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原文传递一种打桩船及其姿态调整、定位控制和打桩方法

专利名称：	一种打桩船及其姿态调整、定位控制和打桩方法
摘要：	本发明公开了一种打桩船，包括船体，所述船体上四角分别设有浮力调节装置，船体上设有上下两个对立桩进行扫描的扫描仪，船体上在两个不同位置设有GPS信号接收器；船体上设有在至少四个不同位置下锚的锚机；船体上转动设有桩架，船体上设有桩架自动卧置装置，桩架上设有打桩导轨，打桩导轨上活动设有桩锤，桩锤上设有限制桩锤在打桩导轨上位置的第一刹车装置，桩架上部设有过渡滚轮，桩锤上部通过钢丝绳与设置在船体上的绞车相连接，船体上设有通过刹住绞车滚筒来控制钢丝绳拉住桩锤以实现刹车的第二刹车装置；桩锤上设有桩帽，桩架下部设有抱持立桩的抱桩器，本发明还公开了该打桩船的姿态调整方法、定位控制方法和打桩方法。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏科技大学
发明人：	唐文献;刘琴;王为民;王月阳;齐继阳;郭胜;张建;苏世杰;王鑫;尚勇志;张铁;陈赟;常委锋
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-13T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-21T00:00:00+0800
申请号：	CN201910188578.7
公开号：	CN109914408A
代理机构：	南京天华专利代理有限责任公司
代理人：	夏平
分类号：	E02D7/06(2006.01);E;E02;E02D;E02D7
申请人地址：	212050 江苏省镇江市镇江梦溪路2号江苏科技大学
主权项：	1.一种打桩船，包括船体，船艏铰接设有桩架，船艏设有吊桩装置，桩架上设有打桩装置以及抱桩装置，打桩装置包括设置在桩架上的打桩导轨，打桩导轨上活动设有桩锤，桩锤底部连接有桩帽；船体上设有溜桩制动装置，其特征在于：还包括定位控制系统、船体姿态调整系统，所述的船体姿态调整系统包括对称分布在甲板下的至少四个调整船体浮态的浮力调节装置以及设置在船体上的雷达测波仪；浮力调节装置包括设置在船体上的压载水舱、以及甲板下表面上设置的连接板，连接板上铰接有竖直向下设置的推进装置，压载水舱的底部设有外界相连通的通孔，压载水舱内在液面上设有压水板，推进装置端部穿过压载水舱的顶板与压水板相铰接；雷达测波仪与计算机控制系统相连接，通过雷达测波仪检测数据计算各推进装置所需运动距离以驱动压水板上下移动排水或进水来控制船体浮态；所述定位控制系统包括与计算机控制系统相连接的设置船体上的两个不同位置的GPS信号接收器以及与计算机控制系统相连接的设置在船体上至少四个不同位置下锚的锚机；船体上相应地设有布置在船体端角处的锚索连接点，锚索连接点处装有与计算机控制系统相连接的测量锚索角度的测角仪；计算机控制系统通过GPS信号接收器得到船体位置信息，并建立绝对坐标系和随船坐标系，进而计算出船体移动时各锚与船体连接点处在绝对坐标系内的实时位置信息及各锚索长度，最终得出各锚机的收放速度以控制船体运动。 2.