建筑工程
基础施工的桩工机械，尤其涉及一种具有大流量液压系统且能实现
液压缸差动连接的液压打桩锤。
背景技术
[0002] 桩基础是一种广泛应用于陆上和海上的建筑工程基础形式，尤其是随着我国工程建设的日益发展与进步，近年来我国海洋工程、填海造岛、海上
风电、大型
桥梁及陆上
高层建筑等均取得了很大的进步，这些工程不仅工程系数非常高，而且桩基施工难度均变得越来越高，其
基桩长度和直径也变得越来越大，这就要求用于将基桩贯入
地层的桩工机械具有更高的打击能量和更高的打击
频率。
[0003] 现有的桩工机械主要有振动式、静压式和锤击式桩工机械。由于静压沉桩机需要巨大的压载
配重，因而静压沉桩无法适用于大型基桩的沉桩施工。振动沉桩具有施工范围广，能进行沉、拔桩作业，可进行管桩、全
套管灌注桩、
钢板桩等多种桩型的施工，但振动桩锤克服桩尖端阻
力的能力较弱，尤其是当基桩顶端尺寸较大，振动锤难以克服桩端阻力而实现沉桩；在对大直径基桩施工中，振动锤仅能先将大口径圆筒振沉而插入深厚软土地基中形成一个隔
水的围护结构，然后在这个排空水的围护空间中借助其他桩锤向地基植桩或构筑承载桩，因此，振动锤并不能直接对大型基桩进行沉桩作业，而只是完成了一个围护工艺结构的插入。故而大型基桩的沉桩施工往往只能使用锤击式打桩机进行作业。
[0004] 现有的锤击式打桩机主要有柴油锤和液压锤。其中柴油打桩锤是重要的桩工机械之一，它的结构形式主要有导杆式柴油打桩锤和筒式柴油打桩锤。导杆式柴油打桩锤其工作原理类似于单缸二冲程柴油机，它以
柱塞为锤座压在桩帽上，以汽缸为锤头沿两根导杆升降，打桩时桩塞相对不动，缸锤则相对柱塞作上下弹跳，当缸锤向下运动并使其缸孔罩入带有柱塞环的柱塞时，则缸腔中的气体被
活塞环密封，缸锤越向下运动，缸腔中的气体压力越大，气体
温度升高，当达到一定压力和温度时，高压燃油被喷入缸腔而爆炸，爆炸产生的
动能一方面将桩送下，另一方面使缸锤跳起以准备下一循环。筒式柴油打桩锤在进行施工作业时，上活塞从
起落架上脱落而自由下落，当上活塞下落经过下汽缸的吸排口时，开始压缩下汽缸内的空气，当上
活塞头部撞击下活塞冲击面并使柴
油雾化飞溅到
燃烧室内，同时将桩打下；燃烧室内的油雾被点燃爆炸，所产生的爆炸力继续将桩往下打，并使上活塞向上弹跳，然后上活塞再次下落点燃油雾，如此循环往复，实现打桩施工的作业。不管是导杆式柴油打桩锤，还是筒式柴油打桩锤，工作时总是存在大量的燃油
化学能未被转换为有用的打击动能而是被转化为
热能，有效能量转换率低，容易造成燃烧恶化，燃油燃烧不完全，排气烟度高，会冒出滚滚黑烟，产生大量的有害烟气和烟灰颗粒物；加之缸腔结构粗放，冲击震动强烈，还会产生剧烈的燃
爆震动和爆炸冲击，引起强烈的低频、高强噪声。噪声、振动和油烟污染是柴油锤无法解决的问题，而且柴油锤由于
热容积和效率的限制，理论上讲最大的柴油锤的冲击锤芯
质量也只能达到15吨，这与大型基桩数百千焦甚至成千千焦的打击能量要求明显相距甚远，根本不能满足大型预制桩的施工要求。
[0005] 现有的液压打桩锤按其结构和工作原理主要有单作用式和双作用式两种，虽然液压打桩锤具有打桩效率高、噪声低振动小、无油烟污染的特点，但由于现有液压控制回路的通流量小，压力损失大，抗油污能力弱，动作灵敏度不高，存在冲击速度低、响应速度慢、锤击作用时间长以及结构刚性差的不足，这些结构的液压打桩锤随着打击速度和打击能量的提高，不可避免地会在液压缸油腔中形成背压，打击能量和速度均受到限制，同样无法满足大型基桩数百千焦甚至成千千焦的打击能量要求。中国
