CN116065581A - 一种分布式大型打桩船及打桩作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下桩基施工领域，具体涉及一种分布式大型打桩船及打桩作业方法，包括船体、执行机构以及用于驱动执行机构的动力系统，所述执行机构包括设于船体甲板上的起重绞车、移船绞车和桩架，所述动力系统包括起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统，所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统分别紧靠对应驱动的起重绞车、移船绞车和桩架布置且布置距离最短；所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统的各动力源分别由变频电机单独驱动控制。利用智能控制系统实时收集打桩船执行机构的运行状态，进而控制调整打桩船执行机构运行状态。进而实现复杂工况下的安全、高效、经济打桩作业。

Description

一种分布式大型打桩船及打桩作业方法

技术领域

本发明属于水下桩基施工领域，具体涉及一种适用于复杂工况下桩基作业的分布式大型打桩船及打桩作业方法。

背景技术

打桩船是用于水上打桩作业的非自航船，其作业操作需要起重绞车和移船绞车来配合完成，而水上打桩作业过程受环境影响较大，尤其是外海恶劣环境等复杂工况，因为风力、海水流速、水深等原因，打桩作业过程中需要实时调整控制绞车和桩架。

在复杂工况下作业时，打桩船施工作业的各阶段的负荷波动较大，同时船舶的移船绞车系统、起重绞车系统以及桩架变幅系统各自工况特点也存在较大差异。而现有打桩船由于无法时控调节打桩船执行机构状态，只能应用于小型系统和能耗较低的工况条件下，存在不能根据打桩船作业特点及时增减负载情况，导致设备长期处于高负载条件下运行，因此打桩船运行经济性降低，无法完成外海等复杂环境下的打桩作业。

同时，现有打桩船的动力系统采用集中式布置方案，集中布置在柴油机减速齿轮箱周围，这种布置方式可用于小型打桩船，但对于大型打桩船，其动力系统复杂且体积也较大，减速机周围空间有限，无法满足相应动力系统的集中布置，若要进行集中布置必然需要对动系统的动力源等采用特殊型号，满足大功率、大排量等需求，导致投入费用更高。且集中布置方式，管路较长，不利于与打桩船执行机构的协调布置。

其次，现有集中布置的动力系统一般由柴油机带动减速齿轮箱直接驱动，动力系统的启停只能通过柴油机启停和离合器进行控制，且均为手动操作可进行控制的方式较少，会对离合器和柴油机等机械设备产生较大损伤且操作不便，还会导致动力系统出现长期空载运载的情况。

且常规打桩船的动力系统监测和控制手段比较单一，只在系统主管路处设置压力传感器，系统出现问题后，由于现场监测手段有限导致故障排查较为困难；同时，由于监测手段有限也导致操作人员对动力系统的实时状态感知能力不强，存在一定误操作和重复错误操作情况，这些都对船舶的安全作业产生了一定不利影响。

发明内容

为了实现复杂工况下的安全、高效、经济打桩作业，本申请提供了一种分布式大型打桩船及打桩作业方法。

本申请提供的一种分布式大型打桩船，采用如下的技术方案：

一种分布式大型打桩船，包括船体、执行机构以及用于驱动执行机构的动力系统，所述执行机构包括设于船体甲板上的起重绞车、移船绞车和桩架，所述打桩船的动力系统分布式布置于打桩船的船舱内，所述动力系统包括起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统，所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统分别紧靠对应驱动的起重绞车、移船绞车和桩架布置且布置距离最短；所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统的各动力源分别由变频电机单独驱动控制。

通过采用上述技术，可以避免集中布置在分动箱周围的限制条件。通过对绞车组合的分布式设置，动力系统可以根据机舱条件综合优化动力源的布置方案，对机舱内的各设备、管路等布置有利。同时，因动力系统的动力源由单独的变频电机进行驱动和控制，可根据施工需要单独启停任一动力源。避免了传统集中布置方式中的分动箱输出轴直接驱动多组动力源时，存在的同一分动箱内所有动力源同启同停问题，能够有效减少动力源空转磨损和非工作能耗问题。

可选的，所述打桩船的动力系统由同一智能控制系统联动控制，所述智能控制系统包括：

动力电网，所述动力电网用于为该智能控制系统提供动力电源；

控制箱及变频器模块，所述控制箱及变频器模块用于控制打桩船动力系统的各驱动电机；

传感器模块，所述传感器模块用于收集打桩船执行机构的运行状态；

动力系统控制模块，所述动力系统控制模块用于分析处理传感器模块收集的打桩船执行机构运行状态信号，并将处理后的分析结果反馈至打桩船执行机构控制端；

所述动力系统控制模块包括信号模块、信号放大器和PLC控制器，所述信号模块的输入端与传感器模块通讯连接，信号模块的输出端与信号放大器通讯连接，信号放大器的输出端与PLC控制器的输入端通讯连接，PLC控制器的输出端与打桩船执行机构的动力系统控制端以及打桩船动力系统各驱动电机的控制端连接。

