0 前言
混凝土管桩行业从上世纪80年代起步发展,至今已有30多年历史。全国的管桩厂家从沿海地区向内陆发展,现约有500多家管桩厂,管桩用量从2000年的1300万m到2011年的3亿m,是世界上管桩用量最大的国家。但是管桩生产线的规划和设计方面仍较为滞后,国内还没有形成系统科学的管桩生产线设计规范性文件。同时,管桩工艺流程设计也没有太大改进,工艺布局和流程有优劣,未能达到理想的投入与产出的效益比例,甚至有的管桩厂因规划设计不合理,还造成投资浪费、工艺“瓶颈”、安全隐患、生产成本高等现象。近年来,随着部分新设备的改进应用,工艺流程虽有所改良,但是和国外先进的管桩自动化生产线相比,还存在较大的差距。笔者根据实际设计经验和生产管理体会,参考国外自动化生产线工艺流程,讨论了国内管桩厂设计的总体思路和现有工艺流程存在的问题以及有待改进发展的地方。
1 设计的总体思路和评价标准
投资者新进入管桩行业,最想了解的是投资收益多少,行业发展前景如何。仅从技术角度分析具体的投资要素,首先应考虑投资规模。根据当地市场情况决定管桩的产销量目标,决定购置土地的大小。也可以根据已有的土地,考虑厂区布局,合理分配,充分规划利用。再设计考虑其它因素:车间的工艺流程、道路的走向、堆场所占的比重、砂石等原材料的堆放、锅炉或蒸汽动力系统的布局、电力系统的布局、辅助设施的规划等。从管桩销售市场的特点看,一般需要厂内的管桩堆场存放量大,所以,设计时应考虑成品堆场的面积不少于生产车间的面积,存放量满足近一个月的生产产量,便于生产和销售的管理。
评价管桩厂设计规划的优劣,从生产效率、安全、工人劳动强度、环境4方面考虑。生产效率需要从人均生产管桩数量和每小时生产管桩数量两方面来考虑,人均生产管桩数量(以下简称人均数)按照成型班组的人员来计算,即从搅拌布料到拆模工艺的人员(不含钢筋骨架制作)平均每人生产管桩的数量。在完全按照生产工艺条件前提下生产,一般认为人均数为4条时,生产线较为合理;人均数为5条时,较为优良;人均数达到5条以上,为优秀。每小时生产管桩数量(以下简称时产数)按照每台离心机每小时生产管桩的数量来计算,一般时产数为4条时,生产线优良;时产数为4.3条时,较为优秀。可见,应将这两方面结合起来,衡量管桩生产线的工艺流程是否合理,投入和产出是否成正比,不能单一去比较。表1为管桩厂工艺设计评价因素表。
表1 管桩厂工艺设计评价因素表
2 现有管桩工艺流程对比
管桩工艺流程设计是管桩厂设计成败的关键,直接影响到生产效率、安全、工人劳动强度、环境等方面。预制混凝土制品的生产工艺分为3类,即台座法、机组流水法和流水传送法。目前,国内管桩厂家一般采用机组流水法。常用的机组流水法管桩生产工艺可分为纵向工艺和横向工艺,其中横向工艺按照成型车间的布置又分为多跨循环生产工艺和单跨往返工艺。表2为管桩工艺流程分类表。
表2 为管桩工艺流程分类表
在设计管桩厂时,有的设计人员因认识不足,会误解为单跨往返式的工艺会比多跨循环式的工艺流程节省用地,生产效率高。事实上,以同样的生产工艺制度去执行,同样的设备投资建设,两种工艺流程实际占地面积是相当的。图1和图2分别为单跨往返式和多跨循环式管桩工艺平面图。
图1 单跨往返式管桩工艺平面图
图2 多跨循环式管桩工艺平面图
