（机械制造及其自动化专业论文）大型构件气动顶升搬运系统创新设计研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 气动系统以绿色环保、良好的操控性能等优点广泛应用于生产诸领域，特别 是基于气囊的沉箱出运技术，在大型构件搬运中占有越来越重要的地位。面对港 1 3 建设对大型构件顶升搬运的旺盛需求，气动顶升搬运大型构件系统创新设计的 研究与应用对我国港口的现代化建设具有十分重要的现实意义。 本文分析和总结了国内外大型构件顶升搬运的现状，存在着适应性差、成本 高等不足，为解决这些不足，结合现有气囊出运大型沉箱的成果，根据系统论的 观点，针对大型构件的陆地顶升与搬运，我们创造性地提出了气动顶升搬运系统 的概念，利用功能分析的方法，将典型的顶升、搬运及同步控制等子系统创造性 组成气动新系统，并构建系统结构模型、界定系统功能。 顶升、搬运等子系统是本系统的关键部分，直接关系到系统的使用性能和可 靠性，气囊集群作为核心部件更是设计的关键，我们通过理论分析和实验研究的 方法，确定了气囊集群布置方式和气囊的结构模型及参数；建立了牵引装置及其 布局的设计方法。控制子系统关系到整个系统工作的可操控性，是实现所有功能 的中枢，我们根据搬运大型构件的运动要求，利用电机交频控制器的d s p 系统实 现了同步控制。 实践是检验系统性能的最佳手段，该系统在山东港湾建设有限公司威海港口 第四期建设工程中进行了试用，并对试用情况进行了评估分析，该系统大大减少 了企业对于超大型装备的依赖、降低了对施工地域地基础的要求，提高了企业承 接大型构件工程的能力，在港口建设、船舶下水等领域将有极好的应用前景。 关键词：大型构件；气囊集群；顶升；搬运；系统 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep n e u m a t i cs y s t e md u et oh i sg r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , g o o do p e r a t i o n a n dm a n yo t h e rg o o dp e r f o r m a n c e si sw i d e l ya p p l i e dt om a n yv a r i o u sd o m a i n so f p r e d u c t i o nt h et e c h n o l o g yo f t r a n s p o r t i n gc a i s s o nb yu s i n gb a l l o n e ti sb e c o m i n g m o r c a n dm o r oi m p o r t a n ti nt h eh e a v ya n dl a r g e - v o l u m ec o m p o n e n tt r a n s p o r t i n g 僦ty e a r s ko r d e rt os a r i s f yt h ed e m a n do f t h eh e a v ya n dl a r g e - v o l u m ec o m p o n e n tt r a n s p o r t i n gi n h a t , o rc o n s t r u c t i o n , i ti sr e a l i s t i ca n di m p o r t a n tt os t u d ya n di m p r o v et h ed e s i g no ft h e s y s t e mo f u a n s p n r t i n gb yu s i n gt h em e t h o do f b a l l o n e tl i r i n g t h ep r e s e n tp a p e ra n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f t h eh e a v ya n d l a r g e v o l u m ec o m p o n e n t st r a n s p o r tw h i c h i su s e di nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n , t h e r ea r e m a n yi n s u f f i c i e n t , s u c ha st h eb a dc o m p a t i b i l i t ya n dt h eh i g h o rc o s t ，n e e d e dt ob e i m p m v e d b a s e do nt h ee x t e n s i v er e s e a r c ho ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g na c t u a l i t yo f l i f t i n ga n dc o n