采用上述技术方案，通过动力电网为该系统送电后，控制箱控制电机驱动打桩船动力系统的动力源开启，打桩船进入打桩作业状态，打桩船作业过程中，传感器模块收集打桩船执行机构（移船绞车、起重绞车和桩架变幅油缸）的运行状态，传感器模块将收集到的运行状态信号传输至动力系统控制模块，动力系统控制模块对运行状态信号比较分析后，反馈至打桩船执行机构控制端，进而控制调整打桩船执行机构运行状态。

优选的，所述传感器模块包括动力系统传感器模块和执行机构传感器模块，所述动力系统传感器模块包括安装于打桩船动力系统的各动力源输入端和输出端的压力传感器；所述执行机构传感器模块包括移船绞车传感器模块、起重绞车传感器模块和桩架变幅传感器模块。

通过采用上述技术方案，利用传感器获取各动力系统动力源信号；利用传感器获取执行机构（移船绞车、起重绞车、桩架变幅油缸）的实时运行状态数据。

可选的，所述移船绞车传感器模块包括安装于移船绞车底座位置的绞车拉力传感器、安装于移船绞车卷筒位置的绞车绳长传感器。

通过采用上述技术方案，利用传感器可获取移船绞车的绞绳拉力和绞绳工作绳长，通过绞绳拉力和工作绳长可反馈出打桩船的移船速度，然后根据外部环境要求和工况特点等，通过动力系统控制模块反馈控制移船绞车动力系统动力源的开启数量和流量，并控制移船绞车动力系统控制端，同时由操作人员控制移船绞车的收、放动作及其动作速度。

优选的，所述起重绞车传感器模块包括左主吊钩起重绞车传感器模块、吊锤起重绞车传感器模块、右副钩起重绞车传感器模块和右主吊钩起重绞车传感器模块；

所述左主吊钩起重绞车传感器模块包括安装于左主吊钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于左主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于左主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器；

所述吊锤起重绞车传感器模块包括安装于吊锤起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于吊锤起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于吊锤起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器；

所述右副钩起重绞车传感器模块包括安装于右副钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于右副钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于右副钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器；

所述右主吊钩起重绞车传感器模块包括安装于右主吊钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于右主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于右主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器。

通过采用上述技术方案，利用传感器分别获取左主吊钩起重绞车、吊锤起重绞车、右副钩起重绞车和右主吊钩起重绞车的绞绳拉力、绞绳工作绳长和绞车绳速，通过获取的这些数据可反馈出左主吊钩起重绞车、吊锤起重绞车、右副钩起重绞车和右主吊钩起重绞车的起升、下降动作的方向和速度，然后根据外部环境要求和自身工况特点等，通过动力系统控制模块控制反馈起重绞车动力系统动力源的开启数量和流量，同时由操作人员控制起重绞车的起升、下降动作及其动作速度。

可选的，所述桩架变幅传感器模块包括安装于桩架上的桩架角度传感器和安装于桩架变幅油缸上的液压缸伸出行程传感器。

通过采用上述技术方案，利用传感器获取桩架角度和变幅油缸的伸出行程数据，通过获取的这些数据可反馈出桩架角度精度和调整速度，然后根据预设要求通过动力系统控制模块控制反馈桩架变幅油缸的动力源开启数量和输出状态，以满足桩架调整速度和精度需要。

可选的，所述动力系统为液压系统，液压系统的动力源为液压马达和液压泵；所述智能控制系统还包括液压油检测保养模块，所述液压油检测保养模块包括液压油检测传感器和液压油在线净化装置，液压油检测传感器与动力系统控制模块的输入端通讯连接，液压油在线净化装置的启停控制端与动力系统控制模块的输出端通讯连接，所述液压油在线净化装置并行安装于液压油罐的独立进、 出口处。