如权利要求1所述的打桩船，其特征在于：所述抱桩器包括设置在桩架底部的两个呈上下一直线布置的抱桩装置，桩架上在设置抱桩装置处设有水平的安装翼座；抱桩装置包括相对滑动设置在两侧安装翼座上的抱桩单元，安装翼座上设有驱动抱桩单元滑动的主驱动机构；船体上设有上下两个对立桩进行扫描的扫描仪。 3.如权利要求2所述的打桩船，其特征在于：所述抱桩单元包括设置在桩架安装翼座上的基座，基座上铰接有上下转动的伸缩臂以及驱动伸缩臂转动的旋转动力机构，伸缩臂包括与基座相铰接的连接座，连接座上设有伸缩臂固定段，伸缩臂固定段上设有驱动伸缩臂的活动段伸缩运动的第一液压缸，伸缩臂固定段上滑动设有夹持立桩的第一夹块，连接座上设有第二液压缸，第二液压缸的活塞杆端部与第一夹块相连接，活动段露出固定段的部分上铰接有夹持立桩的第二夹块，活动段上设有驱动第二夹块转动的第三液压缸。 4.如权利要求3所述的打桩船，其特征在于：所述旋转动力机构包括设置在基座上的上下运动的滑动块以及驱动滑动块滑动的升降伺服丝杠机构，滑动块上铰接有随滑块运动以驱动伸缩臂在竖直方向至水平方向间转动的支撑杆，支撑杆端部与伸缩臂相铰接。 5.如权利要求2所述的打桩船，其特征在于：所述主驱动机构包括设置在安装翼座上的丝杠以及驱动丝杠转动的伺服电机，所述抱桩单元的基座通过其上的螺纹孔套设在丝杠上，安装翼座上在基座两侧分别设有限位块。 6.如权利要求1所述的打桩船，其特征在于：所述桩帽为可变径桩帽。 7.如权利要求6所述的打桩船，其特征在于：所述可变径桩帽包括设置在桩锤上的桩帽筒体，桩帽筒体内设有支撑立桩内侧面的内撑机构，桩帽筒体下部设有环形底座，底座上周向均布有至少三个支撑立桩外侧面的变径机构，桩帽筒体的侧壁上对应于变径机构的位置上设有避让通孔，变径机构包括设置在底座上的行程可调的液压缸以及设置在液压缸活塞杆端部的推抵立桩外侧面的外撑定位块；内撑机构包括与桩帽筒体相连接的承载体，承载体上设有若干沿立桩径向滑动的与立桩内表面相配合的内撑挡板以及驱动内撑挡板的内撑动力机构。 8.如权利要求7所述的打桩船，其特征在于：所述内撑动力机构包括均布在承载体下表面的若干由中心向外辐射的滑槽，所述内撑挡板活动卡设在滑槽中，承载体下部中央设有法兰盘，法兰盘上设有竖直向下布置的上液压杆，上液压杆下端部设有连接盘，连接盘上铰接设有连杆，连杆端部与内撑挡板相铰接；环形底座上设有液压泵，液压泵通过导管与液压缸及上液压杆相连接。 9.如权利要求1所述的打桩船，其特征在于：所述船体上设有桩架自动卧置装置。 10.如权利要求9所述的打桩船，其特征在于：所述桩架自动卧置装置包括铰接在船体上的中间支撑机构和尾部支撑机构以及设置在桩架上的倾斜布置的滑道，滑道中设有活动块，船体上铰接有主油缸，主油缸的活塞杆端部与活动块相铰接，滑道两端分别设有固定活动块的上固定点和下固定点，船体上设有桩架前铰点和后铰点，桩架铰接在前铰点且活动块固定于下固定点的时候，主油缸的活塞杆伸出使的桩架处于竖立状态；桩架的活动块位于下固定点同时主油缸缩回的状态时中间支撑机构与桩架接触，此时，解除下固定点与活动块的连接，然后主油缸活塞杆伸出驱动活动块运动至上固定点并固定，桩架在上述状态向下转动直至卧置状态的过程中中间支撑机构处于支撑桩架的状态；桩架的活动块位于上固定点同时主油缸缩回的状态时尾部支撑机构与桩架接触，此时，拆除前铰点的铰接轴且将桩架与后铰点处的销轴座通过销轴铰接；桩架在上述状态向下转动直至卧置状态的过程中尾部支撑机构处于支撑桩架的状态。 