現(xiàn)代耙吸式挖泥船性能優(yōu)化設(shè)計研究

梁劍平

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

現(xiàn)代耙吸式挖泥船性能優(yōu)化設(shè)計研究

梁劍平

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

本文以耙吸式挖泥船為例，在分析耙吸挖泥船能耗指標的基礎(chǔ)上，提出將節(jié)能減排理念應(yīng)用到耙吸挖泥船性能優(yōu)化設(shè)計中，具有積極的現(xiàn)實意義。

耙吸式挖泥船；能耗；性能優(yōu)化

耙吸式挖泥船是通過放置于船體兩舷或尾部的耙頭吸入泥漿，邊吸泥、邊航行的一種作業(yè)模式。具有機動靈活、效率高、抗風(fēng)浪力強，既可以挖硬土，也能夠挖掘水下的軟土，耙吸式挖泥船集各種挖泥設(shè)備于一體，適合沿海港口、航道以及寬闊江面和船舶錨地作業(yè)。但，我國目前所擁有的自航耙吸式挖泥船的實際施工效率水平不高，與使用要求還存在一定差距。

1 影響耙吸式挖泥船能耗指標

1.1 耙吸式挖泥船作業(yè)流程

耙吸式挖泥船進入到施工作業(yè)后，船舶航速會降低到作業(yè)速度后開始在預(yù)定作業(yè)區(qū)域下耙疏浚，先是由泥泵將疏浚河道物輸送到船舶的船艙里面，等泥艙裝滿后，土塊以及較粗的顆粒泥砂會先行沉淀下來，一些細小的顆粒泥砂會從船舶中設(shè)置的溢流筒溢流排出船艙，待經(jīng)過一定溢流時間后，提起耙并提高船舶的航速航行，當船舶航行到預(yù)定的拋泥區(qū)域時，將船舶航速降低到停船狀態(tài)，然后將泥門打開開始拋泥，之后再將船舶航速提速航行到施工區(qū)，繼續(xù)準備下耙施工。

1.2 耙吸式挖泥船能耗影響因素分析

（1）艙容系數(shù)。艙容系數(shù)是衡量泥艙艙容與船舶主尺度之間的關(guān)系，泥艙作為耙吸式挖泥船中最主要的艙，長度一般為船舶長度的一半左右，泥艙的艙容系數(shù)作為一艘耙吸船的經(jīng)濟系數(shù)，泥艙容積系數(shù)大通常表示船舶的主尺度相對較小，這一種耙吸式挖泥船的造價較低，也較為經(jīng)濟。近年來，隨著耙吸式挖泥船艙容系數(shù)不斷增大，反映出現(xiàn)代中小型的耙吸挖泥船船型更為優(yōu)化，船體整個布局更為緊湊，航行時受到的水體阻力小，油耗低，投資費用也更為經(jīng)濟。

（2）載重系數(shù)。耙吸挖泥船的載重系數(shù)是耙吸船裝載能力的重要參考指標。從新一代挖泥船的用途和發(fā)展趨勢來看，裝載系數(shù)(泥艙的設(shè)計比重）不斷增大。裝載量和艙容是反映耙吸船裝載能力的兩個主要指標。相同載重量的耙吸船，載重系數(shù)越大意味著船舶自身質(zhì)量越輕，后期航行過程中的油耗就會較低，節(jié)約建造成本。設(shè)計時泥艙較短或較窄會增高泥沙頂面，增大裝載系數(shù)。

（3）溢流損失。耙吸式挖泥船裝艙施工的生產(chǎn)效率的高低既取決于裝艙容量，也取決于挖泥的循環(huán)周期長短。因此，耙吸式挖泥船裝艙的溢流時間長短不能單純以最大裝艙量來衡量，否則還有可能會降低生產(chǎn)效率。船載土方量與循環(huán)周期之間的比值達到最大時，反映的是在單位時間里船載土方量最大，表示此事的裝載溢流時間為最佳溢流時間，即，裝艙溢流時間短，單位時間內(nèi)裝載船數(shù)多，反之，裝艙溢流時間長，表示單位時間內(nèi)裝載船數(shù)少。最佳的裝艙溢流時間是在單位時間里，船載土方量與船數(shù)的乘積達到最大時，所載的土方量對應(yīng)的裝載溢流時間。相同的艙容在相同的有效裝艙時間里，溢流損失越少說明裝艙效率越高，能源浪費就會少。泥沙特性、泥艙設(shè)計形狀等都是影響溢流損失的重要因素。減少溢流損失不僅能提升裝載效率，還能有效降低對作業(yè)周邊的水體污染。

