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46 cademic Research 技术交流 A 133 m 打桩船桩架抱桩器系统改造设计打桩船桩架抱桩器系统改造设计 翟东俊，秦慧慧（中交三航（上海）新能源工程有限公司，上海 200000）摘摘 要：要：基于国内某海上风电工程，针对“三航桩 20”打桩船现有桩架，对其抱桩器系统进行设计，使其满足项目打桩需求，提高打桩功效，为海上打桩施工提供抱桩、稳桩优化解决方案。关键词：关键词：打桩船；海上风电；桩架；抱桩器 中图分类号：中图分类号：U674.32 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.012 Renovation Design of Pile Holder System for 133 m Pile Driving Ship ZHAI Dongjun,QIN Huihui(New Energy Engineering Co.,Ltd.,of CCCC Third Harbor Engineering(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 200000,China)Abstract:Based on the domestic offshore wind power project,the pile holder system of the Three Navigation Pile 20 pile driving vessel is designed to meet the projects pile driving requirements and improve the pile driving efficiency,which provides optimized solutions for pile holding and stabilizing for offshore pile driving construction.Key words:pile driving vessel;offshore wind power;pile frame;pile holder 0 引言引言“三航桩20”作为1艘超大型打桩船，桩架高度133 m，能适应桩径4 000 mm、桩重400 t、桩长(105h)m的典型钢管桩的打桩要求（h为水深），性能参数能满足大型桥梁桩和风电桩的施工要求，在国内同类船型中性能卓越1。“三航桩20”桩架布置图见图1。打桩船抱桩装置的作用是将桩相对固定在龙口上，以方便对桩进行定位。打桩船通常在桩架下部设置1套大型液压抱桩器，同时为了兼顾小桩或方桩，还设有机械背板。“三航桩20”原船配备1套下抱桩器以及1套上扶桩器2。“三航桩20”下抱桩器见图2，“三航桩20”扶桩器见图33。图 1 “三航桩 20”桩架布置图 作者简介：翟东俊（1989），男，工程师。研究方向：船舶与海洋装备。47 图 2 “三航桩 20”下抱桩器图 图 3 “三航桩 20”上扶桩器图 1 抱桩装置改造设计的需求抱桩装置改造设计的需求“三航桩20”在投入使用后，其优异的性能在海上风电打桩施工中发挥了重要作用，但其抱桩装置在波长长、涌浪大的海域适应性不强，一方面手动变径的形式在海上是海上施工过程中存在安全隐患，另一方面抱桩装置结构强度无法满足施工过程中的涌浪导致的桩管挤压，结构出现变形。鉴于以上原因，需设计一种结构强度更强、变径操作自动化的抱桩器方案。2 桩架抱桩器改造设计方案桩架抱桩器改造设计方案 该抱桩器包含上、下各1套抱桩系统。该抱桩器机械结构上采用大、小臂实现合围，通过支撑缸的伸缩来适应不同桩径的需求，桩径在3 000 mm3 500 mm范围内可调节。抱桩器结构如图4所示，抱桩器结构俯视图如图5所示。48 cademic Research 技术交流 A 图 4 抱桩器结构主视图 图 5 抱桩器结构俯视图 考虑到抱桩器完全打开状态与龙口结构互相干涉，上下抱桩器采用差异化设计，1#平台因桩架结构的影响，故小摇臂油缸行程相对减小以避免干涉，抱桩器完全打开状态见图6。2#平台抱桩器完全打开状态见图7。