11.如权利要求10所述的打桩船，其特征在于：所述中间支撑机构包括支架，支架上铰接有三角结构件，三角结构件上部端角设有配合桩架的中间辊轮，船体上在支架远离桩架的一侧铰接有长连杆，长连杆端部铰接有短连杆，短连杆的端部与三角结构件一角相铰接，船体上铰接有驱动长连杆及短连杆转动的副油缸，副油缸的活塞杆端部铰接在长连杆及短连杆的铰接点处；副油缸活塞杆伸出且桩架的活动块位于下固定点同时主油缸缩回的状态时中间辊轮与桩架接触，短连杆与长连杆共线，此时，解除下固定点与活动块的连接，然后主油缸活塞杆伸出驱动活动块运动至上固定点并固定，桩架在上述状态向下转动直至卧置状态的过程中中间辊轮处于支撑桩架的状态； 12.如权利要求10所述的打桩船，其特征在于：所述尾部支撑机构包括支架，支架上设有托承放倒的桩架的托块，托块上设有与桩架相配合的仿形槽，支架上铰接有尾部三角结构件，尾部三角结构件上部端角设有配合桩架的尾部辊轮，尾部三角结构件另一角与铰接在船体上的驱动其转动的尾部液压缸相铰接；尾部液压缸活塞杆伸出、副油缸活塞杆缩回且桩架的活动块位于上固定点同时主油缸缩回的状态时尾部辊轮与桩架接触，此时，拆除前铰点的铰接轴且将桩架与后铰点处的销轴座通过销轴铰接；桩架在上述状态向下转动直至卧置状态的过程中尾部辊轮处于支撑桩架的状态。 13.如权利要求1所述的打桩船，其特征在于：所述桩架上设有吊耳自动切割装置。 14.如权利要求13所述的打桩船，其特征在于：所述吊耳自动切割装置包括设置在打桩导轨上的滑台，桩架上设有驱动滑台上下运动的动力装置；所述滑台上设有绕竖直轴线转动的切割平台以及驱动切割平台转动的液压缸，切割平台上设有连接液压缸的液压泵站、及切割模块；滑台上设有限位块，限位块上设有与切割平台相配合的行程开关，切割平台向靠近立桩方向转动到位后会触发行程开关；切割模块包括沿立桩与桩架连线方向设置的第一滑动座以及驱动第一滑动座的第一驱动机构，第一滑动座上设有沿垂直于第一滑动座运动方向滑动的第二滑动座以及驱动第二滑动座的第二驱动机构，第二滑动座上设有激光传感器，第二滑动座上还设有割嘴上下运动的自动火焰切割机，切割平台上设有对自动火焰切割机供气的丙烷气罐。 15.如权利要求1-14中任一项所述的打桩船，其特征在于：所述溜桩制动装置包括设置在桩锤上的限制桩锤在打桩导轨上位置的第一刹车装置，以及设置在船体上的通过刹住绞车滚筒来控制钢丝绳拉住桩锤以实现刹车的第二刹车装置，桩架上部设有过渡滚轮，桩锤上部通过钢丝绳与设置在船体上的绞车相连接。 16.如权利要求15所述的打桩船，其特征在于：所述第一刹车装置包括两个分别设置在桩锤固定板上靠近桩架两侧导轨处的刹车单元，刹车单元包括设置在桩锤固定板上的沿垂直于打桩导轨方向设置的驱动油缸，桩锤固定板上在驱动油缸和打桩导轨之间的位置上设有与驱动油缸的活塞杆平行的中间板，中间板端部铰接有连接杆，驱动油缸的活塞杆端部与连接杆相铰接；连接杆上设有与桩架上的打桩导轨相配合的刹车片，桩锤固定板上设有与控制装置电连接的速度传感器。 17.