YZY400全液压静压桩机的电气控制系统设计.docx
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YZY400全液压静压桩机的电气控制系统设计
摘要
本次设计是YZY全液压静压桩机的电气控制系统总体设计。
其主要分为以下几大部分：
液压泵1、2和吊机的电器控制。
电器系统要为液压系统提供动力，对电机进行控制。
因为压桩机是工程机械，不论白天晚上，都要能保证其工作，所以电器系统要为驾驶室及工作区提供照明。
为了使驾驶室环境的舒适，电器系统设计时还要考虑到吹风以及为整个系统提供报警等。
设计时通过参观实习，并阅读大量资料，理论结合实际设计出了压桩机的电器控制系统，基本上符合设备的要求。
关键词：
YZY全液压静压桩机电器控制
Summary
KeyWords:
pilepressing-inmachineelectricalcontrolsysterm
Thistimemyprojectisdesignofelectricalcontrolsystermofentirelyhydraulicpressurestaticforcepilepressing-inmachine.Itisdividedintoprimarilyseveralbigparts:
electricalcontrolsystermofhydraulicpumponeandtwoandderrick.Theelectricalcontrolsystermmustofferingmotivityforhydraulicsystem.Becausepilepressing-inmachineisconstructionmachineryandequipment,Nomaterdayandnight,itmustcanguaranteeitswork,electricalcontrolsystermshouldofferingilluminateforbridgehouseandworkarea.Formakingenvironmentalcomfortinbridgehouse,StillwantwhenelectricappliancessystemdesigninconsiderationofblowthebreezeandthewarningoftotalcontrolofyourSystem.Whiledesigning.Ivisitedsomeplaceandlookedsomemachine,andreadalargequantityofdata,combinethetheoriesandactual,Ihavedesignedtheelectricalcontrolsysterm.Itisbasictoascendtherequestoftheequipments.
1.概述……………………………………………………………….………（4）
1.1桩工机械产生的必要条件………………………………………...（4）
1.2桩工机械的发展简述…………………………………………….（4）
1.3部分YZY系列静力压桩机主要组成……………………………..（5）
1.4静力压桩机的主要特点…………………………………………….（5）
1.5静力压桩机的使用，操作要点……………………………………（5）
1．5．1静力压桩机的安装……………………………………………….（5）
1．5．2．静力压桩机的作业要点…………………………………………（6）
1.6压桩机的控制系统………………………………………………….（7）
2.YZY400静压桩机电器及控制系统总体设计……………………………..（8）
2.1电器控制系统设计任务与总成……………………………………（8）
2．2．1电动机的选择……………………………………………………..（8）
2．2．2吊机的选择…………………………………………………….（8）
2.2电动机及吊机选择………………………………………………….（8）
2.3控制元件的选择……..……………………………………………….（9）
2.4电机控制回路……………………………………………………….（16）
3.照明及驾驶室线路系统…………………………………………………...（17）
3.1照明及吹风………………………………………………………..（17）
3.2其它元件的选择……………………………………………………（18）
3.2.1旋转开关…………………………………………………………..（18）