图 6 上抱桩器完全打开状态图 图 7 下抱桩器完全打开状态图 49 3 抱桩器控制系统设计方案抱桩器控制系统设计方案 该系统主要包含上、下抱桩器动力系统（含液压缸、控制阀组、管路系统等）、液压动力站及配套的电控操作系统等4。3.1 抱桩器油缸设计抱桩器油缸设计 为提高抱桩器控制系统的可靠性及流量的调节范围，液压动力站采用双泵组型式，2套泵组可以合流使用以获得较高的液压缸工作速度，同时双泵组形式具备1用1备的功能，在其中1套泵组出现故障时，依然可以在降低速度的情形下完成工作5。同时，考虑到大小臂缸与支撑缸尺寸规格相差较大，在对支撑缸进行调整时，可启动其中 1个液压泵，满足支撑缸调整时的小流量需求，使该液压动力站的调速范围更大，也节省了液压动力站的能量消耗。液压油缸参数表见表1。表 1 液压油缸参数表 序号 部位 油缸名称 缸径/mm 杆径/mm 行程/mm 额定工作压力/MPa 数量/个 1 1#抱桩器 大摇臂油缸 420 250 955 22 2 2 小摇臂油缸 420 250 726 22 2 3 支撑油缸 100 70 500 22 4 4-2#抱桩器 大摇臂油缸 420 250 1 032 22 2 5 小摇臂油缸 420 250 1 743 22 2 6 支撑油缸 100 70 500 22 4 3.2 抱桩器控制阀组设计抱桩器控制阀组设计 在每个抱桩器单元中，包含大臂缸2件、小臂缸2件以及支撑缸4件。在上述作动器中，抱桩器大臂及小臂缸用于驱动大小臂完成抱桩器的合围动作，而支撑缸为适应桩径的不同而调整并使桩实现居中。考虑到实际工况的需求，对大小臂缸及支撑缸需分别进行单独控制，为此，在每组抱桩器上，需要8组控制阀组对8根液压缸进行控制。控制阀组原理图见图8。图 8 控制阀组原理图 为使各液压缸能在施工过程中保持位置，故在控制阀组中设有液控单向阀，同时考虑到海上施工受涌浪的影响，为避免因外部负载导致锁紧的液压缸产生增压，继而引起管路及液压缸损坏的可能，该控制阀组设有双向溢流阀来限压，同时通过控制阀组的其他阀，也可实现非承压腔的补油以防吸空。在控制阀组中设置单向节流阀，可与比例变量泵配合，进行更为精细的速度调整。尽管支撑缸的驱动流量较小，但8组液压控制阀依然均采用相同的元器件，以便简化备件的规格及种类。3.3 抱桩器液压泵站设计抱桩器液压泵站设计 为使液压缸达到较快的运行速度以缩短工作循环时间，对于大小臂缸动作需要较大的系统流量，但对规格较小的支撑缸而言，在大流量下，其运行速度过快，且支撑缸的主要功能在于调整桩的直径，显然需要较低的速度以便作精细调整。鉴于此，液压泵站在大小臂液压缸运行时系统输出较大的流量，而支撑缸运行时系统输出较小的流量。这样可以在缩短工作循环周期、支撑缸的精细调整以及系统的发热量方面达到较好的平衡。由此可见，液压泵站需采用2组相同的泵电机组，且采用比例变量泵。泵站原理见图9。50 cademic Research 技术交流 A 图 9 泵站原理图 2组比例变量泵出口处均配置有单向阀及电磁溢流阀，既可以合流工作输出大流量，也可以使其中的1个泵卸荷变为较小流量的单路输出。该设计方案可实现：在1个泵出现故障时，可以低速完成油缸动作，满足基本工作要求；在调整支撑缸时，可避免运行速度过快。单组抱桩器的半循环（开启或闭合）时长为5 min，按照已确定的液压缸规格，结合求得每组抱桩器半循环的最大容积变化量及其所要求的时长，可以确定液压泵站的最大流量，见表2。表 2 油缸流量核算表 序号 油缸名称 无杆腔 面积/mm2 单杠 活塞腔容积/L 活塞腔总容积/L 推力/kN 有杆腔 面积/mm2 单杠活塞杆腔容积/L 活塞杆腔总容积/L 拉力/kN 数量/个 总容积/L 1 大摇臂油缸 138 544.23 132.31 465.79 3047.97 89 456.85 85.43 300.75 1 968.05 2 435.48 2 小摇臂油缸 138 544.23 100.58 3 047.97 89 456.85 64.95 1 968.05 2 331.06 3 支撑油缸 7 853.98 3.93 15.71 172.79 4 005.53 2.00 8.01 88.12 4 23.72 4 大摇臂油缸 138 544.23 142.98 768.92 3 