技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
水利
水电、交通港口、公路、
铁路系统等工程制桩设备，具体与冲孔桩机有关。
背景技术
[0002] 目前路桥施工，尤其是在国家大
力发展交通的背景下，针对高架铁路、高架公路、
桥梁桥墩的施工过程中，需要将墩固立于地下的
岩石层中，以确保桥梁的稳固。因此在桥墩孔的形成上必须保证墩孔的深度达到岩石层中，这样就需要有专用的设备向地面下打孔，并在打孔的过程中将多余的泥土/浆和碎石
挤压到孔的两侧或清理出去，以不断的继续向下打孔。
[0003] 目前上述的打孔主要是利用重锤(也称为冲击钻)通过冲孔桩机来实现，现有的冲孔桩机主要为手动控制，其结构包括有
机架、机座、安装于机座上的
电动机、通过
联轴器与电动机相连的变速箱、与变速箱
输出轴相连且是定轴的卷筒、与卷筒相隔一定距离的第一定
滑轮、高于机座的第二定滑轮、一
钢丝绳和连接于
钢丝绳一端的重锤，所述的钢丝绳另一端依次绕设于第二定滑轮和第一定滑轮后卷绕并固定于卷筒上，及
刹车控制
手柄和
离合器控制手柄。提升重锤至一定高度并使其突放自由降落，往复利用重锤冲击
动能冲挤土层或
破碎岩石成孔。部分碎渣和泥浆被挤入孔壁中，大部分成为泥浆或碎渣，利用掏渣筒或其它方法将泥渣排出孔外。然后再放下
钢筋笼，灌注
混凝土成桩。所以当需要落锤(冲击钻)时，需松开离合器控制手柄，重锤即会从第二定滑轮上自由下落，在预设的孔位内由上而下撞击，
粉碎泥土和渣料，当需要再次提锤冲击墩孔或清理被粉碎的泥土或渣料时，则需要由操作人员用力拉动离合器控制手柄，使卷筒正转而将重锤提起。为了使桩孔中不能被看到的重锤起落点准确，一般是在地面以上的钢丝绳中部系一标记物，操作人员根据标记物的
位置来判断重锤的位置决定是否提锤或落锤。
[0004] 如图7所示，目前的冲孔过程中的提锤和落锤有两个重要要求：
[0005] 1、根据桩孔冲击面硬度不同，确定不同的提锤高度h1(图7-a)，冲击面硬度低时提锤高度小，硬度高时则提锤高度大；
[0006] 2、落锤到桩孔底部时能有效冲击冲击面并且钢丝绳保证一定的
张力(图7-c)，防止绳松引起歪锤(图7-d)导致斜孔、偏孔。
[0007] 冲孔过程中应避免的三个现象：1、锤未落到桩孔底部进行有效冲击就被强行向上拉起(即空锤现象)，这会导致整个桩机强烈振动，
加速桩机损坏，导致桩机移位和移位后偏孔；2、重锤落到桩孔底部冲击后，钢丝绳无张力或太松引起重锤歪斜在桩孔底部，这种状态会引起斜孔、偏孔和卡锤的情况发生(图7-d)；3、重锤落到桩孔底部冲击后，卷筒未被及时停转，溜放钢丝绳太多，可能会导致钢丝绳从两个定滑轮中跳出，或卷筒乱绳、反绕绳及钢丝绳弹出伤人等事故。
[0008] 以上冲孔过程中提锤和落锤的两个重要要求和三个应避免的现象就要求操作工对提锤和落锤时间进行准确掌握，提锤和落锤在冲孔过程中都是通过控制离合器的分、合来实现的，拉动离合器控制手柄使控制离合器由完全分开到完全有效
啮合，肯定有一个时间差。落锤时重锤是自由落体运动，速度快且卷筒呈微小阻力快速溜放钢丝绳，综上所述，一般人员很难把握提锤、落锤的准确控制。
[0009] 另外，上述的操作还有如下缺点：
[0010] 1、操作过程中需要人不断用力的拉动或退回控制手柄往复操作，按每天2班工作16小时，每10秒钟冲孔一次计算，工作一天共需要操作手柄11520次，劳动强度非常大，这样会非常浪费人的体力；导致目前冲孔桩机操作工因太劳累很少人愿意从事该工作；
[0011] 2、当操作人员劳累到需要休息时，往往需要停工而影响施工进度；
[0012] 3、由于人工操作不可能像机械控制那样，需要休息，而且疲劳操作使动作容易