通过采用上述技术方案，利用传感器实时检测液压油质量，并利用动力系统控制模块控制液压油在线净化装置的开启，保养液压油。

可选的，所述液压油检测传感器包括液压油水份传感器和液压油杂质传感器，所述液压油水份传感器安装在液压油冷却器回油口，所述液压油杂质传感器安装在液压油滤器出口。

通过采用上述技术方案，利用传感器可实时检测液压油水份和杂质，进而判断开启液压油在线净化装置，防止质量不合格的液压油进入后续执行机构的液压系统，损坏液压元件。

可选的，所述起重绞车设有8台，分布设于打桩船甲板的两侧和尾部；所述移船绞车设有8台，分布对称设于打桩船甲板两侧。

通过采用上述技术方案，利用多台绞车围绕打桩船多方位的分布设置和联动控制，更有利于调整船体的作业操作，进而实现在恶劣环境下的高效海上作业。

可选的，所述液压泵为双联恒压恒功率变量柱塞泵。即液压泵采用输出压力根据工作状态负荷可调整的方式进行节能控制。

一种分布式大型打桩船的打桩作业方法，所述打桩船的打桩作业过程如下：

第一步，控制系统送电，系统进入打桩状态，打桩船开始打桩作业；

第二步，船舶移位：打桩船移船绞车系统在设定压力下恒压工作，动力系统控制模块根据移船速度调整移船绞车系统液压泵的开启数量，操作人员控制移船绞车的收、放动作，并根据外部环境要求设定移船绞车液压系统的工作压力；

第三步，船舶吊桩、立桩、提锤：起重绞车根据各自工况特点和速度需求自适应工作；同时，动力系统控制模块根据桩重、锤重和起升、下降动作方向调整各起重绞车液压泵组的工作方式及启停动作；

第四步，船舶定位：移船绞车根据PLC控制器指令微调收、放缆绳，船舶定位完成后，所有移船绞车停止作业，根据预设程序留1台液压泵待命，其余液压泵组停机节能；

第五步，桩架角度调整：桩架变幅油缸工作，动力系统控制模块根据PLC控制器指令控制桩架变幅油缸液压泵组的输出流量、运行数量和各控制阀开度，以满足桩架调整速度和精度需要（控制等级优先顺序为单泵输出流量调整、增减泵组运行数量和控制阀开度调整）；桩架角度调整完毕后，桩架变幅油缸的液压泵组全部停机节能；

第六步，船舶沉桩作业：起重绞车下降，动力系统控制模块根据绞车下降速度控制起重绞车的液压泵组运行数量，此时起重绞车液压系统对外不做功，起重绞车液压系统处于低压运行状态；沉桩结束后起重绞车停止工作，所有起重绞车的液压泵组全部停机节能；

第七步，船舶打桩作业：吊锤起重绞车下降，动力系统控制模块根据吊锤起重绞车下降速度控制吊锤起重绞车的液压泵组运行数量，此时吊锤绞车液压系统对外不做功，吊锤绞车液压系统处于低压运行状态；打桩船全船其他液压系统只留1台移船绞车液压泵待命运行；

第八步，打桩完毕，打桩船移位进行下次施工准备。

本申请技术方案至少具有如下有益效果：

1.本申请所述分布式大型打桩船采用对桩架和多台绞车的联动控制，可实时调整各执行机构的运行状态，以适应强海风、高流速等恶劣海况下的打桩作业，突破了常规打桩船的环境受限困境；

2.本申请技术方案的动力系统采用分布式布置方案，极大降低了大型动力系统的设计、布置和施工难度；系统能够根据机舱条件综合优化布置，便于工程施工和日常使用保养；同时，分布式方案极大促进了动力系统动力源选型的标准化程度，能够有效控制系统建设和运营成本。

3.本申请技术方案采用综合节能方案，首先可根据需要适时调整投入动力系统动力源的数量，保证各动力源组均处于高效运行状态防止空转磨损和能耗发生；同时，针对起重、移船和桩架变幅三种完全不同系统工作特点进行针对性设计，实现系统本质节能。

4.本申请技术方案通过智能综合控制系统，大量集成各类传感器和控制器，最终将分布式的动力系统进行有效控制和管理；控制系统根据预设程序可以实现动力系统的高效、实时调整和自动化控制与经济运行，最终实现分布式大型打桩船系统的高效、安全、经济运行。