3.2.2变压器………………………………………………………………（18）
3.3报警装置……………………………………………………………..（19）
3.3.1断电报警……………………………………………………………（19）
3.3.2油泵滤油器堵塞报警………………………………………………（19）
3.3.3报警装置常见故障…………………………………………………...（21）
3.4驾驶室布局………………………………………………………….（21）
4.ZY16型压桩吊……………………………………………………………（23）
4.1概述………………………………………………………………（23）
4.2技术参数……………………………………………………………...（24）
4.3起重机起重作业部分的主要结构原理及操纵………………..…….（26）
4.3.1起升机构…………………………………………………………...（26）
4.3.2起升机构的操纵方法……………………………………………...（27）
4.3.3吊臂变幅机构………………………………………………….....（27）
4.3.4吊臂变幅机构操纵方法………………………………………….（27）
4.3.5回转机构的操纵方法………………………………………….....（28）
4.3.6回转机构的操纵方法…………………………………………….（28）
4.3.7电气系统……………………………………………………….....（29）
4.3.8中心回转接头………………………………………………………（29）
4.4安全装置系统..........................................（30）
4.5起重机的操作事项……………………………………………..…..（30）
4.5.1起重机的操纵装置及仪表……………………………………....（30）
4.5.2作业时注意事项………………………………………………....（30）
4.6起重机的维护和保养…………………………………………….…...（31）
4.7起重机的一般故障及排除方法……………………………………......（31）
结束语………………………………………………………………………….（34）
致谢……………………………………………………………………………（35）
参考书目………………………………………………………………………..（36）
1.概述
1.1桩工机械产生的必要条件
建筑物的全部载荷都要通过基础传给地基。
具有足够的强度、稳定性和耐久性的基础，才能保证建筑物的安全和正常使用。
根据地基的地质、地形、水文等特点，建筑物的基础大体上可分为直接基础、桩基础和沉箱基础等，其中桩基础是基础工程中应用员广泛，发展最迅速的一种基础形式。
这是因为桩基础比其他形式的基础具有承载力高，适应性强，沉降量小，抗震性能好，以及施工方便等优点。
加之土地使用日趋紧张的情况厂，一些工厂、房屋或其他设施，不得不建造在海边、河滩等软弱的地基上。
此外，修建海上井台、大型港口和深水码头、高速公路和铁路，桥梁也都对桩基校的发展提出了新的课题。
另一方面，由于桩工机械性能不断改善，品种、型号增多，又为桩基础的发展提供了有利条件。
当前，桩基础正在向大型化方向发展，教大型的桩直径达2—3m，极限承载能力达20xl0*3kN左右。
桩工机械是用来完成预制桩的打人、沉入、压入、拔出或灌柱桩的成孔等作业的机械。
1．2桩工机械的发展简述
解放前，我国没有自制桩工机械，建国初期基本建设的基础施工全部使用旧中国从国外进口遗留下的蒸气打桩机和笨重的自由落锤，桩工机械和施工方法都非常落后。
“一·五”期间，由于一些重点工程需要，开始测绘仿制国外3~10t单作用和双作用蒸气打桩机。
至20世纪60年代初期，开始组建桩工机械制造行业和专业研究室。
从此开始我国自行研制桩工机械的发展时期。
从20世纪60年代中到70年代末15年间，桩工机械制造行业逐步发展壮大。
近十多年来，由于石油工程及桥梁工程的需要，大型振动桩锤有了新的发展，如DZJ系列振动桩锤，最大激振力达1800KN，电机功率为240KN，起动力矩为0，对电网的冲击很小。
国外振动桩锤主要向液压振动桩锤的方向发展，如美国的ICE系列，德国的MGF系列。
液压振动桩锤可以改变振动频率，可使振锤适应桩-土壤体系的振动频率，使桩与土壤产生共振，加大力幅，使沉桩速度加快。
用柴油锤和振动桩锤沉桩会产生相当大的噪声，在城市居民密集区施工时对环境影响极大。
