大型絞吸船橋架波浪補償系統(tǒng)應(yīng)用研究

王 健丁 勇

（1.中交天津航道局有限公司 天津300461；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

大型絞吸船橋架波浪補償系統(tǒng)應(yīng)用研究

王 健1丁 勇2

（1.中交天津航道局有限公司 天津300461；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

文章分析應(yīng)對惡劣海況作業(yè)所需的大型絞吸挖泥船橋架波浪補償系統(tǒng)原理，并基于目標船型的特性對其補償系統(tǒng)進行載荷分析，開發(fā)了橋架波浪補償系統(tǒng)。此解決方案應(yīng)用于實船建造，達到了大型絞吸船在惡劣海況下的穩(wěn)定作業(yè)和安全施工的目的。

大型絞吸挖泥船；橋架；波浪補償系統(tǒng)

引 言

絞吸挖泥船是疏浚工程的主要施工船舶之一，具有用途廣泛、施工效率高等特點。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的港口建設(shè)也從原來以沿海為主轉(zhuǎn)變?yōu)樵跓o遮蔽的外海地區(qū)施工。隨著作業(yè)海域的不斷變化，惡劣海況對絞吸挖泥船的作業(yè)帶來很大影響，傳統(tǒng)的挖泥船已不能滿足外海的作業(yè)要求。為進一步提高大型絞吸船的施工效率，確保船舶作業(yè)安全，對其橋架的補償系統(tǒng)研究勢在必行，而目前國內(nèi)對此的研究幾乎空白，國外參考實例也極少。

本文針對上述需求，依托5 000 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船“天鯤”號的實船項目，對大型絞吸挖泥船橋架的補償系統(tǒng)展開研究。

1 系統(tǒng)原理及組成

波浪補償按照動力供應(yīng)方式分為主動型補償和被動型補償。主動型補償系統(tǒng)［1］利用傳感器測量船體運動或拖纜張力，控制油缸或液壓馬達運動，該類型補償系統(tǒng)可以采用反饋控制，抗干擾能力強、適應(yīng)性好，但是消耗的功率較大、系統(tǒng)復(fù)雜。被動型波浪補償系統(tǒng)的補償動力來源于船的升沉，當(dāng)船升沉?xí)r，依靠海浪的舉升力和船自身重力來壓縮和釋放蓄能器中的壓縮空氣，從而實現(xiàn)升降補償，該類型的波浪補償系統(tǒng)幾乎不消耗動力，因此應(yīng)用比較廣泛。由作業(yè)要求和海況條件分析，本項目將采用被動型波浪補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由油缸、雙滑輪、蓄能器和控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 被動補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在作業(yè)海況下，橋架波浪補償是一種快速的被動補償型式。核心補償系統(tǒng)由波浪補償油缸、活塞式蓄能器及氮氣瓶組組成（見圖2）。當(dāng)遇到大風(fēng)浪時，船體上下波動，為確保絞車鋼絲繩張緊力保持在一定的范圍，通過波浪補償油缸及其連接的蓄能器組控制油缸伸縮收放對應(yīng)的鋼絲繩，實現(xiàn)挖泥船因隨浪運動造成的鋼絲繩松緊程度的變化，即通過補償油缸和蓄能器組給絞車鋼絲繩一定的張力補償。

圖2 被動補償系統(tǒng)原理圖

被動補償工作前，需要將補償油缸中充入一定容量的液壓油。操作補償油缸相應(yīng)換向閥，開啟補油動作，當(dāng)達到補油壓力設(shè)定值（設(shè)定值的大小與作業(yè)水深和海況有關(guān)）時，補油動作自動結(jié)束［2-5］。

2 作業(yè)海況及性能參數(shù)

2.1 作業(yè)海況

最大流速 3 kn

最大風(fēng)速 17.1 m/s

最大波高 3 m

有義波高 1.61 m

波浪周期 7 s

2.2 主要設(shè)備的性能參數(shù)

起橋絞車額定拉力 1 100 kN

起橋絞車額定繩速 30 m/min

起橋絞車最大繩速 40 m/min

起橋鋼絲繩直徑 76 mm

最大挖深 35 m

3 船舶運動計算

船舶運動的估算采用DNV船級社的計算軟件HydroD，計算絞吸船在各種海況下的運動參數(shù)。建立絞吸船水動力模型（圖3），標出最深挖深時絞刀頭位置坐標，計算在一定波高時絞刀頭位置的垂向位移和速度響應(yīng)。

