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摘要：液压锤在国外已有40多年的发展史，而国内大型液压打桩锤研制还处于空白。本文阐述了液压锤研制和应用层面的关键技术。本锤已投入港珠澳大桥沉桩施工，运行稳定，性能优异，标志研制成功。
关键词：国产；液压打桩锤；研制；应用技术
1.国内外液压打桩锤发展状况
上世纪70年代，西方开始研制液压打桩锤。按使用范围分：有陆用、水用、深水用三种系列；按工作原理分：有单作用和双作用两种形式。打击能量小至几十KJ最大已达3500KJ，适合施打承载力几十吨至超万吨风电基础桩等各种材质的水陆工程桩。液压打桩锤以其特有的优异性能，在欧美发达国家已取代或逐步淘汰柴油打桩锤，已成为承包商首选的大型桩基设备。目前，大型液压打桩锤的设计和制造技术为西方少数几家公司掌握，市场处于垄断地位。荷兰IHC、德国MENCK公司是全球著名的液压打桩锤生产商，两家公司垄断了全球双作用液压打桩锤市场，都已成功研发并投入市场2000kJ级以上超大型液压打桩锤；同时都成功研制了深水锤，该锤采用海水作为动力传动介质，零污染，可潜深1000米以上水深作业，适合深海工程桩基施打。深水用液压锤将推动油气工程、风电工程向深海发展，引领深海桩工设备发展潮流。英国BSP公司、荷兰永腾公司、美国APE公司等主要生产单作用液压打桩锤，这几家公司占有全球90%以上单作用液压锤市场。
国内柴油打桩锤生产厂家，进行过技术引进、技术合作或自行研发尝试，但由于国外主要生产厂家技术垄断和自身研发能力的限制，至今大部分厂家研制工作进展缓慢。广东力源液压机械有限公司在国内是最早独立进行液压锤研制的厂商，20吨（相当打击能量300kJ）以下锤型已研制成功，并已成功投放香港、澳门、澳洲、俄罗斯、印度及大陆部分地区，主要用于陆上建筑桩基市场。
2.研制国产大型液压打桩锤意义
液压打桩锤，由于其优异的打击能力、可控性和环保在西方发达国家已全部或逐步取代柴油锤作为一种新型沉桩设备；而国产化研制，是打破国外垄断，提升国内桩工设备制造水平，推动桩基施工事业发展的必然选择：
2.1.打破垄断，填补国内空白，促进国内桩工设备的良性发展；
2.2.为国内承包商提供物美价廉的桩工设备，提升装备水平；
2.3.锤炼国内研发团队，提升研制和创新能力，参与全球竞争；
2.4.保证桩基工程向深海和大型化发展；
2.5.满足日臻苛刻施工环保法律要求。
3.国产35吨大型液压打桩锤研制概述
本锤研制借鉴了20t级及以下锤型的研发经验，亦吸收了大量国外液压锤研制技术和开发经验。
3.1.主参数设计
3.1.1.锤心行程：200-1500mm。
3.1.2.锤心重量：35t（目的是满足港珠澳大桥桩基施工要求）
3.1.3.标称打击能量Q：
假设理想状况，冲击体（锤心）以g加速度下落，则
3.1.4.锤心打击次数：
设定打击频率为30-60次/分钟，行程1.5m时设定打击频率为32次。
3.1.5.最大有效功率q：
由此确定以395.54kw最大功率进行详细的液压传动及柴油机动力系统设计计算和产品选型。
3.2.锤的组成及工作原理
本锤结构上由锤体、动力站及动力站和锤体间的液压管道系统组成：锤体采用方形框架式见图1；动力站采用箱型结构。
工作原理：液压锤动力站产生压力油源，通过液压管道输送到锤体，压力油进入锤心两个提升油缸下腔，两油缸同步提升锤心到时间继电器控制的预设行程后释放，锤心以接近g的速度下落冲击铁砧，冲击力从而传递至桩帽桩顶，迫使桩下沉。
3.3.研制关键技术
3.3.1.液压系统采用大通径插装阀，最大程度减小液压损失，保证阀件换向动作的灵敏性，确保提升油缸下腔快速回油，从而使锤心以近似g的速度下落冲击铁砧。同时，锤体的进回油管道都采用并联双管2寸液压管道，最大限度减小管路阻力，降低能耗。相对国外厂家进回油单管路系统，这是创新，亦是本锤设计的关键点。
3.3.2.液压系统泵源采用电控变量带压力切断泵控方式，实现精准无级变量，依据不同的地质构造采取最有效的打击频率从而达到最好的沉桩效果。