近年来，液压锤和静压桩机悄然兴起，静压桩机使用液压油顶，将桩压入土中，工作过程基本无噪声。
最近常用于大城市中心地区沉桩作业。
国内目前最大的静压桩机为上海生产的6000KN静压桩机。
随着新技术，新设备的发展，就地灌注桩最近几十年得到了飞速发展，灌注桩的成孔有挤土和取土两种方法。
目前应用较广的反循环钻机，套管钻机，回转斗钻机，旋转钻机，潜水钻机，潜水冲击锤等。
另一类就地灌注桩是稳定液施工法的就地灌注桩，这类桩的成孔机械为回转斗与端螺旋钻。
静力压桩机是以压桩机的自重克服沉桩过程中的阻力，当静压力超过桩周上的摩阻力时，桩就沿着压梁的轴线方向下沉，静力压桩具有无振动、无噪声的特点，适用于高压缩性的粘土或砂性较轻的亚粘上：
层中，在人口密集的居民点、城市地区尤为适宜。
1．3部分YZY系列静力压桩机主要组成
YZY系列静力压桩机主要由夹持机构、底盘平台、横向行走及回转机构、纵向行走机构、液压系统和电气系统等部分组成。
1．4静力压桩机的主要特点
1）压桩机采用步届式行走机构，整机重心低，行动灵活，操纵方便。
有辅桩工作机吊桩就位，不用另配起重机吊桩，它和主机装在一个底盘上，可随整机一起行走。
2）压桩机施工时无噪声适用于市区内，尤其是医院、学校、办公楼等压桩施工。
无振动、无空气污染。
3）消除一般打桩机连续冲击荷载所引起的桩头和桩身的破坏。
4）机上有起重机构．操作方便，减少高空作业的不安全因素。
5）静力压桩施工对桩身产生的应力小，可以减少混凝土顶制桩的钢筋需用量，降低工程造价。
由于静力压校机具有以上特点，已被广泛应用于软土地区的工业和民用建筑t港湾码头、水工围堰、地铁等工程的桩基础施工。
但是静力压桩机缺点是：
和冲击式打桩机相比，其效率较低。
同时．对土体的适应性有一定的局限。
如YZY型全液压静力压桩机只适用于PS值在40范围内软弱地基上施工；而DY80型绳索式静力压桩机只适用于流塑、软塑状态的粘土和亚粘土地基上施工。
1．5静力压桩机的使用，操作要点
1．5．1静力压桩机的安装
1）静力压桩机的安装地点，必须按施工要求进行先期处理，使场地整平，井具有坚实的承载力。
2）安装时，应特别注意两个行走机构之间的安装间距，防止底盘平台不能正确对位而导致返工。
3）电源在导通前，应检查电源电压，使其保持在额定电压范围内。
4）各液压管路连接时，不得将管路强行弯曲。
安装过程中，应防止液压油过多流损。
5）在安装配重前，必须对各紧固件进行检查，防止因紧固件未拧紧而造成构件变形。
6）安装完毕后，应对整机进行试运转，特别是吊校用的起重机，应按起重机规定进行技术试验。
1．5．2．静力压桩机的作业要点
1）压校作业中，首先要插中校位，如遇地下障碍物使桩在压人过程中倾斜时，不能用压桩机行走的方法强行纠编，应将倾斜的桩拔起，待地下障碍物清除后，重新插桩。
2）桩在压入过程中，如通夹持机构和校侧打滑时，不能任意提高液压油压力，强行操作，而应找出打滑原因，采取有效措施后方可继续进行。
3）由于桩的贯人阻力过大，使桩不能压至标高时，不能任意增加配重，否则会引起液压元件和构件的损坏。
4）压桩中如桩顶不能最后压到设计标高时，必须将桩顶部分凿去，严禁用压桩机行走的方式，将桩强行推断。
5）压桩过程中，如遇周围土体隆起，影响桩机行走时，应将桩机前方隆起的土铲除，不应强行通过，以免损坏校机行走机构。
6）桩机在顶升过程中，应尽可能避免任一般形轨道压在己入土的单一的桩顶上，否则将使船形轨道因受力不均而变形。
7）压桩机的电气系统必须有效的接地。
作业中，电缆应有专人看护。
8）压桩过程中，当桩尖碰到夹砂层时，压桩阻力可能突然增大，甚至超过压桩能力，使压桩机上拾。
此时，可用最大的压桩力作用在桩顶后，采用停车的法使桩有可能缓慢穿过砂层。
若有少量桩确实不能下沉到设计标高，如相差不多可截除桩头，继续慧础承台的施工。
9）压桩接近设计标高时，应注意严格掌握停压时间。
停压过早，补压阻力加大；停压过迟，则沉桩超过要求深度。
10）压桩时，特别是压桩初期要注意桩的下沉情况，有无走位或偏斜，是否符合桩位中心位置，以便及时进行校正。
如无法校正时，应拔出后重新下沉。
如迢有障碍时，应予清除后重行插桩施压。
11）多甘桩施上时，接桩面应距地面1m以上，以便于操作。
12）尽量避免压桩中途停歇，停歇时间较长，重新起动阻力增大。
13）压桩中，桩身倾斜或下沉速度突然加快时，多为桩接头失效或桩身破裂。
一般可在原桩位附近补压新桩。
14）当压桩阻力超过压核能力，或者由于配重调整不当，而使压桩机发生较大倾斜时，应立即采取停压措施，以免造成断桩或压桩架倾倒事故。
