高壓氣囊搬運大型沉箱技術在港口工程中的研究和應用畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 和氣囊工作高度H的函數，其大小為： 承載面積 單根氣囊的承載力 所需氣囊的總長度式中 －單根氣囊的承壓長度，mm G－大型構件的重量，kN 行走氣囊布置方式的確定(1)搬運時氣囊集群布置方式的確定原則合理的氣囊擺放方式和數量是大型構件整體搬運中一項非常重要的工作，它直接關系到大型構件在搬運過程中的穩定性、安全可靠性和施工經濟性，因此，應經過慎重考慮和確定行走氣囊的擺放方式。大型構件的結構通常為箱體型，隨著大型構件外形尺寸的變化，搬運時氣囊的布置形式也有所不同。主要影響因素有：大型構件結構形式和出運方向。搬運時氣囊一般采用通長一列或左右兩列的擺放方法，方向垂直于大型構件移動的方向。因此，搬運時氣囊布置方式的確定原則為：操作方便、均勻對稱擺放。(2)箱體型大型構件的氣囊布置方式的選擇箱體型大型構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計過程中，應根據大型構件的特點，選擇確定氣囊集群的具體布置形式。3－8 行走氣囊集群布置形式圖 行走氣囊的選用 行走氣囊工況說明行走氣囊搬移重物的工作原理與滾筒搬運重物的工作原理基本相同，在重物底部與地面之間有規律地支墊若干個行走氣囊，通過外力牽引，使行走氣囊向前滾動，從而使重物與地面產生定向相對移動，從而達到搬移大型構件的目的。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、壓強小，使用時氣囊壓力一般僅為 ，也避免了大型構件支墊面積小而對重物造成損壞，且對場地要求不高。因此，行走氣囊與頂升氣囊結構基本相同。考慮到行走氣囊移動過程中的磨損，行走氣囊的氣囊壁與大型構件、移動地面狀況，需增加氣囊壁厚度，以提高氣囊的使用壽命。另外，搬運時，氣囊工作氣壓較低，相應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、高壓氣囊技術參數見下表3－1。 行走氣囊結構設計行走氣囊既承受大型構件的重量，又要完成滾動的功能，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。根據這些要求，我們對氣囊形狀進行了優化設計，通過分析比較確定氣囊體采用長圓柱形、氣囊頭為圓錐形狀的氣囊結構。為實現氣囊結構的設計，在氣囊壁材料選擇上采用高強度的表3－1行走氣囊參數表氣囊類型氣囊直徑（m）公稱壓力(MPa)氣囊試驗壓力(MPa)工作高度(m)高壓氣囊 1 2 中壓氣囊 2 2 龍纖維增強材料和優質的進口橡膠。氣囊壁結構是整個行走氣囊結構設計的關鍵，要實現氣囊囊壁無接縫、各向強度均衡以及高的耐磨性能，通過單一純橡膠結構、錦綸簾子布與橡膠復合結構等結構的力學性能試驗、磨損試驗，選定了外層橡膠、錦綸簾子布、內層橡膠3層組成的氣囊囊壁復合結構。其中，錦綸簾子布相當于氣囊骨架，主要用來承載，滿足氣囊的承載要求，根據工作壓力選定；考慮到長期磨損，其內外層均為橡膠層，內外層橡膠實現耐沖擊和耐磨性能；整個氣囊采用高強度尼龍與橡膠整體纏繞成型，實現氣囊囊壁無接縫，氣囊嘴為鋁合金鑄件。氣囊骨架材料—錦綸簾子布的層數根據氣囊工作壓力選用，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構形式與起重氣囊相同。氣囊壁內、外層橡膠的物理機械性能要滿足氣囊工作時的強度、硬度、伸長率等要求，國家標準對橡膠的各項機械性能規定如表3－2所示。表3－2 行走氣囊內外層橡膠力學性能表序號項目名稱指 標國家標準內層橡膠外層橡膠1扯斷強度(MPa)GB/T5282扯斷伸長率（％）GB/T5313硬度，邵式A硬度40，5050，704扯斷強度老化系數（％）GB/T35125扯斷伸長率老化系數（％）6硬度變化，邵式A硬度GB/T531(1)氣囊囊體承載能力計算公式為： 式中 －每米囊體承載力， －氣囊公稱壓力， S－氣囊受壓后的橫截面積，氣囊是柔性彈性體，在使用過程中其形狀受構件形狀、地面形狀、構件寬度、氣囊長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下充填一定氣壓的壓縮空氣狀態下氣囊的直徑。