（4）方型系數(shù)（Cb）。方形系數(shù)反映的是挖泥船體水線以下肥瘦程度的一個重要參數(shù)，方形系數(shù)增大，船體就更加肥大，船體的阻力就會增大，推進功力需要提升，船舶運行時船行波增大，船體附加吃水量增大，也增加了阻力。但在同等排水量的船舶方形系數(shù)增大，船舶的主尺度就會減小，空船的質(zhì)量就會減輕，就能提升船舶的運作能力，提高作業(yè)的經(jīng)濟效益。對于耙吸式挖泥船的方型系數(shù)Cb取值范圍在0.78～0.85之間。

式子中：

△=排水量（m3）

B=船體主體寬度（m）

L=船體垂直線間的長度（m）

T=吃水（m）

（5）負載。耙吸式挖泥船的周期運砂量取決于其有用負載能力或有效載荷（MN）和最大泥艙容積（m3）有效的載荷是耙吸式挖泥船在最大允許吃水條件下能裝艙的需付費載荷。有效的載荷是：挖泥船滿載時的重量-船體空載時的重量。當耙吸式挖泥船航行一段時間時，載荷的增加會導(dǎo)致船重增加，消耗更多的船舶能源。因此，保持船舶的有效載荷不變對減少能耗具有積極的現(xiàn)實意義：清洗泥艙，減少剩余載荷。載荷是由固定載重決定，淤泥較松軟的土壤，最大泥艙容積等于載重容積。

2 優(yōu)化耙吸式挖泥船性能對策

2.1 節(jié)能型耙吸式挖泥船設(shè)計思路

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。將泥艙設(shè)在船中位置，機泵艙放在泥艙之后，而高壓沖水泵艙則設(shè)置在泥艙前。且在船中區(qū)域宜采用縱骨架式設(shè)計，并盡可能的向船的首尾部延伸，船的首尾部區(qū)域應(yīng)選擇橫骨架式。由于泥艙區(qū)頻繁承受因裝卸泥作業(yè)而產(chǎn)生的交變載荷作用，因此，對結(jié)構(gòu)的可靠性要求越來越高，提高泥艙的可靠性成為結(jié)構(gòu)設(shè)計一項重要參考方面，也是設(shè)計的重點。泥艙肋板以及泥門形式對泥艙區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計有較大影響，國際上常用到的泥門形式是箱形和錐形，肋板形式主要有平板和箱形兩大類。泥艙縱向艙壁設(shè)計主要有垂線式和折線式兩種，其中，垂線式艙壁設(shè)計能夠增強結(jié)構(gòu)的強度，但不能最大化利用艙容，應(yīng)注意盡量減少對泥艙區(qū)干涉。折線式能夠最大限度提升艙容，也能有效提升主甲板空間利用效率，但不足之處是施工難度較大。

（2）合理選擇主尺度。主尺度是反映船舶總體性能的重要參數(shù)，主尺度的選擇是船舶設(shè)計早期重點考慮的因素。耙吸式船舶的設(shè)計要充分分析和論證L/B、B/d、Cb、載泥量系數(shù)、菱形系數(shù)等各種尺度方案，確定最佳主尺度設(shè)計方案，確保吃水、航速、艙容系數(shù)等衡量耙吸式船舶主要性能指標符合最優(yōu)的設(shè)計要求，減少建材的應(yīng)用，最大化提升船舶的應(yīng)用效率。船寬吃水比應(yīng)考慮減小吃水以提升船舶作業(yè)的適應(yīng)性。泥艙容積系數(shù)是一艘耙吸船的經(jīng)濟系數(shù)，較大的泥船容積系數(shù)意味著船舶主尺度相對較小，造價較低，較為經(jīng)濟。