v e y i n go ft h eh e a v ya n dl a r g e - v o l u m ec o m p n n e m t s , c o m b i n e dw i t ht h e e x i s t i n ga c h i e v e m e n t so ft r a n s p o r t i n gc a i s s o nb yu s i n gb a i l o n e t , t h ec o n c e p t so f p n e u m a t i ct i f f i n ga n dc o n v e y i n gs y s t e mi sc r e a t i v e l yp u tf o r w a r di nt h i sp a p e rf o rt h e l a n dt r a n s p o r t i n ga c c o r d i n gt ot h es y s t e mt h e o r y b yu s i n gt h em e t h o do ff u n c t i o n a n a l y s i s ，t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ep n e u m a t i cl i i t i n g , t r a n s p o r t i n ga n ds ”c h r o n a l c o n t r o ls y s t e m t h em o d e lo f t h es y s t e ms t n m t u r ei sb u i l tu p ，t h ef u n c t i o no f t h es y s t e m i sd e f i n e da n dt h er e l a t i v es u b s y s t e m sa r ea l s ob u i l tu p p n e u m a t i cl i f t i n gs u b s y s t e ma n dt r a n s p o r t i n gs u b s y s t e ma r et h ek e yp a r t so ft h i s s y s t e m t h e ya r er e l a t e d 诵t h t h eo p e r a t i o n a lc a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m a s t h ev i t a lp a r t , t h eb a l l o n e tg r o u pi st h ek e yo ft h es y s t e md e s i g n b yt h em e t h o d so f t h e o r ya n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y , t h ea r r a n g e m e n to fb a l l o n e tg r o u pa n dt h e s t r u c t u r em o d e la n dp a r a m e t e r so f b a l l o n e r sa r ef o u n d e di nt h i sp a p e r a tt h es a n l ot i m e , t h ed e s i g nm e t h o do f 仃a c t i e q u i p m e n ta n di t sa r r a n g e m e n ti sa l s of o l u l d a d t h e c o n t r o ls u b s y s t e mr e l a t e st ot h eo p e r a t i o nc a p a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m , a n di st h e b a c k b o n eo fa no t h e rf u n c t i o n s a c c o r d i n gt h ed e m a n do ft h eh e a v ya n dl a r g e - v o l u m e c o m p o n e n t st r a n s p o r t i n g , t h ed s ps y s t e mo fe l e c t r om o t o r sf r e q u e n c yc o n t r o l l e ri s u s e dt or e a l i z et h es y l l c b l 枷z a l j c o n t r 0 1 t h i ss y s t e mh a sb e e nu s e dt ob u i l dt h e4 印p e r i o dp r o j e c t so fw e i h a ih a r b o rb y s