絞吸挖泥船柔性鋼樁原理及分析

任文蔚 丁 勇 鄔卡佳

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

隨著疏浚業(yè)的發(fā)展，疏浚工程不再只限于傳統(tǒng)的港口建設(shè)、航道清淤，還要面對吹填造陸、遠(yuǎn)海島建、海上油氣基建、礦產(chǎn)開采等新的疏浚任務(wù)，而絞吸挖泥船作為疏浚工程的主力船型，也在更高的作業(yè)要求下，逐漸向大尺度、大功率、遠(yuǎn)排距、大挖深的方向發(fā)展，一批性能優(yōu)良的超大型絞吸挖泥船也應(yīng)運而生。與此同時，由于超大型絞吸挖泥船所面臨的作業(yè)、環(huán)境載荷遠(yuǎn)高于一般挖泥船，其受力問題現(xiàn)已成為制約超大型絞吸船進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙之一。［1-2］

柔性鋼樁旨在緩解定位樁作業(yè)時的受力問題，提高絞吸船在高海況下的可作業(yè)性［3］。傳統(tǒng)的絞吸挖泥船與定位樁在縱平面上呈剛性連接，即船舶作業(yè)時僅有水平面上繞定位樁作首搖擺動的自由度，而縱向自由度受到很大制約，從而使高海況下定位樁的樁尖及船、樁的連接點處會出現(xiàn)很大應(yīng)力，容易發(fā)生受損變形甚至斷裂。柔性鋼樁是在船、樁之間的臺車系統(tǒng)上增加一套緩沖系統(tǒng)，通過釋放一定的縱向旋轉(zhuǎn)自由度來緩解定位樁的受力。目前應(yīng)用較多的有“鋼絲繩-緩沖油缸組合形式”和“緩沖油缸式”的柔性鋼樁，后者由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、柔度易于調(diào)節(jié)、對視線影響小等優(yōu)點，目前已應(yīng)用于多艘超大型絞吸船。本文將重點研究該型柔性鋼樁的工作原理及其緩沖性能的計算方法。

1 柔性鋼樁緩沖原理分析

油缸式的柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)由緩沖油缸、活塞蓄能器、高壓氮氣罐組、液壓伺服系統(tǒng)等部分構(gòu)成，該緩沖系統(tǒng)原理參見圖1。

緩沖系統(tǒng)有兩套，分別布置在絞吸挖泥船臺車系統(tǒng)兩側(cè)。從原理上說，該系統(tǒng)可分為氣、液兩個功能主體，其利用高壓氣體的柔性來為系統(tǒng)提供緩沖反力，并利用油液穩(wěn)定、流動性強的性質(zhì)來傳遞、調(diào)節(jié)、監(jiān)控系統(tǒng)的壓強狀態(tài)。從具體結(jié)構(gòu)上說，系統(tǒng)各部件間的聯(lián)動關(guān)系和功能機制是研究并定量計算該緩沖系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。以下將依次闡述緩沖油缸、活塞緩沖蓄能器和液壓伺服系統(tǒng)這幾個緩沖系統(tǒng)主要部分的結(jié)構(gòu)及功能，以說明柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)的工作原理。

圖1 柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)原理圖

1.1 緩沖油缸

緩沖油缸是該系統(tǒng)與船體力學(xué)傳遞的先導(dǎo)裝置。它與臺車的上行走油缸串聯(lián)于同一根活塞桿上，臺車的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 臺車結(jié)構(gòu)簡圖

當(dāng)緩沖功能關(guān)閉時，活塞桿保持中位，定位樁相對船體處于豎直狀態(tài)。緩沖功能開啟后，緩沖油缸隨船體的縱向運動變化進(jìn)行伸縮補償，由此，船體相對于定位樁發(fā)生縱平面上的旋轉(zhuǎn)運動。緩沖的作用使臺車運動平穩(wěn)、鋼樁受力降低。此外，在設(shè)計時應(yīng)考慮油液系統(tǒng)響應(yīng)的延遲效應(yīng)，保證足夠的油液流速，以使緩沖反力不慢于外載荷的相位變換速度，否則延遲的緩沖力可能會與外載荷同向，促使船舶運動加劇，應(yīng)力激增。［4］

本文所研究的緩沖油缸分為三個缸室，由兩個獨立的限位塊彼此隔開。前后缸在緩沖作業(yè)時彼此獨立，即當(dāng)船體受向前的沖擊載荷時，帶動油缸外殼向前運動，油缸的活塞桿隨之相對向后位移，后缸受壓出油，提供向后的緩沖反力，而前缸不動；反之亦然。中間缸室為低壓缸，其功能為通過壓差使得前后缸的限位塊在不受沖擊載荷時自動回到中位，對緩沖力的貢獻(xiàn)可忽略不計，參見圖3。

