管樁自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)思路及新生產(chǎn)線介紹

建華管樁集團(tuán)技術(shù)中心經(jīng)理曾曉文

　　1、引言

　　預(yù)應(yīng)力混凝土樁行業(yè)隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展而得到迅速的壯大，到2011年底，國內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土樁的用量達(dá)到3億多米。但是預(yù)制樁的生產(chǎn)環(huán)境如噪音、粉塵、高溫、勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患多等諸多問題，一直沒有得到根本有效的解決。與現(xiàn)有預(yù)制樁生產(chǎn)工藝相應(yīng)的設(shè)備布置工藝自動(dòng)化程度低；起重機(jī)在作業(yè)人員的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，安全隱患大；部分工序的作業(yè)方式影響到樁的質(zhì)量，如先布料后合模造成合縫漏漿、樁身橢圓，兩端鉤吊式吊樁造成樁身環(huán)裂等。 預(yù)應(yīng)力混凝土樁企業(yè)普遍面臨著招工難、留人難的困難局面。

　　本文分析了現(xiàn)行預(yù)制管樁生產(chǎn)工藝存在的問題，提出了一種全新的預(yù)制混凝土管樁生產(chǎn)工藝流程，據(jù)此設(shè)計(jì)出國內(nèi)第一條自動(dòng)化程度較高的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)線，并介紹了該生產(chǎn)線所采用的一些專用技術(shù)以及這種生產(chǎn)線在投入運(yùn)行后尚存的不足。

　　2、國內(nèi)預(yù)制樁生產(chǎn)工藝流程現(xiàn)狀分析

圖1  預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)傳統(tǒng)流程圖

　　國內(nèi)的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)工藝流程，從當(dāng)初引進(jìn)到現(xiàn)在已有近二十年的歷史，但是管樁的生產(chǎn)工藝流程則沒有任何形式的改變。本人認(rèn)為沒有改變的主要原因有兩點(diǎn)：一是國內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了管樁行業(yè)的高速發(fā)展，管樁用量每年都以二十幾個(gè)點(diǎn)以上的速度增長(zhǎng)；二是國內(nèi)勞動(dòng)力資源豐富，勞動(dòng)力價(jià)格低。這就造成企業(yè)不愿投入資金去做技術(shù)創(chuàng)新。工藝流程見圖1（預(yù)應(yīng)力混凝土管樁生產(chǎn)傳統(tǒng)流程圖）。

　　按照管樁生產(chǎn)工藝流程，國內(nèi)管樁企業(yè)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線布局模式是將生產(chǎn)車間分成六個(gè)工作區(qū)，即：混凝土料制作工作區(qū)、布料張拉工作區(qū)、離心成型工作區(qū)、蒸汽養(yǎng)護(hù)工作區(qū)、裝拆模工作區(qū)、籠筋制作工作區(qū)。模具在工作區(qū)間的流轉(zhuǎn)是通過起重機(jī)來完成的。見圖2（預(yù)應(yīng)力混凝土管樁直形線生產(chǎn)工藝布局圖）及圖3（預(yù)應(yīng)力混凝土管樁回形線生產(chǎn)工藝布局圖）

圖2  預(yù)應(yīng)力混凝土管樁直形線生產(chǎn)工藝布局圖

圖3  預(yù)應(yīng)力混凝土管樁回形線生產(chǎn)工藝布局圖

　　現(xiàn)將六個(gè)工作區(qū)各自的功能特點(diǎn)分析如下：

　　混凝土料制作工作區(qū)的主要功能就是制備混凝土料。此工作區(qū)缺點(diǎn)是粉塵大、噪音大。

　　布料張拉工作區(qū)的主要功能，一是將制作好的混凝土料均勻布入到裝好籠筋的底模；二是將上下模進(jìn)行合模，并把合模螺栓鎖緊；三是張拉，即給管樁主筋施加預(yù)應(yīng)力。此工作區(qū)主要缺點(diǎn)：人員多、員工勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患多、粉塵多、噪音大。

　　離心工作區(qū)的主要功能，使混凝土離心成型為管樁。這個(gè)區(qū)域的缺點(diǎn)是噪音大、環(huán)境衛(wèi)生差、高速旋轉(zhuǎn)安全隱患多。