h a n d o n gb a yc o n s t r u c t i o nc o l i m i t e d b ye v a l u a t i n gt h ee f f e c to fu s i n gt h i ss y s t e m , w ec o n c l u d et h a tt h i ss y s t e mh a sg r e a t l yr e d u c e dt h ed 印d e n o nh e a v ye q u i p m e n t s ， l o w e rt h er e q u e s tt ot h eb a s i so ft h ec o n s t r u c t i o na r e a , a n de i t h a n c et h ee n t e r p r i s e s v 山东大学硕士学位论文 e a p a b i l i t yt ou n d e r t a k et h eh e a v ya n dl a r g e - v o l u m ec o m p o n e n t s t h e r ew i l lb ea l l e x c e l l e n tp r o s p e c ti nt h ef i e l d so f p o r t sc o n s t r u c t i o n , s h i pl a t m e h i n g e t c k e yw o r d s ：h e a v ya n dl a r g e - v o l u m ec o m p o n e n t s ；b a i l o n e tg r o u p ；l i f t i n g ； t r a n s p o r t i n g ；s y s t e m v l n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任f h 本人承担。 论文作者签名：重逢企日期：兰望：翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童：汪企导师签名论文作者签名：垫眨! 砭：导师签名 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的理论意义和应用价值 随着我国综合国力的提高和融入世界进程的加快，港口建设快速蓬勃发展， 码头建设越来越朝大泊位、深水泊位方向发展；同时，与之相适应的沉箱也逐渐 向大型化发展，沉箱尺度规模越来越大，沉箱的自重、跨度和体积也越来越大。这 些大型建筑构件的安装与运输就成为一个越来越迫切解决的问题，特别是大型建 筑构件的陆上搬运需求就越来越迫切。这些港口用建筑结构件沉箱的自重大、体 积大、跨度大、高度高，无疑对陆上搬运技术提出了更高更严格的要求，因此， 大型建筑结构件气动搬运系统的研究对加快我国港d 的现代化进程，具有十分重 要的现实意义。 随着生产工艺和要求及设备制造业的发展，出现的这些大型甚至超大型的建 筑构件，由于现场条件的局限，设备的重量远远超出了常规起重设备的额定承载 能力，因此气动提升装置在这方面突显优势，在吊装市场的占有重要地位。气动 搬运设备是液压系统的延续和发展，陆上水平移动以滚动气囊和卷扬机组成，气 动提升设备由超高压气囊集群组成，比液压系统技术更经济、更环保，是超高超 重设备吊装的重要工具之一。气动搬运设备的起重搬运能力可达数千吨级，常用 于超重、超高、大跨度的构件安装。其主要工作特点： ( i ) 起重量不受限制，通过气动提升系统的扩展组合，能满足千吨级甚至万 吨级构件的吊装。 ( 2 ) 同步控制，安全受控。 ( 3 ) 可操作性好，气动提升系统体积大，重量轻。 ( 4 ) 顶升过程平稳，无附加冲击载荷。 ( 5 ) 对起重搬运的基础要求低，特别适合临时预制场的工程。 ( 6 ) 有利于保护建筑构件，采用分布荷载，避免了液压起重的集中载荷。 气动顶升搬运系统的关键技术是气囊制造技术以及同步控制技术，其发展经 历了气囊出运、气囊顶升及同步顶升搬运阶段，目前发展成为连续式同步顶升搬 运控制技术。系统实现完全同步控制，负载均衡、姿态校正、操作闭锁、过程显 示等工作，大大提高了工程实施的安全可靠性，保证工程质量。这类装置不仅在 船舶建设工程中，而且在国内港口工程建设中也发挥着重要的作用，例如中港四 航局第一工程公司东江d 预制厂2 2 1 2 t 沉箱搬运如图i 1 所示，3 0 0 0 t 广顺号油轮下 山东大学硕士学位论文 水如图l - 2 所示。因此，大型建筑构件的陆上顶升搬运需求量大，特别是我国北方 地区的许多港口、防潮坝建设需要大量大型建筑构件，同时，由于这些港口属于 沉积土质，易沉降，这就加大了对气动顶升搬运系统的需求，其应用前景好。 图1 1 中港四航局第一工程公司东江口预制厂2 2 1 2 t 沉箱搬运 图1 - 23 0 0 0 t 广顺号油轮气囊下水 1 2 我国大型构件常用陆地上的顶升搬运方法 1 。2 1 千斤顶顶升大型构件 中港第一航务局第五工程公司在秦皇岛港煤四期码头工程中对长2 6 2 6 m 、 宽9 9 2 m ，高1 8 5 m , 超长沉箱，采取在陆域进行预制、溜放和水上接高的方法 2 山东大学硕士学位论文 旌工。