隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高和融入世界進(jìn)程的加快，港口建設(shè)快速蓬勃發(fā)展， 碼頭建設(shè)越來(lái)越朝大泊位、深水泊位方向發(fā)展； 同時(shí)， 與之相適應(yīng)的沉箱也逐漸 向大型化發(fā)展，沉箱尺度規(guī)模越來(lái)越大，沉箱的自重、跨度和體積也越來(lái)越大。 這些大型建筑構(gòu)件的安裝與運(yùn)輸就成為一個(gè)越來(lái)越迫切解決的問(wèn)題， 特別是大型 建筑構(gòu)件的陸上搬運(yùn)需求就越來(lái)越迫切。這些港口用建筑結(jié)構(gòu)件沉箱的自重大、 體積大、跨度大、高度高， 無(wú)疑對(duì)陸上搬運(yùn)技術(shù)提出了更高更嚴(yán)格的要求， 因此， 大型建筑結(jié)構(gòu)件氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的研究對(duì)加快我國(guó)港口的現(xiàn)代化進(jìn)程， 具有十分重
隨著生產(chǎn)工藝和要求及設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展， 出現(xiàn)的這些大型甚至超大型的建 筑構(gòu)件， 由于現(xiàn)場(chǎng)條件的局限， 設(shè)備的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)起重設(shè)備的額定承載
氣動(dòng)技術(shù)是流體傳動(dòng)及控制技術(shù)的一個(gè)重要分支。近年來(lái)， 隨著工業(yè)的飛速 發(fā)展， 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域機(jī)電一體化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用， 隨著工業(yè)自動(dòng)化程度 的提高，氣動(dòng)技術(shù)以其成本低廉、工作效率高、干凈且不污染環(huán)境、節(jié)約能源、 使用和維修方便、對(duì)環(huán)境要求不高等一系列優(yōu)點(diǎn)， 己在各個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛 的應(yīng)用， 氣動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要手段之一。氣動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備是液 壓系統(tǒng)的延續(xù)和發(fā)展， 陸上水平移動(dòng)系統(tǒng)由滾動(dòng)氣囊和卷?yè)P(yáng)機(jī)組成， 氣動(dòng)提升設(shè) 備由超高壓氣囊集群組成， 比液壓系統(tǒng)技術(shù)更經(jīng)濟(jì)、 更環(huán)保， 是超高超重設(shè)備吊 裝的重要工具之一 。氣動(dòng)搬運(yùn)設(shè)備的起重搬運(yùn)能力可達(dá)數(shù)千噸級(jí)，常用于超重、
氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是氣囊制造技術(shù)以及同步控制技術(shù)， 其發(fā)展經(jīng) 歷了氣囊出運(yùn)、氣囊頂升及同步頂升搬運(yùn)階段， 目前發(fā)展成為連續(xù)式同步頂升搬 運(yùn)控制技術(shù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全同步控制、負(fù)載均衡、姿態(tài)校正、操作閉鎖、過(guò)程顯 示等工作， 大大提高了工程實(shí)施的安全可靠性， 保證工程質(zhì)量。這類裝置不僅在 船舶建設(shè)工程中， 而且在國(guó)內(nèi)港口工程建設(shè)中也發(fā)揮著重要的作用， 例如中港四 航局第一工程公司東江口預(yù)制廠 2212t 沉箱搬運(yùn)如圖 1－1 所示， 3000t 廣順號(hào)油 輪下水如圖 1－2 所示。因此，大型建筑構(gòu)件的陸上頂升搬運(yùn)需求量大，特別是 我國(guó)北方地區(qū)的許多港口、 防潮壩建設(shè)需要大量大型建筑構(gòu)件， 同時(shí)， 由于這些 港口屬于沉積土質(zhì)， 易沉降， 這就加大了對(duì)氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)的需求， 其應(yīng)用前
中港第一航務(wù)局第五工程公司在秦皇島港煤四期碼頭工程中對(duì)長(zhǎng) 26.26m、 寬 9.92m、高 18.5m，的超長(zhǎng)沉箱，采取在陸域進(jìn)行預(yù)制、溜放和水上接高的方 法施工。使用 10 臺(tái) 500t 油壓千斤頂，東西兩側(cè)對(duì)稱，每側(cè)各布置 5 臺(tái)，順利進(jìn) 行了此超長(zhǎng)沉箱的頂升作業(yè)。莆田八重洲飼料有限公司商住樓頂升平移施工， 頂 升要求受力梁規(guī)格大強(qiáng)度高， 由基礎(chǔ)梁承受結(jié)構(gòu)荷載。天津港北大防波堤一期工 程采用 4 臺(tái)專用的 100t 千斤頂放入頂升槽內(nèi)進(jìn)行支頂半圓體結(jié)構(gòu)。千斤頂頂升 工藝即預(yù)先在預(yù)制臺(tái)座上布置千斤頂基礎(chǔ)， 然后設(shè)置頂升溝槽， 大型構(gòu)件預(yù)制完 成后從頂升溝槽放置千斤頂， 利用千斤頂將沉箱頂升。大型構(gòu)件一般需要使用多 個(gè)數(shù)百噸的千斤頂，地基處理需要采用強(qiáng)夯、加大的基礎(chǔ)，造價(jià)高，地基處理時(shí) 間長(zhǎng)。在沉箱頂升過(guò)程中， 諸如需要人員鉆入地溝， 放置千斤頂時(shí)位置必須準(zhǔn)確，
四頭工程中對(duì)長(zhǎng) 26.26m、寬 9.92m、高 18.5m 超長(zhǎng)沉箱， 采取軌道與縱橫移結(jié)合 的出運(yùn)工藝。橫移車乘載沉箱的全部重量， 軌道應(yīng)滿足橫移車的線荷載， 由力矩 平衡和虎克定律可知： 根據(jù)橫移車的線荷載決定沉箱在平臺(tái)上的最制高度。實(shí)現(xiàn)
術(shù)參數(shù)如下：油罐高 14.3m、直徑 14.5m、罐的上部壁厚 6mm，罐的中間壁厚 8mm，罐的下部壁厚 10mm，罐底板的厚度 8mm，材質(zhì)為 Q235－A。在上海東 方明珠廣播電視塔剛天線桅桿、北京西客站主站放鋼制門(mén)樓、北京首都機(jī)場(chǎng)四機(jī) 位機(jī)庫(kù)的網(wǎng)架屋頂以及 6000 噸上海大劇院鋼屋架等工程中，這些大跨度鋼珩架 結(jié)構(gòu)采用滑移法整體提升技術(shù)， 并且采用脈寬調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)同步控制。采用氣囊 搬運(yùn)大型沉箱、實(shí)現(xiàn)船舶上排與下水、克服了以往中小型船廠修造船能力受制于 固定式下水滑道的弊端， 發(fā)展成為極具靈活性的下水技術(shù)， 可節(jié)省大筆修造大型
為實(shí)現(xiàn)整體吊裝， 對(duì)起重設(shè)備的起重能力、作業(yè)空間、 安全可靠性都有很高 要求， 如果是多機(jī)同時(shí)吊裝， 還需要具備協(xié)調(diào)控制能力。為此大型移動(dòng)起重機(jī)在 吊裝方面有很大的施展空間， 也因此而得以不斷發(fā)展。當(dāng)前大型移動(dòng)起重機(jī)的主
2)輪式起重機(jī)主要包括全地面起重機(jī)、汽車起重機(jī)和越野輪胎起重機(jī)，其中 全地面起重機(jī)的噸位躍居三者榜首。受其伸縮臂結(jié)構(gòu)自重和伸縮機(jī)構(gòu)等限制， 與 履帶起重機(jī)相比，起重噸位相對(duì)小些，不過(guò)也接近千噸級(jí)。如： Liebherr 公司最 大噸位 LTM1800 型 800t，Defrag 公司的 AC700 型 700t 和 Tadano 公司的 550t
3)采用超起裝置的超大型起重機(jī)，如： Manitowoc 公司的 2250 型履帶起重 機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)型起重量為 272t，增設(shè)超起臂架和超起配重后，起重量為 450t，而增設(shè)
有些公司專門(mén)從事港口集裝箱起重設(shè)備的安裝， 有些公司專門(mén)從事鋼屋架的 液壓頂升， 有些公司專門(mén)從事超高超重設(shè)備的吊裝， 他們充分利用液壓提升設(shè)備 的特點(diǎn)用于超重、超高、 大跨度的構(gòu)件安裝。這些液壓提升設(shè)備的主吊均采用大
機(jī)的必備組合方式。 除此以外， 履帶起重機(jī)又出現(xiàn)了新的臂架組合方式： 副臂通 過(guò)過(guò)渡節(jié)直接與主臂連接， 副臂上連接副臂， 使其作業(yè)空間得到了有效擴(kuò)大， 最 大作業(yè)范圍可達(dá)到 200m 以上，現(xiàn)已應(yīng)用于 Liobherr 和 Manitowoc 公司的起重機(jī)
直升機(jī)吊裝工件比較普遍對(duì)于一般起重機(jī)械不能夠完成的吊裝工作往往考 慮使用直升機(jī)進(jìn)行吊裝， 有些直升機(jī)的起吊能力達(dá)到幾十噸。例如： 世界第一高
液壓傳動(dòng)是目前移動(dòng)式起重機(jī)普遍采用的傳動(dòng)方式， 裝備了先進(jìn)的微電子智 能功率控制系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)的不斷更新， 為提高起重機(jī)的調(diào)速性能、 降低操 作強(qiáng)度、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、 降低使用成本提供了保證。而數(shù)據(jù)總線控制技術(shù)在 起重機(jī)上的應(yīng)用， 將發(fā)動(dòng)機(jī)控制、液壓控制、 安全監(jiān)測(cè)狀態(tài)監(jiān)控和極限載荷限制 集為一體， 通過(guò)總線方式進(jìn)行信息傳遞與控制， 實(shí)現(xiàn)了控制上真正意義的自動(dòng)化 與智能化。 同時(shí)借助圖形化的顯示屏顯示起重機(jī)的所有信息， 例如系統(tǒng)狀態(tài)、技 術(shù)參數(shù)等，甚至可協(xié)助操作者進(jìn)行故障診斷，顯示故障原因、部位及處理方法。 這種先進(jìn)的控制系統(tǒng)顯著提高了控制系統(tǒng)的可靠性、作業(yè)安全性、操作舒適性和 工作效率。例如 Defrag 和 Liebherr 公司。 一般的起重機(jī)械都采用計(jì)算機(jī)控制， 能夠準(zhǔn)確計(jì)算出工件的重量， 監(jiān)控機(jī)械的工作狀態(tài)， 并有報(bào)警與自鎖功能以及其
(1)氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程、趨勢(shì)和特征氣動(dòng)技術(shù)是以氣體為工作介質(zhì)傳遞信 號(hào)和動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的一項(xiàng)技術(shù)。工業(yè)氣動(dòng)是采用壓縮空氣來(lái)實(shí) 現(xiàn)動(dòng)作和控制的功能，約有 50 年的歷史。在二次世界大戰(zhàn)后不久，由于各國(guó)科 技迅速進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)繁榮， 迫切需要提高生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的水平， 以提高產(chǎn)品 質(zhì)量和增加勞動(dòng)生產(chǎn)率。工業(yè)界在尋求高效率、低成本、 安全可靠又有較長(zhǎng)使用