圖3 緩沖油缸工作原理

1.2 活塞蓄能器

前后緩沖油缸分別與各自的活塞緩沖蓄能器相連?；钊钅芷魍ㄟ^活塞界面將系統(tǒng)的氣壓部分與液壓部分聯(lián)系起來。使用蓄能器之前，先將高壓氮氣罐中的氮氣由充氣閥在預(yù)充壓力p0下打入蓄能器，使整個蓄能器充滿氮氣，活塞位于油液端蓋處，見圖4（a）；然后將液壓回路接入蓄能器，活塞在帶壓液體的推力下向氣體部分移動，平衡壓強為p1，見圖4（b）；緩沖作業(yè)開始后，活塞隨負(fù)載的變化上下移動，工作壓強為p2，見圖4（c）。設(shè)計時，必須根據(jù)預(yù)估的最高和最低工作壓強確定合適的蓄能器容積，以確保緩沖作業(yè)時活塞不與前后端蓋相碰。［5］

1.3 液壓伺服系統(tǒng)

緩沖系統(tǒng)中的油缸、蓄能器、氮氣罐并非彼此直接連通，而是有一套液壓伺服系統(tǒng)將其串聯(lián)，通過各類閥件和油路布置來連接、調(diào)節(jié)、控制和監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如常見的溢流閥、節(jié)流閥、測壓測速儀、方向閥等。插裝閥是該液壓系統(tǒng)中較重要的閥件，可在油路中產(chǎn)生背壓。其作用效果相當(dāng)于阻尼，以平緩油液流速，抵抗油路中壓力突變。實際作業(yè)時，液壓系統(tǒng)的油液流動狀態(tài)較為復(fù)雜又難于模擬，且數(shù)值計算結(jié)果表明其對系統(tǒng)的靜態(tài)緩沖性能產(chǎn)生的作用并不大，故本文在柔性鋼樁緩沖性能的計算中將忽略液壓系統(tǒng)中各閥件的影響，僅考慮其連通作用，以簡化計算。

圖4 活塞蓄能器工作原理

2 柔性鋼樁緩沖性能計算

2.1 計算方法

本章根據(jù)某超大型絞吸挖泥船所配備的柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)進(jìn)行性能計算，獲得該系統(tǒng)的緩沖力、緩沖彎矩與船樁縱向相對轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，選取三個控制點以計算鋼樁與船體間幾何位置的變化：P點為上行走油缸與臺車鉸點；A點為下行走油缸與臺車鉸點；B點為上行走油缸與船體鉸點。

其中，由于AP、AB段分別固結(jié)于臺車（鋼樁）坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系，線段長度在緩沖過程中始終不變。由幾何條件可知，A點為旋轉(zhuǎn)中心。BP段長度在運動過程中隨緩沖油缸的活塞位移sp而變化，

式中：sp值以活塞向前位移為正，向后位移為負(fù)。

圖5 計算控制點

結(jié)果表明：臺車的行程位置對緩沖力和緩沖彎矩的作用很小，在計算中可忽略。

柔性鋼樁的緩沖性能（即縱向轉(zhuǎn)角-緩沖力/緩沖彎矩關(guān)系曲線）由以下過程獲得：

（1）取緩沖油缸的活塞位移sp為計算點。從活塞行程內(nèi)以0.05 m為步長依次取點，活塞向前位移為正值，向后位移為負(fù)值。

（2）對每個sp值求取該位移下P點的新平衡位置P′點。臺車運動過程中，A、B兩點始終不動，故分別以A、B點為圓心，以BP′=BP-sp以及AP′=AP為半徑作兩圓，兩圓的交點即P′點。

（3）計算船和樁之間的相對縱向轉(zhuǎn)角θhs。由控制點A、B、P（P′）組成的已知三角形，在緩沖前后的幾何變化中計算相對轉(zhuǎn)角θhs，見式（2）和式（3）。

（4）計算緩沖力與緩沖彎矩。根據(jù)sp值計算緩沖油缸的出油體積（L）。不考慮溢油和外部供油情況，該出油體積等于氮氣部分壓縮體積。根據(jù)絕熱過程中的波意耳定律，求得此時的緩沖壓強（bar）、緩沖力（kN）與緩沖彎矩（kN·m）。以前

（上式中：n為體積系數(shù)，對于氮氣的絕熱變化應(yīng)取該值為 1.4［6］。）

（5）繪制θhs～Fb、Mb曲線。

2.2 計算結(jié)果及分析

由上述參數(shù)及計算過程，可得到該船柔性鋼樁緩沖性能計算結(jié)果（見圖6）。從結(jié)果曲線中可以看出，響應(yīng)曲線呈線性特征，同一工況下的緩沖力、緩沖彎矩關(guān)于相對轉(zhuǎn)角的斜率接近于常值。緩沖力的初始值較高，船體的外力在一般海況下不易推動油缸，而在高海況下才能推動緩沖油缸工作。由此可知，該緩沖系統(tǒng)的針對性是提高定位樁的最大可作業(yè)海況的上限。