从图1、图2可知,两种工艺同样是2台织骨架机、4条布料线、5台离心机、8个蒸养池、2台蒸压釜的设备配置,单跨往返式的单层厂房占地面积4956m2,60根立柱;多跨循环式的单层厂房占地面积4956m2,56根立柱,可见两种工艺布置的厂房占地面积是一样的。生产效率方面对比:生产一条管桩成型车间起重机吊运工作的次数对比;单跨往返式的工艺成型车间起重机吊运8次,多跨循环式的工艺成型车间起重机吊运9次,即生产一条管桩多一次吊运动作。依据笔者经验,只要员工熟练配合,两种方式的工艺车间,均能达到较高产量。在保证质量的前提下,多跨循环式的工艺成型车间的单班PHC管桩产量可以达到300条/班,人均产量可以达到5.5条/人,平均每小时每台离心机生产管桩数量可达到4.3条。从安全性方面对比:单跨往返式的工艺成型车间存在频繁的交叉作业和“倒流水”现象,工作区域集中,起重机越过人员作业区较多,存在较大的安全隐患。从以往实际生产统计数据来看,单跨往返式的工艺车间比多跨循环式的工艺车间发生的工伤事故多。所以,多跨循环式的工艺成型车间比单跨往返式的工艺成型车间更安全,综合效率更高,对设备维护保养更有利。再则,国外的先进厂家,如,日本和韩国的管桩工艺,绝大部分也都采用多跨循环生产工艺。
3 管桩生产工艺环节问题分析
3.1 国内管桩生产存在的问题
(1)人员太多,过多依赖于人力生产。成型班组至少需要33人,前台布料人员最多,需要10~15人,占成型车间人数的30%以上,合模人员4~5人,占成型车间人数15%,这两工序人员都集中在布料区工作,15~20人,占成型车间人数的45%,工作区面积只占成型车间面积的11.4%,可见人员比较密集,工序作业方式落后。
(2)劳动强度大。装骨架人员需要搬动张拉头板和张拉尾板,每个板的重量50~100kg不等。手提着风炮合模拆模,一只风炮重约15kg。
(3)设备落后。例如,起重机的吊具是简单的链条挂钩,定位不准,需要人员手抓链条挂钩操作。桩模的移动全部依赖于人员和起重机的配合。
(4)安全性较差。主要是因为部分设备落后,过多依赖于人工操作,造成存在安全隐患的工序较多。例如:人工挂链钩容易夹伤手指、人员进入离心机工作区、蒸养池等危险区域挂钩,有安全隐患。起重机运行速度过快,超出规范要求,经常使用“返刹车”违规操作,容易碰撞设备和人员,起重机往返交叉作业容易造成相互碰撞,起重机作业和地面区域的人员配合操作不协调时,也有很大的安全隐患。另外,多种设备的保护装置不足。
(5)存在一定的环境污染。离心机工作时噪音大;清洗砂石时产生大量污水;锅炉产生的废气废渣等。
(6)能源耗用大。一条管桩生产线耗用电能和热能较大。
因此,设计管桩厂时,首先应考虑好良好的生产工艺流程,然后从以上6个方面来合理完善设计,这同时也需要国内管桩厂家和设备厂家紧密配合,不断创新改进,共同促进国内管桩行业的发展。
3.2 设计改进的方法
(1)减少管桩厂人员,尽量将依赖人员作业的工序改进为机械化生产。人员最多的工序是混凝土布料工序,一般需要10~15人。众所周知,生产PHC管桩时,壁厚70mm的φ300mm管桩、壁厚95mm的φ400mm管桩和壁厚125mm的φ1500mm管桩的混凝土料较多,堆积成型的难度最大,一般是采用桩模底模接料后再合盖上桩模的生产工艺方法,此工序最耗费时间和人力,也是最需要改进的工艺环节。目前,比较成熟的改进方法有2种。①日本的布料工艺,即合好桩模后,泵送混凝土布料。泵送混凝土的工艺实施需要解决2个难点,一是需要混凝土坍落度大流动性好,满足泵送要求,同时还必须保证混凝土强度达到蒸压强度80MPa以上;二是设备必须保证泵送过程的实施,尤其桩模生产15m以上的长管桩时,悬臂长,挠度大,机械设备必须保证不弯曲变形,而且又要保证使用寿命。目前,国内已有厂家克服以上难题,同时还减少了人力资源,使从原来需要15人的作业减少到3人作业,减少了80%,PHC管桩的强度也能达到C80以上,质量稳定。