CN108757648B - 一种液压打桩锤控制方法及其系统 - Google Patents
一种液压打桩锤控制方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种液压打桩锤控制方法，分别设置发动机、液压站、液压打桩锤，液压控制系统及电气控制系统；电气控制系统根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作信息输出其动作逻辑时序给液压控制系统；液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；电气控制系统对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入，对液压锤的打击能量进行精准控制，实现节能降耗及保障设备运行安全。
Description
技术领域
本发明涉及液压打桩锤自动化控制及节能技术，具体涉及一种液压打桩锤控制方法及其系统。
背景技术
液压打桩锤是一种新型打桩设备，由于落锤、气锤、柴油锤具有打桩效率低，容易把桩打坏，噪声大，对环境污染严重等缺点，随着人们环保意识的增强，这些类型的桩锤受到很大限制。而液压打桩锤的出现，克服了上述桩锤的缺点，世界各国都在努力发展液压打桩锤，液压打桩锤已成为打桩设备发展的趋势，作为一种新型桩工机械，液压打桩锤具有热效率高，能量传递效率高，对打击能量的控制十分精确，可以根据当前工况调整打桩能量，减少和杜绝了断桩，并且整个作业都是洁净、无污染的。
液压打桩锤系统的组成及原理我们可以很清楚的认识到，在整个打桩的过程中，液压打桩锤系统的每一个元件的每一个动作都会对锤击率产生影响。目前的打桩锤市场，仍然是国外产品占主要地位。国产液压打桩锤目前还存在如下缺陷：对液压锤的击打能量精准控制性不高、能耗较高，对液压打桩锤重复打击控制效率低，液压换向压力波动大，不能够保证打桩所要求的能量和打击的重复精度，直接导致设备能耗较高，及降低了设备运行的稳定性及安全性。
由此可见，亟待一良善之设计者加以解决上述问题。申请人结合当前工程实践，对液压打桩锤控制方法及系统的进行研究，寻求到一种可以用于工程实践的行之有效的智能化液压打桩锤控制方法及其系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种液压打桩锤控制方法，通过电气控制系统对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，实时对液压锤的打击能量进行精准控制，实现轻打高频率、重打稳定，保证打桩所要求的能量和打击的重复精度，实现设备节能降耗及保障设备运行安全。
本发明的目的在于，还提供一种液压打桩锤控制系统，提出将MCU控制技术、SSI集成电路技术以及自适应打击算法应用到打桩锤的控制系统中。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种液压打桩锤控制方法，其包括如下步骤：
(1)分别设置一发动机、一液压站、一液压打桩锤，一液压控制系统及电气控制系统，并通电使各部分工作；
(2)该电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，其根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；
(3)液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；
(4)电气控制系统对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入，对液压锤的打击能量进行精准控制，实现节能降耗及保障设备安全；
(5)重复步骤(2)～(4)，使各系统持续工作，直至完成预定的工程量。
作为本发明液压打桩锤控制方法进一步优选，所述步骤(3)的液压系统控制运行过程，具体分为三个阶段：上升过程、下降过程和保压过程；