变形，容易形成有害的空锤现象，浪费资源和容易损坏机器；或出现钢丝绳松驰的情况，这时钢丝绳就容易从滑轮上脱落，影响到下一个工序的正常进行，也容易导致桩孔的偏移，影响工程
质量；
[0013] 4、国内外广泛使用手动冲孔桩打桩的技术已有20多年历史，其存在劳动强度大、操作难以准确控制和打桩速度慢的缺点，各厂家一直致力开创自动控制技术，由于种种限制，至今未有实质进展，如：
[0014] 一、利用时间的方式来发出提锤和落锤
信号来实现自动控制，由于下面两个
缺陷导致空锤、歪锤经常发生，并且开始冲孔几分钟后因为时间累计误差增大就不能连续工作了，原因一：冲孔桩机中有离合器方式传动，因为固定了提锤时间，在冲孔过程中离合器不能绝对避免打滑现象发生，所以每次提锤高度就不相等；原因二：因提锤、落锤时间已设定，所以提锤高度、落锤高度会随着重锤的速度而变化，而重锤速度又会随着重锤在桩孔中移动时所受的阻力而变化，如桩孔中的泥浆厚薄会影响重锤在桩孔中移动时所受的阻力，所以提锤高度、落锤高度在每一次冲孔过程中也不相同。
[0015] 二、寻求和卷筒同轴同心安装旋转
编码器和PLC可编程
控制器配合检测卷筒旋转
角度来精确
定位重锤位置，由于冲孔桩机的卷筒轴是定轴方式，且冲孔时卷筒会轴向左右频繁移动，定位不上也无法联接，故应用不上此技术。
发明内容
[0016] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种节约操作人员体力、施工安全且能延长设备使用寿命的冲孔桩机。
[0017] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0018] 一种含有汽缸控制的自动冲孔桩机，包括设于机架上的机座、安装于机座上的电动机、通过联轴器与电动机相连的减速箱、卷筒、与卷筒相隔一定距离的第一定滑轮、高于机座和第一定滑轮的第二定滑轮、一钢丝绳和连接于钢丝绳一端的重锤，其中，所述减速箱输出轴连接有一小
齿轮，另有一大齿轮与
小齿轮啮合，所述大齿轮套设于一固定轴上，所述卷筒与大齿轮呈可分离的锥形
摩擦片式连接，所述钢丝绳另一端依次绕设于第二定滑轮和第一定滑轮后卷绕并固定在卷筒上，所述大齿轮内侧的锥凸部设有一锥形摩擦片并通过一
轴承套设于固定轴上，所述卷筒通过轴承套设于固定轴上，所述轴承与轴承间设有一使卷筒常态向外并使卷筒脱离大齿轮锥形摩擦片的
弹簧，所述卷筒外侧处的机座上设有一通过
支架固定并利用转臂与卷筒外部相接的离合汽缸，所述离合汽缸通过离合用电磁气
阀和离合用继电器52电连接于一PLC可编程控制器，并根据PLC可编程控制器发出的指令松开或
压缩弹簧以使卷筒与大齿轮锥形摩擦片进行离合，并与
制动汽缸相配合以实现卷筒的有效转动及相应的制动，从而使重锤进行上、下移动或停止。
[0019] 优选的，还包括一和PLC可编程控制器电连接的制动用继电器43，一和制动用继电器电连接的制动用电磁气阀，以及一和制动用电磁气阀气连接的制动汽缸，所述卷筒外侧端部设有抱闸制动装置，所述的制动汽缸通过传动
连杆与抱闸制动装置相连，制动汽缸通过气路和
电路收到PLC可编程控制器发出的制动指令后连动抱闸制动装置对卷筒进行制动。
[0020] 优选的，所述卷筒外端同心安装有一齿轮盘，所述齿轮盘外缘间断分布有多个凸齿，还包括有一PLC可编程控制器，齿轮盘上方设有用于感应凸齿并电连接于PLC可编程控制器的至少两个
传感器，PLC可编程控制器通过第一传感器和第二传感器感应到的齿轮盘转动方向和凸齿经过传感器的数量计算出齿轮盘所转的角度及钢丝绳的运动方向和距离，以在冲孔过程中自动控制重锤的上、下位置和精确运动。
[0021] 优选的，所述齿轮盘凸齿为金属材料制成且齿顶为一平面，传感器包括有第一传感器和第二传感器，所述的第一、第二传感器距离齿顶平面间具有一间距，所述间距恰好使第一传感器与第二传感器只能感应到与其垂直的齿顶而不能感应到与其垂直方向的齿根或齿部下缘，所述的第一传感器与第二传感器的被感应具有先后顺序。