使用l o 台5 0 0 t 油压千斤顶，东西两侧对称，每侧各布置5 台，顺利进行 了此超长沉箱的顶升作业莆田八重洲饲料有限公司商住楼顶升平移施工，顶 升要求受力梁规格大强度高，由基础粱承受结构荷载嘲天津港北大防波堤一期 工程采用4 台专用的1 0 0 t 千斤顶放入顶升槽内进行支顶半圆体结构嘲。千斤顶顶 升工艺即预先在预制台座上布置千斤顶基础，然后设置顶升沟槽，大型构件预制 完成后从顶升沟槽放置千斤顶，利用千斤顶将沉箱顶升。大型构件一般需要使用 多个数百吨的千斤顶，地基处理需要采用强夯、加大的基础，造价高，地基处理 时间长。在沉箱顶升过程中，诸如需要人员钻入地沟，放置千斤顶时位置必须准 确，顶升时各千斤顶操作必须同步、顶升过程时间长等，操作起来比较繁琐。 1 2 2 采用轨道滑车出运沉箱 轨道滑车施工工艺是比较传统的施工工艺，如图1 - 3 所示，已经有几十年的 历史，有着成熟的施工技术，如：中港第一航务局第五工程公司在秦皇岛港煤四 期码头工程中对长2 6 2 6 m 、宽9 9 2 m 、高1 8 5 m 超长沉箱，采取轨道与纵横移 车相结合的出运工艺。横移车乘载沉箱的全部重量，轨道应满足横移车的线荷载 要求，由力矩平衡和虎克定律可知：根据横移车的线荷载决定沉箱在平台上的最 大预制高度。实现沉箱横移需要配置如下设施： 预制平台：2 0 m 2 0 m 平台共8 个； 吊机：d q m5 4 0 3 0 型2 台，吊力l 似变幅1 8 - 3 7 m ) ； 横移车：两列，自重2 3 5 t ，列，中心轨距为8 m ： 纵移车：两列自重2 6 1 8 t ，列，中心轨距为9 m ： 斜架车：一架限重20 0 0 t ： 绞车房：3 0 t 绞车2 台，lo t 绞车2 台； 电绞盘：5 t 1 台； 油压千斤顶：顶力5 0 0 t , 1 0 台。 可以看出采用轨道出运大型构件存在如下缺点： ( 1 ) 该工艺需要设置轨道梁、钢轨、平移滑车等设备，投资费用高，往往为 业主单位所不能接受，在投标中也处于不利地位。 c 2 ) 钢轨、滑轮、沉箱全部为刚性接触，很容易产生不均匀受力，设备损坏 率高，需要经常检查更换。 ( 3 ) 对轨道水平平面要求高，在使用过程中维修率高，需要定期对轨道梁翻 3 山东大学硕士学位论文 修。 ( 4 ) 沉箱上浮船坞时对搭岸结构的要求高，限制了所使用的浮船坞的船型。 ( 5 ) 对沉箱预制适应性不强，如平面尺寸变化、沉箱重心发生变化等，都需 要对预制场及出运设备进行相应调整。 图1 - 3 轨道式出运大型建筑构件 1 2 3 采用其他方式搬运大型构件 采用顶升平移法的整体搬迁2 0 0 0 m a 自重6 0t 的大型拱顶油罐，大型油罐的 技术参数如下：油罐高1 4 3 m 、直径1 4 5 m 、罐的上部壁厚6m i l l ，罐的中间壁厚 8i n n l ，罐的下部壁厚1 0 m m ，罐底板的厚度8m m ，材质为q 2 3 5 - a 啪在上海东 方明珠广播电视塔钢天线桅杆、北京西客站主站房钢制门楼、北京首都机场四机 位机库的网架屋顶以及6 0 0 0 吨上海大剧院钢屋架等工程中，这些大跨度钢桁架结 构采用滑移法整体提升技术嘲，并且采用脉宽调制方法实现同步控制嘲m 嘲。采用 气囊搬运大型沉箱啪、实现船舶上排与下水“”，克服了以往中小型船厂修造船 能力受制于固定式下水滑道的弊端，发展成为今人极具灵活性的柔性下水技术， 可节省大笔修造大型船舶下水滑道的资金。由此可见，大型构件的顶升搬运应用 于各个行业。 t 山东大学硕士学位论文 1 3 国外大型构件和设备顶升搬运的现状 ( 1 ) 大型移动式起重机的发展情况为实现整体吊装，对起重设备的起重能 力、作业空间、安全可靠性都有很高要求，如果是多机同时吊装，还需要具备协 调控制能力。为此大型移动起重机在吊装方面有很大的施展空间，也因此而得以 不断发展。当前大型移动起重机的主要有“”： 1 ) 最大吨位已超过1 0 0 0 t 履带起重机，例如d e r r a g 公司的c c l 2 6 0 0 型起重 量为1 6 0 0 t ，l i e b h e r r 公司的l r l l 2 0 0 起重量为1 0 0 0 t 。 2 ) 轮式起重机主要包括全地面起重机、汽车起重机和越野轮胎起重机，其中 全地面起重机的吨位跃居三者榜首。受其伸缩臂结构自重和伸缩机构等限制，与 履带起重机相比，起重吨位相对小些，不过也接近千吨级。如：l i e b h e r r 公司最 大吨位l t m l 8 0 0 型8 0 0 t ，d e f r a g 公司的a c 7 0 0 型7 0 0 t 和t a d a n o 公司的5 5 0 t 都 是全地面起重机m ，。 3 ) 采用超起装置的超大型起重机，如： 4 a n i t o w o c 公司的2 2 5 0 型履带起重 机，标准型起重量为2 7 2 t ，增设超起臂架和超起配重后，起重量为4 5 0 t ，而增设 环轨超起装置，并改用重型臂架后，起重量可达到1 3 0 0 t 。 ( 2 ) 起重业的专业分工更细有些公司专门从事港口集装箱起重设备的安装， 有些公司专门从事钢屋架的液压顶升，有些公司专门从事超高超重设备的吊装， 他们充分利用液压提升设备的特点用于超重、超高、大跨度的构件安装。这些液 压提升设备的主吊均采用大吨位的液压千斤顶，其主要工作特点： 1 ) 起重量不受限制，通过液压提升系统的扩展组合，能满足千吨级甚至万吨 级构件的吊装。 2 ) 同步控制，安全受控，可手动控制和完全自动控制。 3 ) 可操作性好，液压提升系统体积小，重量轻。 4 ) 吊装过程平稳，无明显附加冲击载荷。 ( 3 ) 大量采用扩大作业空间的新结构、新工艺为实现大顶升高度和大幅度， 大型起重机的起重臂广泛采用主副臂的组合结构。主臂、主臂与固定副臂、主臂 与塔式副臂等这三种结构组合己成为大型起重机的必备组合方式。 除此以外，履带起重机又出现了新的臂架组合方式：副臂通过过渡节直接与 主臂连接，副臂上连接副臂，使其作业空间得到了有效扩大，最大作业范围可达 到2 0 0 m 以上，现已应用于l i e b h e r r 和m a n i t o w o c 公司的起重机上。 直升机吊装工件比较普遍对于一般起重机械不能够完成的吊装工作往往考 虑使用直升机进行吊装，有些直升机的起吊能力达到几十吨。例如：世界第一高 5 山东大学硕士学位论文 塔加拿大多伦多电视塔其发射天线钢桅杆就是采用直升机分段吊装而成的。 ( 4 ) 注重信息化的集成和设备自动化，强化安全报警系统“砌液压传动是目前 移动式起重机普遍采用的传动方式，装备了先进的微电子智能功率控制系统。这 些控制系统的不断更新，为提高起重机的调速性能、降低操作强度、延长设备使 用寿命、降低使用成本提供了保证。而数据总线控制技术在起重机上的应用，将 发动机控制、液压控科、安全监测状态监控和极限载荷限制集为一体，通过总线 方式进行信息传递与控制，实现了控制上真正意义的自动化与智能化。同时借助 图形化的显示屏显示起重机的所有信息，例如系统状态、技术参数等嘲一伽，甚至 可协助操作者进行故障诊断，显示故障原因、部位及处理方法。这种先进的控制 系统显著提高了控制系统的可靠性、作业安全性、操作舒适性和工作效率。例如 d e f r a g 和l i e b h e r r 公司嘲嘲。一般的起重机械都采用计算机控制，能够准确计 算出工件的重量，监控机械的工作状态，并有报警与自锁功能以及其它辅助功能。 1 4 大型构件气动顶升搬运系统的提出 i 4 1 气动顶升搬运技术分析 ( 1 ) 气动技术的发展历程、趋势和特征气动技术是以气体为工作介质传递 信号和动力以实现生产机械化和自动化的一项技术。工业气动是采用压缩空气来 实现动作和控制的功能，约有5 0 年的历史。在二次世界大战后不久，由于各国科 技迅速进步和经济繁荣，迫切需要提高生产机械化和自动化的水平，以提高产品 质量和增加劳动生产率工业界在寻求高效率、低成本、安全可靠又有较长使用 寿命的自动化元件和技术。气动技术应运而生：元件简单可靠并容易掌握，可采 用高效生产工艺大批制造，适合生产空间各种复杂动作，可与电控装置和计算机 配套使用等，促使气动技术在各行各业广泛应用“。 1 ) 气动技术的发展历程是从单个元件到控制系统，从单纯机械制品到机电 一体的复杂高科技产品的历程。由风动技术和液压技术演变、发展而成为独立技 术门类的气动技术，已经在自动化控制领域内得到广泛的应用，显示出强大的生 命力，成为2 0 世纪应用最广、发展最快、也最易被接受及重视的技术之一工业 各领域如机械、电子、钢铁，运行车辆及其制造、橡胶、纺织、轻工、化工、食 品、包装、印刷、烟草等，气动技术己成为不可缺少的基本部分。在尖端技术领 域如核工业或宇航，气动技术占据了重要地位，在农林、园艺、楼宇自动化等范 畴，也得到了应用“”。 山东大学硕士学位论文 2 ) 气动技术的发展趋势近1 0 来年内自动化技术经历了令人瞩目的飞跃性 发展，突出表现在：自动化设备的应用覆盖面越来越广，从原先只应用于简单、 重复的工艺过程扩大到复杂的工艺过程；自动化机器在性能和功能上都有显著的 提高，机器的节拍时间更短，运动精度史高，同时能与计算机直接联接，从而更 快和更准确地进行生产管理；由于产品的多样化使柔性生产设备得到越来越广泛 的应用，这类设备要求能非常快捷地对之进行重新编程，以实现同一机器对不同 种类或尺寸工件进行加工。从而大幅度地降低设备投资并实现小批量产品的生产 自动化；要求越来越短的设备设计、制造，调试周期和设备停机维修时间 3 ) 气动技术持续发展的重要特征科学技术、材料、工艺的新发展和人们观 念的变化以及市场的需求，带动气动技术飞跃地发展，建立了具有明显特色的技 术方法。气动的持续发展必须体现在一些比较重要的特征上：通过小型化设计， 提高元件功效，尺寸不断小型化和功能不断强化是气动元件发展的必然趋势；发 展装配简易性及商性能的连接技术，在一定应用条件下，都具有或多或少的随意 组合性。集成化充分兼顾模块化，即在设计时必须考虑集成模块或单元的兼容性； 部件应用性能的扩展性强；结构维护保养方便；系统能力的概念；气动集成到包 括其它各种技术的整个系统的集成能力；具有长的使用寿命。 ， 4 ) 气动作为普遍应用的传动和控制方式，为全世界各个工业部门所接受并广 泛应用，也是由于具有以下许多优点： 气动技术以空气为工作介质，空气随处可取，且粘性小，在管内流动阻力小， 便于集中供气和远距离输送。