是從單個(gè)元件到控制系統(tǒng)， 從單純機(jī)械制品到機(jī)電一體的復(fù)雜高科技產(chǎn)品的 歷程。 由風(fēng)動(dòng)技術(shù)和液壓技術(shù)演變、 發(fā)展而成為獨(dú)立技術(shù)門(mén)類的氣動(dòng)技術(shù)， 己經(jīng) 在自動(dòng)化控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，顯示出強(qiáng)大的生命力，成為 20 世紀(jì)應(yīng)用 最廣、發(fā)展最快、也最易被接受及重視的技術(shù)之一 。工業(yè)各領(lǐng)域如機(jī)械、電子、 鋼鐵、運(yùn)行車輛及其制造、橡膠、紡織、輕工、化工、食品、包裝、印刷、煙草 等， 氣動(dòng)技術(shù)己成為不可缺少的基本部分。在尖端技術(shù)領(lǐng)域如核工業(yè)或宇航， 氣
近 10 來(lái)年內(nèi)自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)歷了令人矚目的飛躍性發(fā)展，突出表現(xiàn)在：自動(dòng) 化設(shè)備的應(yīng)用覆蓋面越來(lái)越廣， 從原先只應(yīng)用于簡(jiǎn)單、重復(fù)的工藝過(guò)程擴(kuò)大到復(fù) 雜的工藝過(guò)程： 自動(dòng)化機(jī)器在性能和功能上都有顯著的提高， 機(jī)器的節(jié)拍時(shí)間更 短， 運(yùn)動(dòng)精度更高， 同時(shí)能與計(jì)算機(jī)直接聯(lián)接， 從而更快和更準(zhǔn)確地進(jìn)行生產(chǎn)管 理； 由于產(chǎn)品的多樣化使柔性生產(chǎn)設(shè)備得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用， 這類設(shè)備要求能 非?？旖莸貙?duì)之進(jìn)行重新編程，以實(shí)現(xiàn)同一機(jī)器對(duì)不同種類或尺寸工件進(jìn)行加 工， 從而大幅度地降低設(shè)備投資并實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)自動(dòng)化； 要求越來(lái)越短
科學(xué)技術(shù)、材料、 工藝的新發(fā)展和人們觀念的變化以及市場(chǎng)的需求， 帶動(dòng)氣 動(dòng)技術(shù)飛躍地發(fā)展， 建立了具有明顯特色的技術(shù)方法。氣動(dòng)的持續(xù)發(fā)展必須體現(xiàn) 在一些比較重要的特征上： 通過(guò)小型化設(shè)計(jì)， 提高元件功效， 尺寸不斷小型化和 功能不斷強(qiáng)化是氣動(dòng)元件發(fā)展的必然趨勢(shì)；發(fā)展裝配簡(jiǎn)易性及高性能的連接技 術(shù)，在一定應(yīng)用條件下， 都具有或多或少的隨意組合性。集成化充分兼顧模塊化， 即在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮集成模塊或單元的兼容性； 部件應(yīng)用性能的擴(kuò)展性強(qiáng)； 結(jié)構(gòu) 維護(hù)保養(yǎng)方便； 系統(tǒng)能力的概念； 氣動(dòng)集成到包括其它各種技術(shù)的整個(gè)系統(tǒng)的集
氣動(dòng)技術(shù)以空氣為工作介質(zhì)， 空氣隨處可取， 且粘性小， 在管內(nèi)流動(dòng)阻力小， 便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。 因而， 大多數(shù)工廠有方便的壓縮空氣氣源。作為工 作介質(zhì)的壓縮空氣的物理性質(zhì)， 使氣動(dòng)技術(shù)在廣泛的各種應(yīng)用中具有安全、方便 和費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。壓縮空氣沒(méi)有產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)。 因此， 適宜于有易燃或爆炸潛
適應(yīng)性強(qiáng)， 現(xiàn)有的機(jī)器可方便的改為氣動(dòng)傳動(dòng)， 氣動(dòng)執(zhí)行元可以直接安裝在
氣動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)速度高。普通氣動(dòng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度一般為 0.05－0. 7m/s，有
該技術(shù)是近年來(lái)在我國(guó)施工行業(yè)逐步發(fā)展起來(lái)的新興的大型構(gòu)件出運(yùn)新技 術(shù)，氣囊搬運(yùn)大型構(gòu)件新工藝是受氣囊船舶下水工藝的啟發(fā)，于 1997 年利用起 重氣囊搬運(yùn)技術(shù)在福建深滬港臨時(shí)預(yù)制場(chǎng)首次搬運(yùn)重 480t 沉箱成功，隨后在 2000 年和 2003 年廣西防城港和汕頭港廣澳一期工程的施工中， 采用該工藝又分 別順利搬運(yùn)了 500t 和 900t 重的沉箱，從而為預(yù)制混凝上構(gòu)件的出運(yùn)開(kāi)辟了新的 途徑。這一技術(shù)由于采用氣動(dòng)技術(shù)， 傳遞動(dòng)力采用壓縮空氣， 從而可以保證生產(chǎn) 施工的綠色特性，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的環(huán)保性：同時(shí)，由于該技術(shù)采用氣動(dòng)傳動(dòng)，加大 了承載面積， 降低了單位面積承載力， 有利于企業(yè)降低生產(chǎn)成本； 顯示了該技術(shù) 的巨大頂升能力和其他優(yōu)越性能， 因而受到工程界的廣泛關(guān)注。這種新穎的起重 技術(shù)在大噸位、大體積構(gòu)件頂升方面的特點(diǎn)和優(yōu)越性， 是傳統(tǒng)的液壓式起重技術(shù)
大型構(gòu)件氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是在氣囊搬運(yùn)大型構(gòu)件新工藝的基礎(chǔ) 上，從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，就氣動(dòng)頂升技術(shù)、氣動(dòng)搬運(yùn)、變頻調(diào)速技術(shù)、供氣系統(tǒng)等 進(jìn)行優(yōu)化組合， 形成了集頂升與搬運(yùn)于一體的氣動(dòng)新系統(tǒng)。 由于其內(nèi)容涉及到氣 動(dòng)技術(shù)、起重技術(shù)、變頻調(diào)速、建筑工程等眾多學(xué)科領(lǐng)域，相關(guān)性較強(qiáng)，是多領(lǐng)
我們通過(guò)大型構(gòu)件氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有下列優(yōu)
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中就充分考慮到環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施， 將環(huán)境性能作 為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)， 力求使該系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響達(dá)到最小， 這是我們采 用氣動(dòng)技術(shù)的一個(gè)重要原因。相對(duì)于真正的清潔生產(chǎn)技術(shù)而言， 這里所提到的清 潔生產(chǎn)僅僅指生產(chǎn)施工過(guò)程。在這一環(huán)節(jié)， 著眼于綠色生產(chǎn)進(jìn)行選擇綠色生產(chǎn)工 藝技術(shù)、綠色生產(chǎn)工藝設(shè)備與裝備等， 采用氣動(dòng)技術(shù)、使用氣囊等裝備是綠色生
整個(gè)氣動(dòng)搬運(yùn)頂升系統(tǒng)主要由頂升、搬運(yùn)、供氣、控制等四個(gè)子系統(tǒng)組成， 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。操作簡(jiǎn)易安全， 頂升時(shí)利用卷?yè)P(yáng)機(jī)將氣囊拉入頂升溝， 無(wú)需操 作人員進(jìn)入頂升溝， 有利于施工操作人員的安全； 利用空壓機(jī)對(duì)起重氣囊充氣就 可以將沉箱等大型構(gòu)件平穩(wěn)地頂升， 可以有充分時(shí)間觀察沉箱等大型構(gòu)件姿態(tài)情
(3)系統(tǒng)適應(yīng)強(qiáng)成本低氣囊頂升搬運(yùn)時(shí)因?yàn)楹奢d分布均勻，避免了因?yàn)?/div>
局部荷載過(guò)大而使地基產(chǎn)生的不均勻沉降， 避免了在頂升過(guò)程中因局部沉降 過(guò)大造成對(duì)混凝土基礎(chǔ)的損壞。對(duì)地基承載力要求低， 由于氣囊底部承載力受力 均勻， 再通過(guò)頂升溝的混凝土基礎(chǔ)將荷載分散傳遞給地基， 這就進(jìn)一步對(duì)地基承 載力的要求。這使得該系統(tǒng)具有更為廣泛的使用范圍， 即可在地基礎(chǔ)差別較大的
區(qū)域使用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性。這樣，在生產(chǎn)施工中，與普通的起重設(shè)備相比
就大大簡(jiǎn)化了基礎(chǔ)處理的工作量， 降低了基礎(chǔ)處理的成本， 特別是節(jié)省了處理專
用頂升溝混凝土基礎(chǔ)的費(fèi)用。
(4)具有良好的應(yīng)用前景
目前船舶等大型金屬結(jié)構(gòu)件、港口建設(shè)用沉箱以及防波堤壩工程用大型水工 構(gòu)件等需要量非常大，我們先后對(duì)天津港、威海港、大連港、龍口港、福州港等 一系列港口進(jìn)行了調(diào)研， 并到中港第一航局第一工程公司第十六項(xiàng)目部、 山東港 灣建設(shè)有限公司威海港四期工程項(xiàng)目部、大連港預(yù)制廠等相關(guān)施工企業(yè)走訪， 他 們每年都有大量在陸上預(yù)制在水上安裝的大型構(gòu)件， 這些大型構(gòu)件需要從岸上預(yù) 制廠頂升搬運(yùn)到半潛舶等大型船舶上， 這種大型構(gòu)件的陸海間頂升搬運(yùn)是這些企
業(yè)生產(chǎn)施工的重要部分，他們對(duì)大型構(gòu)件氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)的需求非常迫切。
1.5 本文研究的主要內(nèi)容
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 我國(guó)港口建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大， 目前我國(guó)港口重力式 碼頭的單個(gè)沉箱重量已超過(guò)1000t，有的甚至在2500t以上，這些超級(jí)沉箱若仍采 用在已有的碼頭前沿預(yù)制， 由大型起重設(shè)備出運(yùn)、安裝的工藝已不適應(yīng)工程施工 的需要， 如采用陸上預(yù)制、滑道下水或塢內(nèi)預(yù)制后起浮出運(yùn)的傳統(tǒng)工藝， 就受到 投資成本、工期、場(chǎng)地條件等多方面的制約。為此必需從大型沉箱陸上運(yùn)輸?shù)募?術(shù)加以研究，尋求科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)工藝，對(duì)高壓氣囊（下簡(jiǎn)稱氣囊）搬運(yùn)大型 沉箱技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)的應(yīng)用研究。形成了一套比較完整的、適應(yīng)于多種規(guī)格沉箱
和重型構(gòu)件出運(yùn)的氣囊搬運(yùn)技術(shù)。
本文將對(duì)氣囊出運(yùn)大型沉箱搬運(yùn)系統(tǒng)和施工工藝進(jìn)行探討， 主要研究?jī)?nèi)容包 括：氣囊選型、氣囊工作壓力確定與控制、氣囊工作高度、間距、條數(shù)設(shè)計(jì)以及 沉箱移動(dòng)牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、預(yù)制沉箱的底模、沉箱上駁工藝等關(guān)鍵技術(shù)， 氣囊的 性能、氣囊的承載力、沉箱預(yù)制場(chǎng)的平面布置、沉箱搬運(yùn)牽引和充氣系統(tǒng)、搬運(yùn) 的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)制底模、堆場(chǎng)和運(yùn)輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟(jì)效益分析及推廣
