1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 桥梁打桩机电气系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的一种基础类型。近几年随着交通基础设施建设的不断发展，以高桩码头、 深水桩基桥梁为代表的桩基工程的应用领域不断扩大，与此相适应，不同规模、不同型式的打桩机也相继出现。液压打桩锤作为一种新型的打桩设备，在国外发展比较成熟，如美国、德国、日本和荷兰相继研制出了这种打桩设备。与目前较常用的柴油锤相比，桩的可打入性精度高，具有能量传递效率高、结构简单、噪声污染小、
2、打击能量易于控制、适合各类土层和桩型等优点，进行新型液压打桩锤的研究和开发，对于环保、节能、促进技术进步有重要意义。 本文将针对打桩机的特点和发展趋势，以液压实验装置为基础，改进液压系统，在分析液压打桩实验装置继继电器控制 系统和典型电气控制原理的基础上，提出应用 PLC 控制液压打桩机的方法和途径。 关键词： 液压打桩锤；高压蓄能器；结构设计； PLC 控制 - 2 - Abstract Pile on a weak foundation of human construction of buildings in a kind of creation, is the oldest and m
3、ost basic type of a basis. In recent years, transportation infrastructure with the continuous development of the wharf, the bridge as the representative of deep pile foundation pile foundation engineering applications continue to expand, and adapt to this, different sizes, different types of hammers
4、 have also emerged . Hydraulic pile hammer as a new type of piling equipment, more mature development in foreign countries, such as the United States, Germany, Japan and the Netherlands have developed this kind of piling equipment. With the current than the more common diesel hammer, pile into the n
5、ature of high precision can be, with energy transfer efficiency, simple structure, noise pollution, combat power is easy to control for all types of soil and pile, etc., the new hydraulic pile hammer of the research and development, for environmental protection, energy efficiency, promote technologi
6、cal progress is important. This article will focus on the characteristics of the hydraulic hammer and trends in the hydraulic hammer the basis of experimental equipment, improved hydraulic system, hydraulic hammers in the analysis of experimental device, following the typical electrical relay contro