(1)上升过程：泵启动运行，换向阀的两个电磁铁(1DT、2DT)均处于失电状态，液压泵打出的压力油一部分进入蓄能器，一部分通过溢流阀流回油箱，当按下锤运行按钮后，电磁铁2DT得电，换向阀的左位接通，压力油进入液控单向阀K1、K4的控制油口，使阀K1、K4反向导通，此时液压泵继续给蓄能器充能，剩余压力油通过阀Kl进入液压缸下腔，活塞杆带动桩锤上升；
(2)下降过程：活塞杆到达行程终点时，触发高度行程开关，使电磁铁1DT得电，2DT失电，这时换向阀右位接通，压力油进入液控单向阀K2、K3的控制油口，使阀K2、K3反向导通，油泵打出的压力油和蓄能器中的压力油同时通过阀K3进入液压缸上腔，由于采用差动连接，液压缸下腔液压油通过阀K2进入上腔，使桩锤加速下打；
(3)保压过程：当桩锤打到桩上后，触发锤最低位点行程开关，同时时间继电器得电，时间继电器的时间设定由保压时间确定，保压时间可通过打桩频率、桩锤上升下降时间计算得到，达到时间继电器的设定时间后，电磁铁1DT失电，2DT得电，然后进入下一个工作循环。
作为本发明液压打桩锤控制方法进一步优选，所述步骤(4)中，液压控制系统的内置程序是依据如下数学模型建立，在加速下打过程中对液压缸活塞进行受力分析，可得：
式中：P1为下打过程中液压缸上腔工作压力(Pa)；
P2为下打过程中液压缸下腔工作压力(Pa)；
A1为压缸上腔工作面积(m2)；
A2为液压缸下腔工作面积(m2)；
M为桩锤质量(kg)；
F为桩锤重量(N)；
V为下打过程桩锤的速度(m/s)。
液压缸上腔压力p1以及压力损失△p1的确定液压缸上腔的油压力为：
p1＝p-△p1 (2)
式中：p为蓄能器瞬时工作压力(Pa)；
△p1为从蓄能器经过阀硒及其管路的压力损失(Pa)；
p1为液压缸上腔的压力(Pa)；
管路的压力损失可用下列公式近似计算：
△p1＝C1(Q1+Qp)2 (3)
式中：C1为进油管道和阀K3的液阻(N·s2/m8)；Q1为蓄能器的瞬时流量(m3/s)；QP为一液压泵的输出流量(m3/s)。
根据波义尔的气体定律有：
p＝G/V1.4 (4)
式中：p为蓄能器的瞬时气体压力(Pa)；V为压力为p时的气体体积(m3)；G为气体常数(N·m)；
单位时间蓄能器内气体体积的变化量就是蓄能器的瞬时流量,蓄能器的瞬时流量的计算公式为：
将式(3)～(5)代入式(2)中可得p1的计算公式：
液压缸活塞运动速度v的确定；进入液压缸上腔的液压油流量为Q1+Qp+Q2；从液压缸下腔排出的液压油流量为Q2；
根据流量与速度的关系可得：
将式(7)经过数学变换得到：
将式(5)代入式(8)得：
液压缸差动油路流量Q2的确定；
液压缸差动油路流量Q2可以根据液压缸活塞的运动速度v来确定,由于活塞的运动速度v是随时间变化的，所以液压缸差动油路流量Q：也是变化的，所求得的Q2是瞬时值；
Q2＝A2·v (10)
将式(9)代入式(10)得：
液压缸下腔压力p2及压力损失△p2的确定
在加速下打过程中，液压缸下腔压力为p2的压力油通过差动管路进入液压缸上腔，利用液压缸上、下腔油液压力关系可确定p2的值；
p2＝pl+△p2 (12)
式中：△p2为差动油路的压力损失，
△p2＝C2·Q2 2 (13)
式中：C2为差动管道和阀K2的液阻(N·s2/m8)，将式(11)代入式(13)得到：
将式(6)、(14)代入式(12)就可得到液压缸下腔压力p2的计算公式：
液压回路数学模型的确定将式(6)、(9)、(15)代入式(1)，并将液压泵的流量Qp当成常量处理，经过整理后得：
为了得到桩锤加速下打运动的数据，方程(16)将用活塞的下降位移y来表示，初始条件为：在t＝0时，y＝0且蓄能器的容积为V＝VA11，因而在活塞位移为y时，蓄能器的容积y为：
y＝VA11+Ay-Qpt (17)
将式(17)代入式(16)中整理得：
式中：y为活塞位移(m)；
VA11为蓄能器最高工作压力时的气体容积(m3)；