應(yīng)用價(jià)值評(píng)估等。
到目前國(guó)內(nèi)氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)并無(wú)相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)， 國(guó)外也 未見(jiàn)有此技術(shù)應(yīng)用的公開(kāi)報(bào)道。為此， 我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為： 氣囊
搬運(yùn)技術(shù)的適用性，即該技術(shù)要適用于 200～3500t 的沉箱或其他重型構(gòu)件的施
工，必須滿足現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制場(chǎng)的場(chǎng)地條件； 確定氣囊搬運(yùn)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)和主要參數(shù)； 制定技術(shù)規(guī)程和安全事項(xiàng)； 研究并設(shè)計(jì)與氣囊搬運(yùn)技術(shù)相關(guān)的沉箱預(yù)制場(chǎng)平面布 置、預(yù)制沉箱的底模、通道、堆場(chǎng)、供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、移動(dòng)速度、沉箱上駁
的碼頭設(shè)施、半潛駁的改造等。
根據(jù)以上討論，本文將對(duì)以下問(wèn)題作進(jìn)一步的探討與研究。
(1)介紹頂升氣囊布置方式的確定原則，進(jìn)行超高壓頂升氣囊的選用，完成
頂升溝槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、頂升氣囊的選用。
(2)對(duì)行走氣囊的選用、卷?yè)P(yáng)機(jī)及地錨的布置圖設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。
(3)介紹大型構(gòu)件前后牽引同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
(4)探討高壓氣囊搬運(yùn)沉箱的施工工藝和安全措施。
(5)探討氣囊搬運(yùn)的優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益分析。
第 2 章 大型構(gòu)件高壓氣囊搬運(yùn)系統(tǒng)
氣囊搬運(yùn)技術(shù)的主要內(nèi)容包括： 氣囊的性能、氣囊的承載力、沉箱預(yù)制場(chǎng)的 平面布置、沉箱搬運(yùn)牽引和充氣系統(tǒng)、搬運(yùn)的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)制底模、堆場(chǎng)和
運(yùn)輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟(jì)效益分析及推廣應(yīng)用價(jià)值評(píng)估等。
到目前國(guó)內(nèi)氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)并無(wú)相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)， 國(guó)外也 未見(jiàn)有此技術(shù)應(yīng)用的公開(kāi)報(bào)道。為此， 我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為： 氣囊 搬運(yùn)技術(shù)的適用性，即該技術(shù)要適用于 200～3500t 的沉箱或其他重型構(gòu)件的施 工，必須滿足現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制場(chǎng)的場(chǎng)地條件； 確定氣囊搬運(yùn)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)和主要參數(shù)； 制定技術(shù)規(guī)程和安全事項(xiàng)； 研究并設(shè)計(jì)與氣囊搬運(yùn)技術(shù)相關(guān)的沉箱預(yù)制場(chǎng)平面布 置、預(yù)制沉箱的底模、通道、堆場(chǎng)、供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、移動(dòng)速度、沉箱上駁
的碼頭設(shè)施、半潛駁的改造等。
2.1 大型構(gòu)件高壓氣囊搬運(yùn)系統(tǒng)的功能
2.1.1 大型構(gòu)件氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的功能的界定
大型構(gòu)件氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的功能主要包括：頂升、搬運(yùn)以及與之相聯(lián)系信息 的處理等功能， 這幾項(xiàng)功能也稱為大型構(gòu)件氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的幾個(gè)重要環(huán)節(jié)， 其基
本功能的組成情況見(jiàn)圖 2－1 所示?，F(xiàn)將其中主要的功能簡(jiǎn)述如下：
[attach]8124[/attach]
圖 2－1 大型沉箱高壓氣囊搬運(yùn)系統(tǒng)的功能構(gòu)成
2.1.2 頂升功能分析
頂升是構(gòu)件搬運(yùn)系統(tǒng)的主要功能之一，其在構(gòu)件搬運(yùn)系統(tǒng)中的主要任務(wù)是解 決物料在空間上的位移問(wèn)題。頂升過(guò)程并不改變產(chǎn)品的實(shí)物形態(tài)， 也不增加其數(shù) 量， 但通過(guò)頂升作業(yè)可以解決大型構(gòu)件空間距離問(wèn)題， 創(chuàng)造商品的空間效用， 實(shí) 現(xiàn)其使用價(jià)值。 因此， 頂升是構(gòu)件搬運(yùn)系統(tǒng)的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)， 頂升的合理
與否，在很大程度上影響著構(gòu)件搬運(yùn)系統(tǒng)是否合理的問(wèn)題。
2.1.3 搬運(yùn)功能分析
搬運(yùn)是隨輸送和倉(cāng)儲(chǔ)而產(chǎn)生的必要物流活動(dòng)，是在統(tǒng)一地域范圍內(nèi)進(jìn)行的、 以改變物料的存放狀態(tài)和空間位置為主要內(nèi)容和目的的活動(dòng)， 是對(duì)運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等 物流活動(dòng)進(jìn)行銜接的中間環(huán)節(jié)。物流各階段的前后和統(tǒng)一階段的不同活動(dòng)之間， 都必須進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)?？梢?jiàn)， 搬運(yùn)是物的不同運(yùn)動(dòng)階段之間互相轉(zhuǎn)換的橋梁。 正 是搬運(yùn)把物的運(yùn)動(dòng)的各個(gè)階段聯(lián)結(jié)為連續(xù)的“流”，使物流的概念名實(shí)相符。其 中搬運(yùn)作業(yè)具體包括：牽引、堆垛、出庫(kù)以及連接以上各項(xiàng)動(dòng)作的短程搬運(yùn)。在 生產(chǎn)物流活動(dòng)的全過(guò)程中， 裝卸搬運(yùn)活動(dòng)的管理， 主要是對(duì)裝卸搬運(yùn)方式的選擇、 裝卸搬運(yùn)機(jī)械的選擇和合理配置與使用以及裝卸搬運(yùn)合理化， 盡可能減少裝卸搬
運(yùn)次數(shù)。
2.1.4 氣動(dòng)功能分析
氣動(dòng)系統(tǒng)是一門(mén)傳動(dòng)和控制技術(shù)，它以氣體為介質(zhì)，并通過(guò)氣體的壓縮、 膨脹、吸熱和放熱等過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。氣動(dòng)系統(tǒng)是以壓縮空氣為工作 介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和信號(hào)傳遞的一門(mén)技術(shù)。氣動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理是利用空壓 機(jī)把電動(dòng)機(jī)或其它原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能， 然后在控制元件的 作用下， 通過(guò)執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能， 從而 完成各種動(dòng)作，并對(duì)外做功。由此可知，氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)是由四部分組成的，它們
是：
(1)氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)
機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能；
(2)控制元件是用來(lái)控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的，以便使執(zhí)行
機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)， 它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等；
(3)氣囊是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。
(4)輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤(rùn)滑、元件間的連接及消聲等
所必須的，它包括過(guò)濾器、油霧器、管接頭及消聲器等。
2.1.5 檢測(cè)功能分析
檢測(cè)系統(tǒng)主要用來(lái)獲得大型構(gòu)件的空間姿態(tài)信息、頂升/行走氣囊的壓力信 息， 并將這些信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控計(jì)算機(jī)， 主控計(jì)算機(jī)則根據(jù)當(dāng)前 網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的氣囊位置信息決定卷?yè)P(yáng)機(jī)的下一步動(dòng)作， 同時(shí)， 主控計(jì)算機(jī)也可以根
據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的頂升載荷信息和構(gòu)件姿態(tài)信息決定整個(gè)系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)量。
2.2 高壓氣囊頂升與搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.2.1 頂升氣囊集群布置方式的確定
（1）頂升氣囊集群布置方式的確定原則
確定頂升氣囊的擺放方式和頂升氣囊的數(shù)量是大型構(gòu)件整體頂升中一項(xiàng)非 常重要的工作， 它直接關(guān)系到大型構(gòu)件在頂升過(guò)程中的穩(wěn)定性、安全可靠性和施
工經(jīng)濟(jì)性，因此，應(yīng)經(jīng)過(guò)慎重考慮和確定頂升氣囊的布置方式。
根據(jù)大型構(gòu)件的出運(yùn)方向、本著操作方便的原則均勻、對(duì)稱擺放。根據(jù)大 型構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，頂升氣囊集群可采用通長(zhǎng)一列或左右兩列的排放方法，
方向垂直于大型構(gòu)件移動(dòng)的方向。
大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)通常分為圓柱型和箱體型，各種類型的構(gòu)件頂升集群的布
置形式也有所不同。