　　蒸汽養(yǎng)護(hù)工作區(qū)的主要功能，是將制作好的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)，使管樁的樁身強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定要求。此工作區(qū)的缺點(diǎn)是環(huán)境溫度高、安全隱患多。[Page]

　　裝拆模工作區(qū)的主要功能，一是將管樁從模具里取出；二是將模具清理干凈；三是將端頭板、頭尾板、編制好的籠筋及張拉擋板等全部裝入底模；四是對(duì)預(yù)制樁逐條進(jìn)行外觀品質(zhì)檢驗(yàn)。這個(gè)區(qū)域的主要缺點(diǎn)：人員多、員工勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全隱患多、溫度高、噪音大、工作環(huán)境差。

　　籠筋制作工作區(qū)的主要功能，一是鋼筋籠的編制成形；二是端板制作。這個(gè)區(qū)域的工作缺點(diǎn)：?jiǎn)T工勞動(dòng)強(qiáng)度大、溫度高。

　　3、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁新生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計(jì)思路

　　要解決傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程中存在的員工勞動(dòng)強(qiáng)度大、用工人數(shù)多、工作環(huán)境差、安全隱患多、勞動(dòng)效率低、產(chǎn)品外觀質(zhì)量差等一系列問題，就必須對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程及生產(chǎn)裝備進(jìn)行改進(jìn)。

　　因此，筆者提出了一種全新的管樁生產(chǎn)工藝流程。見圖4（預(yù)應(yīng)力混凝土管樁新的生產(chǎn)工藝流程）。

圖4  預(yù)應(yīng)力混凝土管樁新的生產(chǎn)工藝流程

　　按新的生產(chǎn)工藝流程圖設(shè)計(jì)的管樁生產(chǎn)線布局圖，見圖5。

圖5  預(yù)應(yīng)力混凝土管樁自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝布局圖

　　新的自動(dòng)化程度較高的管樁生產(chǎn)線與傳統(tǒng)的管樁生產(chǎn)線相比，主要有以下幾方面的改變：

　　⑴新生產(chǎn)線將混凝土入模工序（即：布料工序）調(diào)整到合模、張拉工序以后；

　?、菩律a(chǎn)線的混凝土入模方式做了改變，由原來的利用喂料機(jī)將混凝土澆入到底模，再合上模的方式改為用泵送設(shè)備將混凝土泵入到模具內(nèi)且是在裝籠、合模工序完成之后。

　　⑶混凝土注入管模內(nèi)的重量計(jì)量系統(tǒng)，由特制的計(jì)量平車及混凝土泵送設(shè)備構(gòu)成，通過控制程序來進(jìn)行控制，改變了傳統(tǒng)的控制進(jìn)入攪拌機(jī)中原材料量的控制方式；

　　⑷模具從出蒸汽養(yǎng)護(hù)池開始到送達(dá)布料工作區(qū)，轉(zhuǎn)運(yùn)過程中全部采用鏈條機(jī)輸送，模具在每個(gè)工位的傳遞是通過光電開關(guān)、控制程序來實(shí)現(xiàn)的，改變了傳統(tǒng)的起重機(jī)吊運(yùn)方式；

　?、蓪?duì)傳遞預(yù)應(yīng)力的張拉頭板進(jìn)行革新設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的 “內(nèi)”張拉方式改為“外”張拉方式，頭板重量比過去有所降低，且徹底解決了樁身端面傾斜問題。

　?、势鹬卦O(shè)備全部配置了機(jī)械抓手或真空吸盤，改變了傳統(tǒng)的人工掛鉤方式；

　?、藢⑷斯そo模具噴涂脫模劑的方式改為利用機(jī)械設(shè)備自動(dòng)向模具噴涂脫模劑的方式；

　　⑻新生產(chǎn)線還有一個(gè)重要的改變就是把傳統(tǒng)生產(chǎn)線上集中在布料、張拉和裝拆、模兩個(gè)工作區(qū)的所有工序全部分散到整個(gè)鏈條輸送線上，將生產(chǎn)員工分散開。避免了起重機(jī)在作業(yè)人員的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，最大程度的解決了往日的安全隱患。

