自航鋼耙抓斗挖泥船的開發(fā)與設(shè)計(jì)

華小云，陳建軍

(長江航道局，武漢430010)

九龍坡至朝天門河段屬三峽變動(dòng)回水區(qū)上段，位于重慶主城區(qū)，航運(yùn)繁忙，通航密度大，且兩岸碼頭和躉船眾多，江底錨鏈密布，疏浚工況條件較差。由于三峽175 m蓄水后累積性淤積造成疏浚點(diǎn)和疏浚量增大，常用的鋼耙船不能滿足航道維護(hù)的需要，亟須開發(fā)、建造適合本河段特點(diǎn)的新型維護(hù)疏浚船舶［1-3］。

1 新型鋼耙船的開發(fā)

新開發(fā)船為鋼質(zhì)、艏部為勺形、艉部為常規(guī)圓舭船型，單底、單甲板全焊接結(jié)構(gòu)，主船體為混合骨架式、三層甲板室，艏部設(shè)置鋼耙，艉部設(shè)置液壓抓斗挖掘機(jī)，采用鋼樁定位，設(shè)雙機(jī)雙導(dǎo)管槳電力推進(jìn)系統(tǒng)，配雙襟翼舵的自航挖泥船?？傮w布置見圖1。

圖1 鋼耙抓斗挖泥船總布置圖

1)該船具有抓斗挖掘和鋼耙挖掘兩種作業(yè)功能，能滿足處于三峽庫尾的重慶主城區(qū)航道復(fù)雜工況的疏浚施工要求。

2)抓斗挖掘機(jī)工作時(shí)，采用臺車鋼樁系統(tǒng)，并設(shè)環(huán)梁提升裝置，能較好地適應(yīng)重慶主城區(qū)長江航道過江錨鏈多、河床以板結(jié)沙卵石為主的特點(diǎn)。

3)采用電力推進(jìn)，通過自航變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管槳，滿足本船疏浚及航行等多種工況的要求，減少裝機(jī)功率。

4)鋼耙布置于船艏，液壓抓斗挖掘機(jī)布置于船艉，較好地滿足疏浚作業(yè)的要求。

5)該船進(jìn)入疏浚區(qū)域前，采用錨鏈探測裝置對該區(qū)域的錨鏈進(jìn)行探測，并將錨鏈位置信息傳輸?shù)奖敬系目刂葡到y(tǒng)，確保本船挖掘作業(yè)時(shí)能夠有效地避開錨鏈，避免抓斗作業(yè)對錨鏈的損傷。

2 新技術(shù)的開發(fā)

考慮到該船施工區(qū)域的特殊性，在開發(fā)過程中應(yīng)用了如下一系列先進(jìn)技術(shù)。

2.1 推進(jìn)裝置電力驅(qū)動(dòng)的開發(fā)

推進(jìn)裝置采用電力變頻驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)在于:很好地解決了推進(jìn)軸系過長問題，減少了整個(gè)船舶的振動(dòng)，使機(jī)艙布置更合理，很容易通過對推進(jìn)電機(jī)調(diào)速而實(shí)現(xiàn)對螺旋槳調(diào)速，減小了機(jī)械損耗，使船舶效率更高。

1)布置合理。由于該船艉部開有定位樁臺車槽，機(jī)艙只能在中部，全電力驅(qū)動(dòng)可以將柴油發(fā)電機(jī)組置于機(jī)艙，進(jìn)而可以對用電設(shè)備根據(jù)總布置的要求合理安排位置。

2)能避免軸系過長帶來的布置困難，安裝復(fù)雜及扭振等問題。

3)電力驅(qū)動(dòng)能避免由于船艉中部設(shè)置抓斗機(jī)，船艉線形收縮較快等問題。

該船主推進(jìn)系統(tǒng)采用2臺710 kW異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)主推進(jìn)器;每臺異步電動(dòng)機(jī)由一個(gè)獨(dú)立的變頻器供電;每個(gè)變頻器由1臺24脈沖三繞組移相變壓器連接到400 V電網(wǎng)。

2.2 定位樁的開發(fā)

