深水滑道井字梁自動(dòng)化調(diào)位設(shè)備研究

郭 勁，薛安青，曾令平，程茂林

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢430040)

0 引 言

用于大型船舶入水的滑道安裝在井字梁上，因此工作人員需要事先將大量井字梁首位相接依次吊裝至預(yù)先澆筑好的水下混凝土樁上［1］。通常會(huì)對(duì)滑道的安裝精度有較高的要求，而滑道的安裝螺栓必須預(yù)埋在井字梁上，井字梁吊裝完成后，螺栓的位置就完全固定了，因此必須保證井字梁的安裝精度。在青島漁輪船廠六號(hào)滑道井字梁施工中，施工人員在工作人員在待安裝井字梁上加裝定位架，通過(guò)潛水員觀察放線垂球與已安裝梁架上刻度的偏差確定井字梁的位置偏移并告知船吊操作員，操作員手工操作調(diào)整井字梁的位置。井字梁前后澆筑榫頭和楔口，最終通過(guò)待安裝井字梁的榫頭與已安裝井字梁的楔口相互契合來(lái)保證井字梁的安裝精度［2］。在舟山中遠(yuǎn)1 號(hào)和2 號(hào)船臺(tái)工程施工中，施工人員在待安裝井字梁水下樁帽周?chē)茉O(shè)臨時(shí)的鋼格構(gòu)立柱、預(yù)制平臺(tái)和井字梁提升架，現(xiàn)場(chǎng)澆筑井字梁后通過(guò)多個(gè)手拉葫蘆同步下放井字梁，根據(jù)潛水員反饋的位置偏差調(diào)整葫蘆的位置，最終使井字梁的位置偏差落在精度要求范圍內(nèi)［3］。在溫州某船臺(tái)滑道工程施工中，施工人員在樁帽預(yù)定位置沉設(shè)鋼護(hù)筒，利用鋼護(hù)筒形成局部圍堰，干法施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑水下樁帽，同時(shí)在澆筑樁帽時(shí)預(yù)埋導(dǎo)桿;在井字梁上加裝導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，在吊裝時(shí)通過(guò)導(dǎo)桿和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)保證井字梁的安裝位置。井字梁安裝精度通過(guò)樁帽和導(dǎo)桿的位置進(jìn)行保證［4］。

上述方法均能保證井字梁吊裝完畢后，相鄰滑道鋼軌接頭誤差在4 mm 以內(nèi)，但上述方法需要安裝或架設(shè)多余的輔助結(jié)構(gòu)，同時(shí)輔助結(jié)構(gòu)與井字梁及附屬結(jié)構(gòu)不獨(dú)立，因此僅適用于單個(gè)項(xiàng)目的施工;同時(shí)上述方法需要大量的人工操作，因此受河流水量、水下能見(jiàn)度等自然條件影響大，精度難以提升，無(wú)法實(shí)現(xiàn)井字梁的自動(dòng)化安裝。

在武漢雙柳滑道工程項(xiàng)目中，井字梁安裝批量大，最大水深達(dá)28．73 m，同時(shí)鋼軌接頭頂面高差和側(cè)錯(cuò)位差要求＜1 mm，現(xiàn)有的安裝方法無(wú)法高效率的完成這一工程。為此，本研究提出一種自主設(shè)計(jì)的可用于井字梁或類似結(jié)構(gòu)調(diào)位的三向千斤頂，并對(duì)工程塑料合金板(后稱MGE 板)的水下滑移性能進(jìn)行研究，結(jié)合液壓同步提升技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高精度(達(dá)±1 mm)、高效率、自動(dòng)化調(diào)位過(guò)程，并能適用于其他類似大型梁架的調(diào)位工程。

1 調(diào)位設(shè)備概述

1．1 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

為實(shí)現(xiàn)滑道井字梁水下自動(dòng)化精確調(diào)位，本研究自主設(shè)計(jì)、研發(fā)并生產(chǎn)了一種三向千斤頂。