如权利要求16所述的打桩船，其特征在于：所述第二刹车装置包括与收卷钢丝绳的绞车滚筒相配合的弧形上刹车带、与绞车滚筒相配合的弧形下刹车带、设置在船体上的铰接底座，上刹车带和下刹车带端部相铰接，铰接底座上铰接有紧边拉板，紧边拉板上端铰接有三角形的杠杆板，紧边拉板上在杠杆板铰接处还铰接有上刹车带，杠杆板的上端活动设有驱动套，驱动套中转动设有刹车螺杆，刹车螺杆远离上刹车带的端部设有螺杆电机，上刹车带外缘上部设有安装架，安装架中设有与刹车螺杆相配合的螺母，杠杆板上另一端铰接有松边拉板，松边拉板的下端与下刹车带靠近铰接底座的端部相铰接。 18.如权利要求1-17任一项所述的打桩船的姿态调整方法，其步骤为：步骤一、采用雷达测波仪测量各方向波浪的波高和周期，并把测量数据传送给计算机；步骤二、计算机根据步骤一的数据，采用ANSYS/AQWA水动力分析软件求解得出船体绕Y轴旋转做纵摇运动的角度ωy，船体绕X轴旋转做横摇运动的角度ωx，船体沿Z轴移动做垂荡运动的位移s,并将角度和位移数据传送给计算机；步骤三、建立船体模型，将该打桩船简化为长方体，以打桩船的浮心为圆心做直角坐标系，沿船体的长度方向设置X轴的正方向，Y轴和Z轴通过右手法则来确定，Y轴沿船体宽度方向，Z轴正方向为垂直于打桩船甲板向上；步骤四、计算机接受到软件求解得到的角度，当船体绕Y轴做纵摇运动时，将船在静止状态下水线标记为MN，当打桩船以Y轴旋转做纵摇运动时，水线标记为M1N1，可测得绕Y轴向下倾斜的一端排水体积为Vy，设打桩船长为L，宽为b，压载水舱内径为a，Wy为M1N1与MN之间的夹角，浮心到X正方向的船边距离为L2，浮心到Y正方向的船边距离为b2,则入水楔形体积Vy部分的水对Y轴的静矩为：压载水舱中水体积对Y轴的静矩为： M2＝πa2hyg(L2-a)；入水楔形体积对Y轴的静矩与一侧压载水舱中水量对Y轴的静矩相等，则：得到船体向下倾斜一端液压缸向下移动位移步骤五、船体绕X轴做横摇运动时，将船在静止状态下水线标记为M2N2，当打桩船以X轴旋转做纵摇运动时，水线标记为M3N3，Wx为M2N2与M3N3之间的夹角，可知绕X轴向下倾斜的一端排水体积为Vx，则入水楔形体积Vx部分的水对X轴的静矩为：压载水舱中水体积对X轴的静矩为： M4＝πa2hx(b2-a)；入水楔形体积对X轴的静矩与一侧压载水舱中水量对X轴的静矩相等，则：得到船体向下倾斜一端两个液压缸向下移动位移步骤六、船体沿Z轴做垂荡运动时，将船在静止状态下水线标记为M4N4，当打桩船沿Z轴旋转做垂荡运动时，水线标记为M5N5，可知船体减少的排水量的体积为Vz,则Vz＝bhs，压载水仓中应排出的水体积为V1，则V1＝4πa2hz，那么船体减少的排水量的体积Vz应等于压载水仓中排出的水体积V1，即bhs＝4πa2hz，得到船体四个液压缸向下移动位移步骤七、由计算机计算出压水板与压载水舱顶部的距离，接着分别控制各液压缸伸长，将压载水舱中的水排入海中，使海水对船体向下一端产生向上的反力，增大了打桩船的浮力，从而对打桩船进行姿态调整。 19.