散貨轉(zhuǎn)駁設(shè)備的總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

青島海西重機(jī)有限責(zé)任公司 青島 266530

0 引言

目前，作為道路聯(lián)通以及貿(mào)易暢通最顯著的表現(xiàn)形式，海上物流成為海上絲綢之路新經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展與聯(lián)通的關(guān)鍵要素。海上物流受到“一帶一路”倡議沿線港口水深等條件限制，一些大型遠(yuǎn)洋散貨船無法靠泊碼頭，嚴(yán)重制約了海上物流正常作業(yè)。海上轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)是一種以船舶為載體，可自航或通過拖船輔助航行至目的地，通過船上配備的裝卸船設(shè)備開展散料轉(zhuǎn)運(yùn)的作業(yè)平臺(tái)，主要由抓斗起重機(jī)、料斗、輸送皮帶機(jī)和裝船機(jī)等設(shè)備組成。海上轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)已經(jīng)成為“一帶一路”海上物流的重要方式。

2011年，巴西某公司將一艘載重28萬t的貨船礦砂-F輪改裝成浮式轉(zhuǎn)運(yùn)船F(xiàn)TS，集裝卸、儲(chǔ)存和航行3種功能為一體[1]。目前FTS已在菲律賓蘇比克灣海域投入使用，第二艘FTS也已在中國(guó)某船廠改裝完畢，將在東南亞投入運(yùn)營(yíng)。

國(guó)內(nèi)水上轉(zhuǎn)駁作業(yè)方式在長(zhǎng)江早已存在，主要是利用回轉(zhuǎn)起重機(jī)提供船到船的裝卸服務(wù)。國(guó)內(nèi)比較典型的海上轉(zhuǎn)駁平臺(tái)是新雙峰海號(hào)轉(zhuǎn)駁平臺(tái)。新雙峰海號(hào)由12萬噸級(jí)好望角型散貨船改裝而成，集裝卸、儲(chǔ)存和航行3種功能為一體。該平臺(tái)配置了2臺(tái)額定能力1 100 t/h的橋式抓斗卸船機(jī)和2臺(tái)額定能力1 400 t/h的軌道移動(dòng)式裝船機(jī)。至今該轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)已成功轉(zhuǎn)撥鐵礦石達(dá)數(shù)千萬噸，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)多家企業(yè)開展了海上轉(zhuǎn)駁平臺(tái)的改裝和建造，一些企業(yè)經(jīng)營(yíng)著很多海上轉(zhuǎn)駁服務(wù)。這些作業(yè)都是以用戶需求為導(dǎo)向，屬于很個(gè)性化的非標(biāo)產(chǎn)品。開展海上散貨轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)研究，形成海上散貨轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)總體解決方案，可解決不同特點(diǎn)的工程技術(shù)需求，提高海洋裝備領(lǐng)域?qū)ν夤こ炭偘把b備制造的整體水平，進(jìn)一步開拓新的市場(chǎng)領(lǐng)域。

散貨轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于轉(zhuǎn)駁設(shè)備的總體設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)駁設(shè)備設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)造成轉(zhuǎn)駁作業(yè)受海況、調(diào)度等條件限制過多，造成能力不足的問題。本文通過對(duì)轉(zhuǎn)駁形式選擇、總體布置影響因素、設(shè)備能力計(jì)算等要點(diǎn)研究，提出了轉(zhuǎn)駁設(shè)備總體設(shè)計(jì)的主要因素，提供了參數(shù)計(jì)算方法，使總體方案設(shè)計(jì)能夠達(dá)到工程應(yīng)用的效果。