[0022] 优选的，所述齿顶经过第二传感器首先被感应，齿轮盘继续同向转动则第一、第二传感器均被感应，齿轮盘继续同向转动后第二传感器感应消失而第一传感器继续被感应，齿轮盘继续同向转动则第一传感器和第二传感器的感应均消失，此时即完成一个感应周期，每一个感应周期即代表齿轮盘转过一个齿所转动的角度，PLC可编程控制器根据已编写的程序进而测定出钢丝绳在一个感应周期时间内在卷筒上所转动的距离和重锤变化的高度，进而根据PLC可编程控制器中的已编写的程序计算和给出各种操作指令。
[0023] 采用上述方案后，在相应的条件下需要让卷筒与大齿轮离合时，可以按动相应的离合按钮，PLC可编程控制器接到此指令后即会控制离合汽缸工作控制离合汽缸实现对卷筒与锥形摩擦片的离合，这样就可以用执行元件汽缸代替人力操作，节约操作人员的体力，使操作人员有更多的精力对施工操作进行认真操作，提高了施工效率和控制过程的准确度，同时可以延长机器原使用寿命。
[0024] 本发明进一步的效果在于：通过传感器感应到的凸齿盘转动方向和齿轮盘转过的角度，由PLC可编程控制器根据已编写的程序计算出钢丝绳的移动方向和移动的距离，从而精确的对重锤的位置进行精确定位和利用执行机构中的制动汽缸或离合汽缸进行控制，这样就避免人通过目测的方法和凭手感、经验控制机器所带来的误差和偏孔情况，加快施工
进程并大大的节省操作人员的体力。另外由于控制精确，减少了空锤或脱绳的危害，设备就不会轻易损坏，使设备的寿命得以延长。
附图说明
[0025] 图1是本发明冲孔桩机的整体结构示意图；
[0026] 图2是图1的局部放大示意图；
[0027] 图3是本发明冲孔桩机的另一结构示意图；
[0028] 图4是本发明冲孔桩机的电气自动控制部分的流程原理图；
[0029] 图5是本发明冲孔桩机的自动控制部分的
气动原理图；
[0030] 图6是本发明离合控制
丝杆传动结构示意图；
具体实施方式
[0032] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明：
[0033] 如图1至图6所示，本发明包括有工作时安装在机架1上的机座10、电动机11、减速箱13、固定轴19、卷筒20、第一定滑轮14、第二定滑轮15、一钢丝绳2和重锤16，其中：
[0034] 所述机架1上还设有第一支架4、第二支架5和拉杆6，第一支架4的高度与卷筒20高度相当或略高于卷筒20的高度并装设在机架1的近前端，在第一支架4上装设有第一定滑轮14；第二支架5绞设于机架1的前端并高于第一支架4的高度，所述第二支架5的中上部与机架1之间的斜度方向通过一拉杆6连接，并在第二支架5顶端装设有第二定滑轮15；
[0035] 所述电动机11安装在机座10上并为本发明的冲孔桩机提供动力；
[0036] 所述减速箱13通过联轴器12与电动机11相连，其输出轴131上还连接有一小齿轮17；
[0037] 所述机架1上
支撑有一固定轴19，所述固定轴19通过第一轴承26套设有一大齿轮18，大齿轮18能与小齿轮17相互啮合，当小齿轮17被减速箱13的输出轴131带动转动时，则进一步带动与之啮合的大齿轮18在固定轴19上转动；
[0038] 所述卷筒20通过两个第二轴承22套设于固定轴19上，并与大齿轮18呈可分离的连接，所述大齿轮18内侧的锥凸部设有一锥形摩擦片181，所述固定轴在第一轴承26与第二轴承22间套设有一使卷筒20常态向外并脱离大齿轮锥形摩擦片181的弹簧23，弹簧23常态或被外力压缩后即可实现卷筒20与大齿轮18的分离和连接；
[0039] 所述钢丝绳2的一端与重锤16相连，另一端依次绕设于第二定滑轮15和第一定滑轮14后卷绕并固定于卷筒20上；