047.97 89 456.85 92.32 496.49 1 968.05 2 470.59 5 小摇臂油缸 138 544.23 241.48 3 047.97 89 456.85 155.92 1 968.05 2 794.81 6 支撑油缸 7 853.98 3.93 15.71 172.79 4 005.53 2.00 8.01 88.12 4 23.72 7 活塞腔容积最大值/L 768.92 活塞杆腔容积最大值/L 496.49 半工作循环 最大容积/L 768.92 8 活塞腔总容量/L 1 266.12 活塞杆腔总容量/L 813.26 液压缸总容积/L 2 079.38 已知半工作循环最大容积V=768.92 L，半工作循环时长t=5 min，液压系统容积效率为0.9，工作压力p1=22 MPa，安全阀压力p2=25 MPa，则液压系统净输出流量为Q1=153.78 L/min，液压系统总流量为Q2=170.87 L/min。计算公式为 51 P=pQ/60 （1）式中：P为液压系统功率，kW；p为液压系统压力，MPa；Q为液压系统流量，L/min。由此可算出净功率为62.65 kW，最大功率为71.20 kW。已知电机功率为0.9，拟选用泵电机为2组，则单组泵电机功率为34.81 kW，故选用电机功率为37 kW；液压泵计算排量为57.92 mL/r，选用排量为60 mL/r。由此可确定液压泵选用型号为A11VLO60EP。3.4 抱桩器电控及遥控系统设计抱桩器电控及遥控系统设计 由于该液压系统相对简单，本液压系统的电控系统，不采用PLC作为控制系统的核心，而采用更为传统的继电器控制回路来实现所有的控制功能。根据前文所述，该系统有16根油缸，每根油缸需要控制伸出及缩回动作，完成所有的调整至少需要32个按钮，再加上泵的启动及停止按钮（2个泵、4个按钮）、比例泵变量调整电位计2件、控制器供电开关1件，完成该系统控制的最少按钮/开关为39个。考虑到2组泵的配置完全相同，采用选择开关来减少按钮数量：通过选择上或下抱桩器，可以减少1/2（即16个）的液压缸动作控制按钮。对于泵站而言，也可以同样处理：3段选择开关可以分别指定1#或2#泵或1#+2#启动。经过这样的减并，按钮/开关数为23，以上、下抱桩器为划分依据，分2个按钮盒。4 根据现场情况的方案优化设计根据现场情况的方案优化设计 液压动力站输出的流量将被送至2套抱桩器（高程不同）。1）由于抱桩器液压缸的安装位置距离甲板垂直高度差较大，为了防止维修管路时油液倒灌，在管路上加装手动截止阀。2）对于每根液压缸，在其工作油口处也加装截止阀，以免维修时出现大量油液的渗漏。3）为了设备的安全，在液压泵站上装有液位 继电器，以免液位过低时启动液压泵造成吸空损坏的风险。4）由于该液压系统并非连续工作，且采用比例变量泵，系统的发热影响不予考虑，该泵站无冷却系统。5）2套抱桩器共计16套液压缸，其中有16组液压控制阀及32根连接液压缸的工作管路。考虑到尽量减少上桩架的管路数量，上、下抱桩器各作动器的控制阀组就近布置在桩架上，由此，爬上桩架的液压管路仅为P、T管。6）考虑到管路内油液容量较大及各作动器的伸出及缩回状态下容积差较大，在油箱容积设计时需要考虑到该因素，可选用投影面积较大的油箱及容积较大的油箱，以免工作状态下油箱液位波动太大。5 结论结论 优化设计后的抱桩器增加了抱桩直径，达 3 500 mm，同时提高了结构强度，有效避免钢桩撞击导致的变形；上、下抱桩器的形式确保了桩的位置，减轻现场涌浪对于打桩的影响，且显现了变径遥控控制的安全可靠，有效适用于深远海、波长长、涌浪大的施工区域。参考文献：参考文献：1 刘天文,季剑远.双层大直径抱桩器的开发及应用J.船舶工程,2016,38(增刊 1):85-88.2 高峰,李杰.140 m 级超大型打桩船的抱桩器设计J.起重运输机械,2022(3):62-66.3 沈火群,孙钦扬,胡灵斌,等.133 m 超大型打桩船“三航桩 20”的研制J.中国港湾建设,2022,42(3):71-76.4 刘冬一,宋豫.海上风电安装船用纠偏式抱桩器液压系统的设计J.黑龙江科学,2018,9(1):18-20.5 韩锦鹏.大型打桩船桩架结构设计及优化研究D.江苏镇江:江苏科技大学,2020.