開底式拋石船的改裝設(shè)計(jì)

趙明林，張偉利

(天津?yàn)I海博泰海事工程技術(shù)有限公司，天津 300456)

隨著各種水上大型交通設(shè)施及水利設(shè)施的建設(shè)，對水下基礎(chǔ)的防護(hù)要求會越來越高，通常需要對水底泥面進(jìn)行拋石、拋袋或鋪排等措施進(jìn)行防護(hù)，以保持河床的穩(wěn)定性，本文介紹的一型新開發(fā)的開底式拋石船，這種船型能滿足淺水急流區(qū)石塊拋填的施工需要，克服了原施工工藝船側(cè)自由拋水底石塊均勻度低的缺點(diǎn)，既提高了工作效率又能節(jié)省施工材料。

1 船舶設(shè)計(jì)的基本要求

由于本船是為了滿足某大橋河床防護(hù)施工需要而專門設(shè)計(jì)開發(fā)的新船型，在原有的定位船的基礎(chǔ)上增加拋石浮箱模塊，拋石艙、底門、挖掘機(jī)過駁跳板等全部集成在新加模塊上，拋石底門控制專用絞車安裝在原定位船甲板上，新加模塊在國內(nèi)整體建造調(diào)試完成，整體運(yùn)輸至國外施工現(xiàn)場進(jìn)行水上拼裝，這樣既節(jié)約成本又提高了整體改造進(jìn)度，整船改造的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)如下。

1)作業(yè)條件。施工最大水深，20 m；波高,≤1.0 m；最大流速,≤2 m/s；作業(yè)環(huán)境溫度，0 ～45 ℃；石料最大質(zhì)量，≤800 kg；拋石平均厚度，80 cm；拋石精度，±30 cm。

2)氣象條件。蒲氏6級風(fēng)情況下能正常作業(yè)，蒲氏8級風(fēng)施工地點(diǎn)拋錨避風(fēng)。

3)作業(yè)要求。四艙同時(shí)作業(yè)單次拋投約60 t，每小時(shí)拋石量不小于500 t。

4)執(zhí)行規(guī)范。船舶的改造設(shè)計(jì)滿足CCS《鋼制內(nèi)河船舶建造規(guī)范》，中華人民共和國海事局《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》。

2 船型設(shè)備的基本布置

本船由非自航工作駁船船型改造而成，原船為浮箱拼裝船，其船長36.0 m，型寬7.2 m，型深2.2 m,設(shè)計(jì)吃水0.7 m;改裝后船長為36.0 m,型寬11.7 m,型深2.2 m,設(shè)計(jì)吃水0.9 m。

改造后的船仍采用6纜水上定位，艏艉端各設(shè)3臺定位錨機(jī)，工作時(shí)艏艉各斜向“八”字拋出2口錨，沿船舶縱向各拋1口錨，由于帕德瑪河水流較急，一般本船工作時(shí)沿水流方向縱向布置，4口“八”字形可控制船舶的橫向移動(dòng)定位，艏艉縱向錨可實(shí)現(xiàn)船舶的縱向定位及移動(dòng)，船舷的右舷為新加裝的拋石模塊，模塊上設(shè)4個(gè)拋石艙，每個(gè)石艙的尺寸為5 050×1 600×1 000,單艙裝載石料約15 t，石艙的底部為一個(gè)單側(cè)開啟的底門， 通過特殊設(shè)計(jì)絞車的牽引能實(shí)現(xiàn)自由落體打開，拋石后緩慢閉合，為防止石塊裝填和拋落時(shí)損壞底門牽引索，設(shè)計(jì)時(shí)特意將牽引索與底門連接的部分選用足夠強(qiáng)度的錨鏈并加隔艙保護(hù)，圖1為改造方案布置示意圖，圖2為改造后的實(shí)船圖。

主要改造工作是在原有水上定位船的右舷加裝拋石模塊，原船結(jié)構(gòu)及布置不做重大修改。由于要求拋石艙的底門打開要迅速，考慮到開門時(shí)水阻力的影響，所以設(shè)計(jì)時(shí)盡可能將底門抬高，方案最終將底門的上平面與模塊的主甲板平齊，這樣在底門完全打開時(shí)只有門緣少量入水，水阻力影響甚微，石艙用艙口圍板設(shè)置在主甲板平面以上，圖3為拋石艙的橫剖面示意圖。

圖1 改造后拋石船布置示意圖

如圖3所示，底門的一側(cè)通過鉸鏈與模塊船體連接在一起，另一側(cè)兩端與開門專用絞車的2個(gè)同步繩卷筒連接，底門整體將石艙的底部封閉，為防止底門在裝載石塊時(shí)砸傷，設(shè)計(jì)時(shí)特意將底門的面板加厚，同時(shí)上面鋪設(shè)50 mm的硬木板，底門完全打開時(shí)整個(gè)石艙就變成一個(gè)無底的方框，石艙內(nèi)積的石料整體自由落體拋下，由于艙口圍板和船體的約束，艙內(nèi)石塊脫離船體時(shí)仍呈現(xiàn)矩形體，脫離船體后在水阻力的作用下石塊會有一定的分散飄移，但整體分散范圍可控，通過模型試驗(yàn)，水深15.0 m時(shí),石艙堆積1.0 m厚的石塊整艙自由拋落后,水底會形成0.8 m厚的比較均勻的拋石層。

