一種新型輔助破冰裝置設(shè)計(jì)＊

宋文昊，毛宏偉，吳 雁

（嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興314000）

1 前言

冰區(qū)船的發(fā)展需求主要基于以下2點(diǎn)：①極地地區(qū)的自然資源極為豐富，包括不可再生的礦產(chǎn)資源與化學(xué)能源、可再生的生物資源，以及如水力、風(fēng)力等恒定資源。北極地區(qū)資源豐富，被譽(yù)為“地球最后寶庫”的北極，除了有富饒的漁業(yè)和豐富的水力、風(fēng) 力、森林等可再生的自然資源，還有極為豐富的不可再生礦產(chǎn)資源，包括鐵礦、煤炭和石油。②北冰洋航線航程短，貿(mào)易需求大。世界發(fā)達(dá)國家大多處于北緯30°以北地區(qū)，這些地區(qū)生產(chǎn)了當(dāng)今世界80%的工業(yè)產(chǎn)品，占據(jù)世界70%的國際貿(mào)易。如果北冰洋航線暢通，這些地區(qū)的國際貿(mào)易航線將會(huì)縮短6000～8000km的航程，節(jié)省40%的航運(yùn)成本。

本文旨在研發(fā)一種新型輔助破冰裝置，利用高壓水射流來破壞冰層的整體性，從而使破冰船能夠一次破冰，大大提高破冰效率，降低能源消耗。

2 裝置設(shè)計(jì)思路

第一階段：破冰前，機(jī)械臂從甲板升起，將水刀下放至冰層，通過水刀頭部的距離傳感器將水刀下放至距離冰面8mm處，船尾水泵將海水抽取，并將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水通過管道泵送至高壓水射流混合池內(nèi)，加入NaCl后進(jìn)行升溫，使其飽和。再通過管道運(yùn)送至高壓水射流增壓泵，將增壓后的海水通過水刀頭噴射出。

第二階段：高壓水泵開始工作，兩組高壓水射流對(duì)向切割，切割出一個(gè)倒三角的切割縫，兩個(gè)主要破冰水刀機(jī)械臂在船體兩側(cè)切割出兩道切割縫，而輔助破冰水刀在桁架上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，垂直冰層切割，使冰層出現(xiàn)Z字行的切割軌跡，由于切割液是4℃的飽和食鹽水，并在其中摻入了NaCl晶體，能夠保證切割縫不凍結(jié)，防止冰層整體恢復(fù)。

第三階段：在水刀切割冰層之后，冰層的整體性遭到了一定的破壞，在船體向前行時(shí)，船首擠壓被切割部分的冰層，冰層由于被切割會(huì)輕易地遭到破壞，在冰層之間會(huì)出現(xiàn)一條狹窄的通道。而當(dāng)船體進(jìn)一步向前推進(jìn)的過程中，由于船體的橫向長度遠(yuǎn)大于冰層之間的狹窄通道，冰層會(huì)給船體提供一個(gè)向上的支持力。船進(jìn)一步向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，支持力進(jìn)一步增大，船體向上運(yùn)動(dòng)，部分離開水面，排水量減小，水對(duì)船體的浮力減小，導(dǎo)致二力平衡失穩(wěn)，合力向下，從而使船體擠壓冰層，導(dǎo)致冰層結(jié)構(gòu)性破壞，達(dá)到破冰效果。新型輔助破冰裝置整體如圖1所示。

圖1 新型輔助破冰裝置整體示意圖

3 新型破冰裝置主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 水刀參數(shù)

本裝置高壓水射流選用的壓力水為飽和NaCl溶液，飽和NaCl溶液使后加入的NaCl晶體在溶液中不溶解，從而提高切割效率。高壓水由在船尾的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水系統(tǒng)供水，經(jīng)過濾網(wǎng)，到達(dá)中和裝置，中和裝置設(shè)有加熱管，在此裝置中加入NaCl，使NaCl溶液達(dá)到飽和狀態(tài)，然后通過管道輸送到增壓泵，由增壓泵增壓后經(jīng)高壓水射流供水管輸送到噴嘴，由噴嘴噴出。所選用的摩擦劑為NaCl晶體，NaCl晶體的加入比純水切割的切割效率大大提高，也能避免常規(guī)摩擦劑（如石榴砂、金剛砂等）對(duì)冰區(qū)海域的污染；而噴嘴選用金剛石噴嘴，口徑為0.3mm，由于金剛石噴嘴使用壽命長（大約為2000h），可以大大減少在極端低溫條件下更換噴嘴的次數(shù)，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的破冰效率；選擇350MPa的壓力水作為裝置的輸出水壓，保證破冰效率的前提下降低能耗，加快行刀速度，加大切割深度，從而確保切割的高效性。