因而，大多数工厂有方便的压缩空气气源。作为工 作介质的压缩空气的物理性质，使气动技术在广泛的各种应用中具有安全、方便 和费用低的优点。压缩空气没有产生火花的危险。因此，适宜于有易燃或爆炸潜 在危险的工况。 气动元件结构简单，价格低廉，用过的空气可向大气排放，处理方便，不必 使用回收管道。 气动系统清洁，即使有泄漏，也不会像液压系统那样污染产品和环境。不受 电磁干扰，电子系统则有之。 气动系统维护不复杂，也不需要特殊的培训和试验设备。 适应性强，现有的机器可方便的改为气动传动，气动执行元可以直接安装在 要求出力的地方。 便于进行能量储存，可以进行应急或系统需要用。 7 山东大学硕士学位论文 气压传动本身有过载保护性能。气动执行元件能长期在满负荷下工作，在过 载时会自动停止。 气动元件运动速度高。普通气动执行元件运动速度一般为0 0 5 - 0 7 m s ，有的 高达1 - 3 m s ”1 ( 2 ) 气动搬运技术该技术近年来在我国施工行业逐步发展起来的新兴的大 型构件出运新技术，气囊搬运大型构件新工艺是受气囊船舶下水工艺的启发，于 1 9 9 7 年利用起重气囊搬运技术在福建深沪港i | 缶时预制场首次搬运重4 8 0t 沉箱成 功，随后在2 0 0 0 年和2 0 0 3 年广西防城港和汕头港广澳一期工程的施工中，采用 该工艺又分别顺利搬运了5 0 0 t 和9 0 0 t 重的沉箱，从而为预制混凝上构件的出运 开辟了新的途径。这一技术由于采用气动技术，传递动力采用压缩空气，从而可 以保证生产施工的绿色特性，实现了生产的环保性；同时，由于该技术采用气动 传动，加大了承载面积，降低了单位面积承载力，有利于企业降低生产成本；显 示了该技术的巨大顶升能力和其他优越性能，因而受到工程界的广泛关注。这种 新颖的起重技术在大吨位、大体积构件顶升方面的特点和优越性，是传统的液压 式起重技术不能比拟的，随着气动顶升技术应用的推广和发展，并且由于控制技 术发展，使这种新工艺的科技含量日益提高仰n 町“” 1 4 2 大型构件气动顶升搬运系统的提出 大型构件气动顶升搬运系统的设计就是在气囊搬运大型构件新工艺的基础 上，从系统论的观点，就气动顶升技术、气动搬运、变频调速技术、供气系统等 进行优化组合，形成了集顶升与搬运于一体的气动新系统。由于其内容涉及到气 动技术、起重技术、变频调速、建筑工程等众多学科领域，相关性较强，是多领 域的交叉融合，这更加大了设计的难度。 我们通过大型构件气动顶升搬运系统的设计研究发现，该系统具有下列优势： ( 1 ) 绿色设计绿色生产在系统设计过程中就充分考虑到环境因素和预防 污染的措施，将环境性能作为系统的设计目标和出发点，力求使该系统对环境的 影响达到最小，这是我们采用气动技术的一个重要原因。相对于真正的清洁生产 技术而言，这里所提到的清洁生产仅仅指生产施工过程。在这一环节，着眼于绿 色生产进行选择绿色生产工艺技术、绿色生产工艺设备与装备等，采用气动技术、 使用气囊等装备是绿色生产的集中表现。 ( 2 ) 系统结构简单，操作方便安全整个气动搬运顶升系统主要由项升、搬 8 ， 山东大学硕士学位论文 运、供气、控制等四个子系统组成，系统的结构简单。操作简易安全，顶升时利 用卷扬机将气囊拉入顶升沟，无需操作人员进入顶升沟，有利于施工操作人员的 安全：利用空压机对起重气囊充气就可以将沉箱等大型构件平稳地顶升，可以有 充分时问观察沉箱等大型构件姿态情况，待顶升构件到位后进行定位后，对气囊 放气完成后，将气囊抽出即可。 ( 3 ) 系统适应强成本低气囊顶升搬运时因为荷载分布均匀，避免了因为 局部荷载过大而使地基产生的不均匀沉降，避免了在顶升过程中因局部沉降过大 造成对混凝土基础的损坏。对地基承载力要求低，由于气囊底部承载力受力均匀， 再通过顶升沟的混凝土基础将荷载分散传递给地基，这就进一步对地基承载力的 要求。这使得该系统具有更为广泛的使用范围，即可在地基础差别较大的区域使 用，增强了系统的适应性。这样，在生产施工中，与普通的起重设备相比就大大 简化了基础处理的工作量，降低了基础处理的成本，特别是节省了处理专用顶升 沟混凝土基础的费用。 ( 4 ) 具有良好的应用前景目前船舶等大型金属结构件、港口建设用沉箱以 及防波堤坝工程用大型水工构件等需要量非常大，我们先后对天津港、威海港、 大连港、龙口港、福州港等一系列港口进行了调研，并到中港第一航局第一工程 公司第十六项目部、山东港湾建设有限公司威海港四期工程项目部、大连港预制 厂等相关施工企业走访，他们每年都有大量在陆上预制在水上安装的大型构件， 这些大型构件需要从岸上预制厂顶升搬运到半潜舶等大型船舶上，这种大型构件 的陆海间顶升搬运是这些企业生产施工的重要部分，他们对大型构件气动顶升搬 运系统的需求非常迫切。 1 5 大型构件气动顶升搬运系统设计的主要内容 综合上面的分析，对以下问题作进一步的探讨与研究。 ( 1 ) 系统的总体设计：根据系统论的理论设计确定系统结构、子系统的结构 及其功能，完成系统结构框图 ( 2 ) 顶升子系统设计：拟提出顶升气囊布置方式的确定原则，进行超高压顶 升气囊的选用，完成顶升沟槽的结构设计、顶升气囊的选用。 ( 3 ) 搬运子系统设计：行走气囊的选用，卷扬机及地锚的布置图设计 ( 4 ) 控制系统设计：大型构件前后牵引同步控制设计、 ( 5 ) 拟探讨整体顶升中顶升气囊集群的同步原理、技术措施以及各承重气囊 9 山东大学硕士学位论文 负载的均衡性分析。 ( 6 ) 顶升搬运过程中的气囊使用一些常见问题 1 6 本章小结 本章在分析了大型构件和气动技术的特点基础上，对以下问题进行了分析： ( 1 ) 气动技术与港口建设的快速发展，需要大量大型构件，这些构件的顶升 搬运需要新型搬运系统，基于此我们首次提出了大型构件气动顶升搬运系统的概 念。 ( 2 ) 我们通过对大连港、天津港、福州港烟台港、威海港、龙口港等港口及 中港第一航局第一公司、山东港湾建设有限公司、大连港预制厂等相关企业的调 查，他们对气动顶升搬运系统又非常迫切的应用需求。 ( 3 ) 大型构件气动搬运系统的关键是系统的适应性、环保性、低成本及操控 方便性，我们采用比较法对大型构件顶升搬运现有方法与设备进行了分析，确定 了新系统的功能。 山东大学硕士学位论文 第2 章大型构件气动顶升搬运系统的研究 2 1 大型构件气动顶升搬运系统的界定 2 1 1 系统与系统论 2 1 1 ，1 系统的概念系统一词来源于拉丁文的“s y s t e m ，表示群、群合等。英 文中的s y s t e m 有多种中文释义，可以翻译成体系、系统、体制、方式、秩序、机 构、组织等。根据系统思想的发展，可以将系统定义为“系统是由两个或两个以 上可以相互区别并相互联系的要素为了达到一定的目的而形成的整体”然而， 现代关于系统的定义却不完全统一，一般可以理解为，系统是由两个以上相互区 别或相互作用的单元之间有机的结合起米，完成某项功能的综合体。每一个单元 也可以称为一个子系统，系统与系统的关系是相对的。个系统可能是另一个更 大系统的组成部分，而一个子系统也可以继续分成更小的系统。在现实中，一个 班组、一个分厂、一个部门、一次计划、一个研究项目、一套制度都可以看成是 一个系统。 由系统的定义可知，系统的核心在于： ( 1 ) 系统是由两个或两个以上的要素组成。要素是组成系统的基本元素，而 系统一定是由多个要素组成的，如果只有一个要素，那么这个要素本身就是一个 系统，但它是由许多更小的要素组成的系统。 ( 2 ) 要素和系统都是相对的概念。要素是相对于它所处的系统而言的。系统 是从它包含要素的角度来看的。一个系统总是隶属于其他更大的系统，而一个要 素也总是包含着其他的子系统。 ( 3 ) 系统要素应该能够区分。组成系统的要素应该能够从形态上区别出来，因 此，要素之间应该有明确的边界。 ( 4 ) 各个要素间相互联系，系统才能保持相对稳定，若将没有联系的要素放在 一起不可能成为系统。 ( 5 ) 系统具有一定的结构，才能保持系统的有序性，从而使系统具有特定的功 能。同样，系统要素间的结合具有明确的目的性，不同的要素组合、相同的要素 进行不同的结合可能目的都不会一样，但它们都是为了满足特定的目的才按照特 山东大学硕士学位论文 定的方式结合起来的。因此，要素间的结合都是为了达到特定的目的。 ( 6 ) 系统是一个整体。系统无论由多少要素、由什么样的要素组成，从形态上 讲应该是个能够与其他系统相区别的整体。 2 1 1 2 系统的分类对系统的认识，可借助系统论提供的方法，即通过分析结 构来认识系统，将系统进行分类是认识系统结构的方法之一 ( 1 ) 从现实系统的实际内容分类，系统可以分为； 1 ) 一般系统和具体系统。一般系统”( g e n e r a ls y s t e m ) 作为一个概念并给 出定义是由奥地利理论生物学家、一般系统论的创始人贝塔朗菲( l u d w i gv o n b e r t a l a n f y ) 1 9 6 8 年在他的一般系统论中提出的。他认为，随着科学的发展， 需要建立一种不考虑系统的特定种类、系统的组成元素的性质以及元素之间的相 互关系的通用性理论，这就是一般系统论，它通用于各种学科。根据这种分析， 一般系统就是指从各种现实系统中抽取特殊内容而得到的具有共性的抽象系统， 而存在内容的系统则为具体系统。 2 ) 自然、社会和思维系统。在科学研究的传统上，将对象世界分为自然系统、 社会系统和思维系统。思维系统是指由人的精神、心理、语言、文字、逻辑、思 维方法以及其他思维工具组成的系统。社会系统就是人类系统，除思维系统和社 会系统之外的其他系统就是自然系统。 ( 2 ) 根据系统的数学特征分类，系统可以分为： 1 ) 封闭系统和开放系统。与环境产生联系的系统就是开放系统，否则就是封 闭系统。 2 ) 静态系统( 无记忆系统) 和动态系统( 记忆系统) 如果一个系统在任意时刻 的输出只与该时刻的输入有关，而与该时刻之前或之后的输入无关，则该系统就 是静态系统，反之为动态系统。 3 ) 线性系统和非线性系统。当把系统的输入和初始状态线性迭加时，系统的 输出也能线性迭加，则该系统就是线性系统，否则就是非线性系统。 4 ) 连续系统和离散系统当系统的状态x 、输入集u 和输出集y 是离散集合 时，该系统就是离散系统。当最，及j ，是( 斤为实数集) 中的开集时，该系统 就被称为连续系统。 