但是为了保证大坍落度流动性好的混凝土的强度达到要求,需增加水泥用量约15%,综合成本上升了3%以上,因此,还未普遍推广使用,需要继续从混凝土的配方和泵送设备的改良方面结合起来研究,继续找到最佳的平衡点,做到既可以满足生产质量,又可以控制生产成本。②国内的倾斜低速离心布料的方法。采用该方法,作业人员减少了65%。但是此方法布料生产的速度较慢,而且场地下沉安装设备环境欠佳,也需要进一步改进设备,完善场地布局。由上述两种方法可见,只要改进布料工艺,就可以将人员减少65%~80%。
合模和拆模工序,使用人力操作,需要6~8人,如果采用自动化设备合模拆模就可以全部取消此工序的人员。此外,采用降低劳动强度的拆模方式,可以减少2人。钢筋骨架加工车间,切筋、镦头工序可以采用自动化设备,人员可从4人减少到2人,减少50%。但此工序人员需要注意根据钢棒材质的变化,调整设备,确保镦头质量。
(2)解决劳动强度大的问题。劳动强度较大的工序是布料工序和装骨架工序,布料工序采用上述方法解决,装骨架工序则需要在设计初期就考虑好减少张拉头板和尾板的搬运,减少人力搬运,降低劳动强度。班组生产200条管桩时,常用的人员是安装张拉头尾板5人,拆模和拆张拉头尾板3人,机动人员1人,共9人。φ500mm的张拉头板和螺杆重量98kg,张拉尾板的重量50kg,每班需要拆装200次,安装张拉头尾板的工人平均每人每天搬动40次,即每天需要搬运1184kg重的物品,劳动强度很大。工艺设计时,应考虑拆卸后的张拉头板、尾板用链勾吊运搬动,或者在原地安装,减少搬动运输。安装钢筋骨架和张拉头、尾板时,将安装操作的高度设定在人体最适合用力的高度,风炮用链钩吊放,合打螺栓时再移动就位。这样人员可以减少1人,劳动强度可以降低50%以上。
(3)设备的改进。国内管桩生产设备,经过多年不断创新开发,基本能够符合管桩生产要求。早期厂家较为落后的设备是起重机,采用链条挂钩的形式吊运桩模等,依赖人力挂钩,安全性差。张拉头板和尾板等重物依赖人力搬运。目前,各厂家致力于自动化设备的研究,在节省人力、降低成本、降低劳动强度、稳定产品质量等方面做出了一定的成绩。
近两年,开发了起重机自动夹具,使得生产工艺向半自动化、自动化的方向发展。在蒸养池和离心机等危险区域自动挂钩,不用工人进入高温高速的区域,这样便大大减少了安全隐患。从离心机变频技术改进、裙板压边机、余浆回收循环使用等设备的研制应用,都给管桩生产工艺带来较大的进步。
(4)安全因素。不能只是片面追求产量而忽视安全因素,只要设计规划合理,安全和生产效率都能兼顾。通过工艺流程分析得出,多跨循环车间比单跨往返车间的安全性高。另外,规划厂区用地时,道路应足够宽敞,视线良好,车辆工作区域与人行区域分开。锅炉蒸压釜等压力容器尽量离人员作业的区域远些。行业已经制定《预应力混凝土管桩安全生产要求》,设计时应符合此规范的要求。
(5)环境改善。管桩生产环境噪音大,各工序紧凑,重型设备、高速设备较多,人员工作区域密集,属于危险行业。因此,改善厂内的生产环境意义重大。“倒流水”的工序有安全隐患的地方都应设置警示标识。厂区内设置好人行通道,材料堆放区等。
(6)能源设计考虑因素,主要是热能和电能,平均生产每m PHC管桩耗用蒸汽35kg,耗用1.4度电。年产200万m的厂家需耗用1.17万t煤,280万度电。因管桩行业是能耗较高的行业,设计能源方面要尽量做到节约使用。
管桩生产线设计和工艺管理探讨(下篇)
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