A为液压缸上下腔活塞有效工作面积之差(m2)，A＝Al—A2＝π·d2/4
D为活塞杆直径(m)；
将
代入方程(18)中整理后得到：
方程式(19)即为桩锤加速下打运动的数学表达式，通过该式可以计算桩锤加速下打过程中任一时刻桩锤的位移、速度、加速度。
作为本发明液压打桩锤控制方法进一步优选，所述电气系统包括微控制器处理模块、锤体位置检测模块、SSI集成电路模块、电磁阀执行控制模块、键盘处理模块和显示模块；其中锤体位置检测模块是检测桩锤运动的位置，并以脉冲电信号的方式传递给SSI集成电路模块，SSI集成电路模块将传感器的脉冲信号转换成八位数据，使得微处理器以总线的方式处理锤体的位置信号；同时处理操控系统的键盘扫描，将扫描到的按键值输入到微处理模块，微处理模块负责分析和处理系统所有运行的数据，显示模块负责显示系统的工作参数和工作状态，电磁阀驱动模块是最终驱动各个逻辑阀的，将微处理器的阀控制信号转变成具有一定功率输出的开关量信号，从而来驱动液压油路系统中的电磁阀的接通和关闭。
作为本发明液压打桩锤控制方法进一步优选，所述液压锤电气控制包括两种工作方式，其分别为：行程控制和计时控制，是对桩锤打击能量的两种不同控制方法；所述液压锤电气控制还包括三种控制模式，其分别为：手动控制、半自动控制和自适应控制，是决定液压锤以何种方式来完成其每次工序。
包括系统显示，MCU处理单元，液压执行机构，锤体，传感器；传感器将锤体的位置信息检测出来，传送给MCU处理单元，液压执行机构再通过接收MCU处理单元输出的动作指令，将输入的电信号转换成液压缸的动作输出，从而来驱动锤体的运动，以完成所设定的工序；
液压打桩锤控制系统包括液压控制系统和电气控制系统，电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，其根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；电气控制系统是对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入，对液压锤的打击能量进行精准控制，实现节能降耗及保障设备安全。
作为本发明液压打桩锤控制系统进一步优选，所述电气系统包括微控制器处理模块、锤体位置检测模块、SSI集成电路模块、电磁阀执行控制模块、键盘处理模块和显示模块；其中锤体位置检测模块是检测桩锤运动的位置，并以脉冲电信号的方式传递给SSI集成电路模块，SSI集成电路模块将传感器的脉冲信号转换成八位数据，使得微处理器以总线的方式处理锤体的位置信号；同时处理操控系统的键盘扫描，将扫描到的按键值输入到微处理模块，微处理模块负责分析和处理系统所有运行的数据，显示模块负责显示系统的工作参数和工作状态，电磁阀驱动模块是最终驱动各个逻辑阀的，将微处理器的阀控制信号转变成具有一定功率输出的开关量信号，从而来驱动液压油路系统中的电磁阀的接通和关闭。
作为本发明液压打桩锤控制系统进一步优选，所述液压执行机构包括油箱，油泵，溢流阀，压力表，单向阀，液控单向阀，换向阀，压力继电器，截止阀，蓄能器，换向阀，液压缸，桩锤；其中，桩锤连接至液压缸上，油泵连接至油箱上，溢流阀，压力表，单向阀，液控单向阀，换向阀，压力继电器，截止阀，蓄能器，换向阀连接至输送管道上。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的液压打桩锤控制方法，该技术方案包括液压控制系统及电气控制系统，电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；电气控制系统是对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入。通过电气控制系统对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，实时对液压锤的打击能量进行精准控制，实现轻打高频率、重打稳定，保证打桩所要求的能量和打击的重复精度，实现设备节能降耗及保障设备安全。
