管桩自动化生产线设计思路及新生产线介绍

建华管桩集团技术中心经理曾晓文

　　1、引言

　　预应力混凝土桩行业随着国家基础建设的快速发展而得到迅速的壮大，到2011年底，国内预应力混凝土桩的用量达到3亿多米。但是预制桩的生产环境如噪音、粉尘、高温、劳动强度大、安全隐患多等诸多问题，一直没有得到根本有效的解决。与现有预制桩生产工艺相应的设备布置工艺自动化程度低；起重机在作业人员的工作区域内运行，安全隐患大；部分工序的作业方式影响到桩的质量，如先布料后合模造成合缝漏浆、桩身椭圆，两端钩吊式吊桩造成桩身环裂等。 预应力混凝土桩企业普遍面临着招工难、留人难的困难局面。

　　本文分析了现行预制管桩生产工艺存在的问题，提出了一种全新的预制混凝土管桩生产工艺流程，据此设计出国内第一条自动化程度较高的预应力混凝土管桩生产线，并介绍了该生产线所采用的一些专用技术以及这种生产线在投入运行后尚存的不足。

　　2、国内预制桩生产工艺流程现状分析

图1  预应力混凝土管桩生产传统流程图

　　国内的预应力混凝土管桩生产工艺流程，从当初引进到现在已有近二十年的历史，但是管桩的生产工艺流程则没有任何形式的改变。本人认为没有改变的主要原因有两点：一是国内经济建设的飞速发展，带动了管桩行业的高速发展，管桩用量每年都以二十几个点以上的速度增长；二是国内劳动力资源丰富，劳动力价格低。这就造成企业不愿投入资金去做技术创新。工艺流程见图1（预应力混凝土管桩生产传统流程图）。

　　按照管桩生产工艺流程，国内管桩企业设计的生产线布局模式是将生产车间分成六个工作区，即：混凝土料制作工作区、布料张拉工作区、离心成型工作区、蒸汽养护工作区、装拆模工作区、笼筋制作工作区。模具在工作区间的流转是通过起重机来完成的。见图2（预应力混凝土管桩直形线生产工艺布局图）及图3（预应力混凝土管桩回形线生产工艺布局图）

图2  预应力混凝土管桩直形线生产工艺布局图

图3  预应力混凝土管桩回形线生产工艺布局图

　　现将六个工作区各自的功能特点分析如下：

　　混凝土料制作工作区的主要功能就是制备混凝土料。此工作区缺点是粉尘大、噪音大。

　　布料张拉工作区的主要功能，一是将制作好的混凝土料均匀布入到装好笼筋的底模；二是将上下模进行合模，并把合模螺栓锁紧；三是张拉，即给管桩主筋施加预应力。此工作区主要缺点：人员多、员工劳动强度大、安全隐患多、粉尘多、噪音大。

　　离心工作区的主要功能，使混凝土离心成型为管桩。这个区域的缺点是噪音大、环境卫生差、高速旋转安全隐患多。

　　蒸汽养护工作区的主要功能，是将制作好的预应力混凝土管桩进行蒸汽养护，使管桩的桩身强度达到规定要求。此工作区的缺点是环境温度高、安全隐患多。[Page]

　　装拆模工作区的主要功能，一是将管桩从模具里取出；二是将模具清理干净；三是将端头板、头尾板、编制好的笼筋及张拉挡板等全部装入底模；四是对预制桩逐条进行外观品质检验。这个区域的主要缺点：人员多、员工劳动强度大、安全隐患多、温度高、噪音大、工作环境差。

　　笼筋制作工作区的主要功能，一是钢筋笼的编制成形；二是端板制作。这个区域的工作缺点：员工劳动强度大、温度高。

　　3、预应力混凝土管桩新生产工艺流程的设计思路

　　要解决传统生产工艺流程中存在的员工劳动强度大、用工人数多、工作环境差、安全隐患多、劳动效率低、产品外观质量差等一系列问题，就必须对传统生产工艺流程及生产装备进行改进。