（2）圓柱型和箱體型大型構(gòu)件的氣囊集群布置
圓柱類大型構(gòu)件的頂升氣囊的平面布置形式如圖 2－2 所示。
[attach]8125[/attach]
圖 2－2 圓柱形大型構(gòu)件氣囊布置圖
長(zhǎng)方型大型構(gòu)件的氣囊布置方式如下圖 2－3 所示
[attach]8126[/attach]
圖 2－3 長(zhǎng)方形大型構(gòu)件氣囊布置圖
在布置形式具體設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的特點(diǎn)， 選擇確定氣囊集群的具體
布置形式。
2.2.2 氣動(dòng)頂升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.2.2.1 頂升溝槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在大型構(gòu)件臺(tái)座預(yù)制時(shí)，設(shè)置數(shù)道頂升溝槽作為頂升氣囊集群放置通道， 并在頂升溝槽上設(shè)置頂升托板作為大型構(gòu)件制造平面臺(tái)座。大型構(gòu)件預(yù)制完成 后， 將氣囊集群各氣囊依次通過(guò)頂升溝槽放置在構(gòu)件下面， 氣囊充氣將頂升托板 和大型構(gòu)件同時(shí)頂升到合適高度， 放置墊木， 當(dāng)支墊木放置完畢后， 氣囊集群的 各氣囊開(kāi)始放氣， 使大型構(gòu)件下落到支墊木上。 當(dāng)大型構(gòu)件座實(shí)后， 氣囊繼續(xù)放
氣，頂升托板落回原處，抽出氣囊，整個(gè)大型構(gòu)件頂升動(dòng)作完成。
根據(jù)頂升功能，大型構(gòu)件頂升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括頂升溝槽、預(yù)制平臺(tái)、溝槽 基礎(chǔ)、頂升托架、頂升氣囊集群以及供氣系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)， 我們以大型沉箱為例
設(shè)計(jì)頂升系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2－4 所示，頂升溝槽的結(jié)構(gòu)詳圖如圖 2－5 所示。
[attach]8127[/attach]
圖 2－4 頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖中， a －頂升溝槽間距， m
[attach]8128[/attach]
圖 2－5 頂升溝槽結(jié)構(gòu)詳圖
圖中 H1 －頂升溝槽支承肩的高度， ~
H2 －頂升溝槽深度， mm
H3 －頂升溝槽基礎(chǔ)厚度， mm
B1 －頂升溝槽支承肩的寬度， mm
B2 －頂升溝槽寬度， mm
B3 －頂升溝槽基礎(chǔ)寬度， mm
2.2.2.2 頂升溝槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
該頂升溝槽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：
(1)對(duì)地基承載力要求低。如：威海港口建設(shè)工程中的 22O0t 大型沉箱頂升 使用 3 條直徑的 1m 頂升氣囊，每條氣囊底部承載力為 35t/m，左右，這部分載 荷通過(guò)頂升溝槽的混凝土基礎(chǔ)將荷載分散傳遞給地基，要求的地基承載力在
10t/m，左右，完全能夠滿足了碼頭后方地基承載力的要求。
(2)受力均勻。氣囊頂升時(shí)因?yàn)楹奢d分布均勻，避免了因?yàn)榫植亢奢d過(guò)大而 使地基產(chǎn)生的不均勻沉降， 避免了在頂升過(guò)程中因局部沉降過(guò)大造成對(duì)混凝土面
層的損壞。
(3)操作簡(jiǎn)單，安全高效。利用卷?yè)P(yáng)機(jī)將氣囊拉入頂升溝，無(wú)需人員進(jìn)入頂 升溝， 用空壓機(jī)將 3 條氣囊同時(shí)充氣只需 20 分鐘左右就可以將沉箱平穩(wěn)的頂升， 在支墊好方木后， 氣囊緩緩放氣， 可以有充分時(shí)間觀察混凝土面層及沉箱的情況，
放氣完成后，將氣囊抽出即可。
(4)成本低廉。采用頂升溝槽及頂升托架其造價(jià)與單獨(dú)施工混凝土地面差不
多，節(jié)省了處理專用頂升溝基礎(chǔ)費(fèi)用， 只需施工預(yù)制場(chǎng) 25cm 混凝土面層的費(fèi)用。
2.2.3 起重氣囊的設(shè)計(jì)
2.2.3.1 起重氣囊的工況分析
起重氣囊為高強(qiáng)度尼龍纏繞橡膠氣囊，其獨(dú)特的整體纏繞成型工藝，使氣 囊囊壁成為無(wú)接縫、各向強(qiáng)度均衡的復(fù)合結(jié)構(gòu)， 再加上高強(qiáng)度的尼龍纖維增強(qiáng)材 料和優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口橡膠， 使同等的囊壁厚度具有比一般橡膠更高的強(qiáng)度。具有吸收 沖擊能量大， 作用大型構(gòu)件單位面積上的壓力低， 耐沖擊疲勞性能優(yōu)。我國(guó)船舶 業(yè)已成功運(yùn)用氣囊進(jìn)行船舶的上排、下水，按照《船舶上排、下水用氣囊》標(biāo)準(zhǔn) (GB/T3795－1996)和《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》標(biāo)準(zhǔn)(CB/T3837－1998)。
氣囊分為低壓、中壓、高壓三種，氣動(dòng)頂升系統(tǒng)應(yīng)用的氣囊屬高壓氣囊類型。
2.2.3.2 起重氣囊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
[attach]8129[/attach]
圖 3－6 氣囊縱剖面圖
2.2.3.3 起重氣囊技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
(1)氣囊囊體承載能力計(jì)算
公式為：
Q = PS 103
式中 Q －每米囊體承載力， kN
P －氣囊公稱壓力， MPa
S－氣囊受壓后的橫截面積， mm2
氣囊是柔性彈性體，在使用過(guò)程中其形狀受構(gòu)件形狀、地面形狀、構(gòu)件寬 度、氣囊長(zhǎng)度和布置位置等多種因素的影響而改變。所以， 承載面積與承載力也
隨著變化。
（2）囊公稱直徑 D 的選擇
氣囊公稱直徑 D 是指氣囊在自由狀態(tài)下充填一定氣壓的壓縮空氣狀態(tài)下氣 囊的直徑。氣囊的直徑愈大， 價(jià)格愈高， 氣囊的成本高； 反之， 氣囊的直徑愈小， 允許的氣囊工作壓力愈大，同時(shí)對(duì)其配套設(shè)施(如：空壓機(jī)、壓力表、充氣管、 連接件等)要求高，操作安全性降低。綜合考慮上述因素，選擇氣囊不僅要考慮
安全可靠，同時(shí)也要考慮其經(jīng)濟(jì)性。氣囊直徑一般選取 0.8m 或 lm 為宜。
(3)氣囊工作高度的選擇
氣囊工作高度是指在頂升作業(yè)時(shí)大型構(gòu)件底平面至頂升溝基礎(chǔ)表面的高 度。氣囊的工作高度過(guò)高或過(guò)低均不利于大型構(gòu)件的頂升， 若氣囊的工作高度過(guò) 高時(shí)，大型構(gòu)件穩(wěn)定性差，此外氣囊囊體壓力大，也不利于氣囊的安全；工作高 度過(guò)低時(shí)既造成氣囊的取放不便， 也會(huì)造成氣囊體與構(gòu)件和頂升槽的接觸面積加
大，加劇了磨損，影響了氣囊的使用壽命。
（4）氣囊長(zhǎng)度l的選擇
氣囊長(zhǎng)度l是指氣囊囊體的長(zhǎng)度， 不包括氣囊頭部分的尺寸。氣囊長(zhǎng)度l的選
擇是根據(jù)氣囊的承載面長(zhǎng)度和氣囊公稱直徑 D 而定，氣囊的承載面長(zhǎng)度與大型 構(gòu)件的底板尺寸有關(guān)。 一般設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)保證氣囊的氣囊頭從大型構(gòu)件的底部伸出 為宜，但伸出長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)。若伸長(zhǎng)部分過(guò)長(zhǎng)，在頂升過(guò)程中，氣囊頭部分受力 情況復(fù)雜，易造成氣囊的磨損，降低氣囊的使用壽命。在頂升時(shí)，還應(yīng)計(jì)算出頂 升氣囊集群的總長(zhǎng)度。計(jì)算時(shí)， 應(yīng)先根據(jù)構(gòu)件的出運(yùn)邊寬選擇中一根氣囊的長(zhǎng)度， 再確定頂升高度。 由此計(jì)算出承載面積， 按照氣囊的公稱壓力計(jì)算出所需氣囊的
最短總長(zhǎng)度。
氣囊承載面寬度 B 與氣囊公稱直徑 D 和氣囊工作高度 H 有關(guān)。氣囊受壓后， 其截面可看作由直徑為 H 的 2 個(gè)半圓和長(zhǎng)度為 B、H 的長(zhǎng)方形組成，見(jiàn)圖 3－7
所示。
[attach]8130[/attach]
圖 3－7 頂升氣囊頂升大型構(gòu)件的示意圖
圖中 B－承載面寬度， mm
H－氣囊工作高度， mm
承載面寬度 B 是氣囊公稱直徑和氣囊工作高度 H 的函數(shù)，其大小為：
B = π (D H ) / 2
承載面積
S = Bl = π (D H )l / 2
單根氣囊的承載力
F = SP = π (D H )lP / 2
所需氣囊的總長(zhǎng)度
Ltotal = G / F = [attach]8132[/attach]
式中 l －單根氣囊的承壓長(zhǎng)度， mm
G－大型構(gòu)件的重量， kN
2.2.4 行走氣囊布置方式的確定
(1)搬運(yùn)時(shí)氣囊集群布置方式的確定原則
合理的氣囊擺放方式和數(shù)量是大型構(gòu)件整體搬運(yùn)中一項(xiàng)非常重要的工作， 它直接關(guān)系到大型構(gòu)件在搬運(yùn)過(guò)程中的穩(wěn)定性、安全可靠性和施工經(jīng)濟(jì)性， 因此，
應(yīng)經(jīng)過(guò)慎重考慮和確定行走氣囊的擺放方式。
大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)通常為箱體型，隨著大型構(gòu)件外形尺寸的變化，搬運(yùn)時(shí)氣 囊的布置形式也有所不同。主要影響因素有： 大型構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式和出運(yùn)方向。搬 運(yùn)時(shí)氣囊一般采用通長(zhǎng)一列或左右兩列的擺放方法， 方向垂直于大型構(gòu)件移動(dòng)的
方向。
因此，搬運(yùn)時(shí)氣囊布置方式的確定原則為：操作方便、均勻?qū)ΨQ擺放。
(2)箱體型大型構(gòu)件的氣囊布置方式的選擇
箱體型大型構(gòu)件的氣囊擺放方式如圖 3－8 所示， 在氣囊布置形式的具體設(shè)
計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的特點(diǎn)，選擇確定氣囊集群的具體布置形式。
[attach]8133[/attach]
3－8 行走氣囊集群布置形式圖
2.2.5 行走氣囊的選用
2.5.5.1 行走氣囊工況說(shuō)明
行走氣囊搬移重物的工作原理與滾筒搬運(yùn)重物的工作原理基本相同，在重 物底部與地面之間有規(guī)律地支墊若干個(gè)行走氣囊， 通過(guò)外力牽引， 使行走氣囊向 前滾動(dòng)，從而使重物與地面產(chǎn)生定向相對(duì)移動(dòng)，從而達(dá)到搬移大型構(gòu)件的目的。 與滾筒有所不同的是： 滾筒與物體呈線接觸， 氣囊與物體則為面接觸。這種面接 觸滾動(dòng)的方法，減輕了重物接觸面局部的磨損，由于受力面積大、壓強(qiáng)小，使用 時(shí)氣囊壓力一般僅為 0.2MPa 以下， 也避免了大型構(gòu)件支墊面積小而對(duì)重物造成 損壞，且對(duì)場(chǎng)地要求不高。因此，行走氣囊與頂升氣囊結(jié)構(gòu)基本相同?？紤]到行 走氣囊移動(dòng)過(guò)程中的磨損， 行走氣囊的氣囊壁與大型構(gòu)件、移動(dòng)地面狀況， 需增 加氣囊壁厚度，以提高氣囊的使用壽命。另外，搬運(yùn)時(shí)，氣囊工作氣壓較低，相 應(yīng)的氣囊所需要的承載力也較小， 一般采用中壓氣囊或高壓氣囊。 中壓、 高壓氣
囊技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表 3－1。
2.5.5.2 行走氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
