海上打桩用抱桩器的制作方法

本发明涉及一种海洋风电安装平台（船）打桩施工设备，尤其是一种海上打桩用的抱桩器，属于海上打桩抱桩技术领域。

背景技术：

我国海洋风电还在起步阶段，很多设备均需要相关厂家研发、制造才能突破海洋风电的瓶颈，其中钢桩的打桩施工就是海上风电场需要面临的一个难点，尤其是在工作水深大、钢桩直径大、风疾浪高等条件下的钢桩基础施工难度更大。抱桩器就是解决海上风电基础钢管桩（以下称钢桩）打桩施工难点的专业设备，该设备用于风机钢桩下桩过程中的位置调整、抱紧导向以保持钢桩的适当位置不变；钢桩着底沉桩工况时，能够对钢桩的垂直度进行调整；打桩工况时能够导向、辅助扶正及垂直度调节。现有的抱桩器技术实现了抱臂开合、抱桩夹持与导向、位置调整及钢桩着底后垂直度调整功能，有的抱桩器还实现了自动退回舷内功能。但是现有抱桩器机构有如下缺点：

1）在位置调整及垂直度调整时实现的方式是一个方向移动另一个方向摆动（转动）的极坐标定位方式；这种极坐标定位方式在实际操作过程中不方便、不直观，寻找定位点需要反复试操。

2）抱桩夹持执行器件不能动态地降低机构负载并保持钢桩姿态，保证机构与平台的安全，具体有以下几个方面：

a.使用千斤顶或其他机械结构，在大力矩载荷作用下易破坏结构；使用液压千斤顶保持位置不变与使用油缸保持位置不变控制机制不同，液压千斤顶夹持到位后无杆腔（负载腔）阀口关闭，回位时无杆腔（负载腔）阀口打开泄压回油箱，是被动式的，不能主动回油。在定位后，由于负载腔阀口关闭，外负载过大容易造成千斤顶超压、固定结构件易超载，千斤顶及固定件寿命有限。同样采用一般机械结构来抱桩而不加缓冲装置，则结构易破坏，设计需要结构加强加大。

b.有的尽管采用了液压油缸进行抱桩直径大小调节，起到一定缓冲作用，但是控制上未考虑液压失压及过载保护,更未考虑在波浪周期力影响下应控制顶桩动作时序。

3）抱桩器的抱桩夹持执行器件在结构形式上具有以下特点，一个抱环只布局一层大约4~6个抱桩油缸；左右抱环抱桩后未完全合在一起形成一个封闭环。该种形式的布局有以下缺陷：

a.单层抱环的设计在钢桩入水过程中的导向性能较差，缺少扶正力矩。入水后由于海浪、海流的作用使钢桩在导向抱桩处产生很大力矩，周期性波浪力使钢桩来回偏摆，钢桩着海点位置难确定,使效率降低。

b.现有技术也有使用两层抱环设计，是在两层抱环上均设计导向，能产生扶正力矩；能抵抗浪流作用力产生的力矩，有利于提高效率；但是现有两层均需要位置调整机构。两层抱环设计，重量重，占用甲板空间大，成本高。

c.抱臂在顶桩前未合成环的开放式的抱臂结构，刚性低，且存在安全隐患，当外力意外破坏抱臂抱合油缸或抱合油缸误动作时抱臂有被打开导致钢桩倾倒的可能。

4）现有的技术忽略了海洋风电安装平台（船）定位升起后所产生的甲板倾角，按升降系统设计要求，此角度有的平台达到1.5°，相对于打桩要求的精度此角度偏差是无法接受的。若打桩时没有考虑到该倾斜角度偏差，根据此导向下桩将使得钢桩实际的打桩点会产生较大的位置误差。