7、l systems and control theory, based on the proposed application of PLC control Basic methods and approaches. Keywords: hydraulic； high pressure accumulator； structure design； PLC control system - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 打桩机简介 .1 1.2 几类常 见的打桩机 .1 1.3 液压打桩锤的发展现状及优势 .2 1.4 液压打桩锤的控制技术 .2 2 液压打桩机系统工作原理 .3 2.
8、1 液压打桩机系统工作原理 .3 2.2 液压打桩锤基本组成 .3 2.3 液压打桩锤结构 .5 2.4 液压打桩锤工作过程 .5 3 液压打桩机油路系统设计 .7 3.1 液压打桩锤油路系统设计 .7 3.2 油路系统 .7 3.2.1 油路系统组成 .7 3.2.2 工作原理 .8 4 液压打桩机控制方案 . 11 4.1 液压打桩机控制系统 . 11 4.2 液压打桩机控制系统的主要内容 . 11 4.2.1 运动和动力控制 . 11 4.2.2 打击过程测量与显示数据 . 11 4.2.3 系统报警与紧急制动功能 .12 4.3 控制系统的实现 .12 4.3.1 方式的选择 .12
9、4.3.2 PLC 控制系统设计的步骤 .13 4.3.3 控制系统的组成 .14 4.3.4 选择 PLC 时注意的问题 .14 5 液压打桩机 PLC 控制设计 .16 5.1 PLC 的选择 .16 5.1.1 西门子 S7-200 .16 5.2 PLC 控制方案 .16 5.3 PLC 控制系统软硬件的设计 .18 5.3.1 液压打桩机 PLC 控制系统 .18 5.3.2 控制程序流程 .20 5.3.3 S7-200 编程软件 .21 5.3.4 设计 PLC 程序指令的梯形图 .22 6 结论 .26 致 谢 . 错误 !未定义书签。 - 4 - 参考文献 .27 附录 1
10、S7 -200 主程序梯形图 .28 - 1 - 1 引言 1.1 打桩机简介 打桩机是一种利用冲击力将桩贯入地层的桩工机械。 1由桩锤、桩架及附属设备等组成。打桩机的基本技术参数是部分重量、冲击动能和冲击频率。 1.2 几类常见的打桩机 打桩机按照动力来源来分为：落锤、气锤、柴油锤、液压锤。 1落锤式打桩机 落锤式打桩机由卷扬机拉升锤体，然后自由落下，利用自重夯击桩顶。一般锤重 1-30KN，每分钟锤击次数小于 12 次，仅能在小规模工程中使用。其优点 是构造简单、费用低廉。缺点是生产率低、贯入能量小、对桩损伤大。 2蒸汽打桩锤 蒸汽打桩锤利用蒸汽的压力将锤体上举，然后由锤的自重向下冲击桩顶
11、。可以打水下桩、斜桩，甚至水平桩，对桩损伤小 ;工作性能不受土层软、硬和工作时间长短限制。但需要配备一套锅炉设备，效率低、使用不方便。 3柴油打桩锤 柴油打桩锤是利用柴油燃烧时释放的能量提升锤体的。柴油锤自带动力、使用方便、能耗低、生产效率高、能根据沉桩阻力的大小自动调节冲击力等优点 ;缺点是噪声大、废气污染重、在软土及低温条件下启动困难、不能长时间持续工作。因受 自重、公害及性能的制约，难以向超大型方向发展。 4液压打桩锤 液压打桩锤是近几十年来发展起来的一种较理想的打桩锤。 它利用液压能驱动锤体升降。其优点是可根据土质情况及桩材质的强度，合理选择冲击力，以保证冲击能量的充分发挥而不损害桩身
12、 :在打桩过程中，同时可获得冲击力和贯入度指标，因而可有效地确定桩是否已进入预定的土层上，并能直观地知道桩的允许承载力。 液压打桩锤适合打斜桩作业及水下桩基施工，液压打桩锤不存在软土起动困- 2 - 难的问题，而且能适应各种气候下的施工作业，沉桩力作用时间长，有效贯入能量大，液压打桩锤的公 害较小，基本上无废气污染，冲击时的噪音要比其它桩锤低 20dB 左右，因而能适应城市桩基础的施工作业。但其不足之处是结构复杂、价格贵。 2 1.3 液压打桩锤的发展现状及优势 自从荷兰在 1965 年研制出液压打桩锤以来， 80 年代以后，液压打桩锤便很快在英国、芬兰、日本、美国等国家得到迅速发展。随着液压
13、技术的发展与逐步成熟，加之传统使用的柴油锤噪声大、效率低，污染重等原因，在基础施工中受到限制。 20 世纪 70 年代，各国先后开发了液压打桩锤以适用建筑行业的新需要。经过 30 多年的改进与发展，目前液压打桩锤已成为建 筑施工中一种不可缺少的大型桩工机械，并越来越受到重视。 液压锤通过桩帽这一项缓冲装置，直接将能量传导给桩体，一般不需要特别的夹桩装置，因此可不受限制地对各种形状的钢板桩，混凝土预制桩，木制桩等沉桩作业。另外，液压锤还可以方便地进行陆上与水上的斜桩作业，比其它桩锤有独到的优越性。 3 1.4 液压打桩锤的控制技术 液压打桩锤的工作环境比较恶劣，设计出性能可靠的控制系统是保证液压
