鄒春曉，高小東

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

液壓打樁錘是一種高效、環(huán)保、機(jī)電液一體化的樁工設(shè)備，集優(yōu)良動(dòng)力學(xué)特性和可控制性于一身，是當(dāng)前工程打樁應(yīng)用的主流方向。液壓打樁錘打樁系統(tǒng)配備了先進(jìn)的控制系統(tǒng)及友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力站和打樁錘的精密監(jiān)控和良好操作。充分了解掌握液壓打樁錘的系統(tǒng)構(gòu)成及功能特點(diǎn)，可極大提升液壓打樁錘故障的分析處理能力，為更好地管理使用設(shè)備提供支持。

荷蘭IHC 公司生產(chǎn)的雙作用液壓打樁錘是應(yīng)用比較普遍的主流打樁設(shè)備，下面以S-280 液壓打樁錘為例介紹其系統(tǒng)構(gòu)成、典型故障分析及排除處理[1]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能

在萊城港潮汐碼頭一期工程沉樁施工中使用的是荷蘭IHC 公司產(chǎn)S-280 雙作用液壓打樁錘，采用吊打工藝，該錘包括錘體和動(dòng)力站兩大主系統(tǒng)，整錘包括電控控制系統(tǒng)、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、氣體輔助系統(tǒng)三部分[2]。圖1 為液壓錘系統(tǒng)構(gòu)成圖，其系統(tǒng)構(gòu)成如下：1）進(jìn)油側(cè)蓄能器；2）進(jìn)油P 閥；3）進(jìn)油側(cè)管路；4）活塞；5）錘頂空間；6）錘頂外殼；7） 回油 R 閥；8） 回油側(cè)蓄能器；9）補(bǔ)償閥；10）錘芯（平衡塊，工字區(qū)）；11）錘芯傳感器。

圖1 液壓打樁錘系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Composition diagram of hydraulic pile hammer system

1.1 液壓系統(tǒng)

打樁錘液壓動(dòng)力系統(tǒng)集成在1 個(gè)特制集裝箱中，液壓動(dòng)力源由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，是典型開式液壓系統(tǒng)，由主泵、液壓分流閥組、錘體P 和R 閥組、蓄能器等主要部分組成。圖2 為液壓系統(tǒng)各部件關(guān)系，箭頭表示液壓油流向。

圖2 液壓系統(tǒng)各部件關(guān)系Fig.2 Relationship between components of hydraulic system

1.1.1 主泵

整錘以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作為主動(dòng)力源，主泵采用波克蘭PL-6H20 型開式恒壓變量泵，具有響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，自吸能力好，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。共計(jì)6 個(gè)泵頭，3 個(gè)1 組匯流到1 個(gè)出油濾器，再由2 根液壓管導(dǎo)向分流閥組。主泵可為錘芯快速往復(fù)提供可靠的液壓壓力及流量，日常維護(hù)較少，使用可靠，但應(yīng)按時(shí)清理進(jìn)油濾芯。

1.1.2 液壓分流閥組

圖3 為液壓分流閥組，此閥組共計(jì)6 個(gè)插裝閥，4 個(gè)先導(dǎo)電磁控制閥，2 個(gè)逆流閥?？刂浦鞅贸鲇湍芰﹂y組2 個(gè)，任意開啟1 個(gè)為主泵流量的50%（由控制箱上泵流量1 或2 檔位控制），2 個(gè)全開為當(dāng)前轉(zhuǎn)數(shù)下100%泵輸出（控制箱泵流量3 檔位控制）。2 個(gè)安全閥控制錘未啟動(dòng)時(shí)壓力不超過9 MPa，打樁時(shí)壓力不超過35 MPa，安全閥帶背壓閥，能夠迅速升溫液壓油，適合在寒冷地區(qū)作業(yè)使用[3]。