技术实现要素：

针对现有抱桩器结构尺寸重量较大，打桩效率比较低，打桩安全性不够的缺点，而提供一种海上打桩用抱桩器，该抱桩器结构更为紧凑、重量更轻、操作更加直观的同时，进一步提高海上打桩效率和打桩安全性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种海上打桩用抱桩器，由抱桩器机构系统、液压系统、电气控制系统组成，抱桩器机构系统包括大底座、主推油缸、滑动座、横梁、侧推油缸、开合油缸、抱环、锁紧机构、抱桩夹持机构，所述大底座安装在甲板上，大底座上通过滑轨连接滑动座滑动座的滑槽内安装横梁，侧推油缸安装在甲板与滑动座之间的安装座上，主推油缸安装在滑动座与横梁间的安装座上，主推油缸的主推方向与侧推油缸侧推方向正交垂直；所述横梁前端装有抱环，所述抱环由抱环底座、左抱环、右抱环组成，抱环底座与横梁通过插销固定连接，抱环底座前端左、右侧分别连接左抱环、右抱环，且左抱环和右抱环可绕连接处的销轴转动，左抱环和右抱环分别通过一个抱环开合油缸与横梁左右两侧相连接，抱环上装有抱桩夹持机构，抱桩夹持机构上下两层布置每层四只，左抱环前端径向方向安装两套锁紧机构，两套锁紧机构上下布局，右抱环上设有锁紧机构锥销对应的销孔;所述抱桩夹持机构由滚轮、销轴、安装压板、滑套、抱桩油缸组成，所述抱桩油缸置于滑套内，抱桩油缸中间通过固定轴安装在抱环的安装座上，并用安装压板固定，抱桩油缸伸缩带动滑套在安装座的缸套内运动，滑套前端通过销轴安装滚轮，滚轮可以顶住钢桩并滚动；每个抱桩油缸连接一个比例阀，由比例阀控制抱桩油缸动作，每个抱桩油缸自带磁致位移传感器，磁致位移传感器连接plc控制器，plc控制器根据磁致位移传感器反馈信号闭环控制比例阀开口大小和方向，从而控制抱桩油缸对钢桩进行顶桩导向，保持钢桩导向在所需的范围内。

所述锁紧机构由一个锁紧油缸、一个锥销、一个支架组成，所述锁紧油缸通过支架安装在左抱环前端径向方向，锁紧油缸连接锥销，支架上装有两个接近传感器，接近传感器检测锁紧油缸带动锥销插入与拔出是否到位。

所述抱桩油缸的无杆腔、有杆腔各设置一个液控单向阀，用于防止管路爆管或液压系统故障失压松开带来意外；所述抱桩油缸还连接溢流阀，当钢桩遭遇波浪峰值时，所述溢流阀进行泄压保护，使抱桩油缸的压力保持在额定压力值范围内。

每层的所述抱桩油缸由plc控制器控制联动微调，所述plc控制器接收每个控制周期内磁致位移传感器反馈的抱桩油缸位移信号，并对抱桩油缸位移进行一次速度运算，从而控制不同位置的抱桩油缸在下一周期按照所需的速度移动；当钢桩中心与抱环中心重合时，使上层抱桩油缸保持不动，下层抱桩油缸联动调整钢桩在抱环内的位置，达到纠偏的效果。

本发明的有益效果：

本发明的抱桩器可以解决钢桩从吊装定位、姿态纠正、入水导向、着海床后垂直度再精确调整、打桩辅助扶正、打桩完毕后解锁抱环退回舷内的所有过程。区别于同类产品，本发明可以从以下几个方面获益：

（1）抱桩器对钢桩在水平面内的定位为直角笛卡儿坐标系方式对打桩位置定位、垂直度调整。操作直观、清晰，避免了反复调整。

（2）本发明的抱桩夹持机构及其控制方式，能够动态地保证钢桩的位置在适当范围内。抱桩夹持机构的抱桩油缸具有一定缓冲性能，承载时抱桩油缸杆回缩，油缸的无杆腔压力上升，钢桩推动油缸做功，以此消耗波浪的冲击能量。当波浪峰值载荷产生过大力矩时，溢流阀防止过压进行保护，抱桩油缸保持溢流阀设定压力，油缸杆回缩，将消耗很大的钢桩动能。新技术既能稳定住钢桩又能够进行缓冲，避免机械结构载荷太大，有助于减轻设备重量、提高设备安全性。电气控制上按照钢桩摆动对抱桩油缸的回位时序控制速度，可以避免液压系统对钢桩作功，加大钢桩偏摆。通过抱桩结构、液压及电气控制可以使钢桩的摆动效应降到可控范围。

（3）在一个抱环的上下侧布局两层抱桩机构，各个夹持机构动作独立控制。新布局方式可以在一个抱环上依靠上下两层导向滚轮顶住钢桩产生很大的扶正力矩，既避免了单层导向无扶正力矩又达到了双层抱环的功能，节约了一套水平面内的定位机构，结构紧凑占用空间小，重量轻，性价比高。左右抱环连接成环后，提高抱环刚性、系统安全性能避免开合油缸误动作而带来的危险。整个抱环可以快速更换，适应的桩径范围大大增加。

（4）抱桩油缸联动控制，顺利顶桩调节钢桩中心的位置，从而改变钢桩的倾角，避免了因平台倾斜、制造安装带来的误差。入水前纠偏后，钢桩着海床的位置精度更精准，有利于精确对钢桩定位。