1 轉(zhuǎn)駁形式

市場(chǎng)上已存的轉(zhuǎn)駁形式有很多種，常見的有采用船帶船用起重機(jī)直接向小船轉(zhuǎn)駁，也有采用外靠回轉(zhuǎn)起重機(jī)間接轉(zhuǎn)駁，還有采用移動(dòng)式裝卸設(shè)備間接轉(zhuǎn)駁，更多的是采用固定的組合型裝卸設(shè)備進(jìn)行間接轉(zhuǎn)駁。從大的形式上可分為船用起重機(jī)轉(zhuǎn)駁、回轉(zhuǎn)起重機(jī)轉(zhuǎn)駁以及組合型轉(zhuǎn)駁[4]。轉(zhuǎn)駁形式的選用主要是根據(jù)遠(yuǎn)洋船型以及年需求量與轉(zhuǎn)駁能力進(jìn)行匹配，同時(shí)兼顧整個(gè)物流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析，至少考慮遠(yuǎn)洋運(yùn)輸費(fèi)、貸款、人工、油耗等因素。

1.1 船用起重機(jī)轉(zhuǎn)駁

在70 000 DWT以下級(jí)別的散貨船上，普遍配有船用起重機(jī)，可采用船用起重機(jī)直接在兩船間作業(yè)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)駁功能。

采用船用起重機(jī)轉(zhuǎn)駁形式時(shí)，往來陸地岸邊的穿梭駁船一般型寬較小，船用起重機(jī)的臂長(zhǎng)可以滿足服務(wù)范圍需要。船用起重機(jī)各機(jī)構(gòu)速度相對(duì)較慢，所以其轉(zhuǎn)駁能力相對(duì)較小，可應(yīng)用在對(duì)作業(yè)量需求較小的轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)中。

船用起重機(jī)自帶的抓斗起重量一般為25 t或30 t，5個(gè)艙口最多配置4臺(tái)船用起重機(jī)，額定循環(huán)次數(shù)約20次/h，卸載一艘70 000 DWT滿載散貨船需要5 d左右，去除季風(fēng)季等影響，單線作業(yè)年卸載量在300萬t左右。所以，應(yīng)根據(jù)需求量以及船期、船隊(duì)的運(yùn)營(yíng)成本等因素綜合考慮后選擇。船用起重機(jī)轉(zhuǎn)駁形式如圖1所示。

圖1 船用起重機(jī)轉(zhuǎn)駁

1.2 回轉(zhuǎn)起重機(jī)轉(zhuǎn)駁

當(dāng)遠(yuǎn)洋船無卸船設(shè)備，必須依靠外部卸貨裝置開展卸貨作業(yè)時(shí)，回轉(zhuǎn)起重機(jī)是較直接的方法。因轉(zhuǎn)駁作業(yè)大多發(fā)生在一大一小兩船之間，為適應(yīng)船型，回轉(zhuǎn)起重機(jī)勢(shì)必要做成較長(zhǎng)的懸臂[3]，作業(yè)時(shí)要完成180°左右的回轉(zhuǎn)范圍，在同等工況及速度條件下，回轉(zhuǎn)起重機(jī)勢(shì)必自重大、工作周期長(zhǎng)、效率低、能耗高，從操作角度考慮，不適用高速頻繁的作業(yè)工況?；剞D(zhuǎn)起重機(jī)轉(zhuǎn)駁（見圖2）因司機(jī)作業(yè)視野受限，一般適用于高差較小的內(nèi)河駁船之間，不適用于船體較高的遠(yuǎn)洋船型。

馬克思基于對(duì)“現(xiàn)實(shí)的人”的思考，通過對(duì)“現(xiàn)實(shí)的人”的本質(zhì)的揭示，確立了關(guān)于人的解放的理論?！艾F(xiàn)實(shí)的人”是馬克思人的解放理論的邏輯起點(diǎn)。我們只有通過厘清“現(xiàn)實(shí)的人”的科學(xué)內(nèi)涵，才能從整體上把握馬克思人的解放理論。

圖2 回轉(zhuǎn)起重機(jī)轉(zhuǎn)駁

1.3 組合型轉(zhuǎn)駁

在物流需求較連續(xù)穩(wěn)定時(shí)，承擔(dān)運(yùn)輸?shù)倪h(yuǎn)洋船越大型，整個(gè)物流工程的成本越經(jīng)濟(jì)。大型的遠(yuǎn)洋船不配備船用起重機(jī)，也不適合采用回轉(zhuǎn)起重機(jī)轉(zhuǎn)駁，這就需要特制的組合型轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)需求。如圖3所示，組合型轉(zhuǎn)駁由卸船機(jī)、漏斗、輸送皮帶機(jī)、裝船機(jī)等主要設(shè)備組成，裝卸設(shè)備的服務(wù)范圍滿足各自的船型尺寸需要，中間環(huán)節(jié)通過輸送皮帶機(jī)的高度變化及方向變化進(jìn)行聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)大型、高效、節(jié)能、可靠的工程需求[5]。