圖3 液壓分流閥組Fig.3 Hydraulic diverter valve set

1.1.3 進(jìn)油、回油閥組

錘體閥組全部為插裝閥，主要閥組有3 個(gè)，進(jìn)油閥（P 閥）、回油閥（R 閥）及單向補(bǔ)償閥。全部為二通插裝閥，P、R 閥具有電磁先導(dǎo)控制，組成方向組合閥，補(bǔ)償閥為壓力控制。二通插裝閥具有流量大，閥芯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，密封性好等特點(diǎn)。

1.1.4 蓄能器

錘頂內(nèi)安裝了4 個(gè)氣體活塞式蓄能器，供給側(cè)管路并聯(lián)高壓蓄能器2 個(gè)，氮?dú)鈮毫?3～15 MPa；回程側(cè)管路并聯(lián)低壓蓄能器2 個(gè)，氮?dú)鈮毫?.4～0.6 MPa。主要功能是存儲(chǔ)吸收能量，吸收液壓沖擊、消除震動(dòng)。4 個(gè)蓄能器相互作用，保證液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)，無液壓沖擊震動(dòng)，使錘芯快速往復(fù)工作。一旦出現(xiàn)油管抖動(dòng)、抽動(dòng)、動(dòng)力站內(nèi)管路震動(dòng)等現(xiàn)象，說明蓄能器處于氣壓不足狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充到額定壓力[4]。

1.2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是整套錘系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，串聯(lián)著液壓系統(tǒng)，錘，氣路系統(tǒng)的通訊，負(fù)責(zé)控制整套系統(tǒng)的各種動(dòng)作，監(jiān)控各部分的工作狀態(tài)、各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，負(fù)責(zé)閉環(huán)參數(shù)的運(yùn)算，提供錘運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)的顯示。

1.2.1 C34 控制箱

C34 控制箱是整套電控系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)控制發(fā)動(dòng)機(jī)、泵流量、錘運(yùn)行狀態(tài)、接收錘體傳感器信號(hào)、控制打擊能量和頻率等功能。實(shí)時(shí)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、打擊能量、打擊頻率、錘芯速度等相關(guān)參數(shù)。

通過控制P、R 閥的開啟間隔時(shí)間，來調(diào)節(jié)錘芯提升高度，以獲得不同能量的錘芯打擊行程。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、泵流量調(diào)節(jié)來控制供給液壓油量，以控制錘芯往復(fù)運(yùn)行時(shí)間，從而控制打擊頻率。兩者的控制相輔相成，能量、頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、泵流量要根據(jù)錘擊工況同步進(jìn)行調(diào)節(jié)。

整套系統(tǒng)通訊連接全部為航空插頭，可靠性和穩(wěn)定性很好，但每班作業(yè)前應(yīng)仔細(xì)檢查各插接頭，保證各控制線路可靠有效。

1.2.2 電磁先導(dǎo)閥

電磁先導(dǎo)閥控制著主油路閥的開閉，直接決定著錘是否能正常工作。電磁先導(dǎo)閥其電源為24 V直流電源，由C34 控制2 個(gè)中間繼電器，繼電器控制電磁閥線圈電源?？刂齐娎|經(jīng)動(dòng)力柜連接到錘頂插頭，使用時(shí)須保證先導(dǎo)閥端電壓能夠達(dá)到24 V 電壓，否則電磁機(jī)構(gòu)不能順利工作。由于控制錘芯往復(fù)動(dòng)作，工作頻率較大，約32～45 次/min，電磁閥容易出現(xiàn)控制斷路、閥芯卡死、先導(dǎo)油路堵塞等故障。

1.2.3 行程傳感器

打樁錘體上有兩組4 個(gè)接近行程傳感器作為檢測(cè)元件，傳感器為接近開關(guān)型檢測(cè)元件。錘芯表面有1 個(gè)工形凹槽結(jié)構(gòu)，錘芯運(yùn)動(dòng)過程中凹槽未經(jīng)過傳感器時(shí)，傳感器發(fā)出低電位信號(hào)，反之則發(fā)出高電位信號(hào)。錘芯持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器便發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)由控制單元循環(huán)采集并計(jì)算，由此通過脈沖累計(jì)形式來計(jì)算出錘芯位移、運(yùn)行速度、打擊頻率和打擊能量。

