大型构件搬运技术研究＊

王长春

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

大型构件搬运技术研究＊

王长春

(潍坊学院,山东 潍坊 261061)

本文在分析和总结国内外大型构件顶升搬运现状的基础上,结合现有气囊出运大型沉箱的现有成果,构建了气动顶升搬运大型构件系统结构模型、界定系统功能,对采用气囊集群搬运大型构件技术的应用前景进行了展望。

大型构件;气囊集群;顶升;搬运

0 引言

随着我国综合国力的提高和融入世界进程的加快,港口的现代化建设越来越凸现出其重要性,码头建设越来越朝大泊位、深水泊位方向发展;同时,与之相适应的沉箱也逐渐向大型化发展,沉箱尺度规模越来越大,沉箱的自重、跨度和体积也越来越大。这些大型建筑构件的安装与运输就成为一个越来越迫切解决的问题,特别是大型建筑构件的陆上搬运需求越来越迫切。港口用建筑结构件沉箱的自重大、体积大、跨度大、高度高,无疑对陆上搬运技术提出了更高更严格的要求,因此,大型建筑结构件气动搬运系统的研究对加快我国港口的现代化进程,具有十分重要的现实意义。

随着生产工艺和要求及设备制造业的发展,出现的这些大型甚至超大型的建筑构件,由于现场条件的局限,其重量远远超出了常规起重设备的额定承载能力,因此,急需开发一种新型的大型构件搬运装置。气动搬运设备是液压系统的延续和发展。陆上水平移动采取滚动气囊和卷扬机相互结合方式实现,气动提升设备由超高压气囊集群组成,气动提升搬运系统比液压系统技术更经济、更环保,是超高超重设备吊装的重要工具之一。气动搬运设备的起重搬运能力可达数千吨级,常用于超重、超高、大跨度的构件安装,其主要工作特点：

(1)起重量不受限制,通过气动提升系统的扩展组合,能满足千吨级甚至万吨级构件的吊装。

(2)同步控制,安全受控。

(3)可操作性好,气动提升系统体积大、重量轻。

(4)起升过程平稳,无附加冲击载荷。

(5)对起重搬运的基础要求低,特别适合临时预制场的工程。

(6)有利于保护建筑构件,采用分布荷载,避免了机械式起重设备的集中载荷。

气动起升搬运装置的关键技术是同步控制技术,其发展经历了气动同步起升、气动同步滑移及间歇式同步提升滑移阶段,目前发展成为连续式同步提升滑移控制技术。系统实现完全自动同步控制,负载均衡、姿态校正、操作闭锁、过程显示和故障报警等工作,大大提高了工程实施的安全可靠性,保证工程质量。这类装置不仅在船舶建设工程中,而且在国内港口工程建设中也发挥着重要的作用,例如中港四航局一公司东江口预制厂2212t沉箱搬运,3000t广顺号油轮下水。特别是我国北方地区的许多港口建设、防潮坝建设需要大量大型建筑构件,这些大型构件大多采用陆上预制海上运输到预定区域的生产工艺,这就需要将大型建筑构件从陆上起升搬运到驳船上,加大了对气动起升搬运系统的需求,其应用前景好。

1 我国大型构件起升出运的常用方法

1.1 千斤顶起升沉箱

千斤顶起升工艺即预先在沉箱预制台座上布置千斤顶基础,然后设置起升沟槽,沉箱预制完成后从起升沟槽放置千斤顶,利用千斤顶将沉箱起升。大型沉箱一般需要使用多个数百吨的千斤顶,地基处理需要采用强夯、加大的基础,造价高,地基处理时间长。在沉箱起升过程中,诸如需要人员钻入地沟,放置千斤顶时位置必须准确,起升时各千斤顶操作必须同步、起升时间长等,操作起来比较繁琐。

1.2 采用轨道滑车出运沉箱

轨道滑车施工工艺是比较传统的施工工艺,已经有几十年的历史,有着成熟的施工技术,也经过多次不断的改进,但存在如下缺点：

(1)该工艺需要设置轨道梁、钢轨、平移滑车等设备,投资费用高,往往为业主单位所不能接受,在投标中也处于不利地位。

(2)钢轨、滑轮、沉箱全部为刚性接触,很容易产生不均匀受力,设备损坏率高,需要经常检查更换。

(3)对轨道水平平面要求高,在使用过程中维修率高,需要定期对轨道梁翻修。

(4)沉箱上坞时对搭岸结构要求高,限制了所使用的浮船坞的船型。

(5)对沉箱预制适应性不强,如平面尺寸变化、沉箱重心发生变化等,都需要对预制场及出运设备进行相应调整。

1.3 采用气囊搬运船舶

船舶上排、下水用气囊克服了以往中小型船厂修造船能力受制于固定式下水滑道的弊端,发展成为一种极具灵活性的柔性下水技术,可节省大笔修造大型船舶下水滑道的资金。气囊搬运技术原来主要应用于造船行业。