专利ZL97122587.7公开了一种液压锤，该液压锤以单杆双作用液压缸为动力源，并通过一特定设计的滑芯控制
阀实现液压缸两腔室连接，该专利方案的目的在于提高液压锤的工作可靠性。但该技术方案的液压锤中的滑芯
控制阀结构十分复杂，不仅会给装配、维护都带来困难，而且
阀体的响应速度又制约着液压锤的打击频次和打击能量；尤其是液压缸受两滑芯阀的限制而使得液压系统的通流量无法提高，仅适用于小流量液压系统，难以实现大流量、高频次和大冲击行程，只出现在小型建筑施工中。随着建筑工程向大型化方向发展，施工环境要求日益严格的条件下，桩工机械需要有更大的打击能量和更简捷的结构设计，以及更为可靠的工作性能。实用新型内容
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高频大能量液压打桩锤，不仅无燃油烟气颗粒物排放，对施工环境影响小，而且便于操作控制，能实现高频次大能量打击。
[0007] 为了解决上述技术问题，本实用新型的高频大能量液压打桩锤，包括
液压泵和锤芯，该锤芯可往复滑动地支承于锤芯导向件上，在锤芯导向件上固定安装有液压缸，液压缸的
活塞杆外伸端与锤芯相连接，所述液压缸包括相互间隔套装的内
缸套和外缸套，内缸套和外缸套的两端分别固定设置有缸底和缸盖，在内缸套和外缸套之间形成进油通道；所述内缸套内活动设置有活塞，与活塞固定连接的活塞杆沿轴向穿过缸盖和静压支承套而支承于静压支承套上，静压支承套固定安装于缸盖上，在静压支承套上设置有静压进油口和静压回油口；在缸底上设置有缸体进油口和缸体回油口，缸体进油口与内缸套和外缸套之间的进油通道相连通，该进油通道又通过内缸套上的进油孔通向液压缸的有杆腔，缸体回油口与液压缸的无杆腔连通；
液压泵的出油口并向连通至缸体进油口和第二插装阀的压力油口P口，第二插装阀的B油口与第一插装阀的A油口相连通，第一插装阀的B油口连向缸底上的缸体回油口，第一插装阀的回油口T口与油箱连通；控制阀的P油口与第二插装阀的压力油口P口连通，控制阀的T油口与第一插装阀的回油口T口连通，控制阀的A油口与第一插装阀的第一插装阀控制腔连通，控制阀的B油口与第二插装阀的第二插装阀控制腔连通。
[0008] 在上述结构中，由于采用液压缸作为提锤的动力源，工作过程中既不会产生剧烈的燃爆震动和爆炸冲击所引起的高强度噪声，更不会产生有害烟气颗粒等污染物所引起的大气污染，能够实现洁净施工，对周围环境影响小，容易满足日益严格的环保要求；采用液压缸作为动力源还具有高能效的特点，液压泵所产生的液压能大部分被转换为打击锤体的
势能，且油路液压损失小，其能效率达到80%以上，远高于不足30%的柴油打桩锤的能效率，具有打击能量大、能效率高的优势。还由于液压缸的缸体采用了内、外缸套相互套装的缸体结构，这种结构大大提高了液压缸的整体刚性和结构
稳定性，有效地增强了液压缸的抗冲击、抗震动能力，更适用于高频次大能量的冲击打桩锤；在内、外缸套间形成的进油通道，简化了液压缸油路结构，使进、出油路能方便地集中于主控制阀
块，结构紧凑合理，控制更加可靠，减少液压缸与高压油管的连接点，避免漏油、泄油等故障的发生机率，使用更加安全可靠，也有效地减少了连接油管的长度和占用空间，避免打桩锤使用中因油管缠绕、碰撞和冲击而形成的使用故障，因此套缸结构不仅结构合理紧凑，使用安全可靠，而且便于实现液压缸大流量、高频次工作，抗冲击性能好，故障率低。