打樁作業(yè)時(shí)，首先根據(jù)施工要求設(shè)置好所需要打擊的能量，打樁錘的控制系統(tǒng)根據(jù)所設(shè)定的能量來計(jì)算出錘芯所需要提升的高度，同時(shí)，控制系統(tǒng)通過控制方向閥的換向來使得錘芯向上移動(dòng)。此過程中，錘芯行程傳感器監(jiān)測(cè)錘芯運(yùn)動(dòng)狀況，監(jiān)測(cè)錘芯的提升高度是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)錘芯的提升高度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)控制換向閥來?yè)Q向，使得錘芯向下移動(dòng)，同時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)上述行程傳感器檢測(cè)的錘芯運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算出打擊能量，并反饋到CPU 中，與用戶設(shè)定值比較，從而在下一個(gè)打樁過程中，調(diào)整計(jì)算所得錘芯高度，完成1 個(gè)能量的閉環(huán)控制過程。打擊過程中C34 控制面板上有對(duì)應(yīng)傳感器指示燈，1 個(gè)打擊循環(huán)4 個(gè)指示燈逐一點(diǎn)亮。

錘故障檢測(cè)時(shí)，可在錘未坐在樁上時(shí)進(jìn)行金屬物模擬錘芯經(jīng)過傳感器行程，以確定控制系統(tǒng)是否正常[5]。

2 故障類型及處理

S-280 液壓打樁錘引進(jìn)國(guó)內(nèi)使用已達(dá)十多年，因缺少檢測(cè)手段和故障處理能力不足，其維修與故障處理一直由專業(yè)廠家負(fù)責(zé)。在國(guó)外施工期間，現(xiàn)場(chǎng)使用人員維修和處理故障的能力對(duì)保證打樁錘技術(shù)狀態(tài)、提高設(shè)備工效、保障工程進(jìn)度極為重要。為此，在巴新萊城港沉樁施工過程中針對(duì)打樁錘的一些典型故障進(jìn)行了分析處理[6-8]。

2.1 錘芯不下降

2.1.1 故障現(xiàn)象

萊城港潮汐碼頭一期工程沉樁施工開始液壓錘調(diào)試，錘啟動(dòng)后，錘芯能夠正常提起，但不能下落，控制先導(dǎo)電磁閥中間繼電器能夠循環(huán)動(dòng)作，先導(dǎo)電磁閥線圈電流表有1 A 電流顯示，當(dāng)壓力升至20 MPa 后，錘芯到頂，壓力一直升高至39 MPa，分流閥組安全閥到達(dá)壓力打開，錘芯無上下往復(fù)循環(huán)。

2.1.2 故障分析

此次故障發(fā)生前打樁錘長(zhǎng)期閑置，重新啟用前對(duì)很多部件進(jìn)行了更換，如動(dòng)力站到錘液壓油管、動(dòng)力站到錘頂控制電纜。根據(jù)故障現(xiàn)象結(jié)合系統(tǒng)原理，初步確定回油閥未打開，回油閥R 未打開有以下原因：

1）電磁先導(dǎo)閥線圈是否工作正常，閥芯、先導(dǎo)油路是否工作正常；

2）主閥是否工作正常，閥芯是否卡死；

3）回油油路是否堵塞。

2.1.3 故障查找

首先進(jìn)行回油側(cè)先導(dǎo)電磁閥檢測(cè)，在先導(dǎo)伺服油路充油，電磁閥通電，但伺服油路油量無變化，進(jìn)行氣壓檢測(cè)，依然不通，確定是先導(dǎo)油路堵塞。更換新電磁先導(dǎo)閥，試錘成功。