　　因此，笔者提出了一种全新的管桩生产工艺流程。见图4（预应力混凝土管桩新的生产工艺流程）。

图4  预应力混凝土管桩新的生产工艺流程

　　按新的生产工艺流程图设计的管桩生产线布局图，见图5。

图5  预应力混凝土管桩自动化生产线工艺布局图

　　新的自动化程度较高的管桩生产线与传统的管桩生产线相比，主要有以下几方面的改变：

　　⑴新生产线将混凝土入模工序（即：布料工序）调整到合模、张拉工序以后；

　　⑵新生产线的混凝土入模方式做了改变，由原来的利用喂料机将混凝土浇入到底模，再合上模的方式改为用泵送设备将混凝土泵入到模具内且是在装笼、合模工序完成之后。

　　⑶混凝土注入管模内的重量计量系统，由特制的计量平车及混凝土泵送设备构成，通过控制程序来进行控制，改变了传统的控制进入搅拌机中原材料量的控制方式；

　　⑷模具从出蒸汽养护池开始到送达布料工作区，转运过程中全部采用链条机输送，模具在每个工位的传递是通过光电开关、控制程序来实现的，改变了传统的起重机吊运方式；

　　⑸对传递预应力的张拉头板进行革新设计，将传统的 “内”张拉方式改为“外”张拉方式，头板重量比过去有所降低，且彻底解决了桩身端面倾斜问题。

　　⑹起重设备全部配置了机械抓手或真空吸盘，改变了传统的人工挂钩方式；

　　⑺将人工给模具喷涂脱模剂的方式改为利用机械设备自动向模具喷涂脱模剂的方式；

　　⑻新生产线还有一个重要的改变就是把传统生产线上集中在布料、张拉和装拆、模两个工作区的所有工序全部分散到整个链条输送线上，将生产员工分散开。避免了起重机在作业人员的工作区域内运行，最大程度的解决了往日的安全隐患。

　　⑼由于采用了自动抓钩、链条输送工艺，因此新工艺将离心及蒸汽养护两个工作区用防护墙与其他区域完全隔开，避免噪音、高温对员工的健康造成影响；

　　⑽新生产线是把笼筋与端板、张拉头板及尾板全部装配好后再放入到模具中，改变了将笼筋放入管模后再装端板和张拉头、尾板的方式。解决了往日多道工序堆积在一起，相互影响、工作效率低问题。

　　⑾新生产线各工序间还设置了通信模式传递生产信息，采用上位机编程、配合LED灯显示器、机房设置监控系统，将上下道工序构成信息化连接，确保作业信息准确高效传递，减少了生产现场的信息错误。

　　⑿新生产线对蒸养工序也采取了自动控制，通过电器对阀等机械元件进行联动控制，实现管桩蒸养按照工艺要求进行自动化控制，实现无人操作。

　　由于上述多方面的改变，所以说按新工艺流程设计的新生产线采用了较多的技术控制系统。这些技术控制系统包含混凝土泵送控制系统、混凝土量计量控制系统、新型张拉组件及张拉控制系统、模具及张拉头尾板的输送控制系统、自动喷涂脱模剂控制系统、自动抓钩装置及真空吸盘的使用、自动化控制系统、自动揭盖模系统、盖模输送系统、液压系统、养护池温度自动控制系统、管模的改进等。由于该生产线是一个开放的系统，以后还可根据技术发展情况增加管模自动清理系统、自动拆装合模螺栓系统、自动拆装张拉头尾板系统等等。

　　4、新生产线采用的专用技术控制系统介绍

　　4.1、混凝土泵送控制系统

　　混凝土泵送技术是新生产线核心技术，它包含两方面内容：泵送设备及可泵送的混凝土技术，这是新生产线是否能运行的根本点。[Page]

　　对于泵送设备结构的选型，有两种选项：一是采用“S”阀技术；二是采用闸板阀技术。这两种结构的设备有各自的特点。而且两种技术国内企业都能生产制造。

　　国内的泵送混凝土技术有两个发展方向。一是普通（低强度）泵送混凝土技术；二是高强度混凝土泵送技术。低强度的混凝土泵送在国内已用得非常普遍，但高强度的混凝土泵送则用得较少，主要原因就是成本太高。预制桩使用的混凝土既要求混凝土强度高，又要求混凝土成本低。但是，既能保证混凝土成本低、又能保证混凝土强度高（抗压强度≥80MPa）的泵送混凝土，国内市场目前基本上还没见应用。

　　采用混凝土泵送技术制作预制桩时，混凝土是通过泵送设备被注入到模具内，因此可以达到以下效果：

　　①车间布料工作区只需三人，大大减少员工数量；

　　②采用泵送布料，混凝土不会落到车间地面，车间干净卫生，不易产生粉尘；

　　③预制桩不再出现合缝漏浆的质量问题；

　　④预制桩桩头裙板几乎不出现裙板凹陷的质量问题，裙边干净；

　　⑤空模合模时，合模螺栓所需的力矩最小，因此合模栓的使用寿命得到提高；同时上、下模的跑轮贴合紧密，离心时模具产生跳动小。因此，不但噪音得到一定程度的控制，而且也延长了模具的跑轮、离心机托轮的使用寿命。

　　4.2、混凝土量计量控制系统

　　采用泵送设备泵送混凝土到模具内需要解决两个问题，一是混凝土在模具内的堆积必须是均匀的；二是注入模具内混凝土的重量必须准确。

　　混凝土料计量控制系统是由操作台、可编程控制器、触摸屏、称重系统、编码器、计量平车、计量平车驱动机构等组成。该系统可根据模具内混凝土的泵送量、泵送位置及泵送设备泵送能力的大小，通过程序控制计量平车的运行速度，保证模具内的混凝土是均匀分布的，总重量是准确的。

