國產油缸樁架變幅系統在工程船舶改造中的應用

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，隨著全國經濟的快速發展，交通基礎設施建設規模的不斷擴大，以高樁碼頭、深水樁基橋梁為代表的樁基工程也越來越多，與此相適應的各種形式的打樁船也相繼出現。施工中，除新建打樁船外，由其他工程船采用國產油缸樁架變幅系統改造的打樁船，同樣以完善的性能，滿足樁基施工要求。在經濟上較新建同等規模的打樁船每艘可節約一半以上的投資，并推動相關行業的技術進步。

本文結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，總結了國產油缸在打樁船變幅式打樁系統中的應用。

1 變幅式打樁系統主要組成部分

打樁系統是進行樁基施工的重要設施。當前常用的變幅式打樁系統由打樁設備、樁架結構和變幅機構3部分組成，三者在打樁中協同作業，共同完成打樁施工。

1.1 打樁設備

打樁設備主要有：設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、吊錘絞車和錘啟動絞車各1臺、軟管吊絞車1臺。另可根據需要設置1臺或多臺雜用絞車，其平面布置如圖1所示。

圖1 打樁設備布置圖

抱樁裝置是打樁作業中由液壓缸驅動的機械手，包括抱樁機械手、液壓控制閥組和電氣控制設備，它的液壓動力由獨立的液壓泵站提供。目前常用的是5缸式抱樁機械手，由1個油缸驅動滑塊平臺，調節抱樁中心到龍口前平面的距離，以適應施打不同直徑的樁；其余4缸分別驅動機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節或更換的支撐，支撐頭部設有滾輪，打樁時滾輪壓緊在鋼樁上。通過調節支撐，以適應不同的抱樁直徑。其平面布置如圖2所示。

圖2 抱樁器平面圖

1.2 樁架部分

樁架主要由主體結構和龍口裝置組成。樁架主體結構由鋼管焊接成斷面呈三角形的桁架結構，頂端是吊錘平臺，吊錘系統、錘啟動系統、軟管吊系統的導向滑車安裝于此。吊錘平臺下面是起重平臺，主吊樁和付吊樁系統的導向滑車安裝于此。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，以實現樁架的變幅動作。龍口裝置位于兩前弦桿正中，與樁架各層平臺的箱型梁焊接在一起，正前方是樁錘滑道，兩側是電梯滑道。如圖3所示。

圖3 樁架結構圖

1.3 變幅機構

變幅機構主要有：樁架變幅油缸及其液壓系統、上下插拔銷裝置及其液壓系統。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。通過控制系統操控變幅油缸活塞桿伸縮，可實現樁架的前后變幅動作，如圖4所示。

當樁架進行起倒作業時，需要用到上下插拔銷裝置。該裝置是為樁架起倒作業時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置的自動插拔銷系統。其動力來自獨立配置并與抱樁器共用的液壓油泵站。

倒架作業的順序是（以打樁19號船為例）：

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繼續操縱樁架后倒至-28°，這時油缸工作壓力接近0，說明樁架負荷已轉移到兩撐桿上，此時下插拔銷已不再承受負荷。操作控制系統，用左、右兩小液壓油缸將樁架后夾角兩側的下插拔銷拔出；③變幅油缸無桿腔進油，使油缸活塞桿頂端連接體沿樁架軌道上升至上一層平臺的支承孔位置，軸、孔對準后，操作控制系統，用樁架上支承孔兩側的小液壓油缸將上插拔銷插進活塞桿頂端連接體銷軸孔；④微伸變幅油缸，使樁架負荷由支撐桿轉移到油缸上，當撐桿卸載后，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。

起架作業時按相反的順序逆向操作。

上世紀70年代前打樁船變幅系統多為螺紋螺母機構，結構復雜，重量和體積較大。70年代后進口的50 m打樁船開始采用油缸變幅樁架系統，近十幾年來打樁船已在國內建造，樁架由50 m發展到90多m，但液壓缸均為國外進口，其費用高，供貨周期長，并制約了船舶建造周期，增加了建造及運行費用。