附图说明

图1为抱桩器机构系统示意图；

图2为抱桩油缸安装示意图；

图3为抱桩油缸液压原理图；

图4为抱桩油缸控制原理图；

图5为钢桩受力简图；

图6为浪流力载荷示意图；

图7为抱环、抱桩油缸、钢桩间的联动位置示意图；

图8为舷内初始状态抱桩器结构示意图；

图9为钢桩下放状态抱桩器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图9，本发明的海上打桩用抱桩器，由抱桩器机构系统、液压系统、电气系统三部分组成。

如图1所示，抱桩器机构系统，主要包括：大底座1、主推油缸2、滑动座3、横梁4、侧推油缸5、开合油缸6、抱环底座7、左抱环8、锁紧机构9、右抱环10、抱桩夹持机构11。大底座1安装在甲板13上，大底座1分为前后两部分，前、后两部分均用于支撑横梁4，其上加工好的滑轨用于安装滑动座3；滑动座3安装在大底座内的滑轨上，滑动座3内的滑槽安装横梁4，侧推油缸5安装在甲板13与滑动座3之间的安装座上，主推油缸2安装在滑动座3与横梁4间的安装座上。主推方向与侧推方向正交垂直，在主推油缸、侧推油缸推拉下进行笛卡儿坐标方式位置调整。

如图2所示，抱桩夹持机构11由滚轮21、销轴22、安装压板23、螺栓组件24、滑套25、抱桩油缸26、安装座27等组成。抱桩油缸26作为抱桩夹持机构执行器件，与滑套25的法兰螺栓连接，抱桩油缸26中间固定轴安装在抱环的安装座27上，用安装压板23固定。抱桩油缸26伸缩带动滑套25在安装座27的缸套内运动。滑套25前端用销轴22安装滚轮21，滚轮21可以顶住钢桩并滚动。

抱桩油缸液压控制原理如下图3所示。每个抱桩油缸26由一个比例阀控制，每个抱桩油缸26的无杆腔、有杆腔各设置一个液控单向阀，防止管路爆管或液压系统故障失压松开带来意外。当钢桩遭遇波浪峰值时，溢流阀进行泄压保护使压力在抱桩油缸额定压力值。每个抱桩油缸26均自带磁致位移传感器，plc根据该油缸位移传感器闭环控制比例阀开口大小和方向，保持钢桩导向在一定范围内。电气控制系统控制位移原理如图4所示。

抱桩夹持机构在顶桩过程中有严格的时序要求。波浪的周期性使得钢桩在顶桩点受力各不相同。假设浪流力近似为某个周期的余弦函数，钢桩的受力及浪流力载荷示意图如图5、图6所示。在0时刻浪流力fv最大，方向水平向右，钢桩顶桩点o1、o3受力较大，在t/4时刻浪流力fv为0，钢桩在动能作用下继续右摆。超过t/4时刻浪流力fv为负值，方向向左。顶桩点o2、o4在平衡点等待钢桩回摆顶桩。当钢桩在浪流力作用下左摆时，顶桩点o1、o3处抱桩油缸在控制系统下向平衡位置移动。在移动过程中，动作应该进行速度控制，此两处抱桩油缸回平衡位置速度应落后于钢桩左摆速度，避免抱桩油缸主动对钢桩做功，使摆角增大。同理在t/2时刻，浪流力fv最大，方向水平向左，钢桩顶桩点o2、o4受力较大。从t/2时刻往后到3t/4时刻过程中，浪流力fv方向依然向左，但是力大小减少到零。从3t/4时刻之后，浪流力fv方向反向从左变为右，钢桩在动能降为零后，钢桩摆向变为右摆，o1、o3点在平衡位等待顶桩，而o2、o4点抱桩油缸的回平衡位同样要遵循一定时序，即落后于钢桩的右摆。为获得该效果，控制系统发出的控制信号应整定二套pid参数或其他控制参数，对预制摆动消耗摆动能量及跟踪回到平衡位分别控制。

如图8所示，抱桩器的抱环40由抱环底座7、左抱环8、右抱环10三部分组成，抱环底座7与横梁插销固定，整个抱环可以通过该插销更换不同规格抱环，适应不同钢桩桩径。抱环底座7前端有左右抱环连接耳座，耳座上通过销轴分别连接左抱环8、右抱环10；左抱环8和右抱环10上各有一个抱环开合油缸6安装座，横梁左右两侧也各有一个抱环开合油缸安装座，抱环开合油缸6通过销轴安装在它们之间；抱环上装有抱桩夹持机构11，抱桩夹持机构11上下两层布置每层四只。左抱环8前端径向方向安装两套锁紧机构9，两套锁紧机构9上下布局，右抱环10上加工有锁紧机构9锥销对应的销孔。每套锁紧机构9由一个锁紧油缸、一个锥销和一个支架、若干螺栓等组成，锥销插入到位与拔出耳座均有接近传感器进行控制。