工作一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)錘芯往復(fù)不穩(wěn)定，幾次打擊后錘芯仍然不能下落。停錘后再次啟動(dòng)仍能響錘，幾次打擊后出現(xiàn)故障。檢測(cè)先導(dǎo)電磁閥，閥芯能夠動(dòng)作，先導(dǎo)油路能夠隨閥芯動(dòng)作打開。先導(dǎo)閥得電，測(cè)得線圈端電壓為22.1 V，因新?lián)Q控制電纜150 m，線阻較大，電磁閥供電直流穩(wěn)壓電源輸出為28 V，顯然控制線壓降較大，提高穩(wěn)壓電源電壓到33 V，先導(dǎo)電磁閥線圈電壓24.2 V，滿足額定工作要求。進(jìn)行試錘，恢復(fù)正常工作，打擊頻率、打擊力均能正常調(diào)節(jié)，故障排除。

2.1.4 故障總結(jié)

拆解故障電磁先導(dǎo)閥，發(fā)現(xiàn)腔內(nèi)有白色粉末，閥芯動(dòng)作不暢，先導(dǎo)油路堵塞，經(jīng)過清理恢復(fù)，故障電磁閥工作正常，此后測(cè)試此閥能夠在高壓下正常工作。經(jīng)過比對(duì)，發(fā)現(xiàn)白色粉末是因新購(gòu)液壓油管（連接錘供油側(cè)和回油側(cè)）內(nèi)存在殘留物。所以新液壓管使用前必須進(jìn)行清理，保證液壓系統(tǒng)清潔。液壓錘閥組雖然全部采用二通大直徑插裝閥，細(xì)小雜質(zhì)通過量好，但先導(dǎo)電磁閥必須絕對(duì)保證液壓系統(tǒng)清潔，否則很容易出現(xiàn)堵塞、閥芯卡死故障。先導(dǎo)電磁閥是液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)緊密結(jié)合的交叉部件，也是故障多發(fā)點(diǎn)，先導(dǎo)電磁閥的性能直接影響錘的工作狀態(tài)。

2.2 錘不能啟動(dòng)

2.2.1 故障現(xiàn)象

沉樁作業(yè)啟動(dòng)錘后，R 閥正常關(guān)閉，錘芯無法提升，液壓系統(tǒng)壓力停留在5 MPa，正常錘芯提起需14～16 MPa 壓力。手動(dòng)關(guān)閉P 或R 閥，液壓壓力均為5 MPa，錘不能正常運(yùn)行。

2.2.2 故障分析處理

檢查P、R 閥組，先導(dǎo)閥和主閥均無異常。啟動(dòng)液壓站，分別關(guān)閉動(dòng)力站出油口和回油口球閥，系統(tǒng)壓力仍然是5 MPa，說明不是由于錘體原因?qū)е碌拇斯收?。?dòng)力站影響液壓系統(tǒng)壓力因素只有2 個(gè)，主泵和分流閥組。主泵為波克蘭PL-6H20 型開軸向柱塞變量泵，此泵工作穩(wěn)定，性能可靠，損壞幾率很小。本著先易后難原則，把故障點(diǎn)縮小到分流閥組安全溢流閥，整套液壓系統(tǒng)錘未啟動(dòng)空載限壓9 MPa，工作壓力保護(hù)35 MPa，整套系統(tǒng)只有2 個(gè)安全溢流閥能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。

從主閥安全閥依次拆檢，主閥安全閥→2 個(gè)流量閥→背壓安全閥→2 個(gè)逆流閥，在拆解背壓安全閥芯時(shí)發(fā)現(xiàn)濾芯殘片，至此故障原因基本查明。安全閥由于不能閉合，導(dǎo)致出油壓力不能建立。為防止有其他殘片影響整個(gè)閥組，對(duì)剩余2個(gè)逆流閥和進(jìn)油管路、閥組通道進(jìn)行全面清理。共清理出濾芯殘片3 片。

因?yàn)榇_定有濾芯殘片，進(jìn)一步對(duì)主泵出油濾器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)2 個(gè)出油濾芯均已變形損壞。更換出油濾芯，錘工作正常。

2.2.3 故障總結(jié)