　　这个系统是否精确，完全决定预制桩的混凝土壁厚是否能控制在国标规定的范围内。

　　4.3、新型张拉组件及张拉控制系统

　　传统生产线的张拉组件是由五件套组成，即：张拉尾板、张拉头板、张拉丝杆、张拉档板及锁紧螺母组成。其中尾板、头板及丝杆组合件总重量大，在将这些工件装入模具时，操作人员的劳动强度非常大。因此，能胜任该项工作的人很难招。另外，采用这种方式进行张拉，容易出现预制桩端板倾斜的质量问题。

　　新型张拉组件是由尾板、张拉头板及锁紧螺母三件套组成，重量比传统的张拉组件减少很多，降低了操作人员的劳动强度。

　　新生产线由于张拉头板型式的改变，张拉机设备的结构型式也做了相应的调整。一是张拉机的张拉头结构型式进行了改变；二是张拉机设备上增加了锁紧装置；三是液压控制程序进行了调整。张拉行程变短，张拉机的千斤顶长度变短。

　　由于采取了新型张拉组件及张拉控制系统的方式进行张拉，杜绝了预制桩端板倾斜的质量问题；减轻了操作人员的劳动强度。

　　4.4、模具及头尾板的输送控制系统

　　模具输送控制系统，主要是由纵向链条输送机、横向链条输送机、顶升平移机、顶升机、盖模输送小车、自动揭盖模机等设备组成。

　　头尾板输送控制系统，主要是由动力输送滚筒线、提升机、机械吊具等组成。

　　上述两个系统取代了传统的采用起重机进行吊运方式，避免了员工每班多达几百次的避让起重机的动作，大大减轻了员工的劳动强度；减少了安全隐患，现场安全生产得到更大的保障。

　　4.5、自动喷涂脱模剂控制系统

　　在模具输送线上设置了两处自动喷涂脱模剂装置，分别对输送通过的上、下模自动喷涂脱模剂。

　　该系统的投入使用，不再需要人工喷涂脱模剂。

　　4.6、自动抓钩装置及真空吸盘的使用

　　根据生产线上的起重机的不同作用，起重机分别配备了不同种类的自动抓钩装置或者真空吸盘。

　　起重机配备了自动抓钩装置及真空吸盘，有以下优势：①取消挂钩手岗位，减少用工人数；②由于人员不用进入离心机及蒸汽养护池工作区域，这两个工作区域的安全隐患得到了消除；③笼筋不再需要人工搬运，员工的劳动强度得到降低；④预制桩脱模采用真空吸盘，杜绝了由于起吊原因造成的预制桩环裂的问题。

　　4.7、自动化控制系统

　　自动化控制分为全自动控制和手动控制两部份，主要是为了解决自动控制系统在发生故障时，可以通过手动控制继续生产，以确保系统的可靠。系统在手动状态下还可以在线修改。

　　自动化控制系统的主要机理是通过光电开关检测到的模具信号传递给控制程序，再由控制程序将信号转化为机械设备执行命令来达到控制输送的目的。

　　自动揭盖模系统包含自动识别系统、定位系统；液压、气动系统；机械抓手系统组成。

　　自动揭盖模系统的主要作用：当管模的合模螺栓被全部拆除后，通过链条输送机输送到自动揭盖模工位时，电子仪器将检测到的信号发送到控制程序，控制程序发出指令，使得机械抓手将盖模提起，并横向移送到链条机上，控制程序继续发出指令让链条机将管模往下一道工序输送。

　　4.8、盖模输送系统

　　盖模输送系统的主要作用：输送小车将清干净的盖模自动抓起，并输送到相对应的底模合模工位（输送过程中，自动喷脱模剂设备自动完成对盖模喷涂脱模剂），并将盖模准确与底模完成合模。

　　5、自动化新生产线存在的不足

　　自动化新生产线经过近半年时间的运行，基本上达到了当初提出的减少用工人数、降低劳动强度、提高劳动效率、改善工作环境、减少安全事故、提高产品质量的要求。但目前尚存在不足之处：

　　①泵送混凝土比传统混凝土成本高，还需要对泵送混凝土进一步研究；

　　②采用泵送工艺时，目前还无法做接桩。这对需要大量短桩的区域相矛盾。因此，还需要进一步改进；

　　③自动化生产线的固定资产投资比传统生产线要大很多，还需进一步对设备布置方案进行优化；

　　④泵送设备的易损件用量较大，采取何种改进措施还需研究。

　　6、结 语

　　随着社会的发展与进步，企业一线员工在选择工作时，对安全保障、工作环境、劳动强度等方面的要求会越来越高，这对我们混凝土与水泥制品行业的企业来说将是非常大的挑战。因此，自动化生产线的技术研究工作将是我们水泥制品企业今后最重要的工作之一。

　　现将预应力混凝土管桩新式生产线的开发现状介绍给大家，笔者本意希望起到抛砖引玉的作用，给十多年来预制桩行业的“沉寂”带来一点动静。希望我们预制桩行业从此会不断有新的、有技术含量的东西出现；更希望我们这个行业能健康、有序地发展。