國內打樁船現采用的變幅油缸尺寸見表1。

表1 打樁船變幅油缸尺寸調查結果

大型油缸作為樁架變幅的關鍵裝置，在設計時應根據樁架前傾、后仰工作狀態，倒缸的兩種支承狀態和倒架狀態分別考慮承載能力；結構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，又要與活塞桿連接有足夠的剛性；根據受力特點，在樁架變幅平面內，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，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節軸承；另外，除了設計計算上使油缸滿足穩定性要求外，在結構上盡可能增加油缸前缸蓋的長度，如打樁19號船、打樁20號船的變幅油缸前缸蓋外形采用了圓錐臺式結構，既滿足了安裝空間要求，又增加了活塞桿的導向長度，有利于油缸的穩定性。如圖5所示。

圖5 油缸外形圖

大型油缸的主要工藝要點及變幅系統的調試步驟為：

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

2）活塞桿的表面防護。為防海上鹽霧的腐蝕，活塞桿表面需要進行鍍鉻或陶瓷噴涂，以保證油缸在打樁船使用期內可長期安全可靠地工作。若因油缸發生事故，會影響船舶效率，更換油缸的工作量和費用也很大。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，無剝落和腐蝕現象。

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

油缸的設計、制作嚴格按照相關規范進行，在車間進行了伸縮運行試驗和1.5倍額定壓力的耐壓試驗，伸縮運行平穩，油缸密封良好。

4）變幅液壓系統及其控制系統的調試。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完成。樁架變幅時液壓缸擺動的范圍大，承受的外力大且復雜，同時，樁架變幅時要求液壓系統必須穩定地平衡反向負載，并具有保持樁架處于設定位置的功能。因此，在完成液壓系統及其控制系統的安裝后，必須針對打樁的各種工況就整個系統進行以下試驗：

①循環試驗。開啟液壓泵使液壓油在油泵和液壓管路中作循環試驗，時間不少于30 min，試驗中觀察電機、泵及管路有無異常發熱、泄漏、敲擊現象。

②空載試驗。變幅油缸接入系統前，應對由泵組和閥組組成的系統進行空載試驗，進行變幅控制閥組壓力控制閥和電磁閥控制功能的調整。

將液壓系統工作壓力設定到低壓后，把變幅油缸接入系統，往復伸縮活塞桿，對油缸沖油排氣。同時，確認樁架變幅控制系統遙控及就地控制工作正常。

將變幅控制閥組壓力控制閥設定到設計值，在空載及低速的情況下，反復進行樁架變幅前傾和后仰操作。如油缸的運動出現爬行現象，則系統中可能有殘留空氣，這時應繼續排氣過程。

③效應試驗。將變幅油缸安裝完畢，與樁架試驗配合分別對倒架工況和打樁工況做變幅系統效應試驗。測試并記錄樁架變幅過程中液壓缸的最大工作壓力和運行速度，進行整個變幅范圍的動態測試，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 系統壓力與變幅角度的關系曲線

調試后的打樁船投入使用已多年，國產液壓缸運轉正常。期間曾有多臺進口液壓缸發生了滲漏和活塞桿表層剝落問題。

不僅如此，相對于進口液壓缸來說，國產液壓缸比進口的價格低30%～40%，以打樁19號為例，國產液壓缸可節省費用約1/3。

2 工程實例

在工程船改造中，充分利用已有的技術裝備，將上述打樁系統加以完善，靈活地運用到工程船上去，目前“青鋪排1”和“青鋪排2”已分別被改裝成為“打樁19號”和“打樁20號”，并在煙臺港、東營港的建設中發揮了重要作用。其主要技術性能如表2所示。

表2 兩艘打樁船主要技術性能

3 結語

通過兩艘打樁船的改造得知，正確選用的國產油缸樁架變幅系統同樣穩定可靠，為工程船的再次開發利用提供了新的思路。通過對液壓系統及其控制系統的安裝、調試與應用，對變幅式打樁系統的關鍵技術加深了認識和理解，在船舶機電設備的移植應用上也取得了技術進步和明顯的經濟效益。

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

[2]中國船級社.鋼質海船入級與建造規范[S].北京：人民交通出版社，1981.