絞吸挖泥船環(huán)境載荷及其對(duì)作業(yè)能力的影響

陳新權(quán)，楊啟，顧敏童，譚家華，凌良勇，湯山

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航道局，湖北 武漢 430010）

0 引言

隨著絞吸挖泥船作業(yè)區(qū)域的擴(kuò)大，在設(shè)計(jì)階段必須考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件的影響，從而為關(guān)鍵設(shè)備的選取、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見。本文研究的絞吸挖泥船需要在三峽庫(kù)尾航道進(jìn)行作業(yè)，該航道屬大型山區(qū)急流航段，為保證在較大的流速中安全作業(yè)，要配備能力更強(qiáng)的絞車和定位設(shè)備。本文對(duì)不同設(shè)備配置條件下絞吸挖泥船的環(huán)境載荷、設(shè)備載荷及作業(yè)能力進(jìn)行了分析，為船舶在不同環(huán)境條件下的作業(yè)范圍限定方法提供建議，從而保證施工安全。

1 載荷計(jì)算

1.1 主尺度與計(jì)算坐標(biāo)系

目標(biāo)船定位樁在艏部，橋架和絞刀則位于船艉。主要參數(shù)為：垂線間長(zhǎng)87.3 m；型寬22.4 m；型深5.3 m；設(shè)計(jì)吃水3.4 m；絞刀轉(zhuǎn)速30 r/min；絞刀半徑1.2 m。

圖1 坐標(biāo)系及外載荷

取隨船坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)取為樁處，采用右手坐標(biāo)系，X軸和Y軸方向如圖1所示。將挖泥船船體、定位樁、橋架、絞刀作為一個(gè)系統(tǒng)，則作用在系統(tǒng)上的外載荷包括環(huán)境載荷Fcx，F(xiàn)cy和搖艏流力矩Mcxy；橫移鋼絲繩的拉力Fap和Fas；絞刀頭處的軸向力Fl，水平力Fh，垂直于軸向及水平方向的力Fv，扭矩M；樁處的反力Fsx和Fsy。

1.2 環(huán)境載荷

絞吸挖泥船作業(yè)時(shí)主要考慮風(fēng)、浪和流載荷的作用。其中風(fēng)載荷根據(jù)各船級(jí)社規(guī)范推薦方法估算或由風(fēng)洞試驗(yàn)確定；波浪載荷可以通過三維勢(shì)流方法進(jìn)行計(jì)算；流載荷可以采用相近船型近似估算或CFD方法進(jìn)行計(jì)算。由于內(nèi)河風(fēng)浪很小，其作用在船體上的載荷可以忽略，而流載荷是影響作業(yè)安全的主要因素，因此僅考慮流載荷的作用。采用OCIMF推薦方法對(duì)水流力和力矩進(jìn)行估算[1]。計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 流載荷

式中：Fcx，F(xiàn)cy，Mcxy分別為縱向流力，kN、橫向流力，kN、搖艏流力矩，kN·m；Ccx，Ccy，Ccxy分別為縱向流力系數(shù)、橫向流力系數(shù)、搖艏流力矩系數(shù)；ρc為水密度；Vc為流速；T為設(shè)計(jì)吃水。流載荷系數(shù)Ccx，Ccy，Ccxy根據(jù)相對(duì)于船舶的流向角、水深吃水比及船艏形狀確定。所設(shè)計(jì)挖泥船的船艏與報(bào)告提供的柱形艏相近，因此在計(jì)算中采用柱形艏的系數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 絞刀載荷

絞吸挖泥船在工作過程中，絞刀所受的切削力可以分解為作用在中心3個(gè)方向的力和扭矩：軸向力Fl，水平方向的力Fh，垂直于軸向及水平方向的力Fv，扭矩為M。通常采用如下近似公式計(jì)算[2]：

式中：P為絞刀功率；N為絞刀轉(zhuǎn)速；R為絞刀半徑；計(jì)算中取Cl=0.4；Cv=0.9；絞刀向上切削時(shí)Ch=1，向下切削時(shí)Ch=0.6，水平力的方向與絞刀的切削方向和轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)。

1.4 橫移系統(tǒng)載荷

當(dāng)挖泥船繞定位樁旋轉(zhuǎn)時(shí)，有一邊錨鏈起主要拉動(dòng)作用；而為了防止轉(zhuǎn)動(dòng)過程中引起橋架擺動(dòng)，另一邊錨鏈往往設(shè)有一個(gè)預(yù)張力，它一般取為較大錨鏈拉力的30%[3]，因此Fap和Fas之間的關(guān)系為Fap=αFas或Fas=αFap，α=0.3。