三向千斤頂是由正交放置的三組油缸提供推力(或拉力)，使相應(yīng)結(jié)構(gòu)在某個(gè)方向上產(chǎn)生單向位移，三組油缸同步運(yùn)動(dòng)便能得到調(diào)位范圍內(nèi)任意的三維位移，最終結(jié)果是與三向千斤頂相連接的被調(diào)結(jié)構(gòu)在連接點(diǎn)處產(chǎn)生相同的三維位移。通過(guò)采用3 臺(tái)以上三向千斤頂進(jìn)行同步調(diào)位，便能實(shí)現(xiàn)被調(diào)結(jié)構(gòu)在空間六自由度上的位移調(diào)整。三向千斤頂結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

為保證能夠?qū)Ρ徽{(diào)對(duì)象進(jìn)行空間內(nèi)3 個(gè)位移自由度調(diào)位，三向千斤頂選用了3 組液壓油缸作為頂推動(dòng)力，其中兩組水平正交放置的油缸對(duì)應(yīng)兩對(duì)滑移副，使得被調(diào)對(duì)象能進(jìn)行水平面內(nèi)各個(gè)方向的位移，一組垂直放置的油缸完成被調(diào)對(duì)象豎直方向的位移。同時(shí)縱向放置的油缸與同被調(diào)設(shè)備連接的連接板之間用球鉸連接，使得三向千斤頂能適應(yīng)被調(diào)對(duì)象在一定范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 三向千斤頂結(jié)構(gòu)示意

圖2 三向千斤頂結(jié)構(gòu)圖

在正常使用條件下，設(shè)備的底座被固定在水平平面上，一組水平縱向油缸安裝在底座上，活塞桿法蘭盤(pán)與滑移箱固接，滑移箱底部的滑移塊與底座上表面構(gòu)成了一對(duì)滑移副，在水平縱向油缸的作用下除底座和水平縱向油缸外的結(jié)構(gòu)通過(guò)這對(duì)滑移副產(chǎn)生水平縱向位移;水平橫向油缸安裝在滑移箱上，活塞桿法蘭與垂直油缸外壁固接，垂直油缸底部的滑移塊與滑移箱箱底構(gòu)成了一對(duì)滑移副，在水平橫向油缸的作用下垂直油缸及以上結(jié)構(gòu)通過(guò)這對(duì)滑移副產(chǎn)生水平橫向位移;垂直油缸產(chǎn)生豎直方向位移，其頂部采用球鉸連接，并設(shè)計(jì)了與被調(diào)井字梁吊架相應(yīng)位置匹配的連接板，在其他場(chǎng)合如使用，則連接板應(yīng)根據(jù)具體要求重新設(shè)計(jì)。

油缸行程的確定取決于被調(diào)件安裝時(shí)可能產(chǎn)生的最大位置偏差，位移的速度和精度由進(jìn)入各油缸的液壓油的流量決定，需要的推力(或拉力)由綜合負(fù)載決定。

1．2 MGE 板-鏡面不銹鋼板水下滑移試驗(yàn)

1．2．1 試驗(yàn)原理及裝置

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，調(diào)位油缸單向運(yùn)動(dòng)所需的推力(或拉力)F 通常遵循下式:

式中:Ff—推動(dòng)被調(diào)對(duì)象在該方向運(yùn)動(dòng)需要克服的滑動(dòng)摩擦力，F(xiàn)e—環(huán)境載荷。

例如水下環(huán)境需要考慮水流作用在被調(diào)對(duì)象立面上所產(chǎn)生的載荷，普通工作環(huán)境下則要考慮風(fēng)載荷。環(huán)境載荷可通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)估，而滑動(dòng)摩擦力則取決于被調(diào)對(duì)象作用在該套設(shè)備上的重力以及滑移副間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，對(duì)于確定的被調(diào)對(duì)象和設(shè)備排布形式，每套設(shè)備承受的重力可以簡(jiǎn)單地確定，而滑移副的滑動(dòng)摩擦系數(shù)則與滑移副的材質(zhì)及工作環(huán)境有關(guān)，需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。

該設(shè)備選用的滑移副為MGE 板-鏡面不銹鋼板，其中MGE 板為滑移板，鏡面不銹鋼板為滑移面。

工程塑料合金-MGE 最大承受壓力在65 MPa 以上。同時(shí)，MGE 板具有耐磨、摩擦系數(shù)低、承載力大、抗剪抗沖擊能力強(qiáng)、易于機(jī)加工等特點(diǎn)［5］。材料主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 MGE 板性能指標(biāo)

