建華管樁集團技術中心經理曾曉文

　　1、引言

　　預應力混凝土樁行業隨著國家基礎建設的快速發展而得到迅速的壯大，到2011年底，國內預應力混凝土樁的用量達到3億多米。但是預制樁的生產環境如噪音、粉塵、高溫、勞動強度大、安全隱患多等諸多問題，一直沒有得到根本有效的解決。與現有預制樁生產工藝相應的設備布置工藝自動化程度低；起重機在作業人員的工作區域內運行，安全隱患大；部分工序的作業方式影響到樁的質量，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裂等。 預應力混凝土樁企業普遍面臨著招工難、留人難的困難局面。

　　本文分析了現行預制管樁生產工藝存在的問題，提出了一種全新的預制混凝土管樁生產工藝流程，據此設計出國內第一條自動化程度較高的預應力混凝土管樁生產線，并介紹了該生產線所采用的一些專用技術以及這種生產線在投入運行后尚存的不足。

　　2、國內預制樁生產工藝流程現狀分析

圖1  預應力混凝土管樁生產傳統流程圖

　　國內的預應力混凝土管樁生產工藝流程，從當初引進到現在已有近二十年的歷史，但是管樁的生產工藝流程則沒有任何形式的改變。本人認為沒有改變的主要原因有兩點：一是國內經濟建設的飛速發展，帶動了管樁行業的高速發展，管樁用量每年都以二十幾個點以上的速度增長；二是國內勞動力資源豐富，勞動力價格低。這就造成企業不愿投入資金去做技術創新。工藝流程見圖1（預應力混凝土管樁生產傳統流程圖）。

　　按照管樁生產工藝流程，國內管樁企業設計的生產線布局模式是將生產車間分成六個工作區，即：混凝土料制作工作區、布料張拉工作區、離心成型工作區、蒸汽養護工作區、裝拆模工作區、籠筋制作工作區。模具在工作區間的流轉是通過起重機來完成的。見圖2（預應力混凝土管樁直形線生產工藝布局圖）及圖3（預應力混凝土管樁回形線生產工藝布局圖）

圖2  預應力混凝土管樁直形線生產工藝布局圖

圖3  預應力混凝土管樁回形線生產工藝布局圖

　　現將六個工作區各自的功能特點分析如下：

　　混凝土料制作工作區的主要功能就是制備混凝土料。此工作區缺點是粉塵大、噪音大。

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

　　離心工作區的主要功能，使混凝土離心成型為管樁。這個區域的缺點是噪音大、環境衛生差、高速旋轉安全隱患多。

　　蒸汽養護工作區的主要功能，是將制作好的預應力混凝土管樁進行蒸汽養護，使管樁的樁身強度達到規定要求。此工作區的缺點是環境溫度高、安全隱患多。[Page]

　　裝拆模工作區的主要功能，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；四是對預制樁逐條進行外觀品質檢驗。這個區域的主要缺點：人員多、員工勞動強度大、安全隱患多、溫度高、噪音大、工作環境差。

　　籠筋制作工作區的主要功能，一是鋼筋籠的編制成形；二是端板制作。這個區域的工作缺點：員工勞動強度大、溫度高。

　　3、預應力混凝土管樁新生產工藝流程的設計思路

　　要解決傳統生產工藝流程中存在的員工勞動強度大、用工人數多、工作環境差、安全隱患多、勞動效率低、產品外觀質量差等一系列問題，就必須對傳統生產工藝流程及生產裝備進行改進。

　　因此，筆者提出了一種全新的管樁生產工藝流程。見圖4（預應力混凝土管樁新的生產工藝流程）。

圖4  預應力混凝土管樁新的生產工藝流程

　　按新的生產工藝流程圖設計的管樁生產線布局圖，見圖5。

圖5  預應力混凝土管樁自動化生產線工藝布局圖

　　新的自動化程度較高的管樁生產線與傳統的管樁生產線相比，主要有以下幾方面的改變：

　　⑴新生產線將混凝土入模工序（即：布料工序）調整到合模、張拉工序以后；

　　⑵新生產線的混凝土入模方式做了改變，由原來的利用喂料機將混凝土澆入到底模，再合上模的方式改為用泵送設備將混凝土泵入到模具內且是在裝籠、合模工序完成之后。

　　⑶混凝土注入管模內的重量計量系統，由特制的計量平車及混凝土泵送設備構成，通過控制程序來進行控制，改變了傳統的控制進入攪拌機中原材料量的控制方式；

　　⑷模具從出蒸汽養護池開始到送達布料工作區，轉運過程中全部采用鏈條機輸送，模具在每個工位的傳遞是通過光電開關、控制程序來實現的，改變了傳統的起重機吊運方式；

　　⑸對傳遞預應力的張拉頭板進行革新設計，將傳統的 “內”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。

