一种绞吸船钢桩升降的定位方法

技术领域

本发明属于钢桩升降定位技术领域，特别是涉及一种绞吸船钢桩升降的定位方法。

背景技术

目前，绞吸船、打桩船、反铲船等水上施工船舶在施工时需要将船体固定，固定方式一般分为两种，即刚性固定和柔性固定。柔性固定是指用缆绳将施工船舶固定于水底的岩土层，由于缆绳的柔性作用，施工精度难以保证；而刚性固定一般用钢桩插入水下岩土层，与柔性固定相比刚性固定的船体稳定性更高，施工精度显著提高。

以绞吸船为例，钢桩将绞吸船进行刚性固定，但是绞吸船能够绕着钢桩转动，也可以沿着钢桩上下运动。按照绞吸船的施工特点，需要将钢桩进行升降操作，钢桩提升需要克服钢桩的重力和水下岩土对钢桩的摩擦力，一般钢桩重达上百吨，起重载荷较大。采用液压方式升降钢桩较为方便，液压装置置于钢桩上方或钢桩侧面。液压装置位于钢桩上方时，虽然起重方向较为固定，但是占用空间较大、费用高，而且和倒桩等结构配合极为复杂。液压装置位于钢桩侧面时，则空间布置方式较为方便、费用低，与倒桩等结构配合简便，但是在升降过程中液压装置在伸缩的同时还伴随着转动，控制困难，一旦控制不当，有可能发生液压装置与钢桩相碰事故。

此外，液压装置位于钢桩侧面时，钢桩起升高度和液压装置的伸缩和角度关系难以掌握，为了避免液压装置磕碰钢桩事故发生，现场使用时均需要专人看守，存在安全隐患。目前，研发人员在设计钢桩起升装置时采用试算法，先假定一个偏转角度，再假定液压装置伸长到一定长度，不断测量两侧钢丝绳对液压装置的夹角，角度不等时就要调整液压装置伸长长度，直到两侧夹角近似相等为止，导致最后确定的钢桩提升高度误差极大，且存在过程繁杂、效率低、成本高等技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供了一种绞吸船钢桩升降的定位方法，该定位方法具有方法简单，定位准确高效，节省了大量人工成本，提高了设计效率，经济实用和适用范围广等特点，尤其适用于中小型绞吸船的钢桩升降。

本发明所采取的技术方案是：

一种绞吸船钢桩升降的定位方法，所述定位方法基于绞吸船钢桩升降定位结构实现，所述绞吸船钢桩升降定位结构包括钢桩、甲板和伸缩杆，所述钢桩位于绞吸船船体的艏部或艉部，钢桩穿过绞吸船的甲板，所述伸缩杆位于所述钢桩的一侧；所述甲板上固定安装有支座一和支架，所述支座一位于钢桩和支架之间，并且支座一的中心轴线与甲板的上表面平齐；所述伸缩杆的底部与支座一铰接，伸缩杆的顶端设有滑轮，所述滑轮与伸缩杆铰接；所述支架顶部设置有支座二，钢桩上部的外周面上设置有吊点，一端固定于支座二上的缆绳绕过滑轮且另一端固定于吊点上，在钢桩升降过程中缆绳始终张紧，钢桩轴线、伸缩杆轴线，吊点中心、缆绳、滑轮中心、支座一中心以及支座二中心共面且为竖直平面。

所述定位方法包括以下步骤：

S1：以吊点中心所在的钢桩半径方向为坐标系的X轴方向，以钢桩轴线方向为坐标系的Y轴方向，建立坐标系，设钢桩外圆周面沿X轴方向与甲板的交点坐标为（0，0），记为坐标系的原点；获取支座一和支座二的中心位置坐标，其中支座一的中心位置坐标记为（E，0），支座二的中心位置坐标记为（F，G），钢桩轴线与甲板的交点坐标记为（-R，0）；

记伸缩杆顶端滑轮的中心坐标为（x，y），（x，y）为钢桩位于某一提升高度

S2：吊点的中心坐标记为（0，h），记吊点中心与支座二中心连线的中点的坐标为（

（1）

吊点中心和支座二中心的连线与甲板2的夹角记为

（2）

S3：以吊点中心和支座二中心为两个焦点的椭圆为目标椭圆，设定目标椭圆上任一点和目标椭圆中心的连线与目标椭圆长轴正向的夹角为

（3）

其中，目标椭圆的长轴2a和短轴2b满足如下公式：

（4）

则对

（5）

设定任一

（6）

计算敏感因子

S4：当

S5：钢桩位于某一提升高度

（7）

钢桩位于某一提升高度

（8）

其中，

特别地，目标椭圆上任一点和目标椭圆中心的连线与目标椭圆长轴正向的夹角

特别地，目标敏感因子

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的绞吸船钢桩升降的定位方法由于采用了全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下明显特点：