在故障前，進(jìn)油側(cè)蓄能器氣壓下降，導(dǎo)致蓄能器不能有效吸收液壓系統(tǒng)振動(dòng)，致使出油濾芯變形，碎裂，殘片及碎屑堵塞相關(guān)閥組，造成伺服壓力不足的故障。

液壓錘整套液壓系統(tǒng)每個(gè)功能單元必須保證在良好的性能狀態(tài)，否則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)連環(huán)故障，引起系統(tǒng)內(nèi)其他單元損壞。在處理單獨(dú)故障的同時(shí)，必須對(duì)整套關(guān)聯(lián)系統(tǒng)做全面檢查，避免造成連環(huán)故障。

2.3 更換錘芯軸承

2.3.1 故障現(xiàn)象

沉樁施工使用的液壓打樁錘因疲勞原因?qū)е洛N芯斷裂，為保證施工，更換備用液壓打樁錘進(jìn)行施工。備用液壓打樁錘屬于新錘，和損壞錘為同一規(guī)格型號(hào)，啟用前未進(jìn)行過實(shí)際工程檢驗(yàn)，備用液壓錘在5 000 次錘擊時(shí)出現(xiàn)了錘芯卡死、運(yùn)行憋車故障。

2.3.2 故障分析處理

經(jīng)過檢查，備用液壓錘液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)工作正常，故障點(diǎn)鎖定在錘體下部軸承。通過備用錘錘體下部檢查口發(fā)現(xiàn)下部錘芯有燒灼痕跡，錘芯溫度較高。通過拆解備用錘下部軸承，發(fā)現(xiàn)軸承部位潤(rùn)滑油已被燒干，軸承銅套因高溫抱死造成劃傷，軸承部位2 個(gè)防塵圈、2 個(gè)密封圈均被高速錘芯摩擦燒焦，如圖4 所示。

圖4 燒焦密封圈與完好密封圈對(duì)比Fig.4 Contrast burnt seal ring with intact seal ring

備用錘未經(jīng)過大負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間打擊檢驗(yàn)，密封不能滿足液壓錘的高頻率、高速度往復(fù)摩擦強(qiáng)度，導(dǎo)致故障發(fā)生。為保證現(xiàn)場(chǎng)沉樁施工順利進(jìn)行，決定對(duì)2 臺(tái)液壓錘軸承進(jìn)行對(duì)調(diào)。2 臺(tái)液壓錘規(guī)格相同，給現(xiàn)場(chǎng)維修提供了便利，用時(shí)5 d 恢復(fù)了備用液壓錘，通過沉樁作業(yè)，修復(fù)后的備用液壓錘能夠連續(xù)施工，備用錘修復(fù)成功。

2.3.3 故障總結(jié)

液壓打樁錘工作中整套錘處于高壓、高速、高強(qiáng)度工況下，液壓系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)密封要求較高，在日常維護(hù)和更換主要備件時(shí)，采用原廠配件才能保證故障處理的效果，保持設(shè)備原有性能。

此次更換錘芯軸承，為液壓錘在條件有限的施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)大修提供經(jīng)驗(yàn)積累，同時(shí)也增加了主要設(shè)備的自主維修能力，減少對(duì)設(shè)備生產(chǎn)廠家技術(shù)服務(wù)的依賴。

3 結(jié)語

巴新萊城港潮汐碼頭一期工程沉樁施工提前工期77 d 完成。液壓打樁錘優(yōu)良的動(dòng)力性能和可操控性在本次沉樁吊打工藝中得到證明，液壓打樁錘的正確使用、日常維護(hù)、故障處理、應(yīng)急維修更是保證工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。隨著液壓打樁設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，更多的機(jī)電液氣一體化技術(shù)融入到打樁設(shè)備中。引進(jìn)歐美先進(jìn)樁工設(shè)備的同時(shí)，消化和吸收設(shè)備設(shè)計(jì)原理并予以應(yīng)用，更多地積累使用、維護(hù)、維修、改造、故障處理經(jīng)驗(yàn)，為更好地服務(wù)工程施工做好技術(shù)積累。