附图说明

图1为本发明实施例分布式大型打桩船分布式液压系统泵站布置图；

图2为本发明实施例分布式大型打桩船分布式液压系统控制原理图；

图3为本发明实施例分布式大型打桩船液压系统工作流程控制图；

图4为本发明实施例主吊钩起重绞车液压泵站的液压系统图；

图5为本发明实施例副吊钩起重绞车液压泵站的液压系统图；

图6为本发明实施例吊锤起重绞车液压泵站的液压系统图；

图7为本发明实施例移船绞车液压泵站的液压系统图；

图8为本发明实施例桩架变幅油缸液压泵站的液压系统图；

图中：101、液压油罐一；102、液压油罐二；201、桩架变幅液压泵一；202、桩架变幅液压泵二；203、桩架变幅液压泵三；204、桩架变幅液压泵四；301、左主吊钩起重绞车液压泵一；302、左主吊钩起重绞车液压泵二；303、左主吊钩起重绞车液压泵三；304、左主吊钩起重绞车液压泵四；401、右主吊钩起重绞车液压泵一；402、右主吊钩起重绞车液压泵二；403、右主吊钩起重绞车液压泵三；404、右主吊钩起重绞车液压泵四；501、右副吊钩起重绞车液压泵一；502、右副吊钩起重绞车液压泵二；601、吊锤起重绞车液压泵一；602、吊锤起重绞车液压泵二；701、移船绞车液压泵一；702、移船绞车液压泵二；703、移船绞车液压泵三；704、移船绞车液压泵四；801、移船绞车一；802、移船绞车二；803、移船绞车三；804、移船绞车四；805、移船绞车五；806、移船绞车六；807、移船绞车七；808、移船绞车八；901、起重绞车一；902、起重绞车二；903、起重绞车三；904、起重绞车四；905、起重绞车五；906、起重绞车六；907、起重绞车七；908、起重绞车八；10、桩架变幅油缸；11、动力系统控制模块；12、控制箱及变频器模块；13、桩架变幅油缸动力系统控制模块与传感器模块；14、移船绞车动力系统控制模块与传感器模块；15、左主吊钩起重绞车动力系统控制模块与传感器模块；16、吊锤起重绞车动力系统控制模块与传感器模块；17、右副吊钩起重绞车动力系统控制模块与传感器模块；18、右主吊钩起重绞车动力系统控制模块与传感器模块；19、液压油检测保养模块；20、动力电网；21、液压泵仓；22、双联恒压恒功率变量柱塞泵；23、主吊钩起重绞车液压泵控制阀组；24、主吊钩起重绞车液压马达控制阀组；25、双速马达；26、副吊钩起重绞车液压泵控制阀组；27、副吊钩起重绞车液压马达控制阀组；28、吊锤起重绞车液压泵控制阀组；29、吊锤起重绞车液压马达控制阀组；30、移船绞车液压泵控制阀组；31、移船绞车可变恒压共管环网；32、移船绞车液压马达控制阀组；33、桩架变幅油缸液压泵控制阀组；34、桩架变幅油缸控制阀组。

具体实施方式

以下结合附图，对本申请的具体实施方式作进一步说明。

本申请所述分布式大型打桩船，包括船体、执行机构以及用于驱动执行机构的动力系统，所述执行机构包括设于船体甲板上的起重绞车、移船绞车和桩架，所述打桩船的动力系统分布式布置于打桩船的船舱内，所述动力系统包括起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统，所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统分别紧靠对应驱动的起重绞车、移船绞车和桩架布置且布置距离最短；所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统的各动力源分别由变频电机单独驱动控制。所述动力系统为液压系统，液压系统的动力源为液压马达和液压泵。

根据打桩船工作特点，将其液压系统内部按照功能分为起重绞车液压系统、移船绞车液压系统和桩架变幅液压系统3个类别。

1）起重绞车液压系统

针对起重作业时，重物起升需要液压系统实际做功，重物下放液压系统不需要做功的特点，采用可调压力型液压系统设计原理，各液压绞车执行机构与液压泵组一一对应配置。

当打桩船起吊钢桩、打桩锤时，起重绞车需实际做功。此时，液压泵对系统提供高压和大流量液压油来驱动对应绞车的液压马达对外做功。

当打桩船下放钢桩、打桩锤时，起重绞车不需要对外做功。此时，液压泵对系统提供低压和大流量液压油满足对应绞车的液压马达正常运转即可，系统不需要对外做功并实现节能作业。而绞车下降速度受液压系统平衡阀和供油量控制。

2）移船绞车液压系统

移船作业时，移船绞车对外做功与船舶外部海况关系较大。当外部海风、潮流较大时，移船绞车克服外部负载较大需要做功也较多，对应的液压系统设定压力较高。因此，移船绞车系统采用可变恒压液压系统原理进行设计，液压系统压力可根据需要进行调整。船舶在不同海况和环境条件下，需要适时调整液压系统压力才能达到最佳压力输出的目的并实现节能。

3）桩架变幅液压系统

由于桩架变幅系统负载随桩架角度变化较大，且打桩船对桩架系统调整角度的精确度要求较高，液压系统采用可调流量液压泵和控制阀双控方式进行精确控制，保证桩架变幅角度调整精度满足施工工艺要求。由于液压系统流量以满足施工需求为出发点，因此液压系统压力根据负载情况自动适应，可以起到较好的节能效果和控制精度。