如权利要求1-17任一项所述的打桩船定位控制方法，包括以下步骤：步骤一、在船体上安装两个GPS信号接收器和扫描仪，在平面内，建立绝对坐标系XOY和随船坐标系X'O'Y'；步骤二、GPS信号接收器接收坐标信息并结合卫星基站发出的差分信号，得出GPS信号接收器在绝对坐标系下的精确位置坐标；步骤三、根据其中一个GPS信号接收器的位置坐标和安装位置，得到随船坐标系原点在绝对坐标系内的坐标O(XO,YO)；步骤四、根据两个GPS信号接收器位置坐标得到随船坐标系的Y’方向；步骤五、打桩船拖航至作业区域并抛锚，锚索连接点处装有的测角仪测量锚索角度，再根据锚索放出长度，计算出各个锚分布点(P1～Pn)在绝对坐标系XOY中的位置坐标，分别为步骤六、定位船体中心O坐标，当船在O(XO,YO)点时，各个锚与船体连接点(Q1～Qn)在绝对坐标系XOY下的坐标为步骤七、在随船坐标系X'O'Y'中，根据各个连接点Q1～Qn与船中心O的位置关系，再结合定位的O的坐标，得到各个连接点在绝对坐标系XOY下的坐标为：步骤八、立桩目标点位置为T'(XT',YT')，根据船体就位姿态，得到打桩船就位时随船坐标系原点O'位置， θ为船体转动角度；步骤九、打桩船从O点运动至O'点，设定船体运动时长为a(s)，得出各方向运动速度为：其中，vX为绝对坐标系下船体沿X方向的运动速度， vY为绝对坐标系下船体沿Y方向的运动速度， ω为船体转动的角速度。步骤十、当船体运动至O'点时，各个锚与船体连接点(Q1'～Qn')绝对坐标系下的坐标为则在t时刻，Qi'的坐标为：步骤十一、计算钢丝绳长度，水深为h，忽略钢丝绳下垂，则钢丝绳长度Li(i＝1,2,...,n)为：步骤十二、在t时刻，各个锚机的收缆速度Vi(i＝1,2,...,n)为：步骤十三、根据求得的速度来控制各个锚机收放速度，实现打桩船的快速准确运动。 20.如权利要求1-17任一项所述的打桩船的打桩方法，包括以下步骤：步骤一、将打桩船拖航至工作区域，抛下定位锚；装载立桩的运输船就位；步骤二、起升桩架，且采用如权利要求18所述的打桩船的姿态调整方法使得船体在起升桩架过程中保证船体水平；步骤三、根据打桩船的定位系统确定船体位置和装载立桩的目标位置，然后采用如权利要求19所述的打桩船定位控制方法控制打桩船运动至装载立桩的目标位置；步骤四、控制吊钩绞车收放钢丝绳，将吊钩向下放到运输船上，并扣在立桩吊耳上；步骤五、控制吊钩绞车收放钢丝绳，将立桩吊起并竖直；步骤六、抬起抱桩器伸缩臂，主驱动机构驱动抱桩单元并向立桩靠拢，然后移动第一夹块和第二夹块顶紧立桩；步骤七、采用如权利要求19所述的打桩船运动定位方法控控制打桩船运动至立桩的打桩位置；通过两个扫描仪检测立桩位置是否存在偏差，若立桩存在位置姿态偏差，可控制抱桩器的小范围运动，起到纠偏扶正作用；步骤八、下降液压桩锤一定高度，使得桩帽套在立桩顶端，控制可变径桩帽的内、外壁顶紧装置，使得桩帽与立桩贴合；步骤九、启动液压桩锤，开始打桩作业，打桩过程中，通过检测系统，实时检测立桩在每次锤击后的入泥深度，根据检测结果，实时调整液压桩锤的锤击能量，然后，根据检测结果可以判断是否出现拒锤或溜桩的情况；同时，打桩船的姿态调整系统保证船体不受波浪影响，在工作时保持水平状态；步骤十、将立桩锤入指定深度后，缩回抱桩器；步骤十一、重复步骤三至十，直至一组立桩全部入泥，完成打群桩作业；步骤十二、缩回抱桩器，卧倒桩架，回收定位锚，准备将打桩船拖航至下一工作区域。
所属类别：	发明专利