行走氣囊既承受大型構(gòu)件的重量， 又要完成滾動(dòng)的功能， 這就要求氣囊不僅 具有良好的承載能力和耐沖擊性能， 還需要高的耐磨損性能。根據(jù)這些要求， 我 們對(duì)氣囊形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)， 通過(guò)分析比較確定氣囊體采用長(zhǎng)圓柱形、氣囊頭
為圓錐形狀的氣囊結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)氣囊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)， 在氣囊壁材料選擇上采用高強(qiáng)
度的
表 3－1 行走氣囊參數(shù)表
氣 囊 類 氣囊直徑（ m ） 公 稱 壓 力 氣 囊 試 驗(yàn) 壓 力 工作高度(m)
型 (MPa) (MPa)
0.8 0.26 0.30 0.40
1 0.20 0.24 0.50
高 壓 氣 1.2 0.18 0.22 0.60
囊
1.5 0.16 0.20 0.70
1.8 0.14 0.18 0.80
2 0.14 0.18 0.90
0.8 0.13 0.18 0.40
2 0.10 0.15 0.50
中 壓 氣 1.2 0.09 0.15 0.60
囊
1.5 0.08 0.13 0.70
1.8 0.07 0.10 0.80
2 0.07 0.10 0.90
龍纖維增強(qiáng)材料和優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口橡膠。氣囊壁結(jié)構(gòu)是整個(gè)行走氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵， 要實(shí)現(xiàn)氣囊囊壁無(wú)接縫、各向強(qiáng)度均衡以及高的耐磨性能， 通過(guò)單一純橡膠 結(jié)構(gòu)、錦綸簾子布與橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)， 選定了外 層橡膠、錦綸簾子布、內(nèi)層橡膠 3 層組成的氣囊囊壁復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，錦綸簾子 布相當(dāng)于氣囊骨架，主要用來(lái)承載，滿足氣囊的承載要求，根據(jù)工作壓力選定； 考慮到長(zhǎng)期磨損， 其內(nèi)外層均為橡膠層， 內(nèi)外層橡膠實(shí)現(xiàn)耐沖擊和耐磨性能； 整 個(gè)氣囊采用高強(qiáng)度尼龍與橡膠整體纏繞成型， 實(shí)現(xiàn)氣囊囊壁無(wú)接縫， 氣囊嘴為鋁 合金鑄件。氣囊骨架材料—錦綸簾子布的層數(shù)根據(jù)氣囊工作壓力選用， 中壓氣囊
簾子布一般為 3 層， 高壓氣囊簾子布一般為 6 層， 并要求簾子布層間附著力要不
小于 7kN/m，氣囊囊壁的斷面厚度約 10mm 左右。行走氣囊的縱斷面結(jié)構(gòu)形式與 起重氣囊相同。氣囊壁內(nèi)、外層橡膠的物理機(jī)械性能要滿足氣囊工作時(shí)的強(qiáng)度、
硬度、伸長(zhǎng)率等要求，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橡膠的各項(xiàng)機(jī)械性能規(guī)定如表 3－2 所示。
表 3－2 行走氣囊內(nèi)外層橡膠力學(xué)性能表
2.5.5.3 行走氣囊工作參數(shù)的確定
(1)氣囊囊體承載能力計(jì)算
公式為：
Q = PS 103
式中 Q －每米囊體承載力， kN
P －氣囊公稱壓力， MPa
S－氣囊受壓后的橫截面積， mm2
氣囊是柔性彈性體，在使用過(guò)程中其形狀受構(gòu)件形狀、地面形狀、構(gòu)件寬
度、氣囊長(zhǎng)度和布置位置等多種因素的影響而改變。所以， 承載面積與承載力也
隨著變化。
（2）囊公稱直徑 D 的選擇
氣囊公稱直徑 D 是指氣囊在自由狀態(tài)下充填一定氣壓的壓縮空氣狀態(tài)下氣 囊的直徑。氣囊的直徑愈大， 價(jià)格愈高， 氣囊的成本高； 反之， 氣囊的直徑愈小， 允許的氣囊工作壓力愈大，同時(shí)對(duì)其配套設(shè)施(如：空壓機(jī)、壓力表、充氣管、 連接件等)要求高，操作安全性降低。綜合考慮上述因素，選擇氣囊不僅要考慮
安全可靠，同時(shí)也要考慮其經(jīng)濟(jì)性。氣囊直徑一般選取 0.8m 或 lm 為宜。
(3)氣囊工作高度的選擇
氣囊工作高度是指在頂升作業(yè)時(shí)大型構(gòu)件底平面至頂升溝基礎(chǔ)表面的高 度。氣囊的工作高度過(guò)高或過(guò)低均不利于大型構(gòu)件的頂升， 若氣囊的工作高度過(guò) 高時(shí)，大型構(gòu)件穩(wěn)定性差，此外氣囊囊體壓力大，也不利于氣囊的安全；工作高 度過(guò)低時(shí)既造成氣囊的取放不便， 也會(huì)造成氣囊體與構(gòu)件和頂升槽的接觸面積加
大，加劇了磨損，影響了氣囊的使用壽命。
（4）氣囊長(zhǎng)度l的選擇
氣囊長(zhǎng)度l是指氣囊囊體的長(zhǎng)度， 不包括氣囊頭部分的尺寸。氣囊長(zhǎng)度l的選 擇是根據(jù)氣囊的承載面長(zhǎng)度和氣囊公稱直徑 D 而定，氣囊的承載面長(zhǎng)度與大型 構(gòu)件的底板尺寸有關(guān)。 一般設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)保證氣囊的氣囊頭從大型構(gòu)件的底部伸出 為宜，但伸出長(zhǎng)度不能過(guò)長(zhǎng)。若伸長(zhǎng)部分過(guò)長(zhǎng)，在頂升過(guò)程中，氣囊頭部分受力
情況復(fù)雜，易造成氣囊的磨損，降低氣囊的使用壽命。
2.5.5.4 行走氣囊數(shù)量的確定
根據(jù)搬運(yùn)的大型構(gòu)件重量并考慮安全系數(shù)及氣囊性能，即可計(jì)算出搬運(yùn)單
個(gè)大型構(gòu)件時(shí)所需氣囊數(shù)量。計(jì)算公式如下：
N = k
2G
πPl(D H )
式中，G-大型構(gòu)件的重量， kN
N－滾動(dòng)氣囊的數(shù)量
k－系數(shù)， k=1.2~1.3
l－單根氣囊的承壓面長(zhǎng)度， mm
H－囊承載面高度， mm
P－氣囊公稱壓力， MPa
D－氣囊公稱直徑， m
經(jīng)計(jì)算得出搬運(yùn)沉箱所需氣囊數(shù) N，并考慮各氣囊間的合理凈間距， 最后確
定實(shí)際的氣囊數(shù)量。
注意：氣囊凈間距是指搬運(yùn)時(shí)兩相鄰氣囊之間的間距，其值一般不小于
0.5m。
2.2.6 牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.6.1 牽引系統(tǒng)設(shè)備的布置
牽引系統(tǒng)由卷?yè)P(yáng)機(jī)、動(dòng)滑輪及牽引繩等組成。卷?yè)P(yáng)機(jī)是牽引系統(tǒng)的動(dòng)力裝置， 其動(dòng)力大小、安放位置直接關(guān)系到牽引系統(tǒng)的牽引能力， 其安放位置需根據(jù)大型 構(gòu)件的移動(dòng)方向布置在構(gòu)件的兩側(cè)。動(dòng)滑輪在大型構(gòu)件在牽引系統(tǒng)中作用重大， 主要用來(lái)減少卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引力， 一般選擇多門(mén)動(dòng)滑輪， 其位置在卷?yè)P(yáng)機(jī)和大型構(gòu) 件之間。構(gòu)件的移動(dòng)由數(shù)臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)滑輪組在大型構(gòu)件兩側(cè)同步牽引實(shí)現(xiàn)， 為 確保大型構(gòu)件移動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)、安全， 在移動(dòng)的反方向上用設(shè)置同樣的牽引系統(tǒng)
進(jìn)行反向牽引保護(hù)。大型構(gòu)件搬運(yùn)時(shí)牽引裝置布置示意圖見(jiàn)圖 3－9。
圖 3－9 中，牽引繩夾角是指牽引繩與移動(dòng)方向的夾角，其大小由卷?yè)P(yáng)機(jī)的 位置和大型構(gòu)件的位置決定。牽引繩一般采用鋼絲繩， 大型構(gòu)件牽引高度位置應(yīng) 低于構(gòu)件重心高度， 并考慮卷?yè)P(yáng)機(jī)架高度及操作方便等因素。若牽引位置高于卷 揚(yáng)機(jī)架高度時(shí)， 牽引時(shí)產(chǎn)生的向下分力， 增加氣囊的摩擦力， 影響氣囊使用壽命； 若捆綁位置低于卷?yè)P(yáng)機(jī)架高度時(shí)，產(chǎn)生的向上分力，不利于沉箱的穩(wěn)定。為此，
牽引高度位置一般應(yīng)與卷?yè)P(yáng)機(jī)架等高。
[attach]8134[/attach]
圖 3－9 牽引裝置布置圖
2.2.6.2 牽引力的計(jì)算
F = kGf +
kGV
gT
式中， F－搬運(yùn)沉箱的牽引力， kN
G－沉箱自重， kN
g－重力加速度， g=10 m / s 2
f－氣囊與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，與地面情況和氣囊的工作高度有關(guān)， 一般取
0.03~0.05
V－沉箱移動(dòng)速度， m / s
T－起動(dòng)時(shí)間，從 O 至設(shè)計(jì)移動(dòng)速度
k－安全系數(shù)，取 k=l.2
2.3 氣囊搬運(yùn)實(shí)例分析
在氣動(dòng)搬運(yùn)大型構(gòu)件時(shí)氣囊集群共同承受大型構(gòu)件的重量，為了確保搬運(yùn)
安全， 同一氣囊中各處負(fù)載必須均衡， 不同氣囊間的負(fù)載也必須均衡， 不能超過(guò)
氣囊體剛度， 否則易造成大型構(gòu)件的傾斜， 影響搬運(yùn)的安全。 下面以某箱梁構(gòu)件
為例進(jìn)行分析。
2.3.1 箱梁搬運(yùn)實(shí)例
(1) 箱梁的技術(shù)參數(shù) 這是某工程用箱梁，箱梁重量達(dá) 1525 噸，根據(jù)工程要 求，該構(gòu)件在陸地進(jìn)行預(yù)制、水上施工安裝，構(gòu)件的基本技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3－3，
具體形狀和行走氣囊的布置方式參見(jiàn)圖 3－8 所示。
.表 3－3 箱梁基本技術(shù)參數(shù)表
(2) 箱梁橫移出一只氣囊時(shí)的力學(xué)模型建立
l) 工況分析箱梁在水平移動(dòng)過(guò)程中，只是在移動(dòng)方向上受到牽引力作用， 而沿箱梁長(zhǎng)度方向不受力， 根據(jù)箱梁這種受力特點(diǎn)， 假設(shè)： 同一氣囊在其承載長(zhǎng) 度上各處起重高度均相等， 即忽略箱梁傾斜后對(duì)氣囊兩邊起重高度的影響。當(dāng)箱
梁橫移過(guò)程中， 一條氣囊移出箱梁時(shí)狀態(tài)如圖 3－10 所示。
[attach]8136[/attach]
圖 3－10 箱梁狀態(tài)圖
2) 箱梁重心計(jì)算箱梁重心的位置直接關(guān)系到其自身的平衡和穩(wěn)定，由于大 型構(gòu)件箱梁的自重大、平面尺寸大，當(dāng)箱梁在移動(dòng)時(shí)，由于自身的慣性大，會(huì)直 接影響到搬運(yùn)的安全， 因此， 我們對(duì)箱梁的重心位置坐標(biāo)進(jìn)行了確定。建立箱梁
平面坐標(biāo)系如圖 3－11 所示。
[attach]8137[/attach]
圖 3－11 某箱梁重心坐標(biāo)圖
在 X－Y 平面內(nèi)，設(shè)箱梁的重心坐標(biāo)為 C( Xc ， Yc )，根據(jù)物體的重心坐標(biāo)公式
Xc = AxdA / A
Yc = A ydA / A
確定此箱梁的重心坐標(biāo) C(0， 1520)mm。
3) 箱梁力學(xué)模型的建立以與箱梁底部垂直且通過(guò)箱梁重心的橫截面做箱梁
平面力系，建立箱梁力學(xué)模型如下圖 3－12 所示：
[attach]8138[/attach]
3－12 箱梁受力圖
圖中 Fi －各氣囊對(duì)箱梁的起重力， kN
G－箱梁自重， kN
N－箱梁對(duì)氣囊的正壓力， kN
f－箱梁的下滑力， kN
β - 箱梁與地面的水平夾角.