圖3 絞吸船水動力模型

本船作業(yè)的最大波高雖為3 m，但是為更好地研究船舶的運動狀態(tài)對補償系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，在展開計算分析前，將船舶的作業(yè)海況分為三種等級，對應(yīng)三種最大波高時的環(huán)境參數(shù)如下頁表1所示。

表1 三種環(huán)境參數(shù)表

計算船舶在360°方向海浪作業(yè)下的運動最大值，由于計算軟件給出的位移數(shù)值是從零位到最大偏移量的絕對值，因此，要換算成船舶實際的位移距離，經(jīng)換算和數(shù)值圓整，得出表2。

表2 各工況下船舶垂向位移和速度的最大值

從表2中可以得出，在工況1時無論是垂向位移還是垂向速度都是最大的，但是波浪補償系統(tǒng)若以工況1的數(shù)據(jù)為設(shè)計依據(jù)，則系統(tǒng)會設(shè)計得過于龐大而使性價比降低。在工況2時船舶的最大位移2.6 m大于3 m的有義值2.0 m，即系統(tǒng)能夠滿足最大波高3 m工況大部分的施工工況；垂向速度也如此。因此波浪補償系統(tǒng)以工況2的數(shù)據(jù)為設(shè)計依據(jù)較為合理。

4 被動補償系統(tǒng)計算

4.1 補償力的計算

補償如圖1所示，系統(tǒng)由兩套相同的補償系統(tǒng)組成，因此可以將其中的一側(cè)系統(tǒng)作為分析對象。作用在補償油缸上的力分別為：鋼絲繩卷繞在滑輪上所需的張力F1、鋼絲繩補償恒張力F2、鋼絲繩的重量G、水中鋼絲繩的浮力f，以及運動加速度引起的慣性力F4。

4.1.1 鋼絲繩卷繞在滑輪上所需的張力［2］

式中：ER為鋼絲繩的縱向彈性模數(shù)，kg/cm2；I為慣性距 ，cm4，N為補償系統(tǒng)中滑輪的數(shù)量；n為鋼絲繩的鋼絲數(shù)量；δ為每根鋼絲的直徑，cm；R為鋼絲繩的彎曲半徑，cm，D為滑輪的直徑，cm；η為滑輪的效率。

4.1.2 鋼絲繩補償恒張力F2

為防止垂直的鋼絲繩松弛，需要預(yù)先給鋼絲繩一個恒張力，使其始終處于繃緊狀態(tài)，設(shè)預(yù)恒張力為T，則換算到補償油缸處的鋼絲繩補償恒張力F2為：

式中：T為鋼絲繩的恒張力，kN；N為補償系統(tǒng)中滑輪的數(shù)量；η為滑輪的效率。

4.1.3 鋼絲繩的重量G

式中：m為橋架與龍門架之間的鋼絲繩的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；i為起吊橋架鋼絲繩數(shù)量。

4.1.4 水中鋼絲繩的浮力f

式中：d為鋼絲繩的直徑，m；l為水中鋼絲繩的總長度，m；ρ為海水的密度，t/m3。

4.1.5 運動加速度引起的慣性力F3

船舶在升沉運動中引起的慣性力也會對補償系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因此也需要計算：

式中：a為船舶升沉運動中在橋架處的最大加速度，m/s2。

4.1.6 補償油缸上的總補償力F總

根據(jù)式（1）—式（5），可以得出總補償力：

式中：k為系數(shù)，考慮到其他因素的影響，k=1.5～2.0。

由于采用雙滑輪型式，因此作用在油缸上有4根鋼索。

4.2 油缸行程的計算

如圖1所示，單側(cè)波浪補償系統(tǒng)的起吊鋼絲繩為6索，波浪補償系統(tǒng)采用雙滑輪，因此補償油缸的位移是船舶位移的1.5倍。

船體的升沉波動最大值為2.6 m（見表2），換算成油缸行程為3.9 m；有義升沉距離1.4 m，換算成油缸行程為2.1 m。因此，設(shè)計油缸的行程為4 m，滿足最大補償要求，在有義升沉工況下具有較好的補償效果。

