一种自动抱桩机及其控制方法与流程

[0001]
本发明涉及风力发电设备安装技术领域，具体来说，是一种自动抱桩装置以及方法。


背景技术：

[0002]
目前，风电安装船(打桩船)成为一种全新的海洋工程船舶，主要由动力系统、起重机、船体、桩腿、升降系统和抱桩机等组成，主要用于海上风力发电机组塔筒的打桩作业和桩柱、桩锤等物料和设备的运输。因此，对抱桩机的设计显得尤为重要。
[0003]
海上风电场施工难点之一是桩柱的安装，尤其是基础桩的安装。在基础桩“打桩”的过程中，要将直径几米至十几米、重达几百至几千吨的桩柱用桩锤锤击，强力插入水下泥中，这不仅需满足桩柱的吊高、吊重和位置的要求，更重要的还要保证桩柱的垂直度，即垂直于海平面。目前，对于抱桩重量和桩柱的位置研究已经较为充分，而对于保证抱桩的垂直度的研究尚有不足，桩柱偏斜打入水下泥中，将不能够满足使用要求，偏斜严重的将造成最终的弃桩。
[0004]
随着风电机组单机功率逐年增大，桩柱的直径与重量也在不断的增加，因此，在抱桩机新机型的设计时，应该对抱桩机的位置调整能力、桩柱矫直能力与自动化水平着重考虑，从而确保桩柱安装的垂直度，保证风机的性能与寿命。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种自动抱桩机及其控制方法，以实现位置调整、自动抱桩、桩柱矫直功能，提升设备的工作效率，最大限度保证桩柱入海时的垂直度。
[0006]
本发明的目的是这样实现的：一种自动抱桩机，包括：
[0007]
行走底盘；
[0008]
可调式支撑装置，支撑并固定行走底盘，可在水平方向上进行纵向调节和横向调节；
[0009]
一对立柱，竖直固定在行走底盘上；
[0010]
臂爪左臂，水平旋转地套装在其中一根立柱上，并配置有驱使其旋转活动的平旋驱动机构；
[0011]
臂爪右臂，与臂爪左臂配合一同抱住桩柱，所述臂爪右臂水平旋转地套装在另一根立柱上，并配置有驱使其旋转活动的平旋驱动机构；
[0012]
其中，所述可调式支撑装置包括纵向轨道、纵向轨道车轮组件、横向轨道车轮组件、横向轨道、横向油缸、纵向油缸；所述纵向轨道设置有两个并形成一个整体，且固定安装在船体上，所述横向轨道设置有两个并形成一个整体，且与纵向轨道相互垂直，两个横向轨道所形成的整体安装有分别在两个纵向轨道上滚动的两组纵向轨道车轮组件，所述纵向油缸顺应纵向轨道的长度方向布置，所述纵向油缸两端分别连接横向轨道、纵向轨道；所述行走底盘底部设置两组横向轨道车轮组件，两组横向轨道车轮组件分别在两个横向轨道上滚
动，所述横向油缸两端分别与行走底盘、横向轨道连接，所述横向油缸顺应横向轨道的长度方向布置；
[0013]
所述纵向轨道车轮组件和横向轨道车轮组件均配置有制动装置；
[0014]
所述制动装置包括处于轨道正上方的主体框架，以及安装在主体框架之下的、竖直布置的制动油缸，所述主体框架上侧安装有用于连接上方部件的连接机构，所述制动油缸的活塞杆朝下并下压轨道上表面，所述主体框架底部两侧均安装有向下延伸的车轮架，每个车轮架均转动连接有车轮，轨道设置为工字钢型材，在车轮处于行驶状态下，所述车轮的轮面在轨道的下翼板上滚动，在车轮处于制动状态下，受制动油缸的举升作用，所述车轮的轮面向上压力接触轨道的上翼板。
[0015]
作为本发明的另一方面，自动抱桩控制方法包括如下步骤：
[0016]
s1、利用可调式支撑装置驱使行走底盘整体进行水平方向上的横向调节运动和纵向调节运动，以使行走底盘移动到指定位置；
[0017]
s2、利用臂爪左臂旋转油缸、臂爪右臂旋转油缸同步驱使臂爪左臂、臂爪右臂进行相对的旋转运动，使所述臂爪左臂的合拢端正对臂爪右臂的合拢端，然后用尾部锁紧装置的锁定销插配尾部锁紧外筒的锁定槽，同时锁定臂爪左臂、臂爪右臂的位置，并用前部锁紧装置的锥轴插入臂爪左臂的合拢端安装孔和臂爪右臂的合拢端安装孔中；