（3）優(yōu)化線型設(shè)計。改善淺水性能是耙吸挖泥船線型研究的重點，其與船舶的航速、適航性、穩(wěn)性以及裝載力都有密切關(guān)系。選擇長球首型設(shè)計，減少耙吸挖泥船在淺水作業(yè)時的興波阻力，減小因艏部線型的變化來消除前肩，使船舶浮心前移。加裝艉部附體，選擇雙尾鰭型設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠使流向螺旋槳的水流產(chǎn)生預(yù)旋，提高了螺旋槳的效率。導(dǎo)流鰭設(shè)計能夠有效改善尾流，防止船舶尾部出現(xiàn)漩渦。應(yīng)用導(dǎo)管漿，減小螺旋槳直徑，提升耙吸挖泥船的螺旋槳效率。目前，現(xiàn)實應(yīng)用中“球鼻艏+雙尾鰭+導(dǎo)流鰭”和“球鼻艏+V型艉+導(dǎo)流鰭”線型設(shè)計與應(yīng)用節(jié)能效果良好。

2.2 優(yōu)化船體設(shè)計

耙吸式挖泥船對舯斷面上的剖面模數(shù)進一步降低，載荷相對集中，要求具有較強的結(jié)構(gòu)強度、剛度，以及承受較大的彎矩和剪力?，F(xiàn)實中，應(yīng)用有限元計算法，優(yōu)化結(jié)構(gòu)建模設(shè)計，減輕空船質(zhì)量設(shè)計具有很好的實際應(yīng)用效果，常用到的是借鑒成熟的油船艙段有限元分析法，結(jié)合耙吸式挖泥船特點，選取泥艙段再分別向首尾延伸約10米建模。此外，采用位勢流計算流動體動力學(xué)的CFD代碼，進行迭代計算能夠達到優(yōu)化新造船舶船艏和船艉。

2.3 優(yōu)化動力系統(tǒng)設(shè)計

耙吸式挖泥船螺旋槳與泥泵消耗功率高峰錯開，在作業(yè)時處于停航或航速較低狀態(tài)，泥泵消耗功率大，螺旋槳功率消耗小，航行時泥泵作業(yè)停止，大部分功率消耗于螺旋槳。因此，主機直接驅(qū)動泥泵、電力驅(qū)動泥泵以及泥泵單獨驅(qū)動等要根據(jù)不同動力布置做好優(yōu)化動力系統(tǒng)設(shè)計，通過改進船舶設(shè)備，合理配置設(shè)備，充分利用船舶主機功率，降低總裝機功率，提升能源利用效率。主機直接驅(qū)動泥泵型，應(yīng)將泵艙緊貼機艙布置在艉部。電力驅(qū)動泥泵型和泥漿單獨驅(qū)動型，由于能量多次轉(zhuǎn)化易損失功率，此種布置方式較少用到。但隨著能量轉(zhuǎn)化研究的深入，電力驅(qū)動泥泵成為發(fā)展和研究的一個重點。

2.4 疏浚設(shè)備優(yōu)化

疏浚設(shè)備優(yōu)化主要包括耙頭、入土裝置、泥泵等，其中，耙頭優(yōu)化主要采取增加耙頭自重、挖掘機具接觸面（擋板、耙頭格柵等）采用耐磨材料，增強耙頭碾壓能力，降低設(shè)備磨損。耙齒等入土裝置要根據(jù)不同的挖掘物選擇不同的形狀，如鑿齒和尖齒入土能力強、面積集中，適宜挖掘巖石類。此外，巖石類要以尖齒耙齒為主，采取間隔式布置，減少應(yīng)用數(shù)量；松軟巖石則增加相應(yīng)數(shù)量，提高挖掘產(chǎn)量。此外，優(yōu)化操作工藝，例如對地壓力、對地角度、挖泥船航速和耙頭清理等也能有效提升應(yīng)用效果。

3 結(jié)語

隨著疏浚行業(yè)的快速發(fā)展，研究耙吸式挖泥船的節(jié)能減排工作能夠在同樣的投入基礎(chǔ)上產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益和社會效益，需要在實際工作中牢固樹立節(jié)能減排理念，并將該理念應(yīng)用到船舶的設(shè)計、應(yīng)用和管理的全過程，產(chǎn)生更大的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1]候曉明，朱榮，黃偉明.現(xiàn)代耙吸挖泥船節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]水運工程，2013（1）：39-44

[2]王忠復(fù)，沈志平，張?zhí)?大型耙吸挖泥船船型初探[J]船舶，2001（4）:17-24

U615.35

A

1006—7973（2017）10-0035-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.015