15）压桩机行走时，长、短船形轨道和水平坡度不可超过5’。
纵向行走时，不可单向操作一个手柄，应两个手柄一起动作。
16）作业完毕．应将短船运行至中间位置，停放在乎整地面上，其余液压缸应全部回程缩进，起重机吊钩应升至最上部，并应使各部制动生效，最后应将外露活塞杆擦干净。
17）作业后，应将各控制器故在“零位”，并依次切断各部电源，锁闭门宙，冬季应放尽各部积水。
18）转移工地时，应按规定程序拆卸后，用汽车装运。
所有油管接头处应加闷头螺栓，防止尘土进入。
液压软管不得强行弯曲。
1．6压桩机的控制系统
两个电动机通过自动电控延时起动后，分别带动两个液压泵同时工作。
此时，各执行机构并不动作，集成油路系统为常开式和各路相通，使液压泵输出的压力油经集成油路系统无负荷流回油箱，实现电动机空载起动。
当需要任何一个执行机构的液压缸工作时，只要操纵相应的电开关，使集成油路系统小电液阀通电后动作，此时变常开式回路为闭合回路状态。
油压升到大于额定工作压力时，由集成油路系统中的送流阀卸裁，压力油液回油箱。
因此，整个液压系统的工作是通过电控换向阀去执行的，而压桩机的纵向和横向行走以及底盘平台的顶升是依靠手动多路阀控制的。
2.YZY400静压桩机电器及控制系统总体设计
2．1电器控制系统设计任务与组成
2.1.1设计任务
本次设计任务是YZY400静压桩机电器及控制系统总体设计。
本压桩机采用液压静力将预制桩分段压入土层中，完成吊桩、压桩的施工作业，如遇到加沙层等静压压不下去时，就利用振冲振冲一下，待穿过特种层后继续用静压压桩。
整个机构由机身、导向压桩架及压桩机构、起重及升降机构、纵向移动机构、横向移动回转机构、液压及电器控制机构组成。
由于是工程机械，承受的工作载荷大，所以工作机构多采用液压系统。
电器系统主要为液压系统提供动力，对电机进行控制，为驾驶室及工作区提供照明、吹风以及为整个系统提供报警等。
另外，由于压桩机的工作特点，压桩时要求桩与水平线保持垂直，即机身要保持水平，进行调平。
但是目前国内各种型号的压桩机都是采用手动控制，其中调平更为不方便，降低了效率。
传统方法调平时，首先用经纬仪测量纵横方向的倾斜；然后再通过手动液压阀调平，效率低、精度不高，增加施工周期。
因此本设计拟采用电液比例阀自动调平系统来实现自动调平，以解决传统调平中所遇到的问题。
本人此次设计的电器及控制系统主要由电机、电机控制、驾驶室电气控制、照明及报警系统等组成。
2.1.2总体设计
液压静压桩机采用了液压系统作为动力来进行压桩工作，因此电控系统的主要任务是对液压及其控制系统进行控制。
电控系统设计又可分为强电部和弱电两个部分：
强电部分主要控制液压站的主电机运转；弱电部分由可编程控制器PLC进行控制，控制内容包括主电机运转指令的给出，调平系统的运行控制等。
根据液压系统的设计计算可知，系统的供油回路由两个泵组成，其驱动电机的功率分别为75KW（泵1）、220KW（泵2）。
一般地，压桩机工作环境可以提供三相380V电源，所以液压系统的电机采用三相380V普通交流异步电机。
三相笼式电机直接起动的控制线路简单，维修工作量小，但在起动时的电流约为额定电流的4——7倍。
对于本系统采用的两台大容量电机，如果采用直接起动会引起电网电压降低，电机转矩减小，甚至起动困难，而且还影响同一供电网中的其它设备，因此采用降压起动，以保证起动时供电母线上的电压降不超过额定电压的10%——15%。
工程实际中常用的降压起动方法通常有星—三角降压起动、定子串电阻降压起动和自耦变压器降压起动等。
由于4KW以上的三相笼式异步电动机定子绕组在正常工作时都接成三角形，因此可以采用星—三角降压起动。
考虑到星形直接起动的电流仍然很大，在星形起动过程中进一步采用自耦变压器进行降压起动。
起动时，电源电压加在自耦变压器的一次绕组上，电动机的定子绕组与自耦变压器的二次绕组相连，当电动机的转速接近额定值时，将自耦变压器切除，电动机直接与电源相连，在正常的三角形方式下运行。
在电机星—三角起动过程中需要进行延时切断，传统电路一般采用时间继电器进行控制，而本系统的弱电控制系统采用了可编程控制器，因此可以直接利用PLC的软件延时继电器来进行控制，从而省去了传统的控制元件，节省了安装空间，也提高了控制的可靠性。
另一方面，在星—三角转换起动中，为了防止交流接触器同时通电的意外情况发生，系统不仅在PLC中采用了星—三角转换互锁，而且在硬件上（交流接触器的辅助触头）也采用了互锁控制，以保证电器系统工作的可靠性。