[0018]
s3、将桩柱锁定的步骤，驱使所有夹抱油缸和抱紧油缸伸出，以共同夹住桩柱，使桩柱轴线处于竖直状态，定位完成后进入打桩阶段；
[0019]
s4、对桩柱进行矫直的步骤，在自动状态下，控制系统采集的桩柱垂直度检测值超出控制范围，即立即停止打桩程序，进入桩柱矫直步骤；程序判定需要进行小范围矫直操作时，程序控制用于夹抱的油缸输出大推力，并根据桩柱的对中要求限制每个用于夹抱的油缸的伸出最大值，完成小范围矫直；程序判定需要进行大范围矫直操作时，程序控制车轮组件中的制动油缸缩回，程序控制横向油缸和纵向油缸输出大推力，并根据桩柱的对中要求限制横向油缸和纵向油缸的运动最大值，完成大范围矫直；在手动状态下，通过控制柜设置的按钮/旋钮，按工作流程分别控制相应油缸运动，使用于夹抱的油缸或横向油缸和纵向油缸运行至指定位置。
[0020]
本发明的有益效果在于：能够实现位置调整、自动抱桩、桩柱矫直功能，提升设备的工作效率，最大限度保证桩柱入海时的垂直度；可调式支撑装置的制动效果显著，在车轮处于行驶状态下，车轮的轮面在轨道的下翼板上滚动，使得行走底盘能够进行水平移动，在车轮处于制动状态下，受制动油缸的举升作用，车轮架向上移动，使得车轮的轮面向上压力接触轨道的上翼板，形成一定的摩擦力以达到制动效果，使得行走底盘能够迅速停止运动。
附图说明
[0021]
图1是本发明的俯视图。
[0022]
图2是行走底盘的可调式支撑装置示意图。
[0023]
图3是车轮制动组件的设置示意图。
[0024]
图4是本发明的后移并闭合的状态俯视图。
[0025]
图5是本发明的前伸并张开的状态俯视图。
[0026]
图6是本发明的抱住最大直径的桩柱的状态示意图。
[0027]
图7是本发明的抱住最小直径的桩柱的状态示意图。
[0028]
图中，1、纵向轨道；2、纵向轨道车轮组件；3、横向轨道车轮组件；4、横向轨道；5、横向油缸；6、纵向油缸；7、行走底盘；8、臂爪左臂旋转油缸；9、臂爪拉板；10、桁架组件；11、立柱；12、尾部锁紧外筒；13、尾部锁紧装置；14、臂爪左臂；15、夹抱油缸；16、抱紧油缸；17、臂爪右臂旋转油缸；18、前部锁紧装置；19、臂爪右臂；20、连接机构；21、制动油缸；22、轨道；23、车轮架；24、车轮；25、船舷边缘；26、桩柱。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图1-7和具体实施例对本发明进一步说明。
[0030]
如图1-3所示，一种自动抱桩机，包括：
[0031]
行走底盘7，设置为平台结构；
[0032]
可调式支撑装置，支撑并固定行走底盘7，可在水平方向上进行纵向调节和横向调节；
[0033]
一对立柱11，竖直固定在行走底盘7上；
[0034]
臂爪左臂14，水平旋转地套装在其中一根立柱11上，并配置有驱使其旋转活动的平旋驱动机构；
[0035]
臂爪右臂19，与臂爪左臂14配合一同抱住桩柱26，臂爪右臂19水平旋转地套装在另一根立柱11上，并配置有驱使其旋转活动的平旋驱动机构。
[0036]
其中，可调式支撑装置包括纵向轨道1、纵向轨道车轮组件2、横向轨道车轮组件3、横向轨道4、横向油缸5、纵向油缸6；纵向轨道1设置有两个并形成一个整体，且固定安装在船体上，横向轨道4设置有两个并形成一个整体，且与纵向轨道1相互垂直，两个横向轨道4所形成的整体安装有分别在两个纵向轨道1上滚动的两组纵向轨道车轮组件2，纵向油缸6顺应纵向轨道1的长度方向布置，纵向油缸6两端分别连接横向轨道4、纵向轨道1；行走底盘7底部设置两组横向轨道车轮组件3，两组横向轨道车轮组件3分别在两个横向轨道4上滚动，横向油缸5两端分别与行走底盘7、横向轨道4连接，横向油缸5顺应横向轨道4的长度方向布置。
[0037]