(3) 氣囊起重力與起重高度的關(guān)系分析
l)單條氣囊起重力與起重高度關(guān)系
F = Px L xb
= Px L xπ x (D - H ) / 2
式中， F－氣囊起重力， kN
H－氣囊起重高度， mm
L－氣囊工作長(zhǎng)度， mm
B－氣囊工作寬度， mm
D－氣囊公稱直徑， mm
P－氣囊工作壓力， MPa
2) 單條氣囊起重力與起重高度增量△h 關(guān)系分析
FΔh = Px L xπ x[D - (h + Δh)]政 2
3) 箱梁橫移出一只氣囊時(shí)的穩(wěn)定性校核在箱梁移動(dòng)過(guò)程中，采用卷?yè)P(yáng)機(jī)和 滑輪組通過(guò)鋼絲繩牽引，移動(dòng)速度低， 一般小于 3m/min，同時(shí)，箱梁前后均進(jìn) 行牽引， 保障了箱梁以較均勻的速度前進(jìn)。 故箱梁穩(wěn)定性校核時(shí)， 可簡(jiǎn)化為箱梁
穩(wěn)定狀態(tài)的計(jì)算。
設(shè)氣囊以 Fr 為支點(diǎn)，建立箱梁的 3 個(gè)受力方程：
Σ Fr = 0
F1 + F2 + F3 + F4 + F5 = N / 2
ΣM( F1) = 0 （3－14）
1026F2 + 2 x1026F3 + 3x1026F4 + 4 x1026F5 +1520f - (1026+ 513+1520tgβ)N / 2 = 0
f < 氣囊滾動(dòng)阻力
其中，由公式 3－14 得出：
F2 = F1 - (Px L xπ x1026x tgβ) / 2 = F1 - 513πPLx tgβ
F3 = F1 - (Px L xπ x 2 x1026x tgβ) / 2 = F1 - 513πPLx tgβ
F4 = F1 一 (Px L xπ x 3x1026x tgβ) / 2 = F1 一 513πPLx tgβ
F5 = F1 一 (Px L xπ x 4 x1026x tgβ) / 2 = F1 一 513πPLx tgβ
設(shè) A = 513πPL ，可得
5F1 一 10Ax tgβ = Gx cos β / 2
1026F1 一 3x1026Atgβ 一 154嘗 2G 嘗 cos β = 0
因?yàn)橄淞簝A角很小， 可以忽略重心的偏移及下滑力對(duì)箱梁的力矩， 將原力學(xué)
模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：
5F1 一 10Ax tgβ = G / 2
10F1 一 30Ax tgβ = 1.5G / 2
可得 ：
tgβ = 0.25G /10A =
(0.25x1400x1000) /10x 513x 3.14x1.22x12x100 = 0.148
所以 β = 0.85。，可得
箱梁下滑力 f = Gx sin β = 15250xsin 0.85 = 200kN
2.3.2 氣動(dòng)搬運(yùn)沉箱實(shí)例
(1)基本技術(shù)參數(shù)這是某工程用沉箱， 沉箱重量達(dá) 2365 噸， 是港口用大型構(gòu) 件。根據(jù)工程施工要求， 該構(gòu)件采取在陸地預(yù)制與水上施工安裝相結(jié)合的施工工
藝，沉箱的具體形狀與尺寸要求見(jiàn)圖 3－13。
(2)橫移沉箱時(shí)氣囊集群的布置及其規(guī)格采用公稱直徑 1.0m、長(zhǎng) 18.lm、工 作壓力 0.30MPa、試驗(yàn)壓力 0.46MPa 的氣囊 14 條。在工作時(shí)，有效承載的氣囊 數(shù)量為 8 條，接應(yīng)用氣囊為 6 條。沉箱橫移高度為 0.4m 時(shí)，氣囊承載寬度為 0.942m，每條氣囊起重能力 3391kN，氣囊實(shí)際工作壓力為： 0.17MPa，氣囊采
用一列八行布置，各氣囊的徑向間距 1.04m。
[attach]8139[/attach]
圖 3－13 沉箱結(jié)構(gòu)參數(shù)圖
(3)沉箱橫移初始狀態(tài)簡(jiǎn)圖
[attach]8140[/attach]
圖 3－15 沉箱橫移初始狀態(tài)簡(jiǎn)圖
(4)沉箱橫移時(shí)左右方向變形受力分析以與沉箱底部垂直且通過(guò)沉箱重心的
橫截面做沉箱平面力系，建立沉箱力學(xué)模型如下：
[attach]8141[/attach]
圖 3－16 受力圖
圖中，箭頭－氣囊對(duì)沉箱的起重分布力
q－氣囊集度，取 172kN
G－沉箱自重， kN
f－沉箱下滑力， kN
β -沉箱與地面的水平夾角
1）單條氣囊增加承載面積 S
S = (B 一 b) xL 嘗 2
=(1256－942)x 9050 嘗 2 =1420580 mm2
式中，B-氣囊變形后的寬度， mm
b－氣囊變形前的寬度， mm
L－氣囊長(zhǎng)度， mm
增加的承載形狀為三角形，其受力中心為距底邊的 1/3 處，其值為：
L/3=3016mm
則增加的承載力ΔF
ΔF = S x q = 244kN
增加抗反轉(zhuǎn)力矩 M
M = ΔF X (9.050一 3.016) = 1472kN . m
2) 總的抗反轉(zhuǎn)力矩=MX 8 = 2166784 kN . m
2.4 本章小結(jié)
本章的主要工作是根據(jù)頂升和搬運(yùn)系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣囊選
用。主要包括：
(1)氣囊集群的布置方式直接影響系統(tǒng)的大小和能耗的多少，根據(jù)頂升出運(yùn)
大型構(gòu)件的要求，首先需要確定氣囊集群的布置方式；
(2)氣動(dòng)頂升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是氣動(dòng)頂升工藝的基礎(chǔ)和平臺(tái)，頂升溝槽的詳細(xì)結(jié) 構(gòu)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 根據(jù)氣囊集群的布置方式確定頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各參
數(shù)；
(3)氣囊集群是系統(tǒng)中最主要的執(zhí)行元件，所以氣囊的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵所在。氣囊的技術(shù)參數(shù)關(guān)系到系統(tǒng)的工作性能， 確定氣囊的公稱直徑、工作高
度、長(zhǎng)度、承載力及其氣囊數(shù)量的計(jì)算模型。
(4)為保證所建模型的準(zhǔn)確性，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)
行了氣囊受力、穩(wěn)定性等性能評(píng)估分析。
第 3 章 控制系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)
3.1 控制系統(tǒng)的任務(wù)與要求
氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)涉及大型構(gòu)件的頂升氣囊集群、行走氣囊集群、牽引設(shè)備 和氣動(dòng)系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠、性能穩(wěn) 定、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性高的要求， 確定控制系統(tǒng)的任務(wù)一是控制氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn) 行頂升、搬運(yùn)作業(yè)，二是控制牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的前進(jìn)、后退動(dòng)作，三是保證頂
升搬運(yùn)過(guò)程中構(gòu)件安全。
（1）高壓氣囊集群作業(yè)
以高壓氣囊作為整體頂升搬運(yùn)設(shè)備， 主要應(yīng)用于大型構(gòu)件的頂升與搬運(yùn)?？?慮到大型構(gòu)件的特點(diǎn)構(gòu)件的重量大，通常在數(shù)百噸到數(shù)千噸構(gòu)件的外形尺寸大， 一般在數(shù)米到數(shù)十米。因此， 氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)可以根據(jù)大型構(gòu)件的特點(diǎn)和施工 現(xiàn)場(chǎng)的條件靈活布置與組合， 構(gòu)成受力合理、動(dòng)力足夠的施工作業(yè)系統(tǒng)， 因此常 用于各種大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件的陸上移動(dòng)工作。根據(jù)各中大型構(gòu)件的具體情況和 移動(dòng)的要求， 將若干中高壓氣囊與氣動(dòng)閥組、泵站等組合成高壓氣囊集群。大型 構(gòu)件整體頂升時(shí)采用頂升氣囊集群， 整體移位時(shí)采用行走氣囊集群， 一般是一個(gè)
作業(yè)區(qū)配置一套頂升氣囊集群或行走氣囊集群。
（2）實(shí)現(xiàn)同步作業(yè)與負(fù)荷均衡
高壓氣囊集群應(yīng)保證頂升搬運(yùn)移動(dòng)過(guò)程中各氣囊同步作業(yè)， 才能實(shí)現(xiàn)各氣囊 的負(fù)荷均衡， 達(dá)到使大型結(jié)構(gòu)件的姿態(tài)平穩(wěn)的目的， 從而順利完成大型構(gòu)件頂升 或搬運(yùn)任務(wù)。 同步作業(yè)， 是指各氣囊在工作時(shí)， 應(yīng)當(dāng)使氣動(dòng)頂升與搬運(yùn)時(shí)各高壓 氣囊工作的氣囊內(nèi)壓力相同、承載的工作面面積相同， 即各氣囊的承載長(zhǎng)度、承
載寬度均應(yīng)相同，這樣就可保證在頂升搬運(yùn)大型構(gòu)件時(shí)，各氣囊的負(fù)荷均衡。
（3）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)同步控制
大型構(gòu)件整體頂升作業(yè)、搬運(yùn)作業(yè)易受到外部環(huán)境的影響， 這就要求在頂升
搬運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的控制。在頂升時(shí)， 既能通過(guò)同時(shí)供氣， 實(shí)現(xiàn)頂升
的動(dòng)作， 通過(guò)卸壓放氣， 實(shí)現(xiàn)降落的動(dòng)作在搬運(yùn)時(shí)， 通過(guò)牽引裝置位置的合理設(shè)
置實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)方向的控制。
（4）卷?yè)P(yáng)機(jī)同步傳動(dòng)要求鋼絲繩的線速度和張力恒定
對(duì)于這樣一個(gè)非線性、變參數(shù)耦合系統(tǒng)， 國(guó)內(nèi)目前通常采用摩擦傳動(dòng)或機(jī)械 調(diào)速方法以近似實(shí)現(xiàn)恒線速度控制， 且以直流電機(jī)作為主傳動(dòng)軸。近年來(lái)， 隨著 交流變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)越顯突出， 交流傳動(dòng)已成為發(fā)展趨勢(shì)，依據(jù)卷?yè)P(yáng)機(jī)成形理論和卷?yè)P(yáng)機(jī)同步控制系統(tǒng)的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了一種以為控制系統(tǒng)核心， 不使用張力傳感器， 用交流變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒線速
度調(diào)節(jié)的新型卷繞同步控制系統(tǒng)。
3.2 運(yùn)動(dòng)同步控制系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)
3.2.1 控制系統(tǒng)功能分析
要實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的搬運(yùn)需做到所有高壓氣囊能夠同步動(dòng)作，整個(gè)搬運(yùn)系統(tǒng) 能夠按施工工藝所要求的流程和步驟工作， 而且， 大型構(gòu)件要始終保持合適的姿 態(tài)， 使施工負(fù)載穩(wěn)定性各項(xiàng)參數(shù)和偏差均符合設(shè)計(jì)要求， 因此， 控制系統(tǒng)的功能
如下：
（1）實(shí)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)的同步協(xié)調(diào)動(dòng)作，包括整體聯(lián)動(dòng)、局部聯(lián)動(dòng)、單點(diǎn)單動(dòng)等。
（2）按工藝規(guī)定的作業(yè)流程進(jìn)行連續(xù)平移，并能自動(dòng)或半自動(dòng)地根據(jù)不同工
況修正作業(yè)流程。
（3）將平移過(guò)程中各點(diǎn)的高度偏差限制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)
（4）在各點(diǎn)負(fù)載差異很大時(shí)，氣動(dòng)系統(tǒng)采用不同氣壓組合配置進(jìn)行負(fù)載的均
衡控制
（5）自動(dòng)采集存儲(chǔ)搬運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行各種檢索和分析，
輔助工程技術(shù)人員做好系統(tǒng)調(diào)試、技術(shù)分析和技術(shù)總結(jié)。
3.2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