3.2 水刀裝置

高壓水射流的增壓裝置安裝于船體甲板處，可以降低裝置對(duì)船體本身的影響，高壓水通過管道運(yùn)送到水刀噴嘴；在船體的甲板上本裝置設(shè)置有機(jī)械臂，通過機(jī)械臂將噴嘴固定在冰層表面，通過機(jī)械臂的自我調(diào)整，從而改變噴嘴的切割方向，保證整個(gè)裝置的切割效率。

水刀裝置如圖2所示。

圖2 水刀裝置意圖

3.2.1 輔助水刀

輔助機(jī)械臂上的水刀垂直于冰面，在機(jī)械臂的桁架上作來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著船體向前行進(jìn)的同時(shí)切割出Z字形的切割軌跡，大大降低了冰層的整體性，使后期破冰船的破冰效果更加顯著。

水刀桁架如圖3所示。

圖3 水刀桁架示意圖

3.2.2 高度控制

高壓水射流噴嘴處設(shè)有距離傳感器，距離傳感器實(shí)時(shí)傳送信息給中央計(jì)算機(jī)。中央計(jì)算機(jī)通過控制機(jī)械臂的伸縮、旋轉(zhuǎn)來控制高壓水射流的方向、高度，使噴嘴和冰面的距離控制在5～10mm，從而保證高壓水射流切割的高效性。

3.2.3 水刀排布

本裝置主高壓水射流的排列方式以多個(gè)成組，多組成系為基本排列方式。每組高壓水射流由3個(gè)單個(gè)的高壓水射流噴頭組成，而2組高壓水射流組成1個(gè)高壓水射流系統(tǒng)。其中單組高壓水射流，由3個(gè)噴嘴成一字形排列成線，可保證切割線的統(tǒng)一，提高單組水刀的切割深度。2組高壓水射流相互錯(cuò)開，保證水刀切割線相交，起到分離部分冰層、打破冰層整體性的作用，此時(shí)的機(jī)械臂如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂示意圖

3.2.4 低溫保護(hù)措施

破冰船的航區(qū)溫度在-30～-20℃，低溫可能導(dǎo)致高壓水射流系統(tǒng)凍結(jié)，從而導(dǎo)致裝置的工作效率大大降低。在裝置的高壓供水管、供砂管、噴嘴外側(cè)增加了電加熱設(shè)備，并在電加熱設(shè)備的外側(cè)包裹保溫材料。溫度傳感器安裝在電加熱管上，電加熱管外層導(dǎo)熱材料為鎳鉻合金鋼，內(nèi)部電熱材料為銅鎳合金，電熱材料和外層導(dǎo)熱材料為高壓氧化鎂絕緣層，以此來對(duì)抗極端低溫對(duì)裝置的切割效率的影響，從而保證裝置在南北兩極區(qū)域能夠正常工作，水刀刀頭加熱如圖5所示。

圖5 水刀刀頭加熱示意圖

3.2.5 高壓水射流行刀速度

一般破冰船航行速度為9.8km/h，為了保證高壓水射流的切割深度和整個(gè)裝置的運(yùn)行效率，在相對(duì)較快的速度下，每組的高壓水射流裝置配備了3個(gè)口徑逐漸增大的噴嘴，以此來減小船行速度過快對(duì)高壓水射流切割深度的影響。

3.2.6 機(jī)械臂的運(yùn)用

水刀被固定在機(jī)械臂上，機(jī)械臂由電腦控制，在噴嘴處設(shè)有距離傳感器，而機(jī)械臂可以上下伸縮，以關(guān)節(jié)處為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)，保證高壓水射流的切割角度，保證整個(gè)船體的破冰效率；機(jī)械臂被安裝在甲板上，機(jī)械臂可以通過自身的調(diào)節(jié)上提水刀噴嘴，在薄冰作業(yè)時(shí)，可以收起輔助破冰裝置，以減少裝置對(duì)船體能量的損耗，這樣的模塊化設(shè)計(jì)可以保證兩個(gè)模塊高效工作，且可以相互配合，提高每個(gè)模塊的實(shí)際運(yùn)用能力，此時(shí)的機(jī)械臂如圖6所示。

圖6 機(jī)械臂示意圖

4 總結(jié)

綜上所述，在破冰船的海上航行中，尤其是在惡劣的環(huán)境中，使用新的輔助裝置具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與很大的現(xiàn)實(shí)意義。在破冰船上使用新的輔助裝置，不僅提升了船舶的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)增強(qiáng)了國家海洋方面的競爭實(shí)力，為國家的科考事業(yè)作出巨大貢獻(xiàn)。