1.5 定位樁載荷

挖泥船作業(yè)時(shí)，定位樁一端插入泥沙中，另一端在臺(tái)車的卡箍中，在計(jì)算中將定位樁與船體假定為一剛體，泥沙對(duì)定位樁的作用力分解為X、Y方向的集中載荷，則定位樁上的總載荷：

2 絞吸挖泥船作業(yè)能力計(jì)算分析

2.1 計(jì)算工況

假定挖泥船繞樁從右往左順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)最大角度后從右往左逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將該過程分為4個(gè)階段，見圖3。

2.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)絞刀功率為1200 kW，900 kW，600 kW和0 kW（即絞刀不作業(yè)），絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷為60 t和70 t時(shí)，流速為3 m/s，2 m/s和1 m/s等工況進(jìn)行計(jì)算，得到圖4所示的所能達(dá)到的作業(yè)角度及對(duì)應(yīng)情況下樁上的載荷。逆流順流針對(duì)絞刀作業(yè)而言，與船舶的相反。

圖3 計(jì)算工況

圖4 作業(yè)角度

對(duì)于逆流作業(yè)，第一、三階段中，流載荷起阻礙作用，第二、四階段則起推動(dòng)作用，順流作業(yè)則相反。從計(jì)算結(jié)果可知，在起推動(dòng)作用的階段，在小角度時(shí)，流載荷較小，絞車?yán)瓌?dòng)船舶抵抗流載荷旋轉(zhuǎn)；在大角度時(shí)，流載荷較大，推動(dòng)船舶旋轉(zhuǎn)，則為了穩(wěn)定作業(yè)，原先起輔助作用的絞車變成主絞車，拉力變大，起阻止船舶旋轉(zhuǎn)的作用。因此認(rèn)為在流載荷起推動(dòng)作用階段，可以通過調(diào)節(jié)絞車?yán)_(dá)到全范圍作業(yè)角度，挖泥船的作業(yè)范圍取決于流載荷起阻礙作用時(shí)能工作的角度，結(jié)果見表1，其中Ft為樁上載荷，取四個(gè)階段中的最大值，Δθ表示絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷70 t相對(duì)于60 t時(shí)增加的作業(yè)角度范圍。

表1 絞刀功率1200 kW，不同絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)的結(jié)果（逆流，流速3 m/s）

對(duì)1.5倍水深吃水比的結(jié)果進(jìn)行匯總，見表2～表5。

表2 逆流時(shí)不同情況下的作業(yè)范圍角度 （°）

表3 逆流時(shí)不同情況下樁上的最大載荷 t

表4 順流時(shí)不同情況下的作業(yè)范圍角度 （°）

表5 順流時(shí)不同情況下樁上的最大載荷 t

3 結(jié)語

通過對(duì)一急流航段絞吸挖泥船在不同絞刀功率、不同橫移絞車能力、不同流速、不同水深情況下的作業(yè)范圍和載荷進(jìn)行了計(jì)算，得到如下結(jié)論：

1）淺水效應(yīng)對(duì)挖泥船在內(nèi)河作業(yè)的影響很大，水深越小，流載荷越大；

2）相同絞刀功率時(shí)，流速越大，作業(yè)范圍越??；相同絞刀功率，相同流速時(shí)，水深越大，作業(yè)范圍越大；絞刀采用較小的功率作業(yè)時(shí)，絞刀載荷減小，作業(yè)角度范圍增加；

3）絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷從60 t增加到70 t時(shí)，作業(yè)角度增加，水深越大，流速越小，增加越多，建議采用70 t的絞車；

4）在絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷為70 t時(shí)，順流都有較大的作業(yè)角度，但是樁上的載荷較大；

5）在逆流流速較大的情況下，即使絞刀不作業(yè)，若旋轉(zhuǎn)角度較大，可能導(dǎo)致絞車?yán)Σ蛔阋苑€(wěn)定挖泥船的不安全狀況，在這種工況下，挖泥船應(yīng)在絞車?yán)煽胤秶鷥?nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證安全。

本結(jié)論所涉及的內(nèi)容僅針對(duì)討論的船型、船型參數(shù)在不同流速、水深情況下選用不同拉力的橫移絞車，能較安全的在一定轉(zhuǎn)角內(nèi)施工。不涉及橫移錨抓地的技術(shù)性能，也不涉及定位鋼樁、臺(tái)車及其它設(shè)備的技術(shù)性能。

[1]OCIMF.Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs[R].1994.

[2]WIM VLASBLOM.Lecture Notes on Dredging Equipment and Techno-logy[M].Delft University of Technology，2003.

[3]張文宜，陳新權(quán)，譚家華.絞吸式挖泥船外力計(jì)算軟件及應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2008（6）：6-8.