(2)本发明提供液压控制系统，系统内置程序是通过建立数学模型，在加速下打过程中对液压缸活塞进行受力分析，通过该数学模型可以出计算桩锤加速下打过程中任一时刻桩锤的位移、速度、加速度，实现有效显著提高驱动液压打桩锤工作及锤击率。
(3)本发明的液压打桩锤控制系统，提出将MCU控制技术、SSI集成电路技术以及自适应打击算法应用到打桩锤的控制系统中，对于今后开发可用于工程施工的液压锤具有重要的指导意义。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
附图说明
图1所示为打桩锤液压系统原理图；
图2所示为液压回路图；
图3所示为液压锤控制系统结构框图；
图4所示为控制系统设计流程图。
图中：1.油箱 2.油泵 3.溢流阀 4.压力表 5.单向阀 6.液控单向阀 7.换向阀8.压力继电器 9.截止阀 10.蓄能器 11.换向阀 12.液压缸 13.桩锤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术入员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅附图1-4。
本实施例提供一种液压打桩锤控制方法，其包括如下步骤：
(1)分别设置一发动机、一液压站、一液压打桩锤，一液压控制系统及电气控制系统，并通电使各部分工作；
(2)该电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，其根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；
(3)液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；
(4)电气控制系统对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入，对液压锤的打击能量进行精准控制，实现节能降耗及保障设备安全；
(5)重复步骤(2)～(4)，使各系统持续工作，直至完成预定的工程量。
本实施例液压系统控制运行过程，具体分为三个阶段：上升过程、下降过程和保压过程；
(3.1)上升过程：泵启动运行，换向阀的两个电磁铁(1DT、2DT)均处于失电状态，液压泵打出的压力油一部分进入蓄能器，一部分通过溢流阀流回油箱，当按下锤运行按钮后，电磁铁2DT得电，换向阀的左位接通，压力油进入液控单向阀K1、K4的控制油口，使阀K1、K4反向导通，此时液压泵继续给蓄能器充能，剩余压力油通过阀Kl进入液压缸下腔，活塞杆带动桩锤上升；
(3.2)下降过程：活塞杆到达行程终点时，触发高度行程开关，使电磁铁1DT得电，2DT失电，这时换向阀右位接通，压力油进入液控单向阀K2、K3的控制油口，使阀K2、K3反向导通，油泵打出的压力油和蓄能器中的压力油同时通过阀K3进入液压缸上腔，由于采用差动连接，液压缸下腔液压油通过阀K2进入上腔，使桩锤加速下打；
(3.3)保压过程：当桩锤打到桩上后，触发锤最低位点行程开关，同时时间继电器得电，时间继电器的时间设定由保压时间确定，保压时间可通过打桩频率、桩锤上升下降时间计算得到，达到时间继电器的设定时间后，电磁铁1DT失电，2DT得电，然后进入下一个工作循环。
本实施例液压控制系统的内置程序是依据如下数学模型建立，在加速下打过程中对液压缸活塞进行受力分析，可得：
式中：P1为下打过程中液压缸上腔工作压力(Pa)；
P2为下打过程中液压缸下腔工作压力(Pa)；
A1为压缸上腔工作面积(m2)；
A2为液压缸下腔工作面积(m2)；
M为桩锤质量(kg)；
F为桩锤重量(N)；
V为下打过程桩锤的速度(m/s)。
液压缸上腔压力p1以及压力损失△p1的确定液压缸上腔的油压力为：
p1＝p-△p1 (2)
式中：p为蓄能器瞬时工作压力(Pa)；