上述纵向轨道车轮组件2和横向轨道车轮组件3均配置有制动装置。
[0038]
上述制动装置包括处于轨道22正上方的主体框架，以及安装在主体框架之下的、竖直布置的制动油缸21，主体框架上侧安装有用于连接上方部件的连接机构20，制动油缸21的活塞杆朝下并下压轨道22上表面，主体框架底部两侧均安装有向下延伸的车轮架23，每个车轮架23均转动连接有车轮24，轨道22设置为工字钢型材，在车轮24处于行驶状态下，车轮24的轮面在轨道22的下翼板上滚动，在车轮24处于制动状态下，受制动油缸21的举升作用，车轮24的轮面向上压力接触轨道22的上翼板。
[0039]
如图3所示，无需行走底盘7移动时，制动油缸21将车轮24抬起，使车轮24与轨道22紧紧贴在一起，消除车轮24与轨道22之间间隙，实现驻车制动与避免抱桩机振动的功能；当需要行走底盘7移动时，制动油缸21卸压缩回，车轮24处于自由状态。
[0040]
上述制动油缸21的中心轴线与轨道22的腹板对齐，使得受力位置更加合理。
[0041]
在两个立柱11之间的中间位置安装有竖直的、固定在行走底盘7上的桁架组件10。
[0042]
上述臂爪左臂14的平旋驱动机构包括臂爪左臂旋转油缸8，对应臂爪左臂14的立
柱11上固定套装有臂爪拉板9，臂爪左臂旋转油缸8两端分别与桁架组件10、臂爪拉板9铰接。
[0043]
上述臂爪右臂19的平旋驱动机构包括臂爪右臂旋转油缸17，对应臂爪右臂19的立柱11上固定套装有臂爪拉板9，臂爪右臂旋转油缸17两端分别与桁架组件10、臂爪拉板9铰接。
[0044]
上述臂爪左臂14和臂爪右臂19均安装有夹抱油缸15,桁架组件10安装有抱紧油缸16，夹抱油缸15和抱紧油缸16可以组成从上到下间隔排列的若干组，每一组的夹抱油缸15、抱紧油缸16的轴线均处于同一水平面上；
[0045]
在合抱桩柱26时，夹抱油缸15和抱紧油缸16环绕桩柱26并共同夹住桩柱26。
[0046]
上述臂爪左臂14、臂爪右臂19上均设有尾部锁紧装置13，尾部锁紧装置13设置有锁定销和驱使锁定销滑动的锁定油缸，臂爪左臂14、臂爪右臂19上均设有滑动支撑座和锁定油缸，所述锁定销滑动套设于所述滑动支撑座上，每个立柱11上均固定套装有尾部锁紧外筒12，尾部锁紧外筒12上均设有锁定槽，在合抱桩柱26时，尾部锁紧装置13的锁定销正对尾部锁紧外筒12的锁定槽并插配尾部锁紧外筒12的锁定槽。
[0047]
上述臂爪左臂14和臂爪右臂19均大致为l形结构，在合抱桩柱26时，臂爪左臂14的合拢端正对臂爪右臂19的合拢端，并使得两者的安装孔正好对应，两者的安装孔同时穿接有前部锁紧装置18，以使臂爪左臂14和臂爪右臂19被锁定在合抱位置，前部锁紧装置18包括同时穿入臂爪左臂14的合拢端安装孔和臂爪右臂19的合拢端安装孔的锥轴，前部锁紧装置18还包括安装在臂爪左臂14或臂爪右臂19上的驱动油缸，以控制上述锥轴进行锁定运动。
[0048]
在合抱桩柱26时，夹抱油缸15和抱紧油缸16的施力作用点均处于船舷边缘25之外的位置。
[0049]
在合抱桩柱26时，夹抱油缸15和抱紧油缸16的轴线均垂直于桩柱26的轴线。
[0050]
结合图4-7详述本实施例中自动抱桩的控制方法。
[0051]
(1)大车行走
[0052]
大车行走工况是实现设备的位置调整，在非工作状态下后移抱桩机至船舷内，工作状态下前移抱桩机至工作位。自动抱桩机可自动运行至指定位置，也可手动操作。在自动状态下，电液控制系统采集横向油缸5和纵向油缸6的位移传感器信号，综合给定的指定位置指令，并根据特定的控制算法运算输出控制指令，控制电液系统的控制元件实现行走底盘7以特定的方向、速度运动至指定位置。在控制横向油缸5或纵向油缸6运动前，程序首先控制制动油缸21卸压缩回，使得行走底盘7处于能够移动的状态，当行走底盘7运动至指定位置后程序控制制动油缸21加压伸出，对行走底盘7进行制动。在手动状态下，通过控制柜设置的按钮/旋钮，按工作流程分别控制横向油缸5、纵向油缸6运动，使行走底盘7移动至指定位置。
