王明祥，鮑占禮

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

打樁船是深水樁基工程施工必備的工程船，隨著全國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以高樁碼頭、深水樁基橋梁為代表的樁基工程也越來(lái)越多，與此相適應(yīng)的各種形式的打樁船也相繼出現(xiàn)。施工中，除新建打樁船外，由其他工程船采用國(guó)產(chǎn)油缸樁架變幅系統(tǒng)改造的打樁船，同樣以完善的性能，滿足樁基施工要求。在經(jīng)濟(jì)上較新建同等規(guī)模的打樁船每艘可節(jié)約一半以上的投資，并推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

本文結(jié)合中交一航局二公司“青鋪排1”和“青鋪排2”兩艘打樁船的改造，總結(jié)了國(guó)產(chǎn)油缸在打樁船變幅式打樁系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 變幅式打樁系統(tǒng)主要組成部分

打樁系統(tǒng)是進(jìn)行樁基施工的重要設(shè)施。當(dāng)前常用的變幅式打樁系統(tǒng)由打樁設(shè)備、樁架結(jié)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)3部分組成，三者在打樁中協(xié)同作業(yè)，共同完成打樁施工。

1.1 打樁設(shè)備

打樁設(shè)備主要有：設(shè)置在樁架龍口上的樁錘和甲板上的起重絞車和樁架下端的抱樁裝置。

打樁起重絞車設(shè)置于甲板中部，典型的配置是：主吊樁絞車和付吊樁絞車各兩臺(tái)、吊錘絞車和錘啟動(dòng)絞車各1臺(tái)、軟管吊絞車1臺(tái)。另可根據(jù)需要設(shè)置1臺(tái)或多臺(tái)雜用絞車，其平面布置如圖1所示。

圖1 打樁設(shè)備布置圖

抱樁裝置是打樁作業(yè)中由液壓缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，包括抱樁機(jī)械手、液壓控制閥組和電氣控制設(shè)備，它的液壓動(dòng)力由獨(dú)立的液壓泵站提供。目前常用的是5缸式抱樁機(jī)械手，由1個(gè)油缸驅(qū)動(dòng)滑塊平臺(tái)，調(diào)節(jié)抱樁中心到龍口前平面的距離，以適應(yīng)施打不同直徑的樁；其余4缸分別驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的左右兩臂的大臂和小臂，抱住鋼樁，使其就位。大臂與滑塊平臺(tái)鉸接，小臂與大臂的前端鉸接。在大臂和小臂上分別安裝有可以調(diào)節(jié)或更換的支撐，支撐頭部設(shè)有滾輪，打樁時(shí)滾輪壓緊在鋼樁上。通過調(diào)節(jié)支撐，以適應(yīng)不同的抱樁直徑。其平面布置如圖2所示。

圖2 抱樁器平面圖

1.2 樁架部分

樁架主要由主體結(jié)構(gòu)和龍口裝置組成。樁架主體結(jié)構(gòu)由鋼管焊接成斷面呈三角形的桁架結(jié)構(gòu)，頂端是吊錘平臺(tái)，吊錘系統(tǒng)、錘啟動(dòng)系統(tǒng)、軟管吊系統(tǒng)的導(dǎo)向滑車安裝于此。吊錘平臺(tái)下面是起重平臺(tái)，主吊樁和付吊樁系統(tǒng)的導(dǎo)向滑車安裝于此。樁架前弦桿底端是前支腳，與艏部象鼻梁上的支腳座鉸接，后弦桿底端是后夾角，變幅油缸活塞桿鉸接于此，以實(shí)現(xiàn)樁架的變幅動(dòng)作。龍口裝置位于兩前弦桿正中，與樁架各層平臺(tái)的箱型梁焊接在一起，正前方是樁錘滑道，兩側(cè)是電梯滑道。如圖3所示。

圖3 樁架結(jié)構(gòu)圖

1.3 變幅機(jī)構(gòu)

變幅機(jī)構(gòu)主要有：樁架變幅油缸及其液壓系統(tǒng)、上下插拔銷裝置及其液壓系統(tǒng)。變幅油缸一端通過銷軸與甲板上的底座鉸接，另一端通過插拔銷裝置與樁架主體鉸接。通過控制系統(tǒng)操控變幅油缸活塞桿伸縮，可實(shí)現(xiàn)樁架的前后變幅動(dòng)作，如圖4所示。

當(dāng)樁架進(jìn)行起倒作業(yè)時(shí)，需要用到上下插拔銷裝置。該裝置是為樁架起倒作業(yè)時(shí)更換油缸活塞桿頂端連接體而在樁架主體上的支承位置設(shè)置的自動(dòng)插拔銷系統(tǒng)。其動(dòng)力來(lái)自獨(dú)立配置并與抱樁器共用的液壓油泵站。