1．本发明提出了表征伸缩杆的长度和姿态的敏感因子，通过钢桩高度反向追踪伸缩杆的长度和姿态，通过建立钢桩提升高度、伸缩杆长度和轴线角度等关键参数的数学模型，并给出了数值解法，能够快速得到钢桩提升高度和伸缩杆长度及角度之间的一一对应关系，方法准确、可靠、简便。

2．本发明提高了伸缩杆的安全性能和稳定性能，提高了施工效率，降低了施工风险，减少了人工成本，运算方法简便有效，并且可以编制成专门的计算程序，本方法具备通用性，能够根据现场情况编制伸缩杆长度和姿态、钢桩提升高度之间的关系表，为现场操作提供了便利条件。

3．本发明的方法简单，定位准确高效，节省了大量的人工成本，提高了施工效率，具有经济实用和适用范围广等积极效果。

附图说明

图1是本发明的绞吸船钢桩升降的定位结构的使用时的示意图；

图2是本发明的绞吸船钢桩升降的定位结构的使用时另一视角的示意图；

图3是本发明实例中的绞吸船钢桩升降的伸缩杆端部位置示意图。

图中：1、钢桩；2、甲板；3、支座一；4、支架；5、支座二；6、缆绳；7、伸缩杆；8、限位一；9、限位二；10、桩尖；11、桩顶；12、桩身；13、夹角一；14、夹角二；15、滑轮；16、吊点；61、缆绳一；62、缆绳二。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“二”、“三”、“四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例1

一种绞吸船钢桩升降的定位方法，所述定位方法基于绞吸船钢桩升降定位结构实现。如图1和图2所示，所述绞吸船钢桩升降定位结构包括钢桩、甲板和伸缩杆，钢桩1位于绞吸船船体的艏部或艉部，钢桩穿过绞吸船的甲板2。绞吸船以钢桩1为中心摆动施工，在施工过程中，钢桩1的桩尖10部插入水底的岩土层中，在岩土层的作用下，钢桩1能够为绞吸船摆动施工提供稳定的支撑。根据施工需要，钢桩1还需要起升和下降，因此绞吸船除了能够绕着钢桩1摆动之外，还能沿着钢桩上下运动，因此钢桩1升降的稳定性和安全性直接影响了施工效率。

所述伸缩杆7位于所述钢桩1的一侧。当钢桩1位于绞吸船的船艏时，伸缩杆7位于远离钢桩1指向船艉的一侧；当钢桩1位于绞吸船的船艉时，伸缩杆7位于远离钢桩1指向船艏的一侧。所述甲板2上固定安装有支座一3和支架4，所述支座一3位于钢桩1和支架4之间，并且支座一3的中心轴线与甲板2的上表面平齐。

伸缩杆7的底部与支座一3铰接，即伸缩杆7不仅可以在动力作用下伸长或缩短，而且还能绕着支座一3在钢桩1和伸缩杆7之间转动，所述动力可以为液压驱动，也可以为气缸驱动。伸缩杆7的顶端设有滑轮15，滑轮15与伸缩杆7铰接。支架4顶部设置有支座二5，钢桩1上部的外周面上设置有吊点16，一端固定于支座二5上的缆绳6绕过滑轮15且另一端固定于吊点16上，在钢桩1升降过程中缆绳6始终张紧，钢桩1轴线、伸缩杆7轴线，吊点16中心、缆绳6、滑轮15中心、支座一3中心以及支座二5中心共面且为竖直平面。

钢桩升降的定位方法，包括以下步骤：

S1：以吊点16中心所在的钢桩1半径方向为坐标系的X轴方向，以钢桩1轴线方向为坐标系的Y轴方向，建立坐标系，设钢桩1外圆周面沿X轴方向与甲板2的交点坐标为（0，0），记为坐标系的原点。

获取支座一3和支座二5的中心位置坐标，其中支座一3的中心位置坐标记为（E，0），支座二5的中心位置坐标记为（F,G），钢桩1轴线与甲板2的交点坐标记为（-R，0）。

记伸缩杆7顶端滑轮15的中心坐标为（x，y），（x，y）为钢桩1位于某一提升高度

S2：吊点16的中心坐标记为（0，

（9）

吊点16中心和支座二5中心的连线与甲板2的夹角记为

（10）

缆绳一61与缆绳二62为张紧状态，二者长度之和为L，则目标点位于以吊点16中心和支座二5中心为两个焦点的目标椭圆上，则所述目标椭圆的长轴2a=L。因所述目标椭圆位于支座二5中心处的焦点是不变的，而位于吊点16中心处的焦点随着吊点16高度的变化而不断变化，因此所述目标椭圆的形状也不断改变。