圖6 計算結(jié)果

系統(tǒng)提供了約10 700 kN·m的抗尾傾緩沖彎矩和約5 400 kN·m的抗首傾緩沖彎矩。此時船、樁之間的相對轉(zhuǎn)角約為3°，而定位樁自身在縱向力作用下將相對于海底插樁點產(chǎn)生約1°的撓度，因此船體在疏浚時允許發(fā)生的最大縱搖角約為4°，該縱搖程度小，能夠滿足疏浚精度的要求。

由同一缸室在不同水深下的性能曲線對比可知：在不同水深工況下，緩沖系統(tǒng)的性能參數(shù)差異僅在于不同的系統(tǒng)預(yù)壓，選取不同的預(yù)壓明顯改變性能曲線的初值，但對曲線的增長斜率影響不大。該柔性鋼樁的預(yù)壓設(shè)計思路為隨水深增加而減小預(yù)壓值，使鋼樁在較淺水域中呈剛性狀態(tài)，而在較深水域中柔性增強，以防止在較深水域的作業(yè)環(huán)境下因高海況導(dǎo)致負(fù)載過大進(jìn)而損壞鋼樁臺車系統(tǒng)。

通過對同樣深淺水域下的前、后缸性能曲線對比可知，兩者的緩沖力、緩沖彎矩差距較大，比值與前后缸的截面積比值接近。這是因為該型緩沖油缸必須由一個有桿腔和無桿腔構(gòu)成，受結(jié)構(gòu)和布置的局限，有桿腔的截面積比無桿腔要小，故在相同預(yù)壓作用下緩沖力、緩沖彎矩不及無桿腔，即柔性鋼樁抵抗首傾和尾傾的能力并不一樣。該系統(tǒng)選擇以前缸作為無桿腔可獲得抵抗尾傾運動更大的緩沖性能，這與該絞吸船船尾頂流作業(yè)的設(shè)計工作狀態(tài)相適應(yīng)。

3 結(jié) 論

本文研究闡述絞吸挖泥船柔性鋼樁的工作原理，并根據(jù)某實船算例建立數(shù)學(xué)模型，對其緩沖系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析計算，得出以下結(jié)論：

（1）油缸式柔性鋼樁的緩沖原理從本質(zhì)上來說是通過釋放船、樁之間的相對轉(zhuǎn)動來減緩鋼樁載荷的；在結(jié)構(gòu)層面上是通過緩沖油缸、活塞蓄能器、高壓氮氣罐組和液壓伺服系統(tǒng)等來實現(xiàn)其系統(tǒng)功能。由于有了船、樁間的相對轉(zhuǎn)角，樁體和船體的縱平面轉(zhuǎn)動可以在一定程度上分離開來，定位樁繞插樁點轉(zhuǎn)動程度降低，可有效減緩其樁身彎曲撓度，防止定位樁彎曲破壞。

（2）該型緩沖系統(tǒng)的性能曲線呈初值大、最值高以及線性程度高的特點。系統(tǒng)的緩沖重點是高海況下的受力問題，以提高絞吸船的可作業(yè)性上限。

（3）系統(tǒng)預(yù)壓對柔性鋼樁的性能影響顯著，預(yù)壓越高；系統(tǒng)的剛性程度越高，預(yù)壓越低則柔性程度越高。應(yīng)隨海況增高而降低系統(tǒng)的預(yù)壓值，以使鋼樁在各環(huán)境條件下的受力始終在允許范圍內(nèi)。

目前，國內(nèi)外對柔性鋼樁的工作原理、參數(shù)設(shè)計等方面的研究還比較少，國內(nèi)的研究深度較之國外還有很大差距。本文所得出的數(shù)據(jù)對柔性鋼樁的設(shè)計、優(yōu)化、設(shè)備性能校核等具有一定的參考價值，可供船體和柔性鋼樁的耦合運動計算分析研究時參考。

［參考文獻(xiàn)］

［1］MUIJEN V H. Dredging and Reclamation：Trends and Future ［R］. IHC-MTI Holland， 2015.

［2］IHC Merwede. Dynamic Simulation of Cutter Dredger at Sea［J］. Ports and Dredger， 2008（8）：6-13.

［3］黃賢.絞吸式挖泥船定位樁臺車系統(tǒng)設(shè)計和研究［D］.上海：上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，2009.

［4］鄔卡佳.絞吸挖泥船定位鋼樁縱向緩沖系統(tǒng)的分析計算［D］.上海：上海交通大學(xué)，船舶海洋與設(shè)計工程學(xué)院，2014.

［5］汲國瑞，楊啟，王永東，等.絞吸挖泥船新型臺車緩沖系統(tǒng)分析［J］.船舶工程，2015（12）：.

［6］MERRITT H E. Hydraulic Control System ［M］. Wiley.1991.1.