又由于本实用新型中的液压缸和插装阀控制液压系统能够构成差动液压系统，在打桩锤提锤时，液压泵所产生的高压油直接进入到液压缸的有杆腔，而无杆腔的回油又直接地回流到油箱中，进油和回油流道顺畅快，阻力小，流量大；打桩锤落锤时液压缸的进油口和回油口通过插装阀相互连通，而形成差动连接，使得有杆腔和无杆腔相互连通，无杆腔的流量除了液压泵的供油外，还多了从有杆腔补入的回油，液压泵的供油和有杆腔的油液汇合一起流向无杆腔，流量增大，使得活塞带动活塞杆快速向下落锤。同时由于液压缸有杆腔和无杆腔活塞面积差，带来了活塞两端的受力差，落锤时锤芯除受到重力作用外，还增加了活塞向下的液压推力，使得锤芯对基桩的打击力更大，因此该差动连接的液压系统不仅打击能量大，而且往复运动速度快，实现了高频次、大能量的打击沉桩。本实用新型的液压控制系统采用先导控制阀加插装阀而构成了插装阀方向控制系统，流通能力大，压力损失小，主阀芯行程短，响应快，动作灵敏，同时还具有结构简单、控制方便，工作稳定可靠的特点，保证液压锤实现大流量、高速度以及高打击能量的要求，满足了打桩锤向大型化、大吨位方向发展的实际需要。又由于活塞杆沿轴向穿过缸盖和静压支承套而支承于静压支承套上，该结构使得活塞杆与静压支承套之间形成静压油膜，活塞杆在高速往复运动中均被压力油膜与支承套隔开，滑动阻力大大减少，
摩擦系数大为降低，使得液压缸的使用寿命和可靠性均得到极大保证，工作稳定，使用寿命长。在静压支承套上设置静压进油口和静压回油口，不仅保证了静压油膜的可靠稳定，支承效果好，而且能够避免打桩锤高频打击过程中所产生的热量积聚，使得油膜温度分布均匀稳定；内、外缸套之间形成的进油通道通过内缸套上的进油孔通向液压缸的有杆腔，这种结构还便于形成活塞缓冲结构，避免落锤时活塞下行对缸体和缸盖的冲击破坏。
[0009] 本实用新型的一种优选实施方式，所述液压缸的下端通过缸盖支承于下支承
法兰上，液压缸的上端支承于上支承法兰上，上支承法兰和下支承法兰相互固定连接；下支承法兰固定安装于锤芯导向件的上方。结构紧凑简单，整体刚性好，便于安装维护。
[0010] 本实用新型的优选实施方式，所述锤芯导向件采用筒式导向结构，锤芯滑动设置于该导向筒内。导向性能好，落锤打击准确，能有效保护锤芯。
[0011] 本实用新型的进一步实施方式，所述下支承法兰通过连接套筒和套筒连接法兰固定支承于筒状的锤芯导向件上端。该结构不仅简单合理，便于制造和安装，而且方便了对液压缸的维护。
[0012] 本实用新型的优选实施方式，所述活塞杆的外伸端固定连接有连轴节，该连轴节的一端铰连有锤芯
连杆，该锤芯连杆的另一端设有连杆凸肩，在连杆凸肩上下两侧分别安装有上蝶簧和下蝶簧，该上蝶簧和下蝶簧通过蝶簧压盖压装于锤芯所对应的蝶簧安装孔中。采用连轴节和锤芯连杆结构使锤芯连杆与连轴节铰连，避免了锤芯运动冲击偏心对液压缸和活塞杆所产生的扭弯作用而所形成的破坏作用，保证液压缸正常工作；锤芯连杆通过蝶簧与锤芯相连，不仅减轻锤芯冲击对液压缸的负面影响，而且防止了因冲击振动所带来的连接件松动。
[0013] 本实用新型的优选实施方式，所述静压支承套嵌装于缸盖上，在静压支承套和活塞杆之间设置有静压油隙；液压泵的出油口经过减压阀连向静压进油孔。静压支承套上的静压进油孔和静压回油孔与静压油隙相连通；在静压进油孔和静压回油孔的外侧均设置有静压
密封件。实现了对活塞杆可靠的静压支承，使之在静压支承套和活塞杆之间形成稳定的支承油膜，具有摩擦阻力和摩擦功耗小的优点。
[0014] 本实用新型优选实施方式，所述缸体进油口上连通有高压
蓄能器；所述第一插装阀的T口连通有回油蓄能器；所述液压泵的出油口连通有稳压溢流集成阀。所述控制阀为二位四通电磁换向阀，所述液压泵为变量柱塞泵；所述回油蓄能器和
高压蓄能器为气囊式蓄能器或活塞式蓄能器。该系统能有效平稳液压系统油压，吸收高压脉动，防止高压油返流，保证液压系统稳定工作。