[0040] 所述卷筒20外端同心安装有一齿轮盘60，该齿轮盘60外缘间断分布有多个凸齿61，该凸齿为金属材料制成且凸齿齿顶610为一平面；
[0041] 一PLC可编程控制器30设于机架1外的电气控制柜3中，齿轮盘60上方设有至少两个电连接于PLC可编程控制器30的传感器70，该传感器70可感应齿轮盘60的转动，本实施例中传感器70为两个，即第一传感器71和第二传感器72；所述的第一传感器71和第二传感器72距离齿顶610平面间具有一间距，所述间距恰好使第一传感器71与第二传感器72只能感应到与其垂直的齿顶610而不能感应到与其垂直方向的齿根611或齿部下缘612，所述的第一传感器71和第二传感器72的被感应具有先后顺序；
[0042] PLC可编程控制器30通过第一传感器71和第二传感器72感应到的齿轮盘60转动方向和凸齿61经过传感器70的数量计算出齿轮盘60所转的角度及钢丝绳2的运动方向和距离，以在冲孔过程中自动控制重锤16的上、下位置和精确运动；
[0043] 另有一与PLC可编程控制器30电连接的制动用继电器43、一与制动用继电器43电连接的制动用电磁气阀41以及与制动用电磁气阀41气路连接的制动汽缸40，参见图4、图5，该制动汽缸40与外部气源117相接，所述PLC可编程控制器30通过制动用电磁气阀41和制动用继电器43控制所述制动汽缸40，所述卷筒20外侧端部还设有抱闸制动装置
21，所述的制动汽缸40通过
传动连杆42与抱闸制动装置21相连，制动汽缸40通过气路、电路收到PLC可编程控制器30发出的制动指令后连动抱闸制动装置21对卷筒20进行制动；
[0044] 所述卷筒20外侧处的机座10上设有通过一第三支架24固定并利用转臂25与卷筒20外部相接的离合汽缸50，第三支架24及设于其上的离合汽缸50的位置并不限于图中所示，参见图4、图5，该离合汽缸50与外部气源117相接，所述离合汽缸50通过离合用电磁气阀51和离合用继电器52电连接于PLC可编程控制器30，并根据PLC可编程控制器30发出的指令松开或压缩弹簧23，以使卷筒20与大齿轮18里的锥形摩擦片181进行离合，并与制动汽缸40相配合以实现卷筒20的有效转动及相应的制动，从而使重锤16进行上、下移动或停止。
[0045] 如图6所示，是关于卷桶20和锥形摩擦片181之间的离合原理图，所述卷桶20外的固定轴19外端加工为带
螺纹槽的丝杆65，丝杆65套设一与之配套的丝杆外套64，一
推杆63与丝杆外套64相连。当推动推杆63，丝杆外套64沿着丝杆65的螺纹槽旋转并向左移动，推动卷筒20与锥形摩擦片181啮合；当拉动推杆63，丝杆外套64沿着丝杆螺纹槽方向旋转，弹簧23将卷筒20沿着固定轴19的轴向向右推动，使锥形摩擦片181与卷筒20脱离。
[0046] 本发明的传感器70对凸齿61感应检测的原理为：当所述一凸齿齿顶610经过第二传感器72的垂直方向时首先被感应，第一传感器71没有被感应，齿轮盘60继续同向转动后，第一、第二传感器均被感应，齿轮盘60继续同向转动后，第二传感器72感应消失而第一传感器71继续被感应，齿轮盘60继续同向转动，第一传感器71和第二传感器72的感应均消失，此时即完成一个感应周期，每一个感应周期即代表齿轮盘60转过一个齿所旋转的角度，PLC可编程控制器30依据已编写的程序计算出钢丝绳2在一个感应周期时间内在卷筒20上所转动的距离和重锤16变化的高度，进而根据PLC可编程控制器30中的已编写的程序计算和给出各种操作指令。
[0047] 如图4所示的流程方
框图，其中自动控制部分即是利用传感器70对凸齿感应检测的原理和PLC可编程控制器中已编写的程序进行相应设定，其各功能描述如下：
[0048] (1)、(控制方式选择)手动控制101：有此输入指令时，装置可进行手动控制操作。