氣囊的直徑愈大，價格愈高，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，同時對其配套設施(如：空壓機、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，同時也要考慮其經濟性。(3)氣囊工作高度的選擇氣囊工作高度是指在頂升作業時大型構件底平面至頂升溝基礎表面的高度。氣囊的工作高度過高或過低均不利于大型構件的頂升，若氣囊的工作高度過高時，大型構件穩定性差，此外氣囊囊體壓力大，也不利于氣囊的安全；工作高度過低時既造成氣囊的取放不便，也會造成氣囊體與構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）氣囊長度的選擇氣囊長度是指氣囊囊體的長度，不包括氣囊頭部分的尺寸。氣囊長度的選擇是根據氣囊的承載面長度和氣囊公稱直徑D而定，氣囊的承載面長度與大型構件的底板尺寸有關。一般設計時，應保證氣囊的氣囊頭從大型構件的底部伸出為宜，但伸出長度不能過長。若伸長部分過長，在頂升過程中，氣囊頭部分受力情況復雜，易造成氣囊的磨損，降低氣囊的使用壽命。 行走氣囊數量的確定 根據搬運的大型構件重量并考慮安全系數及氣囊性能，即可計算出搬運單個大型構件時所需氣囊數量。計算公式如下：式中，Ｇ－大型構件的重量，kNN－滾動氣囊的數量k－系數，k=~l－單根氣囊的承壓面長度，mmH－囊承載面高度，mmP－氣囊公稱壓力，MPaD－氣囊公稱直徑，m經計算得出搬運沉箱所需氣囊數N，并考慮各氣囊間的合理凈間距，最后確定實際的氣囊數量。注意：氣囊凈間距是指搬運時兩相鄰氣囊之間的間距。 牽引系統設計 牽引系統設備的布置牽引系統由卷揚機、動滑輪及牽引繩等組成。卷揚機是牽引系統的動力裝置，其動力大小、安放位置直接關系到牽引系統的牽引能力，其安放位置需根據大型構件的移動方向布置在構件的兩側。動滑輪在大型構件在牽引系統中作用重大，主要用來減少卷揚機的牽引力，一般選擇多門動滑輪，其位置在卷揚機和大型構件之間。構件的移動由數臺卷揚機通過滑輪組在大型構件兩側同步牽引實現，為確保大型構件移動過程的平穩、安全，在移動的反方向上用設置同樣的牽引系統進行反向牽引保護。大型構件搬運時牽引裝置布置示意圖見圖3－9。圖3－9中，牽引繩夾角是指牽引繩與移動方向的夾角，其大小由卷揚機的位置和大型構件的位置決定。牽引繩一般采用鋼絲繩，大型構件牽引高度位置應低于構件重心高度，并考慮卷揚機架高度及操作方便等因素。若牽引位置高于卷揚機架高度時，牽引時產生的向下分力，增加氣囊的摩擦力，影響氣囊使用壽命；若捆綁位置低于卷揚機架高度時，產生的向上分力，不利于沉箱的穩定。為此，牽引高度位置一般應與卷揚機架等高。 圖3－9 牽引裝置布置圖 牽引力的計算式中，F－搬運沉箱的牽引力，kNG－沉箱自重，kNg－重力加速度，g=10f－氣囊與地面的滾動摩擦系數，與地面情況和氣囊的工作高度有關，~V－沉箱移動速度， T－起動時間，從O至設計移動速度k－安全系數，取 k= 氣囊搬運實例分析在氣動搬運大型構件時氣囊集群共同承受大型構件的重量，為了確保搬運安全，同一氣囊中各處負載必須均衡，不同氣囊間的負載也必須均衡，不能超過氣囊體剛度，否則易造成大型構件的傾斜，影響搬運的安全。下面以某箱梁構件為例進行分析。 箱梁搬運實例(1) 箱梁的技術參數 這是某工程用箱梁，箱梁重量達1525噸，根據工程要求，該構件在陸地進行預制、水上施工安裝，構件的基本技術數據見表3－3，具體形狀和行走氣囊的布置方式參見圖3－8所示。.表3－3 箱梁基本技術參數表箱梁長度（mm）箱梁頂寬（mm）底寬（mm）高（mm）自重（kN）60000115005800280015250(2) 箱梁橫移出一只氣囊時的力學模型建立l) 工況分析箱梁在水平移動過程中，只是在移動方向上受到牽引力作用，而沿箱梁長度方向不受力，根據箱梁這種受力特點，假設：同一氣囊在其承載長度上各處起重高度均相等，即忽略箱梁傾斜后對氣囊兩邊起重高度的影響。