△p1为从蓄能器经过阀硒及其管路的压力损失(Pa)；
p1为液压缸上腔的压力(Pa)；
管路的压力损失可用下列公式近似计算：
△p1＝C1(Q1+Qp)2 (3)
式中：C1为进油管道和阀K3的液阻(N·s2/m8)；Q1为蓄能器的瞬时流量(m3/s)；QP为一液压泵的输出流量(m3/s)。
根据波义尔的气体定律有：
p＝G/V1.4 (4)
式中：p为蓄能器的瞬时气体压力(Pa)；V为压力为p时的气体体积(m3)；G为气体常数(N·m)；
单位时间蓄能器内气体体积的变化量就是蓄能器的瞬时流量,蓄能器的瞬时流量的计算公式为：
将式(3)～(5)代入式(2)中可得p1的计算公式：
液压缸活塞运动速度v的确定；进入液压缸上腔的液压油流量为Q1+Qp+Q2；从液压缸下腔排出的液压油流量为Q2；
根据流量与速度的关系可得：
将式(7)经过数学变换得到：
将式(5)代入式(8)得：
液压缸差动油路流量Q2的确定；
液压缸差动油路流量Q2可以根据液压缸活塞的运动速度v来确定,由于活塞的运动速度v是随时间变化的，所以液压缸差动油路流量Q：也是变化的，所求得的Q2是瞬时值；
Q2＝A2·v (10)
将式(9)代入式(10)得：
液压缸下腔压力p2及压力损失△p2的确定
在加速下打过程中，液压缸下腔压力为p2的压力油通过差动管路进入液压缸上腔，利用液压缸上、下腔油液压力关系可确定p2的值；
p2＝pl+△p2 (12)
式中：△p2为差动油路的压力损失，
△p2＝C2·Q2 2 (13)
式中：C2为差动管道和阀K2的液阻(N·s2/m8)，将式(11)代入式(13)得到：
将式(6)、(14)代入式(12)就可得到液压缸下腔压力p2的计算公式：
液压回路数学模型的确定将式(6)、(9)、(15)代入式(1)，并将液压泵的流量Qp当成常量处理，经过整理后得：
为了得到桩锤加速下打运动的数据，方程(16)将用活塞的下降位移y来表示，初始条件为：在t＝0时，y＝0且蓄能器的容积为V＝VA11，因而在活塞位移为y时，蓄能器的容积y为：
y＝VA11+Ay-Qpt (17)
将式(17)代入式(16)中整理得：
式中：y为活塞位移(m)；
VA11为蓄能器最高工作压力时的气体容积(m3)；
A为液压缸上下腔活塞有效工作面积之差(m2)，A＝Al—A2＝π·d2/4
D为活塞杆直径(m)；
将
代入方程(18)中整理后得到：
方程式(19)即为桩锤加速下打运动的数学表达式，通过该式可以计算桩锤加速下打过程中任一时刻桩锤的位移、速度、加速度。
本实施例电气系统包括微控制器处理模块、锤体位置检测模块、SSI集成电路模块、电磁阀执行控制模块、键盘处理模块和显示模块；其中锤体位置检测模块是检测桩锤运动的位置，并以脉冲电信号的方式传递给SSI集成电路模块，SSI集成电路模块将传感器的脉冲信号转换成八位数据，使得微处理器以总线的方式处理锤体的位置信号；同时处理操控系统的键盘扫描，将扫描到的按键值输入到微处理模块，微处理模块负责分析和处理系统所有运行的数据，显示模块负责显示系统的工作参数和工作状态，电磁阀驱动模块是最终驱动各个逻辑阀的，将微处理器的阀控制信号转变成具有一定功率输出的开关量信号，从而来驱动液压油路系统中的电磁阀的接通和关闭。
本实施例液压锤电气控制包括两种工作方式，其分别为：行程控制和计时控制，是对桩锤打击能量的两种不同控制方法；所述液压锤电气控制还包括三种控制模式，其分别为：手动控制、半自动控制和自适应控制，是决定液压锤以何种方式来完成其每次工序。
包括系统显示，MCU处理单元，液压执行机构，锤体，传感器；传感器将锤体的位置信息检测出来，传送给MCU处理单元，液压执行机构再通过接收MCU处理单元输出的动作指令，将输入的电信号转换成液压缸的动作输出，从而来驱动锤体的运动，以完成所设定的工序；