為了測(cè)定水下不同環(huán)境中MGE 板-鏡面不銹鋼板的摩擦系數(shù)，本研究進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)。

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 MGE 板-鏡面不銹鋼板水下摩擦試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

縱向負(fù)載油缸用于模擬負(fù)載，橫向推力油缸用以推動(dòng)滑移箱滑動(dòng)［6-7］。同時(shí)上、下滑移板材料均為MGE 板，上下滑移面材料均為鏡面不銹鋼板，一組滑移板-滑移面構(gòu)成一對(duì)滑移副。在該試驗(yàn)中共有兩對(duì)滑移副。

當(dāng)右側(cè)橫向推力油缸推動(dòng)滑移箱向左勻速滑動(dòng)時(shí)，滑移箱受力狀況如圖4 所示。

圖4 滑移箱受力簡(jiǎn)圖

對(duì)于上滑移面，垂直載荷Fv1:

式中:Fpv—縱向負(fù)載油缸推力。

對(duì)于下滑移面，支撐反力Fv2:

式中:Fpv—縱向負(fù)載油缸推力。

橫向推力:

式中:μ—MGE 板-鏡面不銹鋼板在本工況下的摩擦系數(shù)。

又有橫向油缸推力Fpl:

式中:p—油缸大腔壓力，Sh—油缸大腔面積。

該試驗(yàn)中，大腔壓力通過(guò)調(diào)節(jié)泵站輸出回路的溢流閥開(kāi)啟壓力得到;選用相同型號(hào)的3 個(gè)油缸，因此各油缸大腔面積相同。

因此將式(2～5)代入式(1)中得:

式中:pl—橫向推力油缸大腔壓力，pv—縱向負(fù)載油缸大腔壓力。

通過(guò)公式推導(dǎo)可知pl和pv之間的關(guān)系為一次函數(shù)。本研究可以通過(guò)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，在XOY 坐標(biāo)系中繪制出縱向負(fù)載油缸大腔壓力pv和橫向推力油缸大腔壓力pl的關(guān)系線圖，根據(jù)圖線的斜率得到MGE板對(duì)鏡面不銹鋼板的摩擦系數(shù)［8］。

1．2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，本研究先調(diào)定泵站負(fù)載輸出回路溢流閥的開(kāi)啟壓力值，然后由0 開(kāi)始逐漸增加泵站推力輸出回路溢流閥的開(kāi)啟壓力值，直至滑移箱開(kāi)始滑移，記錄數(shù)據(jù)。為了盡量還原實(shí)際工況，筆者進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，第一組試驗(yàn)水箱內(nèi)為清水，第二組試驗(yàn)水箱內(nèi)混入了大量泥沙。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

本研究利用Matlab 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次函數(shù)擬合，以負(fù)載油缸壓力為自變量，橫向推力油缸負(fù)載為因變量，擬合式(6)可得:

在水下無(wú)泥沙環(huán)境下，擬合線圖如圖5 所示。

圖5 無(wú)泥沙水下環(huán)境摩擦系數(shù)線圖

觀察可知，試驗(yàn)所得的曲線能夠用一次函數(shù)較為準(zhǔn)確地?cái)M合。根據(jù)擬合曲線的斜率求解滑動(dòng)摩擦系數(shù):

在水下有泥沙環(huán)境下，擬合線圖如圖6 所示。

對(duì)比圖5 可以發(fā)現(xiàn)，相同負(fù)載條件下，水下有泥沙環(huán)境下橫向推力油缸壓力大于水下無(wú)泥沙環(huán)境下的壓力。根據(jù)曲線斜率求解滑動(dòng)摩擦系數(shù):

圖6 有泥沙水下環(huán)境摩擦系數(shù)線圖

因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的不同水下環(huán)境中的滑動(dòng)摩擦系數(shù)如表3 所示。

表3 MGE 板-鏡面不銹鋼板水下摩擦系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在水下有泥沙的環(huán)境下，MGE 板-鏡面不銹鋼板滑移副的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0．122，而水下無(wú)泥沙環(huán)境中摩擦系數(shù)僅為0．053。因此在選用這對(duì)滑移副時(shí)，必須明確其工作環(huán)境，才能保證設(shè)備的正常工作。