圖2 改造后實(shí)船圖

圖3 拋石艙橫剖面示意圖

堆

整船拋石工作時(shí)，使用DGPS定位在拋石地點(diǎn)，運(yùn)送石料的駁船靠泊在本船的右舷，在駁船上使用反鏟式挖掘機(jī)向石艙內(nèi)裝填石料，當(dāng)石艙裝填到要求高度后，絞車液壓剎車迅速打開，整艙石料拋落。當(dāng)一艘運(yùn)輸駁船的石料拋完后，即將離開時(shí)，可將安裝在拋石船上的挖掘機(jī)過駁跳板搭接在運(yùn)貨駁船上，挖掘機(jī)直接開到拋石船的挖掘機(jī)停車平臺上，升起跳板，駁船駛離，待第二條運(yùn)輸駁船靠泊完成后，放下跳板，挖掘機(jī)直接開到駁船上繼續(xù)進(jìn)行石料裝填作業(yè)。

挖掘機(jī)跳板布置示意圖見圖4。

圖4 挖掘機(jī)跳板布置示意圖

3 特種絞車的設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)拋石艙底門的迅速開啟，在拋石后緩慢關(guān)閉，同時(shí)在裝填石料時(shí)底門還要承擔(dān)近15 t的負(fù)荷，這種絞車的功能是非常特殊的，設(shè)計(jì)起來也比較困難，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文重點(diǎn)介紹此項(xiàng)目的特種絞車。圖5為特種絞車結(jié)構(gòu)示意圖。

絞車由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、內(nèi)漲式摩擦離合器、液壓帶式制動(dòng)器、釋放行程限位裝置(齒輪/棘爪機(jī)構(gòu))、帶繩槽的雙卷筒、液壓動(dòng)力系統(tǒng)、整體叉頭十字節(jié)萬向軸等組成，卷筒上安裝彈簧壓繩裝置以防止快速釋放時(shí)跳繩，并提供底門閉門限位信號接口，除卷筒和連接軸外，裝置集成在一個(gè)公共底座上。

絞車的設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定負(fù)載，2×20 kN；支持負(fù)載,2×120 kN；鋼絲繩直徑,24 mm；卷筒繩速,≥4 m/min (共一層)；出繩方向,上出繩；容繩量,2×10 m；電機(jī),YZ132-6-H，3.7 kW；每條船上的4臺絞車共用1個(gè)控制箱，既能單動(dòng)也能聯(lián)動(dòng)，同時(shí)還有遙控功能。

本絞車由于2卷筒的位置分別對應(yīng)于1個(gè)拋石艙底門兩側(cè)的連接耳板，所以間距很大，設(shè)計(jì)間距約5.2 m,考慮到船上安裝的精度及平整度要求，在每個(gè)卷筒的兩側(cè)各設(shè)有1個(gè)強(qiáng)軸承架，這樣每個(gè)卷筒就能獨(dú)立安裝了，不必和絞車本體安裝在1個(gè)公共底座上，為彌補(bǔ)軸線上的誤差，2個(gè)卷筒的動(dòng)力輸入軸上均安裝有2套叉頭十字節(jié)。

絞車按照以下順序工作。

1)內(nèi)漲式摩擦離合器和液壓帶式制動(dòng)器均剎車閉合，拋石艙底門關(guān)閉，此時(shí)可向石艙內(nèi)裝填石塊，待石塊裝填到要求高度時(shí)，操縱拋石按鈕內(nèi)漲式摩擦離合器先行打開，程序延時(shí)1～2 s后，液壓帶式制動(dòng)器迅速打開，兩卷筒在底門的帶動(dòng)下同軸無阻力釋放，石艙中石塊自由落體拋落。

2)底門開啟后，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后(延時(shí)時(shí)間可調(diào)整)，液壓帶式制動(dòng)器動(dòng)作，限制卷筒的過度釋放，由于液壓帶式制動(dòng)器工作特性，剎車的過程比較平緩，不會造成太大的沖擊，如液壓帶式制動(dòng)器作用不及時(shí)，則備用裝置齒輪/棘爪機(jī)構(gòu)開始作用，在棘爪機(jī)構(gòu)上安裝彈簧裝置，及時(shí)緩解剎車沖擊力，卷筒上的鋼絲繩壓繩裝置保障鋼絲繩正常纏繞，不會因?yàn)榻g車的突然制動(dòng)而發(fā)生跳繩現(xiàn)象。

3)液壓帶式制動(dòng)器將滾筒軸剎住后，操縱閉門按鈕使液壓離合齒輪箱閉合，并打開液壓帶式制動(dòng)器，絞車將底門關(guān)閉。

4)底門完全關(guān)閉后，觸發(fā)船體上安裝的限位開關(guān)，給絞車發(fā)送信號，液壓帶式制動(dòng)器動(dòng)作，將卷筒軸剎死，同時(shí)停止絞車電機(jī)。

4 結(jié)束語

本船的設(shè)計(jì)、改裝比較成功地解決了水下拋石的準(zhǔn)確性問題，同時(shí)提高了拋石的均勻性及拋石效率，該船在孟加拉帕德瑪大橋河道防護(hù)工程施工中表現(xiàn)良好。此船型為國內(nèi)首次開發(fā)，對以后類似的工程施工船型的設(shè)計(jì)有一定的參考及借鑒作用。

1-卷筒;2-傳動(dòng)軸;3-減速箱;4-釋放行程限位裝置;5-傳動(dòng)齒輪;6-內(nèi)漲式摩擦離合器;7-液壓帶式制動(dòng)器;8-液壓動(dòng)力裝置;9-電動(dòng)機(jī)圖5 特種絞車結(jié)構(gòu)示意圖