卷?yè)P(yáng)機(jī)主體的物理模型如圖 3－1 所示。 圖中卷輥和卷輥分別通過(guò)機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)與臺(tái)三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相連接。 2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)中當(dāng) M1 為收卷時(shí)，為主令機(jī)， 帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥收卷， 自身為光電編碼器速度閉環(huán)控制。 M 2 為從動(dòng)機(jī)， 帶動(dòng)放卷輥， 其功能是跟隨主令電機(jī)運(yùn)行，收卷鋼絲繩， M 2 也為光電編碼器速度閉環(huán)控制。 反之，當(dāng) M 2 為收卷時(shí)， M 2 為主令機(jī)， M1 為從動(dòng)機(jī)， M1 放卷。 M1 和 M 2 的工 作狀態(tài)切換，大型構(gòu)件的搬運(yùn)方向會(huì)自動(dòng)地改變一次，調(diào)節(jié)、運(yùn)行速度，使大型 構(gòu)件的移動(dòng)速度保持恒定， 大型構(gòu)件就在合適的張力和恒速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了搬 運(yùn)。 G1 、G2 為光電編碼器，裝在導(dǎo)輥軸端。如圖 3－1 系統(tǒng)，設(shè)牽引鋼絲繩張力 為 F， M1 單元鋼絲繩線速度為V1 ， M 2 單元運(yùn)行的線速度為V2 。顯而易見(jiàn)，當(dāng) V2 <V1 時(shí)，鋼絲繩松弛懸吊勝； V2 >V1 時(shí)，則鋼絲繩張緊。根據(jù)胡克定律，鋼
絲繩內(nèi)張力為
F收卷 ＝Ff + F + [attach]8142[/attach](V2 - V1 )dt
= Ff + F放卷 ＋[attach]8143[/attach]([attach]8144[/attach]r2 k2負(fù)r 2 - [attach]8145[/attach]r1k1負(fù)r1)
[attach]8146[/attach]
圖 3－1 卷?yè)P(yáng)機(jī)主體的物理模型
式中
E—鋼絲繩彈性模量
A—鋼絲繩截面積， mm2
L—導(dǎo)輥傳動(dòng)點(diǎn)之間的距離， m
npi 一第 1 臺(tái)、第 2 臺(tái)電機(jī)極對(duì)數(shù)， i = 1,2
負(fù)ri 一第 1 臺(tái)、第 2 臺(tái)轉(zhuǎn)子電氣角速度， i = 1,2
ki 一第 1 臺(tái)、第 2 臺(tái)卷筒的速比， i = 1,2
ri —第 1 臺(tái)、第 2 臺(tái)卷筒的半徑， mm
t—機(jī)器啟動(dòng)時(shí)間， s
F放卷 —放卷輥的鋼絲繩的內(nèi)張力， N
F收卷 —收卷輥鋼絲繩的內(nèi)張力， N
Fr 一 大型構(gòu)件的滾動(dòng)摩擦力， N
由式 3－1 可知，張力大小與鋼絲繩彈性模量、鋼絲繩橫截面積、導(dǎo)輥傳動(dòng)點(diǎn)之 間的距離及兩導(dǎo)輥的速差有關(guān)。對(duì)于某一系統(tǒng)鋼絲繩彈性模量、鋼絲繩橫截面積、 導(dǎo)輥傳動(dòng)點(diǎn)之間的距離都可認(rèn)為是常量，都可通過(guò)控制器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定而設(shè)定， 卷?yè)P(yáng)機(jī)的張力主要由收卷輥的速度和放卷輥的速度的速差產(chǎn)生， 因此速度控制是
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。
3.2.3 電機(jī)變頻控制器的 DSP 系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)
電機(jī)變頻控制器主要模塊包括整流模塊、逆變模塊、保護(hù)模塊、信號(hào)檢測(cè)模 塊、通訊模塊、輔助功能模塊等?？刂破鞯挠布M成如圖 3－2 所示?？刂坪诵?nbsp; 系統(tǒng)選用 TMS320LF2407A，它是專門(mén)為電機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字 信號(hào)處理器， 其內(nèi)核是定點(diǎn) 16 位 DSP，具有 4 級(jí)流水線結(jié)構(gòu)， 頻率可達(dá) 40MHz， 內(nèi)置有 32K 的 FLASH ROM，片內(nèi)可產(chǎn)生 12 路的 PMW 輸出，有 16 路高速 10
位 A/D 轉(zhuǎn)換接口。
本系統(tǒng)中的電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)可滿足電機(jī)電流和速度的雙閉環(huán)控制需要，
經(jīng)霍爾電流互感器檢測(cè)的電流值放大濾波后由 DSP 的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信
號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。光電編碼器檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)光隔離接入 DSP 的正交編碼 器接口，可實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制?？臻g矢量算法生成的 SVPWM 控制信號(hào)由 DSP 的事件管理模塊 EVA 的 PMW1—PMW6 輸出，經(jīng)高速光耦隔離，帶動(dòng) IR 的 IR2132S 輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 驅(qū)動(dòng) ST 公司的 STGW20NB60KDIGBT 實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的 高性能控制。 CAN 通訊由 DSP 的 CAN 接口，經(jīng)光耦隔離驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)同步控制 信號(hào)的傳輸由 CAN 通訊實(shí)現(xiàn)。在電機(jī)變頻控制器中設(shè)計(jì)了欠壓、過(guò)流等保護(hù)電 路。為提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性， 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了光耦隔離和拉高、 拉
低等設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)主令電機(jī)和從動(dòng)機(jī)的變頻控制器的硬件設(shè)計(jì)相同。
[attach]8147[/attach]
圖 3－2 電機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
3.3 系統(tǒng)的控制模式和軟件設(shè)計(jì)
3.3.1 同步控制模式的建立
本卷繞控制系統(tǒng)采用獨(dú)立電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)策略， 各電機(jī)均具有獨(dú)立的包括電流 反饋和速度反饋的雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)如圖 4－3 所示。各 個(gè)電機(jī)閉環(huán)回路中控制器的控制規(guī)律和控制參數(shù)按常規(guī)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂?/div>
系統(tǒng)對(duì)不同電機(jī)的反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)， 并根據(jù)存在的轉(zhuǎn)速差來(lái)確定同步補(bǔ)償
量，進(jìn)行補(bǔ)償控制。
3.3.2 主令電機(jī)控制模型的建立
如前所述， 主令機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)隨著收卷輥的直徑的增加而減小， 由于直徑不斷 增加，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)不斷增加，所以，驅(qū)動(dòng)部分是時(shí)變結(jié)構(gòu)，時(shí)變量為卷輥直
徑和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。主令機(jī)的給定速度
V . np1
r1 r1k1
式中： V—工作臺(tái)給定的線速度， m/s
K—鋼絲繩的最大收卷的層數(shù)
[attach]8148[/attach]
圖 3－3 同步控制系統(tǒng)圖
要使線速度恒定，需不斷調(diào)節(jié)從動(dòng)電機(jī)的電氣角速度 負(fù)r1 ，使得
負(fù)r1 1/ r1
考慮鋼絲繩的直徑較大，每增加一層，卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒的半徑也隨之變化，這兩
者的關(guān)系式如下：
r1 = r0 + 0.866j1d
式中 d－鋼絲繩的直徑，
j1 －主令機(jī)的卷輥的收卷層數(shù)
j1 的取值可通過(guò)編碼器的輸出脈沖數(shù)計(jì)算：
[attach]8149[/attach]j1 = -
m
式中：
P1 －主令機(jī)卷筒軸編碼器輸出的脈沖數(shù)；
m －編碼器每層應(yīng)輸出的脈沖數(shù)；
可得
V . np1 V . np1
負(fù) = =
r2 r1k1 (r0 + 0.866j1d)k2
將由式 4－5 計(jì)算得到的角速度作為主令機(jī)的給定轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉
環(huán)控制。
3.3.3 從動(dòng)電機(jī)控制模型的建立
從動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)隨著放卷輥的直徑的減小而升高， 由于放卷輥的直徑不斷減 小，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)不斷減小，所以，從動(dòng)機(jī)放卷部分也是時(shí)變結(jié)構(gòu)，時(shí)變量是
卷筒的直徑和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
3.3.4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分析
主令機(jī)和從動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都是時(shí)變參數(shù)，主令機(jī)的卷輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨卷筒直 徑減少逐漸減小， 從動(dòng)機(jī)卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量隨卷筒直徑增加逐漸增加。盡管鋼絲繩 是密度較大、較粗的卷繞材料， 但是其在同一層中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化可以近似忽略
不計(jì)，本系統(tǒng)中將其視為一種擾動(dòng)，在控制算法中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。
3.3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
主動(dòng)機(jī)與從動(dòng)機(jī)控制軟件的實(shí)現(xiàn)均以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向理論為基礎(chǔ)，采用空間 矢量控制。為提高系統(tǒng)中的電機(jī)控制精度和響應(yīng)速度， 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了中斷 服務(wù)控制， 將閉環(huán)控制程序置于中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)， 同時(shí)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中為提 高系統(tǒng)的性能和魯棒性， 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用了目前在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛使用的
離散遞推增量式 PID 控制算法。
3.4 氣源系統(tǒng)的功能分析
根據(jù)大型構(gòu)件氣動(dòng)頂升搬運(yùn)系統(tǒng)的要求，需要具備頂升與搬運(yùn)任務(wù)。頂升 時(shí)各氣囊只有彈性變形， 通過(guò)充填壓縮空氣實(shí)現(xiàn)變形， 因此， 要求合適供氣的速 度與供氣壓力同時(shí)， 由于頂升的工作區(qū)域大， 對(duì)供氣的管路提出了要求。搬運(yùn)時(shí)， 各氣囊既需要足夠快的充放氣速度， 以滿足搬運(yùn)速度的要求。 由于本系統(tǒng)使用氣 囊的數(shù)量較多、用氣量大并且分布范圍大，需要采用空壓機(jī)、氣閥、壓力表、空
氣分配器及供氣管路等組成氣源系統(tǒng)，來(lái)滿足用氣要求。具體要求如下：
1）氣囊工作高度： 0～500mm
2）氣囊最大單位頂升力： 600kN/m
3) 工作周期： 5min
4) 安裝高度： 250 mm
其它要求
1)頂升時(shí)可實(shí)現(xiàn)各氣囊同步供氣與獨(dú)立供氣
2)搬運(yùn)時(shí)各氣囊的氣壓調(diào)節(jié)作用，保證構(gòu)件水平
3)系統(tǒng)工作可靠，造價(jià)低，易于操作
3.5 本章小結(jié)
本章介紹了基于實(shí)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)交流同步控制的方法，實(shí)現(xiàn)了以為核心的控制