定位樁系統(tǒng)是自航鋼耙抓斗挖泥船的重要挖泥設(shè)備，由臺車、液壓環(huán)梁升降裝置和定位樁組成，主要解決下得去、定得住、拔得出3個(gè)問題。自航鋼耙抓斗挖泥船設(shè)置4套定位樁系統(tǒng)。目前工程船舶上使用的臺車定位樁系統(tǒng)形式多樣化，驅(qū)動(dòng)型式也多種多樣，主要根據(jù)船舶的類型和施工區(qū)域的土質(zhì)不同而定。

該船的升降定位樁采用帶液壓插銷的液壓環(huán)梁升降裝置。由4根樁腿、液壓環(huán)梁升降裝置組成。4根樁腿布置在船舶主體上，船舶靠4根樁腿站立在河床上，樁腿和船舶主體間用液壓環(huán)梁升降裝置聯(lián)結(jié)。

本船作業(yè)時(shí)樁腿站立在河床上，液壓環(huán)梁升降裝置將船體升高，借船舶的重量改變船舶的干舷，直到鋼樁的入土深度可以穩(wěn)住船舶為止(鋼樁入河床最大深度為3 m)，此時(shí)船舶漂浮在水上，通過液壓插銷將船舶和鋼樁固定連接，抓斗機(jī)開始挖泥作業(yè)，利用臺車可使船舶沿船長方向移動(dòng)，直到完成一個(gè)航道疏浚設(shè)計(jì)挖寬的縱向距離。作業(yè)完畢后樁腿收起到船舶基線以上，使用推進(jìn)裝置船舶移位，進(jìn)入下一個(gè)設(shè)計(jì)的挖泥工位。升降裝置包括有上下2道環(huán)梁，下部為固定環(huán)梁，安裝于臺車承載結(jié)構(gòu)上;上部為移動(dòng)環(huán)梁，通過6只升降油缸與下環(huán)梁相連。每道環(huán)梁裝有3個(gè)液壓插銷，插銷伸出時(shí)，可插入鋼樁上的銷孔，使環(huán)梁固定在鋼樁上的某一高度。當(dāng)上環(huán)梁的液壓插銷插入鋼樁，而下環(huán)梁的液壓插銷未插入鋼樁銷孔，通過液壓油缸的伸縮，可推舉下環(huán)梁(與臺車聯(lián)為一體)向上或向下運(yùn)動(dòng)，使船體相對于定位鋼樁的位置發(fā)生變化。因液壓油缸行程的限制，上述升降動(dòng)作的行程每次為500 mm。當(dāng)下環(huán)梁銷子插入鋼樁，因下環(huán)梁與臺車聯(lián)為一體，此時(shí)如果上環(huán)梁的液壓插銷從鋼樁拔離，油缸的伸縮可以抬高或降低上環(huán)梁的位置，到適合的高度再與樁腿固定。通過上述的步驟，可進(jìn)行壓樁或拔樁操作。

因此本船定位樁系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

1)抓斗作業(yè)時(shí)采用鋼樁定位方式。相對于錨纜定位系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):船舶施工占航道的面積小、設(shè)備少、設(shè)備在船上布置面積小、進(jìn)入施工狀態(tài)快、定位可靠性高、定位準(zhǔn)確性高、操作簡單、船舶移位快捷。

2)液壓臺車具有完善的功能:提升、下放和鎖緊定位樁，推動(dòng)挖泥船的船體沿船舶縱向移動(dòng)。

3)采用環(huán)梁提升裝置，具有強(qiáng)勁的能力，能在施工區(qū)域河床要求的深度(地質(zhì)條件)利用船舶排水量的變化將鋼樁壓入和拔出河床，避免了常規(guī)的定位樁裝置在重慶主城區(qū)下樁深度不夠的情況，從而保證船舶定位牢靠，能安全作業(yè)。

4)4條樁腿可以聯(lián)動(dòng)，也可以獨(dú)立動(dòng)作。對河床的平整度的要求不高，在河床平整度偏差太大時(shí)也能正常作業(yè)。

2.3 錨鏈磁力探測裝置的開發(fā)

錨鏈探測成像原理從理論上講，主要為聲、光、磁3個(gè)方面因素。利用聲學(xué)，水下錨鏈外形和河床淤積層中的卵石在圖像上區(qū)分有一定難度。由于該船作業(yè)時(shí)水質(zhì)渾濁，且不可能隨時(shí)派潛水員下水探測，因此該船錨鏈探測系統(tǒng)利用磁力原理。