2 液壓系統(tǒng)分析

頂推油缸液壓原理圖如圖7 所示。

圖7 液壓原理圖

液壓原理圖中，P 口為進(jìn)油口接齒輪泵，T 口為回油口接油箱，R 口為泄油口接油箱;其中液控單向閥、梭閥及溢流閥插裝在油缸閥塊上，隨設(shè)備進(jìn)入水下工作環(huán)境;其余組建插裝在調(diào)速閥塊上，調(diào)速閥塊安裝在提供動(dòng)力的泵站中。

液壓系統(tǒng)工作原理:首先，在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中預(yù)先設(shè)定好溢流閥的開(kāi)啟壓力。進(jìn)入正式工作狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)齒輪泵后，若需要橫向(縱向)油缸產(chǎn)生推力，則D1得電，三位四通電磁換向閥工作在左位，液壓油在整流塊的作用下安由P 至A 的方向通過(guò)比例流量閥，隨后通過(guò)液控單向閥CP1 進(jìn)入油缸大腔，大腔產(chǎn)生一定壓力時(shí)，梭閥閥芯右移使得溢流閥與大腔油路接通起過(guò)載保護(hù)作用，大腔壓力繼續(xù)上升，液控單向閥CP2 打開(kāi)，活塞向右移動(dòng)產(chǎn)生推力;若需要橫向(縱向)油缸產(chǎn)生拉力，則使得D2 得電，此時(shí)油缸小腔先產(chǎn)生壓力，使得梭閥閥芯左移，溢流閥與小腔油路接通起過(guò)載保護(hù)作用，當(dāng)大腔壓力繼續(xù)上升時(shí)，液控單向閥CP1打開(kāi)，活塞左移產(chǎn)生拉力，此時(shí)調(diào)速方式由進(jìn)油調(diào)速變?yōu)榛赜驼{(diào)速。無(wú)論比例調(diào)速閥位于進(jìn)油側(cè)還是回油側(cè)，在整流塊的作用下液壓油均由P 口流入A 口流出。當(dāng)設(shè)備結(jié)束工作后，D3 得電，二位二通電磁換向閥導(dǎo)通，系統(tǒng)可以快速卸荷。

由于垂直油缸活塞需要向下移動(dòng)時(shí)以負(fù)載壓力為動(dòng)力，小腔沒(méi)有高壓油進(jìn)入，垂直油缸的液壓控制回路較為簡(jiǎn)單，各元件作用與在橫向(縱向)油缸控制回路中的作用相同。通過(guò)比例流量閥的使用，可以使油缸活塞桿產(chǎn)生精確的位移(1 mm)，從而保證了三向千斤頂?shù)恼{(diào)位精度。

3 井字梁調(diào)位原理及實(shí)施效果

3．1 井字梁水下調(diào)位原理

本研究利用三向千斤頂進(jìn)行的井字梁水下調(diào)位方案如圖8 所示。

圖8 井字梁調(diào)位方案圖

四套三向千斤頂與吊架四個(gè)支柱的底部固接，整體吊裝至預(yù)定位置，并將四套三向千斤頂?shù)鬃c預(yù)設(shè)混凝土樁固接。吊裝完畢后，根據(jù)測(cè)量設(shè)備測(cè)出的井字梁當(dāng)前位置與目標(biāo)位置之間的位移差和偏角差，通過(guò)泵站驅(qū)動(dòng)四套三向千斤頂設(shè)備進(jìn)行同步精調(diào)位。

在精調(diào)位過(guò)程中，滑道井字梁可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方式主要有如下幾種:升降，橫移和進(jìn)退，側(cè)滾，俯仰和定點(diǎn)回轉(zhuǎn)。井字梁位移模式如圖9 所示。