　?、陀捎诓捎昧俗詣?dòng)抓鉤、鏈條輸送工藝，因此新工藝將離心及蒸汽養(yǎng)護(hù)兩個(gè)工作區(qū)用防護(hù)墻與其他區(qū)域完全隔開，避免噪音、高溫對(duì)員工的健康造成影響；

　　⑽新生產(chǎn)線是把籠筋與端板、張拉頭板及尾板全部裝配好后再放入到模具中，改變了將籠筋放入管模后再裝端板和張拉頭、尾板的方式。解決了往日多道工序堆積在一起，相互影響、工作效率低問題。

　?、闲律a(chǎn)線各工序間還設(shè)置了通信模式傳遞生產(chǎn)信息，采用上位機(jī)編程、配合LED燈顯示器、機(jī)房設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)，將上下道工序構(gòu)成信息化連接，確保作業(yè)信息準(zhǔn)確高效傳遞，減少了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息錯(cuò)誤。

　?、行律a(chǎn)線對(duì)蒸養(yǎng)工序也采取了自動(dòng)控制，通過電器對(duì)閥等機(jī)械元件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)管樁蒸養(yǎng)按照工藝要求進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)無人操作。

　　由于上述多方面的改變，所以說按新工藝流程設(shè)計(jì)的新生產(chǎn)線采用了較多的技術(shù)控制系統(tǒng)。這些技術(shù)控制系統(tǒng)包含混凝土泵送控制系統(tǒng)、混凝土量計(jì)量控制系統(tǒng)、新型張拉組件及張拉控制系統(tǒng)、模具及張拉頭尾板的輸送控制系統(tǒng)、自動(dòng)噴涂脫模劑控制系統(tǒng)、自動(dòng)抓鉤裝置及真空吸盤的使用、自動(dòng)化控制系統(tǒng)、自動(dòng)揭蓋模系統(tǒng)、蓋模輸送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)池溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、管模的改進(jìn)等。由于該生產(chǎn)線是一個(gè)開放的系統(tǒng)，以后還可根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況增加管模自動(dòng)清理系統(tǒng)、自動(dòng)拆裝合模螺栓系統(tǒng)、自動(dòng)拆裝張拉頭尾板系統(tǒng)等等。

　　4、新生產(chǎn)線采用的專用技術(shù)控制系統(tǒng)介紹

　　4.1、混凝土泵送控制系統(tǒng)

　　混凝土泵送技術(shù)是新生產(chǎn)線核心技術(shù)，它包含兩方面內(nèi)容：泵送設(shè)備及可泵送的混凝土技術(shù)，這是新生產(chǎn)線是否能運(yùn)行的根本點(diǎn)。[Page]

　　對(duì)于泵送設(shè)備結(jié)構(gòu)的選型，有兩種選項(xiàng)：一是采用“S”閥技術(shù)；二是采用閘板閥技術(shù)。這兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)備有各自的特點(diǎn)。而且兩種技術(shù)國內(nèi)企業(yè)都能生產(chǎn)制造。

　　國內(nèi)的泵送混凝土技術(shù)有兩個(gè)發(fā)展方向。一是普通（低強(qiáng)度）泵送混凝土技術(shù)；二是高強(qiáng)度混凝土泵送技術(shù)。低強(qiáng)度的混凝土泵送在國內(nèi)已用得非常普遍，但高強(qiáng)度的混凝土泵送則用得較少，主要原因就是成本太高。預(yù)制樁使用的混凝土既要求混凝土強(qiáng)度高，又要求混凝土成本低。但是，既能保證混凝土成本低、又能保證混凝土強(qiáng)度高（抗壓強(qiáng)度≥80MPa）的泵送混凝土，國內(nèi)市場(chǎng)目前基本上還沒見應(yīng)用。

　　采用混凝土泵送技術(shù)制作預(yù)制樁時(shí)，混凝土是通過泵送設(shè)備被注入到模具內(nèi)，因此可以達(dá)到以下效果：

　?、佘囬g布料工作區(qū)只需三人，大大減少員工數(shù)量；

　?、诓捎帽盟筒剂希炷敛粫?huì)落到車間地面，車間干凈衛(wèi)生，不易產(chǎn)生粉塵；

　?、垲A(yù)制樁不再出現(xiàn)合縫漏漿的質(zhì)量問題；

　　④預(yù)制樁樁頭裙板幾乎不出現(xiàn)裙板凹陷的質(zhì)量問題，裙邊干凈；

　?、菘漳：夏r(shí)，合模螺栓所需的力矩最小，因此合模栓的使用壽命得到提高；同時(shí)上、下模的跑輪貼合緊密，離心時(shí)模具產(chǎn)生跳動(dòng)小。因此，不但噪音得到一定程度的控制，而且也延長(zhǎng)了模具的跑輪、離心機(jī)托輪的使用壽命。