[0015] 本实用新型优选实施方式，所述第一插装阀的A油口和B油口均通向第一插装阀
工作腔；所述第二插装阀的压力油口P口与第二插装阀工作腔相通。能够实现大流量，快速工作。
附图说明
[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本实用新型高频大能量液压打桩锤作进一步详细说明。
[0017] 图1是本实用新型高频大能量液压打桩锤（机械结构部分）一种具体实施方式的结构示意图；
[0018] 图2是图1所示实施方式中液压缸和液压控制回路的系统结构示意图；
[0019] 图3是图1所示实施方式中液压缸的剖面结构示意图；
[0020] 图4是图3所示结构中的Ⅰ部局部结构放大示意图；
[0021] 图5是图1所示实施方式中锤芯连接结构示意图；
[0022] 图6是图5所示结构的Ⅱ部局部结构放大示意图；
[0023] 图7是图5所示结构的连轴节和锤芯连杆的连接结构示意图；
[0024] 图8是图5所示结构中锤芯连杆的结构示意图。
[0025] 图中，1—缸底、2—缸体座、3—内缸套、4—外缸套、5—进油孔、6—连接隔套、7—缸盖、8—静压支承套、9—泄油孔、10—静压进油孔、11—静压回油孔、12—活塞杆、13—活塞、14—缸体进油口、15—缸体回油口、16—液压泵、17—第一插装阀、18—第一插装阀控制腔、19—第一插装阀工作腔、20—第二插装阀、21—第二插装阀控制腔、22—第二插装阀工作腔、23—控制阀、24—稳压溢流集成阀、25—
节流阀、26—减压阀、27—回油蓄能器、28—高压蓄能器、29—油箱、30—提锤筒、31—集成主阀块、32—上支承法兰、33—蓄能器、34—
支撑件、35—下支承法兰、36—连接套筒、37—套筒连接法兰、38—连轴节、39—锤芯
连接杆、40—蝶簧压盖、41—上蝶簧、42—蝶簧安装座、43—下蝶簧、44—蝶簧底座、45—锤芯导向件、46—锤芯、47—导向件连接法兰、48—替打活塞、49—活塞套筒、50—活塞限位件、51—静压密封件、52—静压油隙、53—铰支
垫片、54—铰支隔套、55—铰支
垫圈、56—铰支压盖、57—连杆凸肩、58—连杆球头。
具体实施方式
[0026] 如图1所示的高频大能量液压打桩锤（锤芯处于打桩
位置），该液压打桩锤的锤芯46为一呈圆柱状重达五十吨的
合金钢铸件，该圆柱锤芯的外径1.5米，高5.1米；锤芯导向件
45采用筒式导向结构，即锤芯导向件45呈钢质圆柱筒状结构，锤芯46可以沿筒状锤芯导向件轴心线上下往复滑动地置于锤芯导向件45的筒管内。在筒状的锤芯导向件45的下端通过导向件连接法兰47固定连接有活塞套筒49，该活塞套筒49同样采用筒管状结构，在活塞套筒49内活动放置有替打活塞48，打击时该替打活塞48的上顶面直接受锤芯46的落锤打击，替打活塞48的下底面则为弧形面，替打活塞48通过弧形面支承于基桩的桩顶上；锤芯46的落锤打击力通过替打活塞48传递给基桩，从而有效保护桩头不被击伤击坏。替打活塞48的腰部采用缩腰结构，活塞卡接件50采用剖分式卡接环结构，活塞卡接件50的卡接环活动卡插于替打活塞48的缩腰部位置，该活塞卡接件50固定安装于活塞套筒49上，这种结构使得替打活塞48在活塞套筒49内沿轴向可以在有限行程内运动，而不致与活塞套筒49脱落分离。
[0027] 打桩锤的液压缸下端的缸盖7固定连接而支承于下支承法兰35上，液压缸上端通过缸底1和缸底座2固定支承于上支承法兰32上；上支承法兰32和下支承法兰35通过支撑件34相互固定连接，从而构成一稳定的