圖3 組合型轉(zhuǎn)駁

組合型轉(zhuǎn)駁的卸船機(jī)可采用多種形式，比如固定門機(jī)、大型船用起重機(jī)、移動(dòng)卸船機(jī)等，以抓斗設(shè)備為主，平均卸船效率可達(dá)3 000 t/h以上，年作業(yè)量可達(dá)1 500萬t以上，滿足大多數(shù)的過駁項(xiàng)目能力需求，可適應(yīng)較高級(jí)別海況條件，實(shí)現(xiàn)近海作業(yè)。

2 總體布置

轉(zhuǎn)駁平臺(tái)應(yīng)用在水深較淺的近海區(qū)域，按物流方向可理解為有進(jìn)口與出口的區(qū)別，進(jìn)口即為大駁小——從大船向小船轉(zhuǎn)駁，出口即為小駁大——從小船向大船轉(zhuǎn)駁。大船是指散貨運(yùn)輸遠(yuǎn)洋船，小船一般采用敞口駁船。

2.1 服務(wù)范圍

卸船與裝船的臂長(zhǎng)應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)船型的需要，服務(wù)范圍盡量減少清艙作業(yè)量，同時(shí)應(yīng)滿足轉(zhuǎn)駁平臺(tái)有限的空間條件，回轉(zhuǎn)等運(yùn)行區(qū)域避免干涉等問題，還應(yīng)考慮與艙口位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系。需要注意的是，多臺(tái)同時(shí)作業(yè)應(yīng)間隔至少一個(gè)艙口，如圖4所示。

圖4 總體布置圖

2.2 船體傾斜

在海浪作用下，各船體都存在橫傾與縱傾的情況。轉(zhuǎn)駁作業(yè)一般同時(shí)存在2～3個(gè)船體耦合，相鄰2個(gè)船體傾斜后，甲板上的轉(zhuǎn)駁設(shè)備極容易與遠(yuǎn)洋船打開的艙口蓋產(chǎn)生干涉，需仔細(xì)校核。船體傾斜角度應(yīng)作為一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)輸入條件。

2.3 皮帶機(jī)傾角

當(dāng)采用小駁大布置時(shí)，因敞口駁船與遠(yuǎn)洋船的高差較大，需采用多條帶式輸送機(jī)連續(xù)爬坡以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)高度需求。帶式輸送機(jī)布置既要考慮平臺(tái)空間的限制，同時(shí)應(yīng)考慮物料特性對(duì)應(yīng)的輸送機(jī)允許最大傾角要求，可參考DTII設(shè)計(jì)手冊(cè)等按物料特性折中選取[5]。

3 設(shè)備能力

轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)設(shè)備能力的選擇需滿足工程項(xiàng)目的需要，影響能力的因素包括天氣因素、司機(jī)操作水平等，主要有執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、起重量、抓取比、循環(huán)時(shí)間、平均卸船效率、總作業(yè)時(shí)間等。

3.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

3.2 起重量G、抓取比i及循環(huán)時(shí)間T

f臺(tái)抓斗的每小時(shí)額定卸船效率為

式中：G為起重量，G＝抓斗質(zhì)量+滿載物料質(zhì)量；i為抓取比；T為循環(huán)時(shí)間。

抓取比i＝滿載物料質(zhì)量/抓斗質(zhì)量[2]。該參數(shù)與物料特性、抓斗形式以及抓斗設(shè)計(jì)等有關(guān)。一般物料比重越大的抓取比越大，剪式抓斗要比蚌式抓斗的抓取比大。