　　⑹起重設備全部配置了機械抓手或真空吸盤，改變了傳統的人工掛鉤方式；

　　⑺將人工給模具噴涂脫模劑的方式改為利用機械設備自動向模具噴涂脫模劑的方式；

　　⑻新生產線還有一個重要的改變就是把傳統生產線上集中在布料、張拉和裝拆、模兩個工作區的所有工序全部分散到整個鏈條輸送線上，將生產員工分散開。避免了起重機在作業人員的工作區域內運行，最大程度的解決了往日的安全隱患。

　　⑼由于采用了自動抓鉤、鏈條輸送工藝，因此新工藝將離心及蒸汽養護兩個工作區用防護墻與其他區域完全隔開，避免噪音、高溫對員工的健康造成影響；

　　⑽新生產線是把籠筋與端板、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。

　　⑾新生產線各工序間還設置了通信模式傳遞生產信息，采用上位機編程、配合LED燈顯示器、機房設置監控系統，將上下道工序構成信息化連接，確保作業信息準確高效傳遞，減少了生產現場的信息錯誤。

　　⑿新生產線對蒸養工序也采取了自動控制，通過電器對閥等機械元件進行聯動控制，實現管樁蒸養按照工藝要求進行自動化控制，實現無人操作。

　　由于上述多方面的改變，所以說按新工藝流程設計的新生產線采用了較多的技術控制系統。這些技術控制系統包含混凝土泵送控制系統、混凝土量計量控制系統、新型張拉組件及張拉控制系統、模具及張拉頭尾板的輸送控制系統、自動噴涂脫模劑控制系統、自動抓鉤裝置及真空吸盤的使用、自動化控制系統、自動揭蓋模系統、蓋模輸送系統、液壓系統、養護池溫度自動控制系統、管模的改進等。由于該生產線是一個開放的系統，以后還可根據技術發展情況增加管模自動清理系統、自動拆裝合模螺栓系統、自動拆裝張拉頭尾板系統等等。

　　4、新生產線采用的專用技術控制系統介紹

　　4.1、混凝土泵送控制系統

　　混凝土泵送技術是新生產線核心技術，它包含兩方面內容：泵送設備及可泵送的混凝土技術，這是新生產線是否能運行的根本點。[Page]

　　對于泵送設備結構的選型，有兩種選項：一是采用“S”閥技術；二是采用閘板閥技術。這兩種結構的設備有各自的特點。而且兩種技術國內企業都能生產制造。

　　國內的泵送混凝土技術有兩個發展方向。一是普通（低強度）泵送混凝土技術；二是高強度混凝土泵送技術。低強度的混凝土泵送在國內已用得非常普遍，但高強度的混凝土泵送則用得較少，主要原因就是成本太高。預制樁使用的混凝土既要求混凝土強度高，又要求混凝土成本低。但是，既能保證混凝土成本低、又能保證混凝土強度高（抗壓強度≥80MPa）的泵送混凝土，國內市場目前基本上還沒見應用。

　　采用混凝土泵送技術制作預制樁時，混凝土是通過泵送設備被注入到模具內，因此可以達到以下效果：

　　①車間布料工作區只需三人，大大減少員工數量；

　　②采用泵送布料，混凝土不會落到車間地面，車間干凈衛生，不易產生粉塵；

　　③預制樁不再出現合縫漏漿的質量問題；

　　④預制樁樁頭裙板幾乎不出現裙板凹陷的質量問題，裙邊干凈；

　　⑤空模合模時，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；同時上、下模的跑輪貼合緊密，離心時模具產生跳動小。因此，不但噪音得到一定程度的控制，而且也延長了模具的跑輪、離心機托輪的使用壽命。

　　4.2、混凝土量計量控制系統

　　采用泵送設備泵送混凝土到模具內需要解決兩個問題，一是混凝土在模具內的堆積必須是均勻的；二是注入模具內混凝土的重量必須準確。

　　混凝土料計量控制系統是由操作臺、可編程控制器、觸摸屏、稱重系統、編碼器、計量平車、計量平車驅動機構等組成。該系統可根據模具內混凝土的泵送量、泵送位置及泵送設備泵送能力的大小，通過程序控制計量平車的運行速度，保證模具內的混凝土是均勻分布的，總重量是準確的。

　　這個系統是否精確，完全決定預制樁的混凝土壁厚是否能控制在國標規定的范圍內。

　　4.3、新型張拉組件及張拉控制系統

　　傳統生產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，操作人員的勞動強度非常大。因此，能勝任該項工作的人很難招。另外，采用這種方式進行張拉，容易出現預制樁端板傾斜的質量問題。