14、打桩锤正常工作的必要条件之一。可编程控制器（ PLC）是近年来发展起来的一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术的新型控制 器。 它具有体积小、功能强、灵活通用、维护方便、高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力等一系列优点。所以本文液压打桩锤采用 PLC 控制方式。 - 3 - 2 液压打桩机系统工作原理 随着液压技术的发展与逐步成熟，加之传统使用的柴油锤噪声大、效率低，污染重等原因，在基础施工中受到限制， 20 世纪 70 年代，各国先后开发了液压打桩锤以适用建筑行业的新需要。经过 30 多年的改进与发展，目前液压打桩锤已成为建筑施工中一种不可缺少的大型桩工机械，并越来越受到重视。
15、2.1 液压打桩机系统工作原理 目前使用的液压打桩系统形式多样，但基 本结构大致相似，一般由打桩 锤体 、液压系统及电气控制系统三部分组成构成。液压打桩机系统工作原理如图 2-1所示，电气控制系统控制液压执行机构工作，液压执行机构驱动 锤体的运行。 液 压执 行 机 构打 桩 机 锤 体电 气 控 制 系 统驱 动输 出 控 制图 2-1 液压打桩机系统工作原理 2.2 液压打桩锤基本组成 1液压打桩锤本体 (本体机械部分 ) 本体机械部分由起吊装置、导向装置、液压装置保护罩、锤体、壳体、桩帽及缓冲垫等组成。各部分作用如下 : (1)起吊装置主要由滑轮架、滑轮组与钢丝绳组成，通过桩架顶部的滑轮
16、组与卷扬机相连。 利用卷扬机的动力，液压锤可在打桩架的导向装置中上下滑动。 - 4 - (2)用螺栓将导向装置与壳体和桩帽相连，使其与导向架的滑道相配合，锤可沿导向架上下滑动。 (3)液压装置保护罩用来保护液压锤上部的液压元件、液压油管和电气装置。由于液压锤的工况复杂、使用环境恶劣，难免会发生这样或那样的碰撞，因此液压装置必须有可靠的保护。 液压装置保护罩还有一个重要的作用，即作配重用。当锤体下落打击桩帽时，桩帽对锤体有一个向上的反力，这个反力会使锤体和液压缸发生不规则的抖动或向上反弹，这种干扰会影响液压系统正常的工作循环，同时 对桩、桩架造成不良影响。液压装置保护罩的质量起到类似配重的作用，
17、可以缓解和减少其不规则的抖动或反弹，从而提高整体工作性能。 (4)锤体是沉桩的主要工作部分。液压锤通过锤体下降打击桩帽，将能量传给桩，实现桩的贯入下沉。 (5)壳体把上部的液压装置保护罩和下壳体连接起来，在它的外侧安装着导向装置、无触点开关、液压油管和控制电缆的夹板等。锤体上下运动锤击沉桩的全过程均在壳体内完成，壳体板较厚，除去有足够的强度与刚度之外，还有一定的隔音作用。 (6)打桩时桩帽套在钢板桩或混凝土预制桩的顶部，除去导向作用外，与缓冲垫 一起既保护桩头不受到破坏，也使锤体及液压缸的冲击荷载大为减少。 2液压系统及电器控制系统 液压打桩锤的液压系统主要由液压泵、溢流阀、卸荷阀、蓄能器、执
18、行元件以及特定管路等组成。液压打桩锤一般采用先进的可编程逻辑控制器控制。控制方式有手动和自动打桩两种状态，桩锤下落高度的控制主要有时间设定方式和位置设定方式两种类型。 即由 PLC 发出电信号指令控制液压系统，然后由液压控制系统驱动锤体进行动作，锤体通过传感器检测反馈给 PLC 信息，并显示一系列工作参数。如图 2-2所示。 - 5 - 显 显 显 显P L C 显 显显 显显 显 显 显显 显显 显 显显 显 显 显 显 显显 显显 显显 显 显显 显显 显显 显显 显图 2-2 液压锤控制系统结构框图 2.3 液压打桩锤结构 液压打桩锤刻分为锤体，液压动力装置，操纵控制装置三大部分：锤体部分包括驱动装置，打击力装置，行程控制装置，液压控制装置等；液压动力装置一般由发动机，液压泵，油箱等组成相当于一个液压泵站；操纵装置包括电控柜，数据显示及打印装置等。如图 2-3 所示。 345121.液压动力装置 2.操纵控制装置 3.液压控制装置 4.液压油缸 5.桩锤 图 2-3 液压桩锤的结构 2.4 液压打桩锤工作过程 液压打桩锤以液压能为动力，举起锤体后快速泄油，或同时反向供油，使锤