2 国外大型构件起升搬运技术的现状

2.1 大型移动式起重机的发展情况

为实现整体吊装,对起重设备的起重能力、作业空间、安全可靠性都有很高要求,如果是多机同时吊装,还需要具备协调控制能力。为此大型移动起重机在吊装方面有很大的施展空间,也因此而得以不断发展。当前大型移动起重机主要有：

(1)最大吨位已超过1000t履带起重机,例如Derrag公司的CC12600型起重量为1600t,Liebherr公司的LR11200型起重量为1000t。

(2)轮式起重机主要包括全地面起重机、汽车起重机和越野轮胎起重机,其中全地面起重机的吨位跃居三者榜首。受其伸缩臂结构自重和伸缩机构等限制,与履带起重机相比,起重吨位相对小些,不过也接近千吨级。例如Liebherr公司最大吨位L TM1800型800t,Derrag公司的AC700型700t和 Tadano公司的550t都是全地面起重机。

(3)采用超起装置的超大型起重机,例如Manitowoc公司的2250型履带起重机,标准型时起重量为272t,增设超起臂架和超起配重后,起重量为450t,而增设环轨超起装置,并改用重型臂架后,起重量可达到1300t。

2.2 起重行业的专业分工更细

有些公司专门从事港口集装箱起重设备的安装,有些公司专门从事钢屋盖的液压起升等。有些公司专门从事超高超重设备的吊装,他们充分利用液压提升设备的特点用于超重、超高、大跨度的构件安装。这些液压提升设备的主吊均采用大吨位的液压千斤顶,其主要工作特点：

(1)起重量不受限制,通过液压提升系统的扩展组合,能满足千吨级甚至万吨级构件的吊装。

(2)同步控制、安全受控、可手动控制和完全自动控制。

(3)可操作性好,液压提升系统体积小、重量轻。

(4)吊装过程平稳,无明显附加冲击载荷。

2.3 大量采用扩大作业空间的新结构、新工艺

为实现大起升高度和大幅度,大型起重机的起重臂广泛采用主臂与副臂的组合方式。主臂、主臂与固定副臂、主臂与塔式副臂这三种组合己成为大型起重机的必备组合方式。

除此以外,履带起重机又出现了新的臂架组合方式,副臂通过过渡节直接与主臂连接,副臂上连接副臂,其作业空间得到了有效扩大,最大作业范围可达到200m以上。现已应用于Liebherr和Manitowoc公司的起重机上。

直升机吊装工件比较普遍对于一般起重机械不能够完成的吊装工作往往考虑使用直升机进行吊装,有些直升机的起吊能力达到几十吨。例如世界第一高塔加拿大多伦多电视塔其发射天线钢桅杆就是采用直升机分段吊装而成的。

2.4 注重信息化的集成和设备自动化、强化安全报警系统

液压传动是目前移动式起重机普遍采用的传动方式,装备了先进的微电子智能功率控制系统。这些控制系统的不断更新,为提高起重机的调速性能、降低操作强度、延长设备使用寿命、降低使用成本提供了保证。而数据总线控制技术在起重机上的应用,将发动机控制、液压控制、安全监测状态监控和极限载荷限制集为一体,通过总线方式进行信息传递与控制,实现了控制上真正意义的自动化与智能化。同时借助图形化的显示屏显示起重机的所有信息,例如系统状态、技术参数等,甚至可协助操作者进行故障诊断,显示故障原因、部位及处理方法。这种先进的控制系统显著提高了控制系统的可靠性、作业安全性、操作舒适性和工作效率,例如Derrag和Liebherr公司一般的起重机械都采用计算机控制,能够准确计算出工件的重量,监控机械的工作状态,并有报警与自锁功能以及其它辅助功能。

3 大型构件气动起升搬运技术及其优势

3.1 气动起升搬运技术综述

该技术是近年来在我国施工行业逐步发展起来的新兴的大型构件出运新技术,气囊搬运大型构件新工艺是受气囊船舶下水工艺的启发,于1997年利用起重气囊搬运技术在福建深沪港临时预制场首次搬运重480 t沉箱成功,随后在2000年和2003年广西防城港和汕头港广澳一期工程的施工中,采用该工艺又分别顺利搬运了500 t和900 t重的沉箱,从而为预制混凝土构件的出运开辟了新的途径。这一技术由于采用气动技术,传递动力采用压缩空气,从而可以保证生产施工的绿色特性,实现了生产的环保性;同时,由于该技术采用气动传动,加大了承载面积,降低了单位面积承载力,有利于企业降低生产成本;显示了该技术的巨大起升能力和其他优越性能,因而受到工程界的广泛关注。这种新颖的起重技术在大吨位、大展开面构件起升方面的特点和优越性,是传统的液压式起重技术不能比拟的,随着气动起升技术应用的推广和发展,并且由于控制技术发展,使这种新工艺的科技含量日益提高。