3.3.3.锤心是主体受力件，经计算和英国BSP公司试验数据，选取了3000t冲击力负载进行有限元受力分析和结构设计，锤心选用大型整体锻件进行精加工。
3.3.4.强制式风冷技术：为保证液压油冷却效果，维持设备长期工作时油温仍在60℃以下，设计了独立的强制式液压油风冷冷却系统。
3.3.5.液压系统蓄能缓冲技术：在高压和回油管道分别并联两个容量都为12L的蓄能器。高压蓄能器用于向锤心提升油缸下腔供应高压油，使提升动作加快。低压蓄能器用于锤心下降时油液快速回流蓄能。高低压蓄能器都能吸收系统冲击能，使锤心运动更为平顺和可靠。
3.3.6.锤心双液压缸同步提升技术：采用双液压缸同步技术，两个液压缸的下腔和上腔分别设置连通管道，同时采取活塞杆动作约束机构，达到双缸同步，延长油缸使用寿命。
4.35t液压打桩锤应用关键技术
为配合港珠澳大桥青州航道桥主桥沉桩施工，35t液压打桩锤在路桥建设桩8号船上采用悬挂、导轨接入方式进行首次施工。港珠澳大桥是国际性工程，举世瞩目！国产大型液压打桩锤首次参与国内重大建设工程施工，意义重大；同时也是一次挑战。为此我们进行了大量应用层面的探索和研究：
4.1.青州航道桥主桥桩基工程量和规格
共有156根复合钢管桩：桩长达70m，重110t，外径2500mm，壁厚25mm，单桩设计承载力3000t。 4.2.打桩能力校核（标称打击能量E选择估算）
采用英国BSP公司HILEY公式进行选锤估算：
2F=ηE/（S+2.54）
（其中2为宽裕系数
F为设计承载力，单位为t，选3000t
η为锤击效率，采用英国BSP公司锤击试验数据，取0.8
E液压锤标称打击能量，单位为kg.m
S为最后贯入度，单位为mm，本处设定3mm）
将设计参数代入上式得
2×3000=0.8×E/（3+2.54）
E=41550 KN.m=415.5KN.m<525 KN.m（35t液压打桩锤标称打击能量）。
本工程复合钢管桩有剪力环，会增大桩贯入时的端阻力，同时，选择了较小的3mm最终贯入度进行计算，选型时留出一定打击能力富裕量是合理的。
4.3.吊垂绞车吊重能力改装
原路桥建设桩8号船吊锤绞车额定拉力20t，配用32mm钢丝绳，4倍率绕法。35t液压打桩锤锤体（含桩帽）总重达85吨，计算钢丝绳拉力F=Q/（ηn）=85/（0.9╳4）=23t>20t（吊锤绞车额定拉力）。故对桩8号船进行改造，采用6倍率绕法，锤体安装3个吊装动滑轮，桩架天令增设2个定滑轮。
4.4.锤垫改造
国外引进的液压锤，都采用了高分子材料做成的锤垫，该种锤垫造价高，单价为5万元，且连续击打3000-4000锤就会因发热损坏，贯入度小的情况下，打两三根桩就得报废，成本巨大，更换麻烦，施工效率低，无法适应国内高强度的施工计划。移植柴油打桩锤使用经验，采用平铺多层钢丝绳经加工制作的圆盘垫作为高分子锤垫的替代，效果显著，成本低廉。
4.5.桩帽设计（结构如图2）
本锤作用在桩帽上的最大打击力约3000吨，普通形式桩帽无法承受如此巨大的周期性冲击载荷。设计特种桩帽，以提高桩帽使用寿命，降低施工成本，提升生产效率。锤心直接冲击铁砧，铁砧再传力至桩顶，铁砧向上冲载由橡胶缓冲垫吸收，从而使桩帽焊接筒体经受冲载降至最低，整个桩帽寿命显著提高。
5.35t液压打桩锤在港珠澳大桥使用效果
35t液压打桩锤顺利将青州航道桥主桥156根复合钢管桩施打到设计标高，终锤贯入度4-5mm，日平均沉桩3根，施工用时两个月。施工中未发生重大故障，无设计制造缺陷，技术指标、经济指标、环保指标均满足施工要求，性能稳定，动力强劲，生产效率高，完全实现设计参数。 青州航道桥是港珠澳大桥所有建设标段唯一采用国产液压锤的标段，而本标段桩基工程施工进度又领先全桥其他标段2个月以上，35t液压打桩锤做出了杰出贡献。本液压打桩锤优异的施工性能赢得了施工方、大桥建设方的充分肯定，受到业内相关单位包括国外生产厂商的高度关注。
6.结束语
通过借鉴和吸收国外技术和经验，研发人员大胆创新，生产厂家与施工企业的紧密合作，国内完全有能力研制出适合施工生产需要的大型液压打桩锤。35t液压打桩锤的研制成功，将打破国外厂商的垄断，开拓独立研制之路，推动国内桩基设备发展，引领国际桩工设备市场变局。同时，提升国内施工企业装备水平，促进桩基工程向大型化、深海方向发展。