如图1所示的打桩船分布式液压系统泵站布置图，该打桩船有8台移船绞车，即图1中标示的移船绞车一801、移船绞车二802、移船绞车三803、移船绞车四804、移船绞车五805、移船绞车六806、移船绞车七807、移船绞车八808；8台起重绞车，即图1中标示的起重绞车一901、起重绞车二902、起重绞车三903、起重绞车四904、起重绞车五905、起重绞车六906、起重绞车七907、起重绞车八908；以及1个桩架变幅（对应执行构件为图1中的桩架变幅油缸10）。桩架设于船体甲板前方，船体后方设置2台起重绞车、左部设置2台起重绞车、右部设置4台起重绞车；同时，船体左部和右部分别设置4台移船绞车。该打桩船的绞车系统与桩架变幅系统共配置了20台液压泵，上述20个液压泵站采用分布式布置方式围绕液压油罐一101和液压油罐二102两个液压油罐均匀布置在液压泵仓21内，各液压泵的设置位置一一对应绞车分布设置，均采用的是双联恒压恒功率变量柱塞泵，每台液压泵由单独的变频电机进行驱动和控制，可根据施工需要单独启停任意一台液压泵，同时每台液压泵尽量靠近对应驱动的液压动力装置保证管路布置最短。

8台起重绞车系统配置了12台液压泵，其中，左主吊钩起重绞车配置了左主吊钩起重绞车液压泵一301、左主吊钩起重绞车液压泵二302、左主吊钩起重绞车液压泵三303和左主吊钩起重绞车液压泵四304，共4台液压泵；右主吊钩起重绞车配置了右主吊钩起重绞车液压泵一401、右主吊钩起重绞车液压泵二402、右主吊钩起重绞车液压泵三403和右主吊钩起重绞车液压泵四404，共4台液压泵；右副吊钩起重绞车配置了右副吊钩起重绞车液压泵一501和右副吊钩起重绞车液压泵二502，共2台液压泵；吊锤起重绞车配置了吊锤起重绞车液压泵一601和吊锤起重绞车液压泵二602，共2台液压泵。

8台移船绞车配置了4台液压泵，即移船绞车液压泵一701、移船绞车液压泵二702、移船绞车液压泵三703和移船绞车液压泵四704。

该打桩船的桩架变幅油缸10配置了4台液压泵，即桩架变幅液压泵一201、桩架变幅液压泵二202、桩架变幅液压泵三203和桩架变幅液压泵四204。

各液压泵与相应的液压泵控制阀组、液压马达控制阀组和双速马达构成相应执行机构的液压泵站。马达控制阀组在机舱内靠近泵组布置，可以提高液压系统泵组的响应效果，提高泵组的控制精度。同时，由于控制阀组布置在机舱内，工作环境较好，设备寿命提升故障率降低。

每台液压泵由单独的变频电机进行驱动和控制，可根据施工需要单独启停任意1台液压泵。避免了传统液压系统分动箱输出轴直接驱动多台液压泵组时存在的同一分动箱内所有液压泵组同启同停问题，能够有效减少液压泵组空转磨损和非工作能耗问题。

同时，液压泵组采用变频电机驱动可以采用分布式布置方案，可以避免集中布置在分动箱周围的限制条件；液压泵组可以根据机舱条件综合优化泵组的布置方案，对机舱内的各设备、液压管路等布置有利。

如图4所示，为主吊钩起重绞车的一个液压泵站示意图，该液压泵站包括通过液压回路连接的双联恒压恒功率变量柱塞泵22、主吊钩起重绞车液压泵控制阀组23、主吊钩起重绞车液压马达控制阀组24和双速马达25。主吊钩起重绞车配置有4个并联的图4所示的液压泵站。

如图5所示，为副吊钩起重绞车的一个液压泵站示意图，该液压泵站包括通过液压回路连接的双联恒压恒功率变量柱塞泵22、副吊钩起重绞车液压泵控制阀组26、副吊钩起重绞车液压马达控制阀组27和双速马达25。吊钩起重绞车配置有2个并联的图5所示的液压泵站。

如图6所示，为吊锤起重绞车的一个液压泵站示意图，该液压泵站包括通过液压回路连接的双联恒压恒功率变量柱塞泵22、吊锤起重绞车液压泵控制阀组28、吊锤起重绞车液压马达控制阀组29和双速马达25。吊锤起重绞车配置有2个并联的图6所示的液压泵站。

如图7所示，为移船绞车的液压泵站组示意图，该液压泵站组包括4个并联的液压泵站，4个液压泵站通过移船绞车可变恒压共管环网31并联。每个液压泵包括通过液压回路连接的双联恒压恒功率变量柱塞泵22、移船绞车液压泵控制阀组30、移船绞车液压马达控制阀组32和双速马达25。