抱桩油缸26在完成初步顶桩后可以进行微调。每层的抱桩油缸26在微调时是需要联动的，否则抱桩油缸26之间相互限制很难有效移动钢桩。抱桩油缸26联动由控制系统控制执行。联动过程如下所述。

如图7所示，图中外面的圆环即抱桩器抱环40，中间的小圆为钢桩12，图中实线表示抱桩油缸26，虚线相交的位置为抱环中心o’，也就是上下两层抱桩油缸26初步顶桩时钢桩中心o初始到位位置，图7中的圆点表示钢桩在抱桩油缸微调后钢桩的中心圆心，上下两层可以由抱桩油缸26伸出不同距离而得到钢桩12中心在抱环内两个不同位置。同层抱桩油缸26在微调时，需要保持某特定的相对速度才能顶着钢桩12按照手柄操作的运动方向进行位置调整。由于四个抱桩油缸26在夹紧钢桩12情况下的相对移动速度是非线性的，所以系统在每个控制周期都要用反馈的油缸位移进行一次速度运算，从而控制不同位置的抱桩油缸26在下一周期按照特定的速度移动。这个过程由plc或上位机进行控制计算，保证抱桩油缸的运行平稳。在实际运用过程中，为减少运算量，进行联动调节垂直度的策略是：上层抱桩油缸26保持不动，钢桩12中心o与抱环中心o’重合；下层抱桩油缸26联动调整钢桩12在抱环内的位置，达到纠偏的效果。

液压系统包括泵站、控制阀站、液压管路、压力传感器等部件。液压系统主要控制五类油缸回路。除抱环开合油缸、锁紧油缸为常规电磁阀控制，主推油缸、侧推油缸的控制原理与抱桩油缸回路控制原理一致。电气控制系统包括操控台、启动控制箱、接线箱、各种传感器、电缆等部件。主要是对信号采集、电气保护、输入输出信号处理，实现抱桩器的各种动作。

图8为抱桩器在舷内初始状态，操作抱桩器手柄向前倾使主推油缸2向前后方向移动横梁3，再操作抱桩器手柄向左/右倾使侧推油缸5向左右方向移动滑动座4带动抱环至船舷41外适当位置。待起重机吊钢桩入抱桩器抱环内，两侧的开合油缸6推动左抱环8、右抱环10先后到达抱合位，到位后接近开关发出信号，抱紧机构9油缸动作插入锥销，合成为一个环。

在操控台界面输入钢桩直径大小值，接着上层4只抱桩机构11的油缸伸出到位，完成初步顶桩。

根据rtk或gps等定位指示信息，在主推油缸2作用下横梁3向舷内外移动，在侧推油缸5作用下滑动座4沿大底座3上滑轨方向移动，操作抱桩器使抱环中心与预设点精确重合。接着下层4只抱桩机构11的油缸伸出到位，并操作抱桩器使下层抱桩油缸联动调节钢桩姿态，使钢桩处于垂直状态，调整平台甲板倾角等带来的误差。此过程在钢桩入水前调整，调整完毕后程序记录抱桩油缸各平衡位置。

抱桩器在钢桩吊装下放状态如图9所示，甲板13上安装固定抱桩器。钢桩12由中心吊装工具30在起重机吊装下缓缓下放，钢桩12沿抱桩器抱桩夹持机构的滚轮导向入水。入水后外载荷传递到抱桩机构的滚轮21上，再作用到抱桩油缸的滑套25上，然后由抱桩油缸26克服。抱桩油缸26铰接在抱环上，载荷传递到抱环上。抱环由锁紧油缸14动作插入锥销15使三个部件形成一体，对外载荷再次缓冲，然后把载荷传递给主推油缸2和侧推油缸5上，进行第三次缓冲，最后把载荷传递到甲板13上。

钢桩12底部触海底后根据rtk或gps等测量数据操作抱桩器，前后左右(主推方向\侧推方向)移动抱环进行位置微调，继续沉桩一定深度后再垂直度调整。调完后继续下放直至钢桩不再下沉。下放过程中如出现垂直度大于6‰情况，则暂停下放，进行垂直度调整，调整后继续。安装桩锤后，利用桩锤重量继续压桩。然后再打桩，打桩过程中抱桩器辅助扶正导向，过程中如出现垂直度大于6‰情况，则撤出桩锤后进行垂直度调整。钢桩成桩，停止打桩，抱环解锁，左抱环8、右抱环10先后打开，并回退到舷内。