系统的控制电路采用西门子PLC（S7——200），控制信号电压为24V，因此系统中增加一个开关电源，以满足各数字量I/O、模拟量I/O以及伺服放大板的需要。
根据上述设计方案可绘制出系统的控制原理图，见毕业设计附图。
2．2电动机及吊机选择
2．2．1电动机的选择
根据液压系统的要求可计算出油泵电机1、2的相关参数，参数主要包括电机功率、转速和供电电源等，同时考虑到电动机的安装大小尺寸，查《机械设计手册》第五册得：
泵1用电机选用Y250S-4型电动机，泵2选用Y315M3-4型电动机，其具体参数见下表：
表2.1电动机型号
型号
额定功率
满载时
堵转电流
额定电流
堵转转矩
额定转矩
噪声
重量
转速
额定电流
效率
功率因数
KW
r/min
A
%
db（A）
kg
Y250S-4
75
1480
141
92
0．88
6．8
2．0
93
330
Y315M3-4
220
1483
413
94
0．88
6．5
1．4
103
820
2．2．2吊机的选择
吊机作用是用来完成把压入土层中的桩吊起的动作。
本次设计的YZY400静压桩机的吊机是外购广东力士通机械股份有限公司生产的ZY16型压桩吊。
粤工牌型起重机，是全回转、伸缩动臂式液压起重机。
最大起重量为16t,最大起重力矩为470KNM。
吊臂采用一级伸缩臂，可任意伸缩，作业效率高。
使用最长臂工作时的起重量为5t,最大起升高度为14m。
详细信息见附录。
2．3控制元件的选择
根据实际选用低压断路器。
低压断路器主要用于600V以下，频率50HZ，功率50KW以下的电动机或线路过载及短路保护用。
1）电源
因两电动机都采用Y系列三相交流异步电动机，所以都连接在380V交流电源上。
对电动机及总电源开关，首先考虑用手动开关。
主令开关在电器线路中，作为不频繁的接触器或断开电路的手动开关。
电动机选用交流接触器作为电源开关。
交流接触器是电力和自动控制系统中应用最为普遍的一种电器。
接触器生产方便、生产量大、成本低廉，可以频繁远距离接触和断开交直流主电路和大容量控制电路，是电力拖动、控制电路的重要元件。
和刀开关相比较，接触器具有远距离操作功能和失压保护功能。
和自动开关相比较，接触器不能切断短路电流，无过载保护功能。
应该注意的是，交流接触器启动电流大，线圈容易发热，若铁心气隙大，电抗小，启动电流更增大，可高达工作电流的几十倍。
若机械卡死，线圈电流也会很大。
另外，交流接触器的实际工作电压应在85％~105％额定电流电压时使用。
若电压过高，磁路饱和，或电压过低，使电磁吸力不够。
衔铁吸不上，或错接在直流电源上，都将导致线圈电流增大，轻则使温度升高，重则烧毁线圈。
根据控制功率大小及辅助触点的要求可以选取以下的交流接触器：
泵1选用CJ10-150型交流接触器，泵2选用CJ20-400型交流接触器，总电源选CJ40-400型交流接触器.用具体技术参数见下表：
表2.2接触器型号
型号
额定电压
额定电流
380A-C可控制电动机最大功率
机械
寿命
外形
尺寸
主触头
辅触头
V
KW
（10*4）次
CJ10-150
380
150
5
75
300
222x230x155
CJ20-400
380
315
200
≥300
190x235x230
CJ40-400
380
400
220
≥300
2）自动开关
自动开关又称自动空气断路器，当电路发生严重过载、短路及失压等故障时，即自动切断故障电路，有效地保护串接在它后面的电气设备。
在正常情况下，可用于不频繁地接通和断开电路及控制电动机。
因此，自动开关是低压电路常用的具有保护环节的开关电器。
自动开关按其用途及结构特点可分为框架式自动开关，塑料外壳式自动开关。
框架式自动开关主要用作配电网络的保护开关，而塑料外壳式自动开关除可用作配电网络的保护开关外，还可用作电动机，照明电路及电热电路的控制开关。
工程应用较多的是塑料外壳式自动开关（又称装置式自动开关）。
其主要产品有DZ5、DZ9、DZ10等系列。
在一般情况下，保护电动机选用DZ系列，可根据电流负载大小进行选取，如QTZ63塔式起重机选用的DZ10保护变压器及配电线路选用DW系列。
本控制系统所选用的空气开关型号见附图明细表。
3）按钮的选择
按钮是一种专门发号施令的电器，用以接通或断开控制回路中的电流。
下图所示是按钮开关的结构示意图与图形符号。
按下按钮l，使触头4闭合而使触头3断开，从而同时控制了两条电路；松开按钮，则在弹簧2的作用下使触头恢复原位。
按钮开关的文字符号用SB表示
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