4.3 補償速度

如表2所示，船舶升沉運動的最大速度是1.2 m/s，補償油缸的速度是船舶升沉速度的1.5倍，因此油缸補償最大速度V為：

式中：v為船舶垂向速度，m。

故油缸設(shè)計速度為2.5 m/s。

4.4 波浪補償油缸設(shè)備參數(shù)確定

根據(jù)研究的內(nèi)容和已知條件，利用式（6）計算得出，補償油缸上的總補償力F總= 654 kN。

在波浪補償系統(tǒng)動作時，假設(shè)柱塞式油缸的工作壓力為7 MPa，柱塞直徑360 mm，計算油缸的頂升力為712 kN，滿足補償油缸上的總補償力654 kN的要求。

在波浪補償系統(tǒng)鎖定情況下，柱塞上的力通過機械裝置傳遞到缸體上，能夠滿足起升橋架時起升絞車（拉力1 100 kN）對油缸的負載4 400 kN。

因此，本系統(tǒng)可以選用的波浪補償油缸規(guī)格如下：

柱塞直徑： 360 mm

油缸行程： 4 000 mm

油缸運動速度： >2.5 m/s

根據(jù)設(shè)計油缸的參數(shù)，依據(jù)系統(tǒng)要求補償力大小的變化情況，運用波義耳定理，可得出系統(tǒng)蓄能器組的參數(shù)。結(jié)合液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)整體橋架波浪補償系統(tǒng)的設(shè)計。

5 防“掉坑”功能設(shè)置

使用橋架波浪補償系統(tǒng)施工時，在絞刀頭出現(xiàn)“掉坑”等極端情況下，會導(dǎo)致橋架快速下落，造成波浪補償器油缸快速運動而碰撞，從而可能造成油缸損壞。為此，本船配備橋架補償電控系統(tǒng)，當(dāng)油缸失速達到或者超過2.5 m/s時，觸發(fā)減速電磁閥動作，進而使油缸運動速度受到制約，從而減速以避免撞擊而損壞油缸。

6 結(jié) 論

為實現(xiàn)橋架波浪補償系統(tǒng)功能的有效性，本文分別對系統(tǒng)的補償距離、補償速度和補償能力進行分析和研究，并通過計算求出有效數(shù)據(jù)，為波浪補償系統(tǒng)進行實船設(shè)計提供有力支持。

本系統(tǒng)的設(shè)計采用被動補償型式，既能有效降低能耗，又能滿足絞吸船在較大風(fēng)浪海況下穩(wěn)定作業(yè)和安全施工，減少由于風(fēng)浪中船體升沉對起橋設(shè)備的沖擊。該波浪補償系統(tǒng)將應(yīng)用于自主設(shè)計建造國內(nèi)最先進的5 000 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船“天鯤”號。

［1］ 盧東慶，宋飛.主動式波浪補償控制技術(shù)仿真研究［J］.船舶，2012 （6）：74-77.

［2］ 諶志新，劉帥，徐志強，等. 深水勘察船提取設(shè)備波浪補償系統(tǒng)研究［J］ .船舶工程，2013 （1）： 39-41，80.

［3］ 王志勇，諶志新，徐志強.深水勘察裝置波浪補償系統(tǒng)設(shè)計［J］ .中國工程機械學(xué)報，2013 （1）：55-58.

［4］ 徐小軍，陳循，尚建忠.一種新型主動式波浪補償系統(tǒng)的原理及數(shù)學(xué)建模［J］ .國防科技大學(xué)學(xué)報，2007（3）：118-122.

［5］ 吳百海，肖體兵，龍建軍，等.深海采礦裝置的自動升沉補償系統(tǒng)的模擬研究［J］．機械工程學(xué)報，2003（7）：128-133.

Application of cutter ladders wave compensation system on mega cutter suction dredger

WANG jian1DING yong2
(1. CCCC Tianjin Dredging Co., Ltd., Tianjin 300461, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper analyzes the principles of the cutter ladder wave compensation system for the mega cutter suction dredger operating in the harsh sea state. The loads on the cutter ladder wave compensation system are calculated based on the characteristics of the target ship type for the development of all wave compensation devices and units in the system. It is believed that the mega cutter suction dredger equipped with the system will operate stably and safely in the harsh sea state.

mega cutter suction dredger; cutter ladder; wave compensation system

U666.12+4

A

1001-9855（2017）02-0076-04

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.076

2016-10-11；

2016-10-28

王 ?。?961-），男，高級輪機長。研究方向：挖泥船技術(shù)。丁 勇（1979-），男，高級工程師。研究方向：船舶特種機械設(shè)計。