本申请考虑了移船绞车对外做功与船舶外部海况关系较大的影响因素。当外部海风、潮流较大时，移船绞车克服外部负载较大需要做功也较多，对应的液压系统设定压力较高。因此，本申请技术方案移船绞车液压系统采用可变恒压液压系统原理进行设计，液压系统压力可根据需要进行调整，船舶在不同海况和环境条件下，通过适时调整液压系统压力达到最佳压力输出的目的并实现节能。

如图8所示，为桩变幅油缸的液压泵站组示意图，该液压泵站组包括4个并联的液压泵站，各液压泵站包括通过液压回路连接的双联恒压恒功率变量柱塞泵22和桩架变幅油缸液压泵控制阀组33，各液压泵站的桩架变幅油缸液压泵控制阀组33经桩架变幅油缸控制阀组34后与桩架变幅油缸10连接。

正是由于打桩船的绞车系统与桩架变幅系统均是通过液压系统来实现调节控制的。本申请分布式大型打桩船通过传感器收集绞车和桩架变幅的液压系统运行情况，并根据运行指令和预设程序根据需求及时启动或停止液压泵组、确定系统运行压力、调整系统运行速度。保证打桩船液压系统能够处于安全、绿色、高效的运行状态。

本申请所述大型打桩船的动力系统包括动力电网、控制箱及变频器模块、传感器模块和动力系统控制模块。所述动力系统为液压系统，液压系统的动力源为液压马达和液压泵。其中，动力电网是用于为该系统提供动力电源；控制箱及变频器模块是用于控制打桩船的液压泵组驱动电机，通过单独驱动变频电机进而控制双联恒压恒功率变量柱塞泵的泵送流量；传感器模块是用于收集打桩船执行机构的运行状态；动力系统控制模块是用于分析处理传感器模块收集的打桩船执行机构运行状态信号，并将处理后的分析结果反馈至打桩船执行机构控制端，进而再实时调整控制打桩船执行机构的运行状态。

所述动力系统控制模块包括信号模块、信号放大器和PLC控制器，所述信号模块的输入端与传感器模块通讯连接，信号模块的输出端与信号放大器通讯连接，信号放大器的输出端与PLC控制器的输入端通讯连接，PLC控制器的输出端与打桩船执行机构的液压系统控制端以及打桩船液压泵组驱动电机的控制端连接。信号模块将获取的信号进行转换，然后经放大器后传输至PLC控制器，PLC控制器对信号进行分析处理后，反馈至控制箱及变频器模块，控制液压系统的驱动电机启停和功率调整，同时反馈至液压系统的液压泵、液压马达和其他液压阀的控制端实现对液压系统元件的调整控制。

所述传感器模块包括液压系统传感器模块和执行机构传感器模块，所述液压系统传感器模块包括安装于打桩船液压泵组的各液压马达进出油口位置和各液压泵出口位置的压力传感器。所述液压泵组包括图4-图8所示的移船绞车泵站组、起重绞车泵站组和桩架变幅泵站组。利用压力传感器实时获取各双联恒压恒功率变量柱塞泵和各双速马达的工作压力，进而实时调整打桩船液压系统压力。

所述执行机构传感器模块包括移船绞车传感器模块、起重绞车传感器模块和桩架变幅传感器模块。

所述移船绞车传感器模块包括安装于移船绞车底座位置的绞车拉力传感器、安装于移船绞车卷筒位置的绞车绳长传感器。通过传感器获取的绞绳拉力和工作绳长可以分析出移船速度。依靠安装在移船绞车上的拉力传感器，液压智能控制系统能够实时显示移船绞车工作负载。操作人员可根据系统提示或自动分阶段调高液压泵组系统的压力，以满足不同海况下的施工任务需要。

所述起重绞车传感器模块包括左主吊钩起重绞车传感器模块、吊锤起重绞车传感器模块、右副钩起重绞车传感器模块和右主吊钩起重绞车传感器模块。

所述左主吊钩起重绞车传感器模块包括安装于左主吊钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于左主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于左主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器。通过传感器获取的绞绳拉力、绞绳工作绳长和绞车绳速，分析左主吊钩起重绞车的升降动作方向和速度。

所述吊锤起重绞车传感器模块包括安装于吊锤起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于吊锤起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于吊锤起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器。通过传感器获取的绞绳拉力、绞绳工作绳长和绞车绳速，分析吊锤起重绞车的升降动作方向和速度。

所述右副钩起重绞车传感器模块包括安装于右副钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于右副钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于右副钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器。通过传感器获取的绞绳拉力、绞绳工作绳长和绞车绳速，分析右副钩起重绞车的升降动作方向和速度。

所述右主吊钩起重绞车传感器模块包括安装于右主吊钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于右主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于右主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器。通过传感器获取的绞绳拉力、绞绳工作绳长和绞车绳速，分析右主吊钩起重绞车的升降动作方向和速度。