液压打桩锤控制系统包括液压控制系统和电气控制系统，电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，其根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；电气控制系统是对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入，对液压锤的打击能量进行精准控制，实现节能降耗及保障设备安全。
本实施例电气系统包括微控制器处理模块、锤体位置检测模块、SSI集成电路模块、电磁阀执行控制模块、键盘处理模块和显示模块；其中锤体位置检测模块是检测桩锤运动的位置，并以脉冲电信号的方式传递给SSI集成电路模块，SSI集成电路模块将传感器的脉冲信号转换成八位数据，使得微处理器以总线的方式处理锤体的位置信号；同时处理操控系统的键盘扫描，将扫描到的按键值输入到微处理模块，微处理模块负责分析和处理系统所有运行的数据，显示模块负责显示系统的工作参数和工作状态，电磁阀驱动模块是最终驱动各个逻辑阀的，将微处理器的阀控制信号转变成具有一定功率输出的开关量信号，从而来驱动液压油路系统中的电磁阀的接通和关闭。
本实施例液压执行机构包括油箱，油泵，溢流阀，压力表，单向阀，液控单向阀，换向阀，压力继电器，截止阀，蓄能器，换向阀，液压缸，桩锤；其中，桩锤连接至液压缸上，油泵连接至油箱上，溢流阀，压力表，单向阀，液控单向阀，换向阀，压力继电器，截止阀，蓄能器，换向阀连接至输送管道上。
本发明的设计重点在于：
(1)本发明的液压打桩锤控制方法，该技术方案包括液压控制系统及电气控制系统，电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；电气控制系统是对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入。通过电气控制系统对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，实时对液压锤的打击能量进行精准控制，实现轻打高频率、重打稳定，保证打桩所要求的能量和打击的重复精度，实现设备节能降耗及保障设备安全。
(2)本发明提供液压控制系统，系统内置程序是通过建立数学模型，在加速下打过程中对液压缸活塞进行受力分析，通过该数学模型可以出计算桩锤加速下打过程中任一时刻桩锤的位移、速度、加速度，实现有效显著提高驱动液压打桩锤工作及锤击率。
(3)本发明的液压打桩锤控制系统，提出将MCU控制技术、SSI集成电路技术以及自适应打击算法应用到打桩锤的控制系统中，对于今后开发可用于工程施工的液压锤具有重要的指导意义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术入员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之形状、构造及原理所作的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种液压打桩锤控制方法，其特征在于，其包括如下步骤：
（1）分别设置一发动机、一液压站、一液压打桩锤，一液压控制系统及电气控制系统，并通电使各部分工作；
（2）该电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，其根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；
（3）液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；
（4）电气控制系统对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、 液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入，对液压锤的打击能量进行精准控制，实现节能降耗及保障设备安全；
（5）重复步骤（2）~（4），使各系统持续工作，直至完成预定的工程量。