　　4.2、混凝土量計(jì)量控制系統(tǒng)

　　采用泵送設(shè)備泵送混凝土到模具內(nèi)需要解決兩個(gè)問題，一是混凝土在模具內(nèi)的堆積必須是均勻的；二是注入模具內(nèi)混凝土的重量必須準(zhǔn)確。

　　混凝土料計(jì)量控制系統(tǒng)是由操作臺(tái)、可編程控制器、觸摸屏、稱重系統(tǒng)、編碼器、計(jì)量平車、計(jì)量平車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。該系統(tǒng)可根據(jù)模具內(nèi)混凝土的泵送量、泵送位置及泵送設(shè)備泵送能力的大小，通過程序控制計(jì)量平車的運(yùn)行速度，保證模具內(nèi)的混凝土是均勻分布的，總重量是準(zhǔn)確的。

　　這個(gè)系統(tǒng)是否精確，完全決定預(yù)制樁的混凝土壁厚是否能控制在國標(biāo)規(guī)定的范圍內(nèi)。

　　4.3、新型張拉組件及張拉控制系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)生產(chǎn)線的張拉組件是由五件套組成，即：張拉尾板、張拉頭板、張拉絲桿、張拉檔板及鎖緊螺母組成。其中尾板、頭板及絲桿組合件總重量大，在將這些工件裝入模具時(shí)，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。因此，能勝任該項(xiàng)工作的人很難招。另外，采用這種方式進(jìn)行張拉，容易出現(xiàn)預(yù)制樁端板傾斜的質(zhì)量問題。

　　新型張拉組件是由尾板、張拉頭板及鎖緊螺母三件套組成，重量比傳統(tǒng)的張拉組件減少很多，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　新生產(chǎn)線由于張拉頭板型式的改變，張拉機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式也做了相應(yīng)的調(diào)整。一是張拉機(jī)的張拉頭結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了改變；二是張拉機(jī)設(shè)備上增加了鎖緊裝置；三是液壓控制程序進(jìn)行了調(diào)整。張拉行程變短，張拉機(jī)的千斤頂長(zhǎng)度變短。

　　由于采取了新型張拉組件及張拉控制系統(tǒng)的方式進(jìn)行張拉，杜絕了預(yù)制樁端板傾斜的質(zhì)量問題；減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　4.4、模具及頭尾板的輸送控制系統(tǒng)

　　模具輸送控制系統(tǒng)，主要是由縱向鏈條輸送機(jī)、橫向鏈條輸送機(jī)、頂升平移機(jī)、頂升機(jī)、蓋模輸送小車、自動(dòng)揭蓋模機(jī)等設(shè)備組成。

　　頭尾板輸送控制系統(tǒng)，主要是由動(dòng)力輸送滾筒線、提升機(jī)、機(jī)械吊具等組成。

　　上述兩個(gè)系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的采用起重機(jī)進(jìn)行吊運(yùn)方式，避免了員工每班多達(dá)幾百次的避讓起重機(jī)的動(dòng)作，大大減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度；減少了安全隱患，現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)得到更大的保障。

　　4.5、自動(dòng)噴涂脫模劑控制系統(tǒng)

　　在模具輸送線上設(shè)置了兩處自動(dòng)噴涂脫模劑裝置，分別對(duì)輸送通過的上、下模自動(dòng)噴涂脫模劑。

　　該系統(tǒng)的投入使用，不再需要人工噴涂脫模劑。

　　4.6、自動(dòng)抓鉤裝置及真空吸盤的使用

　　根據(jù)生產(chǎn)線上的起重機(jī)的不同作用，起重機(jī)分別配備了不同種類的自動(dòng)抓鉤裝置或者真空吸盤。

　　起重機(jī)配備了自動(dòng)抓鉤裝置及真空吸盤，有以下優(yōu)勢(shì)：①取消掛鉤手崗位，減少用工人數(shù)；②由于人員不用進(jìn)入離心機(jī)及蒸汽養(yǎng)護(hù)池工作區(qū)域，這兩個(gè)工作區(qū)域的安全隱患得到了消除；③籠筋不再需要人工搬運(yùn)，員工的勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低；④預(yù)制樁脫模采用真空吸盤，杜絕了由于起吊原因造成的預(yù)制樁環(huán)裂的問題。