系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
(1)通過(guò)分析卷?yè)P(yáng)機(jī)工作過(guò)程中卷筒的特點(diǎn)，提出了卷?yè)P(yáng)機(jī)專用的交流電機(jī) 控制和同步控制策略， 具有非常強(qiáng)的針對(duì)性， 也大大提高了系統(tǒng)的性能和控制精
度。
(2)系統(tǒng)的硬件采用了高性能的數(shù)字處理芯片，提高了系統(tǒng)的通用性，使該
系統(tǒng)既可作為單個(gè)交流電機(jī)的控制器，也可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的控制。
(3)電機(jī)具有獨(dú)立的電流反饋與速度反饋雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，便于電機(jī)獨(dú)
立同步控制，也容易實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的同步控制。
(4)氣源系統(tǒng)簡(jiǎn)潔方便，保障了同步控制的可靠性，建立了空氣壓縮機(jī)與管
道設(shè)計(jì)計(jì)算模型。
第 4 章 沉箱出運(yùn)施工
本章作者將結(jié)合某實(shí)際工程， 介紹沉箱的施工工藝以及在施工中要注意的問(wèn)
題。
某燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機(jī)組循環(huán)取排水工程， 工程范圍包括： 取水口、 引水 箱涵水上段、取水口管標(biāo)志、引水箱涵閘門(mén)井及人孔、排水口、排水箱涵水上段、
排水口管標(biāo)志、排水箱涵閘門(mén)井及人孔。
取排水箱涵水上段采用預(yù)制安裝的施工方法， 其中取水箱涵水上段箱涵總長(zhǎng) 約 1125 米，排水箱涵總長(zhǎng)約 1940 米。預(yù)制箱涵的類型分為取水單孔、取水雙孔、 取水三孔、單孔排水、雙孔排水(淺埋)、雙孔排水(深埋)及其它異型構(gòu)件。預(yù)制 箱涵標(biāo)準(zhǔn)件分節(jié)長(zhǎng)度為 15 米，包括一部分異型構(gòu)件，共有預(yù)制件約 220 件，最
大的三孔預(yù)制箱涵重達(dá) 800 噸，出運(yùn)安裝的工作量和技術(shù)難度均很大。
總平面布置圖如下圖：
[attach]8150[/attach]
圖 4－1 總體平面布置圖
4.1 箱涵陸上出運(yùn)
本工程預(yù)制箱涵陸上采用氣囊橫、縱向牽引到出運(yùn)碼頭， 在箱涵內(nèi)部及兩側(cè)
安裝好浮運(yùn)氣囊后牽引到水里浮運(yùn)。
氣囊水平出運(yùn)重件， 已有較成熟的施工工藝， 其方法即是把氣囊放在需要移 動(dòng)的箱涵下面， 氣囊充氣后將箱涵頂升， 然后用小牽引力拉動(dòng)箱涵， 使氣囊滾動(dòng)，
從而使箱涵水平移動(dòng)達(dá)到箱涵的水平運(yùn)輸目的地。
4.1.1 氣囊的選擇
一、箱涵橫移
氣囊規(guī)格：直徑φ 0.8； 有效工作長(zhǎng)度 16m； 總長(zhǎng)度： 17.39m
工作壓力： 0.2MPa 試驗(yàn)壓力： 0.25MPa
氣囊起重高度為 0.4m 條件下，氣囊承載寬度為 0.63m，總寬度 1.03m
每米氣囊承載能力=0.2 根0.63 根1000=126 KN
每條氣囊承載能力＝126 根15 ＝1890 KN
表 4－1
二、箱涵縱移
氣囊規(guī)格：直徑φ 1m； 有效工作長(zhǎng)度按箱梁寬度；
工作壓力： 0.2Mpa 試驗(yàn)壓力： 0.25Mpa
氣囊起重高度為 o.4m 條件下，氣囊承載寬度為 0.79m，總寬度 1.29m
每米氣囊承載能力=0.2x 0.79 x1000 =158kN
表 4－2
注：表中“氣囊數(shù)量”是指有效載荷的氣囊數(shù)量，為滿足移動(dòng)需要，必須要有足
夠數(shù)量的接應(yīng)氣囊。
4.1.2 牽引力
Fd = Q.g .sinC + u.Q.g .cosC
式中： Fd －絞車牽引力， NK；
Q－重物自重， t
g－重力加速度， m / s 2
C －坡道傾角，度
u －坡道摩擦系數(shù)。
箱涵是在平坦的地面上移運(yùn)，坡道傾角 C 為零，阻力系數(shù) u 取 0.03
所以 Fd = Q . g .sinC + u . Q . g .cosC
= 789.5x 0.03
= 24t
4.1.3 供氣系統(tǒng)
供氣系統(tǒng)采用 DVY－6/7 型空壓機(jī)一臺(tái)，排氣量 6 m3 /min，排氣壓力 0.7MPa， 為了使多個(gè)氣囊同時(shí)充氣， 設(shè)置具有多管路接頭的空氣分配器一個(gè)， 另有輸氣管
多條。
4.1.4 箱涵移運(yùn)穩(wěn)定性
箱涵的重心很低，底面積大，穩(wěn)定性極好，不存在傾斜的可能。
4.1.5 箱涵移運(yùn)過(guò)程中的啟動(dòng)與制動(dòng)
箱涵移運(yùn)方向前用兩部卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引， 其后用兩部卷?yè)P(yáng)機(jī)牽制?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整氣 囊氣壓來(lái)達(dá)到箱涵啟動(dòng)時(shí)牽引力減小和制動(dòng)的要求。前端氣囊氣壓減小， 箱涵前 傾，牽引力就小，反之亦然；移運(yùn)中減小氣壓，即可增加滾動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)減速；
在箱涵前擺放充氣的氣囊達(dá)到制動(dòng)的目的。
4.1.6 移運(yùn)中偏移的糾正措施
糾正物體移運(yùn)過(guò)程中的偏移有多種方法，通常采用的方法有：
A.調(diào)整兩側(cè)卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引速度和先后啟動(dòng)順序；
B.調(diào)整氣囊擺放角度。
4.1.7 箱涵出運(yùn)使用設(shè)備和配置
箱涵出運(yùn)使用設(shè)備和配置詳見(jiàn)表 4－3
表 4－3 箱涵出運(yùn)使用設(shè)備一覽表
4.1.8 風(fēng)險(xiǎn)分析與安全保障
氣囊損壞：
在箱涵移運(yùn)時(shí)， 氣囊有被尖銳物扎破、劃傷的可能， 會(huì)因氣囊漏氣使箱涵失
去平衡。
氣囊的設(shè)計(jì)制造保證具有四倍的安全系數(shù)， 一旦發(fā)生氣囊受損漏氣， 其他氣 囊有足夠的能力分擔(dān)徒然增加的載荷， 通過(guò)調(diào)整氣囊位置和氣壓， 可使箱涵恢復(fù)
平衡。
風(fēng)力的影響：
若在箱涵移運(yùn)時(shí)遇到較強(qiáng)的風(fēng)力， 箱涵會(huì)發(fā)生搖擺。氣囊具有自穩(wěn)性， 箱涵 傾斜時(shí)， 傾斜邊的氣囊與箱涵底部的接觸面積增大， 氣囊給底部的作用力隨之增
加，使箱涵恢復(fù)平衡。
4.2 箱涵下水
箱涵下水是一個(gè)重要、關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。箱涵下水的方法與縱(橫)移的過(guò)程類同，
但要求高、難度大。本工程預(yù)制箱涵的水上運(yùn)輸采用氣囊浮運(yùn)。箱涵下水是一關(guān)
鍵環(huán)節(jié)。設(shè)平均潮位高 lm。修建下水坡道寬 30m；長(zhǎng) 56m，其中水面以上長(zhǎng)度
約 17m；坡度 7 。，坡底標(biāo)高為－3.5m。
箱梁移到坡道上，擺放好接應(yīng)氣囊，調(diào)整適當(dāng)?shù)臍鈮?，通過(guò)牽引把箱涵拖
下水。
箱涵下滑前面的接應(yīng)氣囊主要起支撐和減速作用，按坡度 7 。，最大的構(gòu)件 780 噸，產(chǎn)生的下滑力達(dá)到 95 噸，但由于前邊接應(yīng)氣囊內(nèi)部剪切力和水阻力的
作用，己經(jīng)抵消了大部分的力，后方只需考慮 1%的牽引力進(jìn)行制動(dòng)。
為減少下滑力過(guò)大，亦可以調(diào)整氣囊的氣壓，使構(gòu)件的重心轉(zhuǎn)移，減少下
滑力。
一、起浮力計(jì)算
1、箱涵下水前應(yīng)進(jìn)行起浮能力計(jì)算。
浮力計(jì)算和助浮氣囊布置：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的水深條件，箱涵的吃水深度按 3 米
控制。以此作為箱涵下水浮運(yùn)的主要控制指標(biāo)。詳見(jiàn)箱涵基本參數(shù)表 4－4。
表 4－4 箱涵起浮力基本參數(shù)表
注：這里的吃水深是指箱涵中填充了氣囊后的。
二、箱涵助浮氣囊布局設(shè)計(jì)
考慮氣囊未能全部填滿空腔，助浮力取 1.1 倍，表中的“助浮力”能使箱涵 的吃水深度保持在 3m 位。在箱涵兩側(cè)分別用捆綁帶固定住助浮氣囊，箱涵兩側(cè) 底部分別預(yù)埋 8 個(gè)拉環(huán)，其抗拉強(qiáng)度根據(jù)助浮力的大小設(shè)定在 10～2OOkN，可 用于固定氣囊， 亦可用來(lái)牽引箱涵橫移、縱移； 捆綁帶的抗拉強(qiáng)度不小于 200kN， 它可使多個(gè)氣囊捆在一起，氣囊充氣后，氣囊組會(huì)具有良好的剛性。具體見(jiàn)表 4
-5。
表 4－5
4.2.1 箱涵下水流程
箱涵下水的過(guò)程分四個(gè)主要的步聚： 一是由水平的縱移通道進(jìn)入傾斜的下水 坡道(7 度)；二是拆除前拉鋼絲繩和水下擺放移運(yùn)氣囊；三是箱涵由陸上溜放進(jìn)
入水中；四是拆除后拉鋼絲繩，系拖帶纜，開(kāi)始浮運(yùn)。
詳細(xì)的工藝流程如下圖：
圖 4－2 箱涵下水工藝流程圖
4.2.2 人機(jī)配備
配備的主要機(jī)具主要有： 充氣泵站 1 座、卷?yè)P(yáng)機(jī) 3 臺(tái)(前拉一臺(tái)、后拉 2 臺(tái))、 移運(yùn)氣囊 13 條(水上 8 條、水下 4 條，備用 l 條)、填充式助浮氣囊每孔 9 條、側(cè)
掛式助浮氣囊 10 條、拖輪兩艘，交通艇 2 艘。
配備的人員如下：指揮長(zhǎng) 1 名、充氣泵站 2 人、每臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)操作員 l 人共 3
人、氣囊作業(yè)組 20 人，潛水員 2 名，船員 12 人，其它作業(yè)人員 3 名。
4.2.3 作業(yè)方法
當(dāng)箱涵縱移至出運(yùn)碼頭后方時(shí)， 即把箱涵座落在擺放好的枕木上， 然后進(jìn)行
以下各工序的作業(yè)：
一、安裝前牽鋼絲繩和后拉鋼絲繩
前牽和后拉鋼絲繩一端連接在箱涵頂部吊環(huán)上， 另一端連接在滑車上， 然后 滑車組連接到卷?yè)P(yáng)機(jī)上， 通過(guò)操作卷?yè)P(yáng)機(jī)來(lái)控制箱涵的前牽和后拉。安裝鋼絲繩
時(shí)要注意避免損壞箱涵的止水帶和助浮氣囊。
二、安裝助浮氣囊
助浮氣囊包括填充氣囊和側(cè)掛氣囊。安裝氣囊時(shí)先預(yù)先疊好再一層一層安 裝。充氣時(shí)先充上層氣囊，再充下層氣囊，而且一個(gè)氣囊不能一次充滿，而應(yīng)待 各氣囊均充有一定的氣體， 讓各氣囊處于預(yù)定的位置后， 再進(jìn)一步把各氣囊充滿。 充氣時(shí)同時(shí)觀測(cè)氣壓表，氣壓達(dá)到 0.lMPa 時(shí)，停止充氣。助浮氣囊的安裝詳見(jiàn) 圖 3－8“取水箱涵填充氣囊、側(cè)掛氣囊安裝示意圖”、圖 3－9“排水箱涵填充氣
囊、側(cè)掛氣囊安裝示意圖”。
填充氣囊充完氣后，再連接一根 5m 長(zhǎng)的高壓氣管，氣管都用管卡緊緊固定 在氣囊上， 因?yàn)橛袣夤苌显O(shè)有倒牙， 因此氣管不會(huì)脫落。管子的另一端連接浮子，
箱涵下水后氣管能浮出水面便于氣囊補(bǔ)氣和放氣。
氣管不宜連接在氣囊遠(yuǎn)離海的一端， 以防箱涵下水時(shí)， 水下移運(yùn)氣囊從箱涵
后端突然冒出水面時(shí)對(duì)氣管造成破壞。
三、擺放移運(yùn)氣囊
接應(yīng)氣囊按 6 米的間距擺放，由于氣囊與箱涵的移動(dòng)速度比為 1： 2，箱涵
移運(yùn)至氣囊上方后，氣囊的間距變成 3 米，如此箱涵底部有 4－5 條氣囊支承箱
涵。
擺放移運(yùn)氣囊使用現(xiàn)有的 l 噸卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，使用鋼管固定卷?yè)P(yáng)機(jī)橫穿氣囊。 氣囊擺放位置要盡量居中， 讓兩端超出箱涵的長(zhǎng)度要大致相等， 同時(shí)保證充氣一
端的順利操作。
當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)合適的條件便于卷?yè)P(yáng)機(jī)作業(yè)時(shí)，則采用人工擺放氣囊。
氣囊的擺放應(yīng)在箱涵進(jìn)入斜坡前完成， 避免在箱涵進(jìn)入斜坡后在箱涵前面擺
放氣囊的做法，以防止箱涵后拉系統(tǒng)發(fā)生意外時(shí)形成箱涵下沖傷人事件。
在水中預(yù)先安裝好定位樁，直接將氣囊固定在定位樁上。氣囊兩頭安有 360 度旋轉(zhuǎn)快接頭，在快接頭上連接高壓氣管，用管卡緊緊固定，接頭有倒牙，可以 防止氣管脫離，氣管大約 5m 長(zhǎng)，另一端連接一個(gè)浮子，使之能夠在水面上浮起
便于充氣和放氣。
四、移運(yùn)氣囊充氣，箱涵頂升，準(zhǔn)備出運(yùn)
1.氣囊充氣
氣囊充氣要逐次加氣，先充前面的，當(dāng)氣囊有一定的壓力時(shí)，再充中間，最 后充后面， 預(yù)充后再按照前面的順序依次將氣囊加氣， 直至氣囊把箱涵頂起離開(kāi)
枕木，即將氣囊的泄氣閥關(guān)閉，停止供氣，拆除枕木。
2.氣囊放氣
拆除所有的充氣管， 再打開(kāi)各個(gè)氣囊的排氣閥， 進(jìn)行緩慢放氣， 當(dāng)氣囊高度
降至移運(yùn)的適宜高度時(shí)，關(guān)閉排氣閥，并檢查調(diào)查各個(gè)氣囊的壓力基本一致。
五、下水
1、牽引箱涵進(jìn)入出運(yùn)碼頭陸上段