液压打桩锤以其低污染、高能量利用率、工作过程可控等优点,已在桩基础施工中获得越来越多的应用。国内液压打桩锤的设计方法落后,没有自己的成熟产品；国外液压打桩锤的产品相对成熟,但打击能和打击频率的调节范围有限,严重制约着液压打桩锤的应用和推广。针对国内外现有液压打桩锤设计和应用中存在的理论和技术上的缺陷,本文结合湖南省科技计划项目“可无级调节打击能和频率的液压打桩气液控制方案研究”(项目编号：2008JT1014),以无级调频调能气液驱动液压打桩锤设计及其性能研究为目的,立足现状,设计了能无级调频调能的气液驱动液压打桩锤系统；分析了气液驱动打桩锤的运动特性,提出了气液驱动打桩锤四段运动分析的新设计方法；对实现气液驱动打桩锤柔性配流技术的核心部件主控阀,以及采用降低和吸收打击能脱桩保护技术的全液压脱桩保护系统进行了研究设计。主要内容如下：首先在分析国内外液压打桩锤及其设计方法和关键技术发展状况的基础上,突破打击能和频率调节范围的限制,确定了气液驱动打桩锤的设计原则和结构方案,设计了采用压力反馈原理实现无级调频调能、利用主控阀控制打桩锤工作状态柔性转换、具有脱桩保护功能的气液驱动控制系统；然后,对无级调频调能气液驱动液压打桩锤的四段运动设计方法进行了研究。分析了气液驱动打桩锤的运动特性,将气液驱动打桩锤的运动分为上升加速,上升匀速,上升减速和下降加速四个过程,引入运动周期与下落加速时间比γτ和最大上升下落速度比αυ两个无量纲变量,构建了一套完整的气液驱动打桩锤四段运动设计方法；接着,对实现气液驱动打桩锤柔性配流技术的核心部件主控阀,以及全液压脱桩保护系统进行了设计和研究。首先设计了具有记忆功能的液压柔性冲击主控阀,建立了主控阀换向的动态数学模型和仿真模型,仿真研究了主控阀相关结构参数对其换向性能的影响规律,并对主控阀进行了稳健优化；接着设计了全液压脱桩保护控制系统,建立了缓冲机构的静态设计方法,并结合热力学和流体动力学建立了脱桩保护缓冲机构的动态数学模型和仿真模型,分析研究了相关参数对其性能的影响规律；再接着,对设计的气液驱动打桩锤性能进行了仿真研究。采用机理建模法建立了冲击油缸、主控阀、插装阀和打桩锤锤击系统的数学模型,结合Simulink和AMEsim建立了打桩锤液压控制系统和锤击系统的仿真模型。仿真研究了氮气室初始压力、打桩锤下落控制压力和系统供油量对打桩锤调频调能性能的影响规律,以及填充金属颗粒等效参数和垫层参数对锤击系统性能的影响规律。最后,在实验样机上对打桩静阻力、无级调频调能气液驱动液压打桩锤的性能和脱桩保护缓冲机构的性能进行了测试分析,验证了本文关于无级调频调能气液驱动液压打桩锤的设计方法和仿真模型的正确性。通过上述各个方面的研究,基本形成了一套气液驱动液压打桩锤设计方法,为无级调频调能气液驱动液压打桩锤技术奠定了理论基础。