当同样以长轴为2a和短轴为2b的椭圆的中心位于坐标系原点时，并且此椭圆的长轴位于x轴时，记为控制椭圆（或标准椭圆），则控制椭圆上的任意一点坐标（

（11）

将公式（11）变形，可以得到：

（12）

其中，控制椭圆的长轴2a和短轴2b表示为：

（13）

将公式（12）和（13）联立，得到控制椭圆的控制曲线满足如下公式：

（14）

控制椭圆的中心位于坐标系原点，目标椭圆的中心偏离坐标系原点，并且目标椭圆的长轴与控制椭圆的长轴呈不平行状态（除吊点16中心和支座二5中心处于同一水平高度时），换言之，控制椭圆需要经过平移和旋转才能得到目标椭圆，则目标椭圆的任一点（x，y）满足如下公式：

（15）

其中，m和n参照公式（9）。

S3：设定目标椭圆上任一点和目标椭圆中心的连线与目标椭圆长轴正向的夹角为

则任一

（16）

联合公式（15）和公式（16），得到任一

（17）

在目标椭圆上，支座二5中心和吊点16中心为目标椭圆的两个焦点，伸缩杆7两侧的缆绳一61和缆绳二62张紧长度之和为定值。换言之，相当于缆绳一61从支座二5出发到达目标椭圆的目标点，缆绳二62从目标椭圆的目标点到达目标椭圆的吊点16。夹角一13为缆绳一61与伸缩杆7轴线的夹角，夹角二14为缆绳二62与伸缩杆7轴线的夹角。

由于缆绳一61和缆绳二62处于连通并张紧状态，则缆绳一61和缆绳二62的张力相等；当夹角一13和夹角二14不等时，伸缩杆7会偏向夹角大的一侧。当夹角一13大于夹角二14时，伸缩杆7会偏向支座二5；当夹角一13小于夹角二14时，伸缩杆7会偏向钢桩1。只有当夹角一13和夹角二14相等时，伸缩杆7才会左右平衡。

值得注意的是，一旦伸缩杆7具备一定的偏转角速度，由于惯性作用，伸缩杆7会沿着原有偏转方向继续偏转，有可能会发生伸缩杆7顶端滑轮15撞向钢桩1。因此为了避免这种现象，在钢桩1和支座一3之间增加限位一9，防止伸缩杆7撞向钢桩1，在支架4上的某一高度位置增加限位二8，防止伸缩杆7倾倒。

支座一3中心、支座二5中心、目标点构成平面三角形，通过余弦定理求解夹角一13，支座一3中心、吊点16中心、目标点构成平面三角形，通过余弦定理求解夹角二14，支座一3的中心位置坐标为（E,0），支座二5的中心位置坐标为（F,G），吊点16的中心位置坐标为（0，

值得注意的是，在目标点上的法线具有夹角一13和夹角二14自动相等的性质，相当于在支座二5中心放置一点光源，通过目标椭圆的壁面反射到达吊点16，则在任意的壁面处均能保证光线的入射角与反射角相等。换言之，只要目标点处的法线与伸缩杆7轴线重合，即通过支座一3的中心位置（E,0），则该目标点即为所求的目标点。

则对

（18）

设定任一

（19）

计算敏感因子

S4：比较

当

当目标点与支座一3确定的直线和目标点切线之间的位置不是垂直关系时，通过公式（19）得到的敏感因子值很大，只有当目标点与支座一3确定的直线和目标点切线垂直时，敏感因子才为0。通过

S5：钢桩位于某一提升高度

（20）

钢桩位于某一提升高度

（21）

其中，

设定目标敏感因子

以实际绞吸船为例，取值E=725，F=1475，G=1100，L=4500，对于不同的h，能够方便得到以下数据关系，如下表1所示：

表1 钢桩不同提升高度时绞吸船的相关数据

从实施实例可以看出，将钢桩提升高度

（22）

本发明提出了表征伸缩杆的长度和姿态的敏感因子，通过钢桩高度反向追踪伸缩杆的长度和姿态，通过建立钢桩提升高度、伸缩杆长度和轴线角度等关键参数的数学模型，并给出了数值解法，能够快速得到钢桩提升高度和伸缩杆长度及角度之间的一一对应关系，方法准确、可靠、简便。

本发明提高了伸缩杆的安全性能和稳定性能，提高了施工效率，降低了施工风险，减少了人工成本，运算方法简便有效，并且可以编制成专门的计算程序，本方法具备通用性，能够根据现场情况编制伸缩杆长度、姿态和钢桩提升高度之间的关系表，为现场操作提供了便利条件。

本发明的方法简单，定位准确高效，节省了大量的人工成本，提高了施工效率，具有经济实用和适用范围广等积极效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。