圖9 井字梁位移模式

其中:升降，橫移，進(jìn)退，側(cè)滾，俯仰等均屬于平移調(diào)位方式，分組同步控制相應(yīng)油缸(水平橫向、水平縱向和垂直油缸中只需要其中一組動(dòng)作)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn);而定點(diǎn)回轉(zhuǎn)屬于偏轉(zhuǎn)調(diào)位方式，需要控制三向千斤頂?shù)乃娇v向油缸組和水平橫向油缸進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)，通過(guò)水平縱向位移和水平橫向位移的合成在千斤頂與吊架支座的連接位置產(chǎn)生水平斜線位移，四組三向千斤頂同步動(dòng)作合成井字梁的水平偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，為了保證位置測(cè)量的準(zhǔn)確性，保證最終調(diào)位的精度，通常選擇依次完成定點(diǎn)回轉(zhuǎn)、側(cè)滾、俯仰3 種角度偏轉(zhuǎn)的調(diào)位動(dòng)作;完成角度偏轉(zhuǎn)調(diào)位，測(cè)量?jī)x器能夠更加精確地測(cè)量出井字梁當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的偏差，最后進(jìn)行簡(jiǎn)單的升降、橫移、進(jìn)退這3 種平移調(diào)整，完成整個(gè)調(diào)位過(guò)程。

3．2 井字梁水下調(diào)位施工效果

滑道井字梁調(diào)位施工現(xiàn)場(chǎng)照片如圖10 所示。在實(shí)際施工過(guò)程中，測(cè)量?jī)x器測(cè)出井字梁當(dāng)前位置和目標(biāo)位置的偏差并通過(guò)CAN 總線將偏差信息告知中央控制器，中央控制器結(jié)合安裝在油缸內(nèi)部的安裝CAN發(fā)送器的磁致伸縮傳感器，閉環(huán)控制油缸的位移，整個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)大型預(yù)制構(gòu)件水下高精度安裝施工控制技術(shù)全自動(dòng)化;當(dāng)然也可以分步控制，即一次調(diào)整結(jié)束后，通過(guò)測(cè)量裝置觀察調(diào)整的精度是否滿足過(guò)程，如不滿足，再次手動(dòng)啟動(dòng)調(diào)整過(guò)程，測(cè)量裝置與中央控制器之間通過(guò)CAN 總線保持實(shí)時(shí)信息交換。

圖10 滑道井字梁調(diào)位施工現(xiàn)場(chǎng)照片

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)施效果可知，采用三向千斤頂配合液壓同步提升技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，能夠完成高精度的井字梁自動(dòng)化調(diào)位過(guò)程，最終精度達(dá)±1 mm。同時(shí)該套設(shè)備與吊架、井字梁及其附屬結(jié)構(gòu)均相互獨(dú)立，裝卸簡(jiǎn)單方便，無(wú)需架設(shè)鋼格構(gòu)柱或?qū)U等臨時(shí)結(jié)構(gòu)，因此該方案是一種高效率的自動(dòng)化調(diào)位方案，只需要根據(jù)實(shí)際情況修改控制參數(shù)就能應(yīng)用于其他類似大型梁架調(diào)位的場(chǎng)合。

4 結(jié)束語(yǔ)

滑道井字梁的安裝與調(diào)位過(guò)程一直難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，導(dǎo)致工程周期長(zhǎng)，施工難度大。本研究提出并設(shè)計(jì)了一種三向千斤頂，利用液壓油缸和MGE 滑塊實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)空間三自由度的位移，其結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單。本研究通過(guò)采用四臺(tái)三向千斤頂聯(lián)動(dòng)，并結(jié)合液壓提升技術(shù)和通信技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了滑道井字梁的快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)化安裝。

現(xiàn)場(chǎng)施工證明，通過(guò)該方案能夠保證井字梁安裝調(diào)位完畢后，相鄰滑道鋼軌接頭偏差要求控制在1 mm以內(nèi)，平面位置及高程偏差要求控制在3 mm 以內(nèi)，精度之高，在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例可循。

由于該套設(shè)備與吊架、井字梁及其附屬結(jié)構(gòu)均相互獨(dú)立，裝卸簡(jiǎn)單方便，無(wú)需架設(shè)鋼格構(gòu)柱或?qū)U等臨時(shí)結(jié)構(gòu)，屬一種高效率的自動(dòng)化調(diào)位方案，只需要根據(jù)實(shí)際情況修改控制參數(shù)就能應(yīng)用于其他類似大型梁架調(diào)位的場(chǎng)合。

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