5 ) 确定性系统和不确定性系统。确定性系统是指系统的实时输入和实时状态 能明确唯一地规定下一个状态和实时输出，反之为不确定性系统，其被规定的是 山东大学硕士学位论文 _ li l 置置| 詈量e | 置量置舅舅舅薯鼍舅暑鼍置毫置- 一些可能状态集或可能输出集。 2 1 1 3 系统论对于系统论，贝塔朗菲在其一般系统论一书中指出：“系 统论是个广泛的概念，它远远超出了技术问题和技术需要的范围。它是从一般科 学以及从物理、生物、行为科学、社会科学到哲学等学科的需要而对它们进行重 新定向，它已经在许多领域中取得了不同程度的成功和成果，并预示了影响重大 的新的世界观。”现在我们己经看到，贝塔朗菲的预言已经变为现实，系统论已经 成为我们正确认识世界的一种科学方法。系统论不仅改造了旧有学科，更是众多 新兴学科得以产生的重要理论基础。 2 1 2 大型构件气动顶升搬运系统的界定 用系统观点来研究大型构件气动顶升搬运活动是本文研究的核心问题，顶升 搬运的灵魂在于系统。大型构件气动顶升搬运活动作为一个工程行为系统，通过 广泛的信息支持，实现以信息为中枢的项升搬运系统化，因而大型构件气动顶升 搬运系统的机能可以划分为作业予系统和信息子系统。前者包括项升、搬运等环 节。后者是指贯穿在上述诸环节中，为完成流动全过程中的信息系统。这两大子 系统的机能是不可分割的，相互紧密联系的一个有机整体。规划与建设一个具体 的大型构件气动顶升搬运系统要有明确的系统目标，把从供应地向接收地的货物 量作为一贯活动的物流量看待，依靠缩短搬运路线，使顶升搬运作业合理化、现 代化，从而降低其总成本。 ( 1 ) 搬运系统及其界定搬运系统是指系统中流动的物质实体和它们经过的 各种顶升、贮存、转换的设备、设施及其与之相关的信息、人员、器具、设备等 组成的具有特定功能的有机整体。它要为社会经济系统或企业生产系统服务，服 从它们的整体目标。而系统分析作为一种决策的工具，其主要目的在于为决策者 提供直接判断和决定最优方案的信息和资料。它以系统的整体最优化为工作的目 标，应用数学的基本知识和优化理论，力求建立数量化的目标函数，从定性、定 量的角度描述各种替代方案。同时，它强调科学的推理步骤，使所研究的搬运系 统中各种问题的分析均能符合逻辑的原则和事物的发展规律，而不是凭主观臆断 和单纯经验。通过搬运系统分析，会使得待开发的搬运系统的潜力在一定条件下 得到充分的挖掘，作到人尽其才，物尽其用 ( 2 ) 大型构件气动顶升搬运系统以压缩空气作为动力、以顶升气囊和滚动 气囊为主要设备辅以卷扬机等设备，协调合理地对沉箱、船舶等大型构件进行顶 山东大学硕士学位论文 升、移动和控制所形成的一个过程或系统。这个系统包括顶升与搬运的设备、设 施及其与之相关的信息、人员等组成的具有特定功能的有机整体。 2 2 系统总体设计原则的确定 ( 1 ) 适应性系统设计的源头是需求，这是由商业目标决定的。高水平的设 计师高就高在“设计出恰好满足客户需求的系统，并且使客户方”获取最大的利 益，而不是不惜代价设计出最先进的系统。 评估系统好不好的第一个指标就是“适应性”，即系统是否符合“功能性需 求”和“非功能性需求”客户一般不会指定系统结构，需求与系统结构之间并 没有一一对应的关系，甚至没有明显的对应关系。所以设计师可以充分发挥主观 能动性，根据需求的特征，通过推理和归纳的方法设计出合适的系统结构。 对于大型构件搬运系统而言，能够满足需求的设计方案可能有很多种，究竟 该选择哪一种呢? 这时候商业目标是决策依据，即选择能够为客户带来最大利益 的那个方案。 ( 2 ) 结构稳定性系统结构是系统设计的第一要素，详细设计阶段的工作如 气囊的选用，顶升地沟的设计，启动系统设计，控制系统设计等等，都是在体系 结构确定之后开展的，而测试是最后面的工作。如果体系结构经常变动，那么建 筑在体系结构之上的气囊、顶升地沟、气动系统、控制系统等也跟着经常变动， 这将导致项目发生混乱。所以系统体系结构一旦设计完成，应当在一定的时间内 保持稳定不变，只有这样方能使后续工作顺利开展。 ( 3 ) 结构简单性结构简单性是指系统的各子系统层次少，系统规模小。那 么在设计、使用、维护阶段就省事省力 在系统设计时采取系统整体设计，各子系统分步开发是一种重要的系统体系 结构，有着良好的可扩展性，同时，系统基本组成结构不会有大的变化，主要包 括：顶升子系统、搬运子系统、供气系统、监控子系统。根据工程实际，可以选 用有关子系统组成具有相对独立的顶升专用系统、搬运专用系统、顶升搬运系统。 ( 4 ) 可复用性复用就是指“重复利用已经存在的东西”。复用不是人类懒惰 的表现，而是智慧的表现。因为人类总是在继承了前人的成果，不断加以利用、 改进或创新后才会进步。复用有利于提高产品的质量、提高生产效率和降低成本。 由经验可知，通常在一个新系统中，大部分的内容是成熟的，只有小部分内容是 创新的。一般地，可以相信成熟的东西总是比较可靠的，而大量成熟的工作可以 山东大学硕士学位论文 通过复用来快速实现。勤劳并且聪明的人们应该把大部分的时间用在小比例的创 新工作上，而把小部分的时间用在大比例的成熟工作中，这样才能把工作做的又 快又好。企业成功地开发了某个产品之后，如果下个新产品能够复用上个产品