　　4.7、自動(dòng)化控制系統(tǒng)

　　自動(dòng)化控制分為全自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩部份，主要是為了解決自動(dòng)控制系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，可以通過手動(dòng)控制繼續(xù)生產(chǎn)，以確保系統(tǒng)的可靠。系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下還可以在線修改。

　　自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主要機(jī)理是通過光電開關(guān)檢測(cè)到的模具信號(hào)傳遞給控制程序，再由控制程序?qū)⑿盘?hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械設(shè)備執(zhí)行命令來達(dá)到控制輸送的目的。

　　自動(dòng)揭蓋模系統(tǒng)包含自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、定位系統(tǒng)；液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)；機(jī)械抓手系統(tǒng)組成。

　　自動(dòng)揭蓋模系統(tǒng)的主要作用：當(dāng)管模的合模螺栓被全部拆除后，通過鏈條輸送機(jī)輸送到自動(dòng)揭蓋模工位時(shí)，電子儀器將檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送到控制程序，控制程序發(fā)出指令，使得機(jī)械抓手將蓋模提起，并橫向移送到鏈條機(jī)上，控制程序繼續(xù)發(fā)出指令讓鏈條機(jī)將管模往下一道工序輸送。

　　4.8、蓋模輸送系統(tǒng)

　　蓋模輸送系統(tǒng)的主要作用：輸送小車將清干凈的蓋模自動(dòng)抓起，并輸送到相對(duì)應(yīng)的底模合模工位（輸送過程中，自動(dòng)噴脫模劑設(shè)備自動(dòng)完成對(duì)蓋模噴涂脫模劑），并將蓋模準(zhǔn)確與底模完成合模。

　　5、自動(dòng)化新生產(chǎn)線存在的不足

　　自動(dòng)化新生產(chǎn)線經(jīng)過近半年時(shí)間的運(yùn)行，基本上達(dá)到了當(dāng)初提出的減少用工人數(shù)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率、改善工作環(huán)境、減少安全事故、提高產(chǎn)品質(zhì)量的要求。但目前尚存在不足之處：

　?、俦盟突炷帘葌鹘y(tǒng)混凝土成本高，還需要對(duì)泵送混凝土進(jìn)一步研究；

　?、诓捎帽盟凸に嚂r(shí)，目前還無法做接樁。這對(duì)需要大量短樁的區(qū)域相矛盾。因此，還需要進(jìn)一步改進(jìn)；

　　③自動(dòng)化生產(chǎn)線的固定資產(chǎn)投資比傳統(tǒng)生產(chǎn)線要大很多，還需進(jìn)一步對(duì)設(shè)備布置方案進(jìn)行優(yōu)化；

　?、鼙盟驮O(shè)備的易損件用量較大，采取何種改進(jìn)措施還需研究。

　　6、結(jié) 語

　　隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，企業(yè)一線員工在選擇工作時(shí)，對(duì)安全保障、工作環(huán)境、勞動(dòng)強(qiáng)度等方面的要求會(huì)越來越高，這對(duì)我們混凝土與水泥制品行業(yè)的企業(yè)來說將是非常大的挑戰(zhàn)。因此，自動(dòng)化生產(chǎn)線的技術(shù)研究工作將是我們水泥制品企業(yè)今后最重要的工作之一。

　　現(xiàn)將預(yù)應(yīng)力混凝土管樁新式生產(chǎn)線的開發(fā)現(xiàn)狀介紹給大家，筆者本意希望起到拋磚引玉的作用，給十多年來預(yù)制樁行業(yè)的“沉寂”帶來一點(diǎn)動(dòng)靜。希望我們預(yù)制樁行業(yè)從此會(huì)不斷有新的、有技術(shù)含量的東西出現(xiàn)；更希望我們這個(gè)行業(yè)能健康、有序地發(fā)展。