3.2 大型构件气动起升搬运系统的主要功能及其优势

大型构件气动起升搬运系统的设计是在气囊搬运大型构件新工艺的基础上,从系统论的观点,就气动起升技术、气动搬运、变频调速技术、供气系统等进行优化组合,形成了集起升搬运于一体的气动新系统。由于其内容涉及到气动技术、起重技术、变频调速、建筑工程等众多学科领域,相关性较强,是多领域的交叉融合。

大型构件气动搬运系统的功能主要包括：顶升、搬运以及与之相联系信息的处理等功能,这几项功能也称为大型构件气动搬运系统的几个重要环节,其基本功能的组成情况见图1所示。

图1 大型构件气动搬运系统的功能构成

通过对大型构件气动起升搬运系统的设计研究,该系统具有以下优势：

(1)绿色设计,绿色生产

在系统设计过程中就充分考虑到环境因素和预防污染的措施,将环境性能作为系统的设计目标和出发点,力求使该系统对环境的影响达到最小,这是采用气动技术的一个重要原因。相对于真正的清洁生产技术而言,这里所提到的清洁生产仅仅指生产施工过程。在这一环节,着眼于绿色生产进行选择绿色生产工艺技术、绿色生产工艺设备与装备等,采用气动技术、使用气囊等装备是绿色生产的集中表现。

(2)系统结构简单,操作方便安全

整个气动搬运起升系统主要由起升、搬运、供气、控制等四个子系统组成,系统的结构简单。操作简易安全,起升时利用卷扬机将气囊拉入起升沟,无需操作人员进入起升沟,有利于施工操作人员的安全;利用空压机对起重气囊充气就可以将沉箱等大型构件平稳起升,可以有充分时间观察沉箱等大型构件姿态情况,待起升到位进行定位后,对气囊放气,最后将气囊抽出即可。

(3)系统适应强,成本低

气囊起升搬运时因为荷载分布均匀,避免了因为局部荷载过大而使地基产生的不均匀沉降,避免了在起升过程中因局部沉降过大造成对混凝土基础的损坏。对地基承载力要求低,由于气囊底部承载力受力均匀,再通过起升沟混凝土基础将荷载分散传递给地基,这就进一步减小了对地基承载力的要求。这使得该系统具有更为广泛的使用范围,即可在地基差别较大的区域使用,增强了系统的适应性。这样,在生产施工中,与普通的起重设备相比就大大简化了基础处理的工作量,降低了基础处理的成本,特别是节省了处理专用起升基础的费用。

(4)具有高的场地利用率

当大型构件大批量顶升出运时,利用气动出运可以实现大型构件的横移、纵移,可集中进行出运,充分利用了场地。

4 结束语

通过对大连港、天津港、福州港、烟台港、威海港、龙口港等港口及中港第一航务局第一工程公司、山东港湾建设有限公司、大连港预制厂等相关企业的调查,随着港口建设与防潮坝建设的快速发展,需要出运大量大型构件,昭示着大型构件气动顶升搬运技术及其新型搬运系统具有广阔的应用前景。

[1]王欣,高顺德.大型吊装技术与吊装用起重设备发展趋势[J].石油化工建设,2005,27(1)：58-62.

[2]刘德进.大批量大型沉箱在恶劣海况下的出运与安装[J].中国港湾建设,2006,(2)：57-59.

[3]刘亚东,高国庆.气囊搬运技术在码头大型沉箱施工的应用[J].建筑施工,2006,28(1)：58-61.

Study on the Transporting Technology of Heavy-Large Component

WANG Chang-chun
(Weifang University,Weifang 261061,China)

Based on the extensive research of the domestic and foreign actuality of lifting and conveying large scale components,combined with the existing achievements of transporting caisson by using ballonet,this paper mainly researches the pneumatic lifting,transporting and synchronal control system.The model of the system structure is constructed and the function of the system is defined.It is very important that the large-scale component application prospect by group ballonet lifting and transporting.

heavy-large component,ballonet group,lifting,transporting

TH218

A

1671-4288(2010)06-0013-04

(责任编辑：肖恩忠)

2010-08-16

王长春(1966-),男,山东昌邑人,潍坊学院机电工程学院教授,工学硕士。研究方向：先进制造技术。