框架结构，液压缸位于该刚性框架的中心位置，在液压缸外侧面还套装有液压缸护套，该液压缸护套固定设置于上支承法兰32和下支承法兰35之间，液压缸护套不仅有效保护了液压缸，而且增强了液压缸的支承结构稳定性。在液压缸护套的外周还固定安装有蓄能器33，该蓄能器33包括液压控制系统的高压蓄能器28和回油蓄能器27，这种结构使得蓄能器更接近液压缸，便于蓄能器在工作时快速反应和吸收脉动。
[0028] 下支承法兰35通过连接套筒36和套筒连接法兰37固定安装于呈筒状结构的锤芯导向件45的上端，这种结构有利于液压缸的安装和维护。在上支承法兰32上固定连接有提锤筒30，在提锤筒30内设置有集成主阀块31，该集成主阀块31可以减少液压系统的连接油管和油路
泄漏点。在提锤筒30的顶部设置提锤吊
耳，以便起吊整个打桩。
[0029] 如图2、3所示，液压缸包括相互同心间隔套装的内缸套3和外缸套4，在内缸套3和外缸套4的间隙之间形成了进油通道。内缸套3和外缸套4的上端固定
焊接有缸体座2，在缸体座2上固定连接有缸底1，缸底1上设置有缸体进油口14和缸体回油口15。在内缸套3内活动设置有活塞13，该活塞13的下端固连有活塞杆12，缸底1上的缸体进油口14经缸体座2上的对应流道与内缸套3和外缸套4之间的进油通道相连通，该进油通道经内缸套3下端位置的进油孔连向液压缸内缸套3的有杆腔；缸底1上的缸体回油口15与液压缸的无杆腔相连通。内缸套3和外缸套4的下端固定连接于连接隔套6上，内缸套3和外缸套4下端通过连接隔套6与缸盖7固定连接。在缸盖7上还固定安装有静压支承套8，活塞杆12穿过缸盖7和静压支承套8而支承于静压支承套8上。
[0030] 打桩锤的液压控制回路部分包括有液压泵16，该液压泵16可以为单一或多个串并联的变量柱塞泵构成。液压泵16的吸油口连向油箱29，液压泵16的出油口并行地连通至缸体进油口14和第二插装阀20的压力油口P口，第二插装阀20的B油口又与第一插装阀17的A油口相连通，第一插装阀17的B油口连向缸底1上的缸体回油口15，第一插装阀17的回油口T口与油箱29相连通。在第一插装阀17的回油口连通有回油蓄能器27，以吸收回油脉动，在缸体进油口14连通有高压蓄能器28，该高压蓄能器28具有储能和吸收脉动的双重作用，差动时高压蓄能器28还增加液压油路中的压力和液压油流量。回油蓄能器27和高压蓄能器28均采用活塞式蓄能器。
[0031] 控制阀23采用二位四通电磁换向阀，该控制阀23作为
先导阀与两个插装阀（第一插装阀17、第二插装阀20）组成插装阀方向控制回路。控制阀23的P油口与第二插装阀20的压力油口P口连通，控制阀23的T油口与第一插装阀17的回油口T口连通，控制阀23的A油口与第一插装阀17的第一插装阀控制腔18连通，控制阀23的B油口与第二插装阀20的第二插装阀控制腔21连通。第一插装阀17的A油口和B油口均通向第一插装阀工作腔19；所述第二插装阀20的压力油口P口与第二插装阀工作腔22相通。
[0032] 液压泵16的出油口还经过减压阀26和节流阀25连向静压支承套8上的静压进油孔10。减压阀26和节流阀25使得进入静压支承套8的油液具有适应的油压和流量。在液压泵16的出口油口还经过稳定溢流集成阀24连向油箱29，该稳压溢流集成阀24包括一插装阀和溢流阀。