所述桩架变幅传感器模块包括安装于桩架上的桩架角度传感器和安装于桩架变幅油缸上的液压缸伸出行程传感器。通过传感器获取的油缸伸出行程和桩架角度来控制桩架调整速度和精度。

本申请分布式大型打桩船的工作流程如图3所示：

第一步：通过动力电网控制系统送电后，操作员将系统设定为打桩状态，操作船舶进行打桩作业；

第二步：船舶移位，移船绞车系统在设定压力下恒压工作，控制系统根据移船速度调整移船绞车液压泵的开启数量，操作人员控制8台移船绞车收、放动作，并根据外部环境要求设定系统工作压力，即通过动力系统控制模块控制液压泵的泵送压力和流量；

第三步：船舶吊桩、立桩、提锤，起重绞车根据各自工况特点和速度需求自适应工作；控制系统根据桩重、锤重和起升、下降动作方向调整移船绞车和起重绞车的共12台液压泵的工作方式及启停动作；

第四步：船舶定位，8台移船绞车根据指令微调收、放缆绳；船舶定位完成后，8台移船绞车停止作业，移船绞车系统的4台液压泵根据预设程序留1台液压泵待命，其余3台液压泵停机节能；

第五步：桩架角度调整，变幅液压缸工作，控制系统根据指令控制桩架变幅液压泵组的输出流量、运行数量和控制阀开度，以满足桩架调整速度和精度需要（控制等级优先顺序为单泵输出流量调整、增减泵组运行数量和控制阀开度调整）；桩架角度调整完毕后，桩架变幅系统的4台液压泵组全部停机节能；

第六步：船舶沉桩作业，吊桩起重绞车下降，控制系统根据下降速度控制起重绞车系统液压泵组的运行数量，此时吊桩起重绞车液压系统对外不做功，系统处于低压运行状态；沉桩结束后吊桩起重绞车停止工作，起重绞车系统的12台液压泵组全部停机节能；

第七步：船舶打桩作业，吊锤绞车下降，控制系统根据下降速度控制液压泵组运行数量，此时吊锤绞车液压系统对外不做功，系统处于低压运行状态；全船其他液压系统只留1台移船绞车液压泵待命运行；

第八步：打桩完毕，船舶移位进行下次施工准备。

其中，本申请技术方案中的低压、高压是根据液压控制阀组回路中的预设压力来进行对比的，即低压状态表示未达到预设压力，液压系统不做功，相应的执行机构不工作。

本申请所述分布式大型打桩船已投入使用且使用效果良好。经初步验证，液压系统的安全性和自动化程度较高能够大幅降低作业人员的劳动强度。同时液压系统的综合节能效果较为明显，充分表明该技术方案具有极大的推广应用价值。

需要说明的是，本申请技术方案中涉及的起重绞车、移船绞车和桩架变幅油缸的液压泵控制阀组和液压马达控制阀组均不属于本申请的保护内容，因此对执行机构的液压系统的元件组成和工作原理不作展开赘述。本申请要实现对上述执行机构的液压系统（即其中的液压泵、液压泵控制阀组、液压马和达液压马达控制阀组）的综合智能控制，只要明确本申请技术方案中的控制箱及变频器模块、传感器模块和动力系统控制模块的作用对象或者需要获取的信号目标是上述液压系统中的哪些液压泵、液压马达及其相应控制阀组的阀控制端即可，各绞车的具体分布式设置并结合该智能控制系统即可实现特殊海况下的桩基作业施工。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式大型打桩船，包括船体、执行机构以及用于驱动执行机构的动力系统，所述执行机构包括设于船体甲板上的起重绞车、移船绞车和桩架，其特征在于，所述打桩船的动力系统分布式布置于打桩船的船舱内，所述动力系统包括起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统，所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统分别紧靠对应驱动的起重绞车、移船绞车和桩架布置且布置距离最短；所述起重绞车动力系统、移船绞车动力系统和桩架变幅动力系统的各动力源分别由变频电机单独驱动控制。

2.根据权利要求1所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述打桩船的动力系统由同一智能控制系统联动控制，所述智能控制系统包括：

动力电网，所述动力电网用于为该智能控制系统提供动力电源；

控制箱及变频器模块，所述控制箱及变频器模块用于控制打桩船动力系统的各驱动电机；

传感器模块，所述传感器模块用于收集打桩船执行机构的运行状态；

动力系统控制模块，所述动力系统控制模块用于分析处理传感器模块收集的打桩船执行机构运行状态信号，并将处理后的分析结果反馈至打桩船执行机构控制端；

所述动力系统控制模块包括信号模块、信号放大器和PLC控制器，所述信号模块的输入端与传感器模块通讯连接，信号模块的输出端与信号放大器通讯连接，信号放大器的输出端与PLC控制器的输入端通讯连接，PLC控制器的输出端与打桩船执行机构的动力系统控制端以及打桩船动力系统各驱动电机的控制端连接。