[0049] (2)、(控制方式选择)自动控制102：有此输入指令时，装置可进行自动控制操作。
[0050] (3)、(手动控制)手动提锤103：在手动状态下，有此输入指令时，装置会向上提锤至所需位置；取消此指令后，重锤16会停止移动。
[0051] (4)、(手动控制)手动落锤104：在手动状态下，有此输入指令时，装置会向下落锤至所需位置；取消指令后，重锤16会停止移动。
[0052] (5)、(自动控制)探底确定105：用手动提锤或手动落锤的操作方式，将重锤16溜放至需打桩的最低点位置，且需确保钢丝绳2绷紧，然后
选定自动控制方式，输入本指令一直等到探底确定信号后方可进行下一步骤的自动打锤工作。
[0053] (6)、(自动控制)自动打锤工作106：在探底确定后，装置根据过程工艺调整指令内容自动打锤(向上提锤--→向下自由落体--→冲击桩孔底部--→向上提锤，如此运动)
[0054] (7)、(自动控制)停止107：有此指令时，装置会停止或取消(3)(4)(5)(6)提、落锤动作，重锤16停止移动。
[0055] (8)、自动过程中工艺调整---进给量调节108：此调节档位有多个位置，在自动打锤前，自动打锤过程中都可调节。由操作手根据冲击面软硬情况、每锤能前进的长度来调节。
[0056] (9)、自动过程中工艺调整---提锤高度调节109：此调节档位有多个位置，在自动打锤前、自动打锤过程中都可调节，由操作手根据冲击面软硬情况来调节。
[0057] (10)、自动过程中工艺调整---松紧绳长度调节110：(在自动打锤过程中，由于桩洞内的泥浆稀稠程度不同，会影响重锤16自由落体到桩洞底部的时间，引起绳太松或太紧，太松导致绳会从装置中定滑轮中跳出，重锤16自由落体到洞底时绳松了会导致重锤16歪斜，引起偏孔斜孔；绳太紧了，会引起打空锤，引起机架1强烈跳动而易损坏机器)此调节档位有多个位置，可调节每次松紧绳的长度，由操作手根据实际绳松紧程度实际调节。
[0058] (11)、(过程中调整)松绳111：在自动打锤过程中，如重锤自由落体到桩洞底部时绳太紧，有此指令，绳会松一次。
[0059] (12)、(过程中调整)紧绳112：在自动打锤过程中，如重锤16自由落体到桩洞底部时绳太松，有此指令，绳会紧一次。
[0060] (13)、卷筒位置检测装置113，即第一传感器、第二传感器。
[0061] (14)、工作状态指示114，输出各类工作状态指示信号。
[0062] (15)、离合用电磁气阀51：由PLC可编程控制器发出指令而动作，控制离合
气缸50。
[0063] 16)、制动用电磁气阀41：由PLC可编程控制器30发出指令而动作，控制制动气缸40。
[0064] (17)、气源117：为离合气缸50、制动气缸40提供动力。
[0065] (18)、提锤动作超时指令118：在冲孔桩机施工过程中，由于装置可能会因为离合器脱离不开的故障导致一直向上提锤，为防止发生事故。PLC可编程控制器30根据卷筒位置检测113，在自动打锤工作106状态时，如卷筒20在PLC可编程控制器设定的规定时间范围内，未有放绳落锤动作，此指令会由PLC发出并切断电动机控制回路电源，让电动机11停止工作，避免事故发生。
[0066] (19)、粘锤、卡锤、翻架主机自停机装置119。
[0067] 采用上述方案后，通过传感器感应到的齿轮盘转动方向和凸齿经过的数量，由PLC可编程控制器根据已编写的程序判断和计算出钢丝绳的移动方向和移动的距离，从而精确的对冲孔过程进行精确控制，这样就避免操作人员通过目测的方法控制机器所带来的误差和偏孔情况，加快施工进程并大大的节省操作人员的体力。另外由于控制精确，减少了空锤或脱绳的机率，设备就不会轻易损坏，使设备的寿命得以延长。