2.根据权利要求1所述液压打桩锤控制方法，其特征在于，所述步骤（3）的液压系统控制运行过程，具体分为三个阶段：上升过程、下降过程和保压过程；
（3.1）上升过程：泵启动运行，换向阀的两个电磁铁（1DT、2DT）均处于失电状态，液压泵打出的压力油一部分进入蓄能器，一部分通过溢流阀流回油箱，当按下锤运行按钮后，电磁铁2DT得电，换向阀的左位接通，压力油进入液控单向阀K1、K4的控制油口，使阀K1、K4反向导通，此时液压泵继续给蓄能器充能，剩余压力油通过阀Kl进入液压缸下腔，活塞杆带动桩锤上升；
（3.2）下降过程：活塞杆到达行程终点时，触发高度行程开关，使电磁铁1DT得电，2DT失电，这时换向阀右位接通，压力油进入液控单向阀K2、K3的控制油口，使阀K2、K3反向导通，油泵打出的压力油和蓄能器中的压力油同时通过阀K3进入液压缸上腔，由于采用差动连接，液压缸下腔液压油通过阀K2进入上腔，使桩锤加速下打；
（3.3）保压过程：当桩锤打到桩上后，触发锤最低位点行程开关，同时时间继电器得电，时间继电器的时间设定由保压时间确定，保压时间可通过打桩频率、桩锤上升下降时间计算得到，达到时间继电器的设定时间后，电磁铁1DT失电，2DT得电，然后进入下一个工作循环。
3.根据权利要求1所述液压打桩锤控制方法，其特征在于，所述步骤（4）中，液压控制系统的内置程序是依据如下数学模型建立，在加速下打过程中对液压缸活塞进行受力分析，可得：
式中：P1为下打过程中液压缸上腔工作压力（Pa）；
P2为下打过程中液压缸下腔工作压力（Pa）；
A1为压缸上腔工作面积（m2）；
A2为液压缸下腔工作面积（m2）；
M为桩锤质量（kg）；
F为桩锤重量（N）；
V为下打过程桩锤的速度（m／s）。
4.根据权利要求3所述液压打桩锤控制方法，其特征在于，液压缸上腔压力p1以及压力损失△p1的确定液压缸上腔的油压力为：
p1=p-△p1 （2）
式中：p为蓄能器瞬时工作压力（Pa）；
△p1为从蓄能器经过阀硒及其管路的压力损失（Pa）；
p1为液压缸上腔的压力（Pa）；
管路的压力损失可用下列公式近似计算：
△p1=C1（Q1+Qp）2 （3）
式中：C1为进油管道和阀K3的液阻（N·s2／m8）；Q1为蓄能器的瞬时流量（m3／s）；QP为一液压泵的输出流量（m3／s）；
根据波义尔的气体定律有：
p=G／V1.4 （4）
式中：p为蓄能器的瞬时气体压力（Pa）；V为压力为p时的气体体积（m3）；G为气体常数（N·m）;
单位时间蓄能器内气体体积的变化量就是蓄能器的瞬时流量,蓄能器的瞬时流量的计算公式为：
将式（3）～（5）代入式（2）中可得p1的计算公式：
5.根据权利要求4所述液压打桩锤控制方法，其特征在于，液压缸活塞运动速度v的确定；进入液压缸上腔的液压油流量为Q1+Qp+Q2；从液压缸下腔排出的液压油流量为Q2；
根据流量与速度的关系可得：
将式（7）经过数学变换得到：
将式（5）代入式（8）得：
液压缸差动油路流量Q2的确定；
液压缸差动油路流量Q2可以根据液压缸活塞的运动速度v来确定,由于活塞的运动速度v是随时间变化的，所以液压缸差动油路流量Q：也是变化的，所求得的Q2是瞬时值；
Q2=A2·v （10）
将式（9）代入式（10）得：
液压缸下腔压力p2及压力损失△p2的确定
在加速下打过程中，液压缸下腔压力为p2的压力油通过差动管路进入液压缸上腔，利用液压缸上、下腔油液压力关系可确定p2的值；
p2=pl+△p2 （12）
式中：△p2为差动油路的压力损失，
△p2=C2·Q2 2 （13）
式中：C2为差动管道和阀K2的液阻（N·s2／m8），将式（11）代入式（13）得到：
将式（6）、（14）代入式（12）就可得到液压缸下腔压力p2的计算公式：
液压回路数学模型的确定将式（6）、（9）、（15）代入式（1），并将液压泵的流量Qp当成常量处理，经过整理后得：
为了得到桩锤加速下打运动的数据，方程（16）将用活塞的下降位移y来表示，初始条件为：在t=0时，y=0且蓄能器的容积为V=VA11，因而在活塞位移为y时，蓄能器的容积y为：