[0033] 如图4所示，在静压支承套8上设置有静压进油孔10的静压回油孔11，在静压支承套8和活塞杆12之间形成静压油隙52，静压油隙52的两端外侧均设置有静压密封件51，静压进油孔10和静压回油孔11均与静压油隙52相连通，位于静压进油孔10上侧的静压回油孔11通向油箱29。在静压支承套8上还设有泄油孔9，该泄油孔9的两侧也设置有静压密封件51，泄油孔9也通向油箱29，泄油孔9位于静压进油孔10的下方，泄油孔9用于将泄漏油引向油箱，以避免对施工环境的影响。静压密封件51嵌装于静压支承套8的密封槽中，该密封件采用常用的
橡胶密封件。
[0034] 如图5所示，液压缸的活塞杆12外伸下端与连轴节38通过
螺纹相互固定连接，活塞杆12连接于连轴节38的上端。连轴节38的下端与锤芯连杆39相互绞连，锤芯连杆39的下端通过蝶簧结构固定连接于锤芯46上，该蝶簧结构包括上蝶簧41和下蝶簧43。
[0035] 如图6、图8所示，锤芯连杆39上设有连杆凸肩57，在连杆凸肩57的上下两侧分别通过与之对应的蝶簧衬套套装有上蝶簧41和下蝶簧43，上蝶簧41和下蝶簧43均由多片蝶
簧片叠置而成。上蝶簧41和下蝶簧43又通过蝶簧安装座42安装于锤芯46所对应的蝶簧安装孔中，通过
螺栓连接于蝶簧安装孔孔口的蝶簧压盖40将上蝶簧41和下蝶簧43压装于锤芯46的蝶簧安装孔中，下蝶簧43支承于蝶簧底座40上，蝶簧底座40安装于锤芯46上的蝶簧安装孔的孔底。
[0036] 如图7、图8所示，锤芯连杆39的顶端为连杆球头58，连杆球头58的上下支承面处于同一圆球面上，连杆球头58的上支承球面支承于铰支垫片53上，连杆球头58的下支承球面上套有铰支垫圈55，在铰支垫片53和铰支垫圈55之间设置有铰支隔套54，铰支垫圈55和铰支垫片53通过铰支压盖56被压装于连轴节38下端的铰连安装孔中，位于铰支压盖56中心位置的连杆孔孔径大于锤芯连杆39的杆径，铰支压盖56通过螺纹旋接于连轴节38的铰连安装孔的孔口位置。
[0037] 当控制阀23处于图2所示位置时，第一插装阀控制腔18经控制阀23的A油口和P油口与液压泵16的出油口相连通，第一插装阀17处于关闭状态；此时第二插装阀控制腔21经控制阀23的B油口和T油口通向油箱29，第二插装阀20处于打开状态；此时缸体进油口14经过第二插装阀工作腔22、第二插装阀20的B油口、第一插装阀工作腔19与缸体回油口15相连通，液压缸形成差动连接，液压油推动活塞快速下行。
[0038] 当控制阀23的滑芯处于另一工作位置时，第一插装阀控制腔18经控制阀23的A油口和T油口与油箱29连通，第一插装阀17处于打开状态，缸体进油口14经第二插装阀工作腔19通向油箱29；第二插装阀控制腔21经控制阀23的油口和P油口与液压泵16的出油口连通，第二插装阀20关闭，差动回路被关闭，液压泵16的压力油直接进入缸体进油口14后，再经进油通道和进油孔5进入到液压腔的有杆腔中推动活塞上行，而实现提锤，此时液压缸无杆腔中的压力油经缸体回油口15和第一插装阀17回流至油箱29，从而实现快速进油和快速回油。
[0039] 上述举出了本实用新型的一种具体实施方式，但本实用新型并不限于此，在不违背本实用新型基本原理的前提下还有许多的改进和变换。如锤芯导向件除采用筒式结构外，还可以是导杆式等常用的打桩锤导向结构；筒式的锤芯导向件不仅可以是圆筒状，还可以是矩筒状等筒管式结构。液压泵既可以是变量柱塞泵，也可以是其他常见类型的液压泵。蓄能器同样可以是活塞式、气囊式等结构形式的蓄能器。在液压缸外周侧既可以套装液压缸护套，也可以不套装液压缸护套。液压缸在锤芯导向件上方的固定支承方法，更不局限于本
实施例的结构，其支撑件同样可以采用筒式结构。静压支承套既可以是固定连接于缸盖上，也可以是嵌装于缸盖内。这些变换和改进均落入本实用新型的保护范围内。