关键词：国产；液压打桩锤；研制；应用技术
1.国内外液压打桩锤发展状况
上世纪70年代，西方开始研制液压打桩锤。按使用范围分：有陆用、水用、深水用三种系列；按工作原理分：有单作用和双作用两种形式。打击能量小至几十KJ最大已达3500KJ，适合施打承载力几十吨至超万吨风电基础桩等各种材质的水陆工程桩。液压打桩锤以其特有的优异性能，在欧美发达国家已取代或逐步淘汰柴油打桩锤，已成为承包商首选的大型桩基设备。目前，大型液压打桩锤的设计和制造技术为西方少数几家公司掌握，市场处于垄断地位。荷兰IHC、德国MENCK公司是全球著名的液压打桩锤生产商，两家公司垄断了全球双作用液压打桩锤市场，都已成功研发并投入市场2000kJ级以上超大型液压打桩锤；同时都成功研制了深水锤，该锤采用海水作为动力传动介质，零污染，可潜深1000米以上水深作业，适合深海工程桩基施打。深水用液压锤将推动油气工程、风电工程向深海发展，引领深海桩工设备发展潮流。英国BSP公司、荷兰永腾公司、美国APE公司等主要生产单作用液压打桩锤，这几家公司占有全球90%以上单作用液压锤市场。
国内柴油打桩锤生产厂家，进行过技术引进、技术合作或自行研发尝试，但由于国外主要生产厂家技术垄断和自身研发能力的限制，至今大部分厂家研制工作进展缓慢。广东力源液压机械有限公司在国内是最早独立进行液压锤研制的厂商，20吨（相当打击能量300kJ）以下锤型已研制成功，并已成功投放香港、澳门、澳洲、俄罗斯、印度及大陆部分地区，主要用于陆上建筑桩基市场。
2.研制国产大型液压打桩锤意义
液压打桩锤，由于其优异的打击能力、可控性和环保在西方发达国家已全部或逐步取代柴油锤作为一种新型沉桩设备；而国产化研制，是打破国外垄断，提升国内桩工设备制造水平，推动桩基施工事业发展的必然选择：
2.1.打破垄断，填补国内空白，促进国内桩工设备的良性发展；
2.2.为国内承包商提供物美价廉的桩工设备，提升装备水平；
2.3.锤炼国内研发团队，提升研制和创新能力，参与全球竞争；
2.4.保证桩基工程向深海和大型化发展；
2.5.满足日臻苛刻施工环保法律要求。
3.国产35吨大型液压打桩锤研制概述
本锤研制借鉴了20t级及以下锤型的研发经验，亦吸收了大量国外液压锤研制技术和开发经验。
3.1.主参数设计
3.1.1.锤心行程：200-1500mm。
3.1.2.锤心重量：35t（目的是满足港珠澳大桥桩基施工要求）
3.1.3.标称打击能量Q：
假设理想状况，冲击体（锤心）以g加速度下落，则
3.1.4.锤心打击次数：
设定打击频率为30-60次/分钟，行程1.5m时设定打击频率为32次。
3.1.5.最大有效功率q：
由此确定以395.54kw最大功率进行详细的液压传动及柴油机动力系统设计计算和产品选型。
3.2.锤的组成及工作原理
本锤结构上由锤体、动力站及动力站和锤体间的液压管道系统组成：锤体采用方形框架式见图1；动力站采用箱型结构。
工作原理：液压锤动力站产生压力油源，通过液压管道输送到锤体，压力油进入锤心两个提升油缸下腔，两油缸同步提升锤心到时间继电器控制的预设行程后释放，锤心以接近g的速度下落冲击铁砧，冲击力从而传递至桩帽桩顶，迫使桩下沉。
3.3.研制关键技术
3.3.1.液压系统采用大通径插装阀，最大程度减小液压损失，保证阀件换向动作的灵敏性，确保提升油缸下腔快速回油，从而使锤心以近似g的速度下落冲击铁砧。同时，锤体的进回油管道都采用并联双管2寸液压管道，最大限度减小管路阻力，降低能耗。相对国外厂家进回油单管路系统，这是创新，亦是本锤设计的关键点。
3.3.2.液压系统泵源采用电控变量带压力切断泵控方式，实现精准无级变量，依据不同的地质构造采取最有效的打击频率从而达到最好的沉桩效果。
3.3.3.锤心是主体受力件，经计算和英国BSP公司试验数据，选取了3000t冲击力负载进行有限元受力分析和结构设计，锤心选用大型整体锻件进行精加工。