RS-YGB6A型海洋氦光泵磁探儀(磁力儀)是一種原子磁力儀，是一種高精度磁異常探測器，適合于航空及海洋地球物理勘探中高精度磁測量，也可用于水下小目標(biāo)探測。該儀器具有數(shù)字化、模塊化、小型化和系統(tǒng)集成特點(diǎn)。用光泵技術(shù)制成的高靈敏度磁探儀，無零點(diǎn)漂移、不需嚴(yán)格定向，對周圍磁場梯度要求不高，并可連續(xù)測量。

作業(yè)前利用工作母船(或其他船舶)拖動(dòng)該裝置(鋼制船舶安全距離約15 m)，對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行探測，獲得錨鏈位置基本信息。通過該裝置上的GPS信號，利用其自身的專用軟件，標(biāo)繪出錨鏈具體位置。將錨鏈位置信息傳輸?shù)奖敬系目刂葡到y(tǒng)，使該船作業(yè)時(shí)避開該區(qū)域。見圖2。

圖2 作業(yè)示意

2.4 硬臂抓斗挖掘機(jī)的開發(fā)

鋼耙抓斗挖泥船是單斗作業(yè)，可以配備各種不同類型的抓斗，以適應(yīng)各種不同硬度的土質(zhì)，所以鋼耙抓斗挖泥船的挖掘適應(yīng)性較強(qiáng)，它可以挖掘水下N值小于15的淤泥、一般粘土、松散的沙質(zhì)土，N值15～25的中等沙土，也可以挖掘水下N值25～40的硬粘土、夾石砂質(zhì)土和砂礫，甚至可以挖掘水下N值大于40的風(fēng)化碎巖。裝有液壓硬臂抓斗挖泥船還可以通過將抓斗更換為反鏟，以擴(kuò)大施工的需要。

2.4.1 生產(chǎn)效率的確定

定位樁式液壓抓斗挖泥船的主要技術(shù)指標(biāo)是斗容和生產(chǎn)率。斗容是指抓斗的除水容量，視船型大小配備不同的斗容，該船配備的斗容2 m3。生產(chǎn)率是衡量挖泥船生產(chǎn)能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，主要與抓斗施工速度成正比，可用如下公式計(jì)算。

式中:F——挖泥船生產(chǎn)率，m3/h;

K1——充泥系數(shù)，抓斗內(nèi)實(shí)裝泥土體積與抓斗容積之比;根據(jù)土質(zhì)類別確定，本文K1=0.70;

V——抓斗容積，V=2 m3;

N——每小時(shí)抓泥斗數(shù)，抓泥斗數(shù)/h，取N=45;

K2——攪松系數(shù)，即土壤經(jīng)攪松后體積與原狀土之比，一般取1.25。

該船生產(chǎn)量為

2.4.2 挖掘機(jī)起重能力確定該抓斗機(jī)工作時(shí)的起重量組成為抓斗自重+泥斗中泥重。抓斗自重G為

式中:C——抓斗容重比，C=3.75;V——抓斗容積;V=2 m3。

抓斗中泥重W為

式中:γ——泥土比容重，γ=2.4 t/m3;V——抓斗容積，V=2 m3。

抓斗機(jī)起重量為G和W之和，即

取抓機(jī)的作業(yè)卸載半徑為11.5 m時(shí)的起重量為13 t。

3 結(jié)束語

自航鋼耙船的開發(fā)能更好地適應(yīng)重慶九龍坡至朝天門河段土質(zhì)的需求;自航鋼耙船新技術(shù)的開發(fā)使該船能更好地適應(yīng)地理環(huán)境的需求。

［1］李 京.長江4 m3全回轉(zhuǎn)液壓抓斗挖泥船技術(shù)特點(diǎn)［J］.船海工程，2007(10):7-9.

［2］羅忠卿，劉家新.鉆爆船鋼樁臺車系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與結(jié)構(gòu)仿真［J］.船海工程，2009(4):1-3.

［3］(英)R.N.布雷.疏浚工程手冊［M］.上海航道局設(shè)計(jì)研究所情報(bào)室，譯.上海:上海航道設(shè)計(jì)研究所，1982.