TZ1900kJ液壓打樁錘測試系統(tǒng)設計

孫 福，焦學勇，潘 河，賈 濤

(1.太重（天津）濱海技術中心，天津 300457；2.太原重工股份有限公司技術中心，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、海上風電和海底作業(yè)平臺等基礎設施建造過程中的施工機械。隨著海上風電的發(fā)展，為節(jié)約成本，大直徑單根鋼管樁越來越廣泛地應用在海上風電建設過程中，因此對大直徑鋼管樁的施工設備——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，可以滿足通常地質條件下（非砂石巖層）直徑5.5～6.5m 鋼管樁的施工要求。產品研發(fā)成功后，為驗證產品性能，對該液壓打樁錘進行了廠內試驗，并設計了一套測試系統(tǒng)來檢測其產品性能，本文就測試原理和測試方法進行詳述。

1 工作原理及主體結構

TZ1900KJ 液壓打樁錘工作原理如圖1 所示。其工作原理為當電磁閥得電時，上錘芯在液壓力作用下提升至設定高度，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，完成一個打擊過程。液壓打樁錘結構主要包含3 部分（圖2）：上部驅動系統(tǒng)、外部筒體和上、下錘芯。為了適應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液壓打樁錘主要結構

最大打擊能量（kJ） 1900

最小打擊能量（kJ） 190

最大能量時打擊次數（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

從其結構和工作原理可知，在錘體提升過程中，液壓力一方面作用在上錘芯上，形成一個對上錘芯向上的提升力，同時通過油缸外筒對外部錘筒形成一個向下的壓力，通過測試外部筒體的應變情況，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，對上錘芯形成一個向下的壓力，同時對外部筒體形成一個向上的拉力。即在一個打樁過程中外部錘筒將經歷一個由壓應力到拉應力的交變變化。由于變形發(fā)生在材料的彈性變形階段，根據式（1）和（2）可以方便計算出所受力的大小。采用外部筒體敷設應變片的方法，通過檢測應變，獲得錘體應變變化，獲得筒體的應力，繼而推算出提升力和下打力的大小。

式中σ——材料的應力，MPa；

E——材料的彈性模量，MPa；

ε——材料的應變，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——材料的應力，MPa。

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

式中V——錘芯的運動速度，m/s；

a——錘芯運動加速度，m/s2；

t——運動時間，s。

式中E——錘芯打擊能量，kJ；

m——上錘芯運動質量，kg。

基于上述分析，在外部筒體和下錘芯上敷設應變片。為了安全，應變片數據采用無線傳輸，利用BeeData 數據采集系統(tǒng)進行數據采集和分析。圖3 給出了應變安裝位置和采集系統(tǒng)構成示意。圖4 為現(xiàn)場實驗和應變粘貼位置圖。

圖3 測試系統(tǒng)構成示意圖

圖4 現(xiàn)場試驗和應變片粘貼位置圖

3 測試過程

在實驗過程中，由于無法采用真實的鋼樁進行模擬，采用沙坑模擬。首先在地基上設置一個預制沙坑，并采用一定的緩沖措施與其他基礎相隔離，在沙坑內部分層布設石子和沙子，形成松軟基礎。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 時為止，放松長度遠大于貫入量），液壓錘靠自重立在沙坑上。

測試時，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)進行數據采集和記錄，數據采樣周期為1ms。圖5 展示了某能量下，錘筒和下錘芯的應變采集情況。

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

圖5 數據采集結果

通過對不同能量等級的測試結果表明，該液壓打樁錘的主要結構參數滿足設計要求。圖6 給出了反映液壓打樁錘主要性能的打擊能量實測和理論對照結果。

圖6 打擊能量實測和理論對照圖

從實際的測試結果來看，實測的能量值略大于理論的能量值，這是由兩個原因造成。

1）在錘芯提升和下降過程中摩擦力的影響，理論計算時取得摩擦系數可能偏大。

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際上沖高度可能比理論計算的偏大造成。在能量較低時，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，所以實際能量值和理論計算值比較接近。

4 結論

通過實際應用，驗證了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和沖擊過程的下錘芯和筒體狀態(tài)，驗證了液壓打樁錘設計主要參數，可為后續(xù)液壓打樁錘的設計提供有益參考。但由于在工廠只能進行近似的模擬，與實際打樁過程還有一定差別，尤其是拒錘時液壓打樁錘的受力狀態(tài)還很難在工廠條件下進行實際模擬，還需要在后續(xù)的工程實踐中做進一步的測試和總結。