3.3.4.强制式风冷技术：为保证液压油冷却效果，维持设备长期工作时油温仍在60℃以下，设计了独立的强制式液压油风冷冷却系统。
3.3.5.液压系统蓄能缓冲技术：在高压和回油管道分别并联两个容量都为12L的蓄能器。高压蓄能器用于向锤心提升油缸下腔供应高压油，使提升动作加快。低压蓄能器用于锤心下降时油液快速回流蓄能。高低压蓄能器都能吸收系统冲击能，使锤心运动更为平顺和可靠。
3.3.6.锤心双液压缸同步提升技术：采用双液压缸同步技术，两个液压缸的下腔和上腔分别设置连通管道，同时采取活塞杆动作约束机构，达到双缸同步，延长油缸使用寿命。
4.35t液压打桩锤应用关键技术
为配合港珠澳大桥青州航道桥主桥沉桩施工，35t液压打桩锤在路桥建设桩8号船上采用悬挂、导轨接入方式进行首次施工。港珠澳大桥是国际性工程，举世瞩目！国产大型液压打桩锤首次参与国内重大建设工程施工，意义重大；同时也是一次挑战。为此我们进行了大量应用层面的探索和研究：
4.1.青州航道桥主桥桩基工程量和规格
共有156根复合钢管桩：桩长达70m，重110t，外径2500mm，壁厚25mm，单桩设计承载力3000t。 4.2.打桩能力校核（标称打击能量E选择估算）
采用英国BSP公司HILEY公式进行选锤估算：
2F=ηE/（S+2.54）
（其中2为宽裕系数
F为设计承载力，单位为t，选3000t
η为锤击效率，采用英国BSP公司锤击试验数据，取0.8
E液压锤标称打击能量，单位为kg.m
S为最后贯入度，单位为mm，本处设定3mm）
将设计参数代入上式得
2×3000=0.8×E/（3+2.54）
E=41550 KN.m=415.5KN.m<525 KN.m（35t液压打桩锤标称打击能量）。
本工程复合钢管桩有剪力环，会增大桩贯入时的端阻力，同时，选择了较小的3mm最终贯入度进行计算，选型时留出一定打击能力富裕量是合理的。
4.3.吊垂绞车吊重能力改装
原路桥建设桩8号船吊锤绞车额定拉力20t，配用32mm钢丝绳，4倍率绕法。35t液压打桩锤锤体（含桩帽）总重达85吨，计算钢丝绳拉力F=Q/（ηn）=85/（0.9╳4）=23t>20t（吊锤绞车额定拉力）。故对桩8号船进行改造，采用6倍率绕法，锤体安装3个吊装动滑轮，桩架天令增设2个定滑轮。
4.4.锤垫改造
国外引进的液压锤，都采用了高分子材料做成的锤垫，该种锤垫造价高，单价为5万元，且连续击打3000-4000锤就会因发热损坏，贯入度小的情况下，打两三根桩就得报废，成本巨大，更换麻烦，施工效率低，无法适应国内高强度的施工计划。移植柴油打桩锤使用经验，采用平铺多层钢丝绳经加工制作的圆盘垫作为高分子锤垫的替代，效果显著，成本低廉。
4.5.桩帽设计（结构如图2）
本锤作用在桩帽上的最大打击力约3000吨，普通形式桩帽无法承受如此巨大的周期性冲击载荷。设计特种桩帽，以提高桩帽使用寿命，降低施工成本，提升生产效率。锤心直接冲击铁砧，铁砧再传力至桩顶，铁砧向上冲载由橡胶缓冲垫吸收，从而使桩帽焊接筒体经受冲载降至最低，整个桩帽寿命显著提高。
5.35t液压打桩锤在港珠澳大桥使用效果
35t液压打桩锤顺利将青州航道桥主桥156根复合钢管桩施打到设计标高，终锤贯入度4-5mm，日平均沉桩3根，施工用时两个月。施工中未发生重大故障，无设计制造缺陷，技术指标、经济指标、环保指标均满足施工要求，性能稳定，动力强劲，生产效率高，完全实现设计参数。 青州航道桥是港珠澳大桥所有建设标段唯一采用国产液压锤的标段，而本标段桩基工程施工进度又领先全桥其他标段2个月以上，35t液压打桩锤做出了杰出贡献。本液压打桩锤优异的施工性能赢得了施工方、大桥建设方的充分肯定，受到业内相关单位包括国外生产厂商的高度关注。
6.结束语
通过借鉴和吸收国外技术和经验，研发人员大胆创新，生产厂家与施工企业的紧密合作，国内完全有能力研制出适合施工生产需要的大型液压打桩锤。35t液压打桩锤的研制成功，将打破国外厂商的垄断，开拓独立研制之路，推动国内桩基设备发展，引领国际桩工设备市场变局。同时，提升国内施工企业装备水平，促进桩基工程向大型化、深海方向发展。