3.根据权利要求2所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述传感器模块包括动力系统传感器模块和执行机构传感器模块，所述动力系统传感器模块包括安装于打桩船动力系统的各动力源输入端和输出端的压力传感器；所述执行机构传感器模块包括移船绞车传感器模块、起重绞车传感器模块和桩架变幅传感器模块。

4.根据权利要求3所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述移船绞车传感器模块包括安装于移船绞车底座位置的绞车拉力传感器、安装于移船绞车卷筒位置的绞车绳长传感器。

5.根据权利要求3所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述起重绞车传感器模块包括左主吊钩起重绞车传感器模块、吊锤起重绞车传感器模块、右副钩起重绞车传感器模块和右主吊钩起重绞车传感器模块；

所述左主吊钩起重绞车传感器模块包括安装于左主吊钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于左主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于左主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器；

所述吊锤起重绞车传感器模块包括安装于吊锤起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于吊锤起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于吊锤起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器；

所述右副钩起重绞车传感器模块包括安装于右副钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于右副钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于右副钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器；

所述右主吊钩起重绞车传感器模块包括安装于右主吊钩起重绞车定滑轮组处的绞车拉力传感器、安装于右主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳长传感器和安装于右主吊钩起重绞车测速滑轮处的绞车绳速传感器。

6.根据权利要求3所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述桩架变幅传感器模块包括安装于桩架上的桩架角度传感器和安装于桩架变幅油缸上的液压缸伸出行程传感器。

7.根据权利要求3所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述动力系统为液压系统，液压系统的动力源为液压马达和液压泵；所述智能控制系统还包括液压油检测保养模块，所述液压油检测保养模块包括液压油检测传感器和液压油在线净化装置，液压油检测传感器与动力系统控制模块的输入端通讯连接，液压油在线净化装置的启停控制端与动力系统控制模块的输出端通讯连接，所述液压油在线净化装置并行安装于液压油罐的独立进、 出口处。

8.根据权利要求7所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述液压油检测传感器包括液压油水份传感器和液压油杂质传感器，所述液压油水份传感器安装在液压油冷却器回油口，所述液压油杂质传感器安装在液压油滤器出口。

9.根据权利要求1所述的分布式大型打桩船，其特征在于，所述起重绞车设有8台，分布设于打桩船甲板的两侧和尾部；所述移船绞车设有8台，分布对称设于打桩船甲板两侧。

10.一种分布式大型打桩船的打桩作业方法，其特征在于，所述打桩船的打桩作业过程如下：

第一步，控制系统送电，系统进入打桩状态，打桩船开始打桩作业；

第二步，船舶移位：打桩船移船绞车系统在设定压力下恒压工作，动力系统控制模块根据移船速度调整移船绞车系统液压泵的开启数量，操作人员控制移船绞车的收、放动作，并根据外部环境要求设定移船绞车液压系统的工作压力；

第三步，船舶吊桩、立桩、提锤：起重绞车根据各自工况特点和速度需求自适应工作；同时，动力系统控制模块根据桩重、锤重和起升、下降动作方向调整各起重绞车液压泵组的工作方式及启停动作；

第四步，船舶定位：移船绞车根据PLC控制器指令微调收、放缆绳，船舶定位完成后，所有移船绞车停止作业，根据预设程序留1台液压泵待命，其余液压泵组停机节能；

第五步，桩架角度调整：桩架变幅油缸工作，动力系统控制模块根据PLC控制器指令控制桩架变幅油缸液压泵组的输出流量、运行数量和各控制阀开度，以满足桩架调整速度和精度需要；桩架角度调整完毕后，桩架变幅油缸的液压泵组全部停机节能；

第六步，船舶沉桩作业：起重绞车下降，动力系统控制模块根据绞车下降速度控制起重绞车的液压泵组运行数量，此时起重绞车液压系统对外不做功，起重绞车液压系统处于低压运行状态；沉桩结束后起重绞车停止工作，所有起重绞车的液压泵组全部停机节能；

第七步，船舶打桩作业：吊锤起重绞车下降，动力系统控制模块根据吊锤起重绞车下降速度控制吊锤起重绞车的液压泵组运行数量，此时吊锤绞车液压系统对外不做功，吊锤绞车液压系统处于低压运行状态；打桩船全船其他液压系统只留1台移船绞车液压泵待命运行；

第八步，打桩完毕，打桩船移位进行下次施工准备。

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