[0053]
(2)臂爪开合
[0054]
臂爪开合工况是实现设备开合状态调整，在起重机吊入桩柱前或打桩完成抱桩机退出工作位时，臂爪左臂14和臂爪右臂19打开，在打桩过程中或非工作状态下，臂爪左臂14和臂爪右臂19闭合。在自动状态下，控制系统根据臂爪左臂旋转油缸8的位移传感器或行程开关、臂爪右臂旋转油缸17的位移传感器或行程开关、尾部锁紧装置13的位移传感器或行
程开关、前部锁紧装置18的位移传感器或行程开关的信号，判断各执行机构状态，综合给定的状态指令，并根据特定的控制算法运算输出控制指令，控制电液系统的控制元件实现尾部锁紧装置13、前部锁紧装置18、臂爪左臂旋转油缸8、臂爪右臂旋转油缸17以特定的方向、速度运动至指定位置。在臂爪左臂14和臂爪右臂19打开时，程序先后控制前部锁紧装置18和尾部锁紧装置13解锁，控制系统根据传感器信号判断完全打开后，程序先后控制臂爪左臂旋转油缸8和臂爪右臂旋转油缸17缩回，臂爪左臂14和臂爪右臂19打开至指定开度；闭合操作时，程序先后控制臂爪左臂旋转油缸8和臂爪右臂旋转油缸17伸出，臂爪左臂14和臂爪右臂19闭合至指定位置，控制系统根据传感器信号判断完全闭合后，程序先后控制尾部锁紧装置13和前部锁紧装置18锁止。在手动状态下，通过控制柜设置的按钮/旋钮，按工作流程分别控制相应油缸运动，使臂爪左臂14和臂爪右臂19运行至指定位置。
[0055]
(3)桩柱定位
[0056]
桩柱定位工况是实现桩柱26中心与臂爪左臂14和臂爪右臂19的中心位置重合，保证打桩过程中抱桩机受力状态均衡。在自动状态下，臂爪左臂14和臂爪右臂19闭合并锁止后，在控制系统中输入桩柱26的直径，控制程序根据算法得到每个夹抱油缸15、抱紧油缸16的指定伸出长度，并自动控制每个油缸按照设定的速度伸出，当第一个油缸与桩柱26接触后，程序根据算法判断桩柱26中心与臂爪左臂14和臂爪右臂19的中心在第一个油缸方向上的偏差，并控制行走底盘7在该方向上的偏移为0；继续同时伸出夹抱油缸15、抱紧油缸16；当相邻的油缸其中一个与桩柱26接触后，程序根据算法判断桩柱26中心与臂爪左臂14和臂爪右臂19的中心在此油缸方向上的偏差，并控制行走底盘7在该方向上偏移为0；当相应的油缸为四个时，两次调整即对中完成，当相应的油缸为六个时，三次调整即对中完成，当相应的油缸为八个时，四次调整即对中完成。定位完成后，具备打桩条件。在手动状态下，通过控制柜设置的按钮/旋钮，按工作流程分别控制相应油缸运动，使相应油缸的末端运行至指定位置。
[0057]
(4)桩柱矫直
[0058]
桩柱矫直工况是实现桩柱26的垂直度满足安装要求。桩柱26矫直根据矫直力和位移调整范围不同，采用不同的机构实现。在自动状态下，控制系统采集的垂直度检测值超出控制范围，即立即停止打桩程序，进入桩柱26矫直工况。程序判定需要小范围(矫直力和位移小范围调整)桩柱26矫直操作时，程序控制相应的夹抱油缸15、抱紧油缸16输出大推力，并根据桩柱26对中要求限制每个夹抱油缸15、抱紧油缸16的伸出最大值，完成小范围矫直；程序判定需要大范围(矫直力和位移大范围调整)桩柱26矫直操作时，程序控制制动油缸21缩回，程序控制相应的横向油缸5和纵向油缸6输出大推力，并根据桩柱26对中要求限制横向油缸5和纵向油缸6的运动最大值，完成大范围矫直。在手动状态下，通过控制柜设置的按钮/旋钮，按工作流程分别控制相应油缸运动，使夹抱油缸15和抱紧油缸16或横向油缸5和纵向油缸6运行至指定位置。
[0059]
以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。