當箱梁橫移過程中，一條氣囊移出箱梁時狀態如圖3－10所示。圖3－10 箱梁狀態圖2) 箱梁重心計算箱梁重心的位置直接關系到其自身的平衡和穩定，由于大型構件箱梁的自重大、平面尺寸大，當箱梁在移動時，由于自身的慣性大，會直接影響到搬運的安全，因此，我們對箱梁的重心位置坐標進行了確定。建立箱梁平面坐標系如圖3－11所示。圖3－11 某箱梁重心坐標圖在X－Y平面內，設箱梁的重心坐標為C(，)，根據物體的重心坐標公式確定此箱梁的重心坐標C(0，1520)mm。3) 箱梁力學模型的建立以與箱梁底部垂直且通過箱梁重心的橫截面做箱梁平面力系，建立箱梁力學模型如下圖3－12所示：3－12 箱梁受力圖圖中－各氣囊對箱梁的起重力，kNG－箱梁自重，kNN－箱梁對氣囊的正壓力，kNf－箱梁的下滑力，kN箱梁與地面的水平夾角.(3) 氣囊起重力與起重高度的關系分析l)單條氣囊起重力與起重高度關系 =式中，F－氣囊起重力，kNH－氣囊起重高度，mmL－氣囊工作長度，mmB－氣囊工作寬度，mmD－氣囊公稱直徑，mmP－氣囊工作壓力，MPa2) 單條氣囊起重力與起重高度增量△h關系分析3) 箱梁橫移出一只氣囊時的穩定性校核在箱梁移動過程中，采用卷揚機和滑輪組通過鋼絲繩牽引，移動速度低，一般小于3m/min，同時，箱梁前后均進行牽引，保障了箱梁以較均勻的速度前進。故箱梁穩定性校核時，可簡化為箱梁穩定狀態的計算。設氣囊以為支點，建立箱梁的3個受力方程： （3－14） 氣囊滾動阻力其中，由公式3－14得出：設，可得因為箱梁傾角很小，可以忽略重心的偏移及下滑力對箱梁的力矩，將原力學模型進行簡化：可得 ：所以 ，可得箱梁下滑力 氣動搬運沉箱實例(1)基本技術參數這是某工程用沉箱，沉箱重量達2365噸，是港口用大型構件。根據工程施工要求，該構件采取在陸地預制與水上施工安裝相結合的施工工藝，沉箱的具體形狀與尺寸要求見圖3－13。(2)、。在工作時，有效承載的氣囊數量為8條，接應用氣囊為6條。，每條氣囊起重能力3391kN，氣囊實際工作壓力為：，氣囊采用一列八行布置。 圖3－13 沉箱結構參數圖 (3)沉箱橫移初始狀態簡圖 圖3－15 沉箱橫移初始狀態簡圖(4)沉箱橫移時左右方向變形受力分析以與沉箱底部垂直且通過沉箱重心的橫截面做沉箱平面力系，建立沉箱力學模型如下： 圖3－16 受力圖圖中，箭頭－氣囊對沉箱的起重分布力q－氣囊集度，取172kNG－沉箱自重，kNf－沉箱下滑力，kN－沉箱與地面的水平夾角1）單條氣囊增加承載面積S=(1256－942)=1420580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則增加的承載力增加抗反轉力矩M2) 總的抗反轉力矩=M 本章小結 本章的主要工作是根據頂升和搬運系統要求進行系統結構設計與氣囊選用。主要包括：(1)氣囊集群的布置方式直接影響系統的大小和能耗的多少，根據頂升出運大型構件的要求，首先需要確定氣囊集群的布置方式；(2)氣動頂升系統的結構是氣動頂升工藝的基礎和平臺，頂升溝槽的詳細結構直接影響整個系統的結構，根據氣囊集群的布置方式確定頂升系統結構的各參數；(3)氣囊集群是系統中最主要的執行元件，所以氣囊的選擇是系統設計的關鍵所在。氣囊的技術參數關系到系統的工作性能，確定氣囊的公稱直徑、工作高度、長度、承載力及其氣囊數量的計算模型。(4)為保證所建模型的準確性，結合工程實際進行了試驗，并對試驗情況進行了氣囊受力、穩定性等性能評估分析。第3章 控制系統的規劃與設計 控制系統的任務與要求氣動頂升搬運系統涉及大型構件的頂升氣囊集群、行走氣囊集群、牽引設備和氣動系統，為保證系統能夠達到設計目的，實現系統運行安全、可靠、性能穩定、適應性強、技術經濟性高的要求，確定控制系統的任務一是控制氣動系統進行頂升、搬運作業，二是控制牽引系統實現構件的前進、后退動作，三是保證頂升搬運過程中構件安全。（1）高壓氣囊集群作業以高壓氣囊作為整體頂升搬運設備，主要應用于大型構件的頂升與搬運。考慮到大型構件的特點構件的重量大，通常在數百噸到