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

　　新生產線由于張拉頭板型式的改變，張拉機設備的結構型式也做了相應的調整。一是張拉機的張拉頭結構型式進行了改變；二是張拉機設備上增加了鎖緊裝置；三是液壓控制程序進行了調整。張拉行程變短，張拉機的千斤頂長度變短。

　　由于采取了新型張拉組件及張拉控制系統的方式進行張拉，杜絕了預制樁端板傾斜的質量問題；減輕了操作人員的勞動強度。

　　4.4、模具及頭尾板的輸送控制系統

　　模具輸送控制系統，主要是由縱向鏈條輸送機、橫向鏈條輸送機、頂升平移機、頂升機、蓋模輸送小車、自動揭蓋模機等設備組成。

　　頭尾板輸送控制系統，主要是由動力輸送滾筒線、提升機、機械吊具等組成。

　　上述兩個系統取代了傳統的采用起重機進行吊運方式，避免了員工每班多達幾百次的避讓起重機的動作，大大減輕了員工的勞動強度；減少了安全隱患，現場安全生產得到更大的保障。

　　4.5、自動噴涂脫模劑控制系統

　　在模具輸送線上設置了兩處自動噴涂脫模劑裝置，分別對輸送通過的上、下模自動噴涂脫模劑。

　　該系統的投入使用，不再需要人工噴涂脫模劑。

　　4.6、自動抓鉤裝置及真空吸盤的使用

　　根據生產線上的起重機的不同作用，起重機分別配備了不同種類的自動抓鉤裝置或者真空吸盤。

　　起重機配備了自動抓鉤裝置及真空吸盤，有以下優勢：①取消掛鉤手崗位，減少用工人數；②由于人員不用進入離心機及蒸汽養護池工作區域，這兩個工作區域的安全隱患得到了消除；③籠筋不再需要人工搬運，員工的勞動強度得到降低；④預制樁脫模采用真空吸盤，杜絕了由于起吊原因造成的預制樁環裂的問題。

　　4.7、自動化控制系統

　　自動化控制分為全自動控制和手動控制兩部份，主要是為了解決自動控制系統在發生故障時，可以通過手動控制繼續生產，以確保系統的可靠。系統在手動狀態下還可以在線修改。

　　自動化控制系統的主要機理是通過光電開關檢測到的模具信號傳遞給控制程序，再由控制程序將信號轉化為機械設備執行命令來達到控制輸送的目的。

　　自動揭蓋模系統包含自動識別系統、定位系統；液壓、氣動系統；機械抓手系統組成。

　　自動揭蓋模系統的主要作用：當管模的合模螺栓被全部拆除后，通過鏈條輸送機輸送到自動揭蓋模工位時，電子儀器將檢測到的信號發送到控制程序，控制程序發出指令，使得機械抓手將蓋模提起，并橫向移送到鏈條機上，控制程序繼續發出指令讓鏈條機將管模往下一道工序輸送。

　　4.8、蓋模輸送系統

　　蓋模輸送系統的主要作用：輸送小車將清干凈的蓋模自動抓起，并輸送到相對應的底模合模工位（輸送過程中，自動噴脫模劑設備自動完成對蓋模噴涂脫模劑），并將蓋模準確與底模完成合模。

　　5、自動化新生產線存在的不足

　　自動化新生產線經過近半年時間的運行，基本上達到了當初提出的減少用工人數、降低勞動強度、提高勞動效率、改善工作環境、減少安全事故、提高產品質量的要求。但目前尚存在不足之處：

　　①泵送混凝土比傳統混凝土成本高，還需要對泵送混凝土進一步研究；

　　②采用泵送工藝時，目前還無法做接樁。這對需要大量短樁的區域相矛盾。因此，還需要進一步改進；

　　③自動化生產線的固定資產投資比傳統生產線要大很多，還需進一步對設備布置方案進行優化；

　　④泵送設備的易損件用量較大，采取何種改進措施還需研究。

　　6、結 語

　　隨著社會的發展與進步，企業一線員工在選擇工作時，對安全保障、工作環境、勞動強度等方面的要求會越來越高，這對我們混凝土與水泥制品行業的企業來說將是非常大的挑戰。因此，自動化生產線的技術研究工作將是我們水泥制品企業今后最重要的工作之一。

　　現將預應力混凝土管樁新式生產線的開發現狀介紹給大家，筆者本意希望起到拋磚引玉的作用，給十多年來預制樁行業的“沉寂”帶來一點動靜。希望我們預制樁行業從此會不斷有新的、有技術含量的東西出現；更希望我們這個行業能健康、有序地發展。