倒架作業(yè)的順序是（以打樁19號(hào)船為例）：

圖4 樁架變幅示意圖

①收縮油缸活塞桿使樁架倒至-27.5°，將樁架左右兩支撐桿放下，并用銷軸與甲板上的支承座鉸接；②繼續(xù)操縱樁架后倒至-28°，這時(shí)油缸工作壓力接近0，說(shuō)明樁架負(fù)荷已轉(zhuǎn)移到兩撐桿上，此時(shí)下插拔銷已不再承受負(fù)荷。操作控制系統(tǒng)，用左、右兩小液壓油缸將樁架后夾角兩側(cè)的下插拔銷拔出；③變幅油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，使油缸活塞桿頂端連接體沿樁架軌道上升至上一層平臺(tái)的支承孔位置，軸、孔對(duì)準(zhǔn)后，操作控制系統(tǒng)，用樁架上支承孔兩側(cè)的小液壓油缸將上插拔銷插進(jìn)活塞桿頂端連接體銷軸孔；④微伸變幅油缸，使樁架負(fù)荷由支撐桿轉(zhuǎn)移到油缸上，當(dāng)撐桿卸載后，將撐桿支承座處的銷軸抽出，并將撐桿掛回原處；⑤操縱變幅油缸使活塞桿收縮，樁架繼續(xù)后仰，直至微速后仰到-60°的位置，樁架落在后擱架上，由限位器終止變幅。

起架作業(yè)時(shí)按相反的順序逆向操作。

上世紀(jì)70年代前打樁船變幅系統(tǒng)多為螺紋螺母機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量和體積較大。70年代后進(jìn)口的50 m打樁船開始采用油缸變幅樁架系統(tǒng)，近十幾年來(lái)打樁船已在國(guó)內(nèi)建造，樁架由50 m發(fā)展到90多m，但液壓缸均為國(guó)外進(jìn)口，其費(fèi)用高，供貨周期長(zhǎng)，并制約了船舶建造周期，增加了建造及運(yùn)行費(fèi)用。

國(guó)內(nèi)打樁船現(xiàn)采用的變幅油缸尺寸見表1。

表1 打樁船變幅油缸尺寸調(diào)查結(jié)果

大型油缸作為樁架變幅的關(guān)鍵裝置，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)樁架前傾、后仰工作狀態(tài)，倒缸的兩種支承狀態(tài)和倒架狀態(tài)分別考慮承載能力；結(jié)構(gòu)上由于倒起架過程中，油缸活塞桿頂端在樁架上的支承位置需要變更，活塞桿頂端的連接體既要能在樁架軌道上滑動(dòng)，又要與活塞桿連接有足夠的剛性；根據(jù)受力特點(diǎn)，在樁架變幅平面內(nèi)，油缸上、下端均為銷軸連接，可滿足油缸中心受力要求，而在樁架變幅的垂直面內(nèi)，油缸活塞桿上端與連接體為剛性連接，為保證油缸中心受力，油缸下端必須采用關(guān)節(jié)軸承；另外，除了設(shè)計(jì)計(jì)算上使油缸滿足穩(wěn)定性要求外，在結(jié)構(gòu)上盡可能增加油缸前缸蓋的長(zhǎng)度，如打樁19號(hào)船、打樁20號(hào)船的變幅油缸前缸蓋外形采用了圓錐臺(tái)式結(jié)構(gòu)，既滿足了安裝空間要求，又增加了活塞桿的導(dǎo)向長(zhǎng)度，有利于油缸的穩(wěn)定性。如圖5所示。

圖5 油缸外形圖

大型油缸的主要工藝要點(diǎn)及變幅系統(tǒng)的調(diào)試步驟為：

1）油缸缸筒的制作與加工。油缸缸筒受工藝所限，為2～3節(jié)焊接而成。單個(gè)節(jié)體為特殊鋼胚熱頂管工藝加工，幾個(gè)節(jié)體焊接為一體后，在大型深孔鏜床上加工內(nèi)孔并在珩磨床上進(jìn)行珩磨，然后在大型車床上加工外圓及端面。加工工藝的要點(diǎn)是控制精度及變形。

2）活塞桿的表面防護(hù)。為防海上鹽霧的腐蝕，活塞桿表面需要進(jìn)行鍍鉻或陶瓷噴涂，以保證油缸在打樁船使用期內(nèi)可長(zhǎng)期安全可靠地工作。若因油缸發(fā)生事故，會(huì)影響船舶效率，更換油缸的工作量和費(fèi)用也很大。本油缸采用的是成熟的鍍鉻工藝，它在水下整平船使用過，油缸在海水中浸泡工作了3 a，但表面如新，無(wú)剝落和腐蝕現(xiàn)象。