y= VA11+Ay-Qpt （17）
将式（17）代入式（16）中整理得：
式中：y为活塞位移（m）；
VA11为蓄能器最高工作压力时的气体容积（m3）；
A为液压缸上下腔活塞有效工作面积之差（m2），A=Al—A2=π·d2／4
D为活塞杆直径（m）；
将
代入方程（18）中整理后得到：
方程式（19）即为桩锤加速下打运动的数学表达式，通过该式可以计算桩锤加速下打过程中任一时刻桩锤的位移、速度、加速度。
6.根据权利要求1所述液压打桩锤控制方法，其特征在于，所述电气控制系统包括微控制器处理模块、锤体位置检测模块、SSI集成电路模块、电磁阀执行控制模块、键盘处理模块和显示模块；其中锤体位置检测模块是检测桩锤运动的位置，并以脉冲电信号的方式传递给SSI集成电路模块，SSI集成电路模块将传感器的脉冲信号转换成八位数据，使得微处理器以总线的方式处理锤体的位置信号；同时处理操控系统的键盘扫描，将扫描到的按键值输入到微处理模块，微处理模块负责分析和处理系统所有运行的数据，显示模块负责显示系统的工作参数和工作状态，电磁阀驱动模块是最终驱动各个逻辑阀的，将微处理器的阀控制信号转变成具有一定功率输出的开关量信号，从而来驱动液压油路系统中的电磁阀的接通和关闭。
7.根据权利要求6所述液压打桩锤控制方法，其特征在于，所述电气控制系统对液压锤电气控制包括两种工作方式，其分别为：行程控制和计时控制，是对桩锤打击能量的两种不同控制方法；所述电气控制系统对液压锤电气控制还包括三种工序运行控制模式，其分别为：手动控制、半自动控制和自适应控制。
8.一种根据权利要求1至7之一所述方法的液压打桩锤控制系统，其特征在于，包括系统显示，MCU处理单元，液压执行机构，锤体，传感器；传感器将锤体的位置信息检测出来，传送给MCU处理单元，液压执行机构再通过接收MCU处理单元输出的动作指令，将输入的电信号转换成液压缸的动作输出，从而来驱动锤体的运动，以完成所设定的工序；
液压打桩锤控制系统包括液压控制系统和电气控制系统，电气控制系统是基于MCU的嵌入式控制系统，其根据用户设定的运行参数及内置程序，运算得到锤体的动作控制信息，以电信号的形式输出液压打桩锤体的动作逻辑时序给液压控制系统；液压控制系统以该电信号作为控制输入，输出给发动机，发动机驱动液压站，液压站以液体为动力传输和控制介质的液压控制部分，驱动液压打桩锤工作；电气控制系统是对液压打桩锤的实时工作数据进行采集、分析和处理，包括发动机安全参数、发动机能耗参数、液压打桩锤系统参数、液压站系统参数，并根据内置的程序，再输出新的电信号作为控制输入，对液压锤的打击能量进行精准控制，实现节能降耗及保障设备安全。
9.根据权利要求8所述的液压打桩锤控制系统，其特征在于，所述电气控制系统包括微控制器处理模块、锤体位置检测模块、SSI集成电路模块、电磁阀执行控制模块、键盘处理模块和显示模块；其中锤体位置检测模块是检测桩锤运动的位置，并以脉冲电信号的方式传递给SSI集成电路模块，SSI集成电路模块将传感器的脉冲信号转换成八位数据，使得微处理器以总线的方式处理锤体的位置信号；同时处理操控系统的键盘扫描，将扫描到的按键值输入到微处理模块，微处理模块负责分析和处理系统所有运行的数据，显示模块负责显示系统的工作参数和工作状态，电磁阀驱动模块是最终驱动各个逻辑阀的，将微处理器的阀控制信号转变成具有一定功率输出的开关量信号，从而来驱动液压油路系统中的电磁阀的接通和关闭。
10.根据权利要求8所述的液压打桩锤控制系统，其特征在于，所述液压执行机构包括油箱，油泵，溢流阀，压力表，单向阀，液控单向阀，换向阀，压力继电器，截止阀，蓄能器，换向阀，液压缸，桩锤；其中，桩锤连接至液压缸上，油泵连接至油箱上，溢流阀，压力表，单向阀，液控单向阀，换向阀，压力继电器，截止阀，蓄能器，换向阀连接至输送管道上。
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