3）油缸的密封件。我公司改造的打樁19號(hào)、打樁20號(hào)船選用了武漢船用機(jī)械廠生產(chǎn)的打樁船變幅油缸，并采用德國(guó)麥克的密封件。

油缸的設(shè)計(jì)、制作嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，在車間進(jìn)行了伸縮運(yùn)行試驗(yàn)和1.5倍額定壓力的耐壓試驗(yàn)，伸縮運(yùn)行平穩(wěn)，油缸密封良好。

4）變幅液壓系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的調(diào)試。打樁船在打樁、起重和起倒架等各種工況下需要樁架變幅，均通過變幅油缸直接作用來(lái)完成。樁架變幅時(shí)液壓缸擺動(dòng)的范圍大，承受的外力大且復(fù)雜，同時(shí)，樁架變幅時(shí)要求液壓系統(tǒng)必須穩(wěn)定地平衡反向負(fù)載，并具有保持樁架處于設(shè)定位置的功能。因此，在完成液壓系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的安裝后，必須針對(duì)打樁的各種工況就整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行以下試驗(yàn)：

①循環(huán)試驗(yàn)。開啟液壓泵使液壓油在油泵和液壓管路中作循環(huán)試驗(yàn)，時(shí)間不少于30 min，試驗(yàn)中觀察電機(jī)、泵及管路有無(wú)異常發(fā)熱、泄漏、敲擊現(xiàn)象。

②空載試驗(yàn)。變幅油缸接入系統(tǒng)前，應(yīng)對(duì)由泵組和閥組組成的系統(tǒng)進(jìn)行空載試驗(yàn)，進(jìn)行變幅控制閥組壓力控制閥和電磁閥控制功能的調(diào)整。

將液壓系統(tǒng)工作壓力設(shè)定到低壓后，把變幅油缸接入系統(tǒng)，往復(fù)伸縮活塞桿，對(duì)油缸沖油排氣。同時(shí)，確認(rèn)樁架變幅控制系統(tǒng)遙控及就地控制工作正常。

將變幅控制閥組壓力控制閥設(shè)定到設(shè)計(jì)值，在空載及低速的情況下，反復(fù)進(jìn)行樁架變幅前傾和后仰操作。如油缸的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，則系統(tǒng)中可能有殘留空氣，這時(shí)應(yīng)繼續(xù)排氣過程。

③效應(yīng)試驗(yàn)。將變幅油缸安裝完畢，與樁架試驗(yàn)配合分別對(duì)倒架工況和打樁工況做變幅系統(tǒng)效應(yīng)試驗(yàn)。測(cè)試并記錄樁架變幅過程中液壓缸的最大工作壓力和運(yùn)行速度，進(jìn)行整個(gè)變幅范圍的動(dòng)態(tài)測(cè)試，記錄樁架變幅過程中工作壓力與樁架變幅角度的變化曲線，見圖6。

圖6 系統(tǒng)壓力與變幅角度的關(guān)系曲線

調(diào)試后的打樁船投入使用已多年，國(guó)產(chǎn)液壓缸運(yùn)轉(zhuǎn)正常。期間曾有多臺(tái)進(jìn)口液壓缸發(fā)生了滲漏和活塞桿表層剝落問題。

不僅如此，相對(duì)于進(jìn)口液壓缸來(lái)說(shuō)，國(guó)產(chǎn)液壓缸比進(jìn)口的價(jià)格低30%～40%，以打樁19號(hào)為例，國(guó)產(chǎn)液壓缸可節(jié)省費(fèi)用約1/3。

2 工程實(shí)例

在工程船改造中，充分利用已有的技術(shù)裝備，將上述打樁系統(tǒng)加以完善，靈活地運(yùn)用到工程船上去，目前“青鋪排1”和“青鋪排2”已分別被改裝成為“打樁19號(hào)”和“打樁20號(hào)”，并在煙臺(tái)港、東營(yíng)港的建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。其主要技術(shù)性能如表2所示。

表2 兩艘打樁船主要技術(shù)性能

3 結(jié)語(yǔ)

通過兩艘打樁船的改造得知，正確選用的國(guó)產(chǎn)油缸樁架變幅系統(tǒng)同樣穩(wěn)定可靠，為工程船的再次開發(fā)利用提供了新的思路。通過對(duì)液壓系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與應(yīng)用，對(duì)變幅式打樁系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)加深了認(rèn)識(shí)和理解，在船舶機(jī)電設(shè)備的移植應(yīng)用上也取得了技術(shù)進(jìn)步和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]雷天覺，楊爾莊，李壽剛，等.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：理工大學(xué)出版社，1998.

[2]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1981.