額定循環(huán)時(shí)間T為滿載船舶平均水位條件下，抓斗在船寬中部型深一半的位置進(jìn)行抓取，然后運(yùn)行至料斗上方拋料，再返回到原點(diǎn)的時(shí)間。該時(shí)間與各聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的速度有關(guān)，可通過計(jì)算獲得。

3.3 平均卸船效率η

轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)為即卸即裝設(shè)計(jì)，故裝船時(shí)間完全受卸船時(shí)間限制，在此不作格外討論。卸船效率會(huì)受懸臂位置變化、抓斗深度變化、清艙作業(yè)量等因素影響，存在不穩(wěn)定、不連續(xù)的情況，因此需要平均卸船效率的參數(shù)。平均卸船效率η＝整船作業(yè)量÷整船作業(yè)時(shí)間÷額定卸船效率。

平均卸船效率沒有一個(gè)成熟的計(jì)算公式，更多的是行業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)值作為參考。當(dāng)采用小駁大布置時(shí)，敞口駁船的型深較淺，對(duì)抓斗滿載有影響，但其很少采用清艙機(jī)械輔助，清艙等待時(shí)間相對(duì)較少，則平均效率提高。一般可取額定效率的60%以上；當(dāng)采用大駁小布置時(shí)，卸船工況與岸上港機(jī)類似，雖然小船的離、靠泊時(shí)可以對(duì)清艙工作有幫助，但海上作業(yè)對(duì)司機(jī)的疲勞影響還是較岸上要大一些。故平均效率不宜超過55%。

當(dāng)n臺(tái)抓斗同時(shí)作業(yè)時(shí)，要考慮是否存在卸船方向相互干涉的工況，如果存在就應(yīng)將其中受干涉的抓斗效率降低50%。當(dāng)然，可通過電氣自動(dòng)化控制技術(shù)，做到多臺(tái)協(xié)同作業(yè)互不影響，但自動(dòng)化應(yīng)用不能單靠理論計(jì)算，應(yīng)有可靠的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

轉(zhuǎn)駁作業(yè)過程中還存在轉(zhuǎn)駁平臺(tái)移動(dòng)以對(duì)應(yīng)艙口改變的影響，在合理調(diào)度情況下，可以計(jì)入離、靠泊時(shí)間內(nèi)，不另外考慮系數(shù)。

3.4 總作業(yè)時(shí)間

轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)作業(yè)地區(qū)普遍存在季風(fēng)季，期間作業(yè)較困難，假設(shè)季風(fēng)季的總天數(shù)為m。在考慮一年總的作業(yè)天數(shù)時(shí)，扣除m進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，應(yīng)核算堆場(chǎng)的能力是否滿足季風(fēng)季期間的使用需求，故年作業(yè)天數(shù)為365-m。

每天的工作時(shí)間需要考慮常規(guī)的維保、換班等時(shí)間，同時(shí)與大船、小船的離、靠泊時(shí)間有關(guān)，也與小船的數(shù)量有關(guān)。轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)每天會(huì)存在幾次離、靠泊情況，通長(zhǎng)會(huì)將維保、換班的時(shí)間壓縮在此期間，故不再另行考慮。

小船的數(shù)量決定了作業(yè)等待時(shí)間?？筛鶕?jù)小船的運(yùn)行距離及航速計(jì)算出穿梭航行時(shí)間，以及離、靠泊時(shí)間、上下游的裝卸時(shí)間，繪制簡(jiǎn)單的流程圖，如圖5所示?？傻迷谛〈瑪?shù)量一定的條件下，轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)每天實(shí)際的作業(yè)小時(shí)數(shù)n。

圖5 敞口駁船作業(yè)流程圖

3.5 設(shè)備能力初選

綜上可得：配置f臺(tái)每天工作時(shí)間為n的轉(zhuǎn)駁系統(tǒng)，年轉(zhuǎn)駁能力為

工程項(xiàng)目的需求一般是提出年需求轉(zhuǎn)駁量Q。調(diào)整G與T等參數(shù)，使Q1≥Q。

4 結(jié)語

散貨轉(zhuǎn)駁設(shè)備的總體方案設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的針對(duì)性，很難有完全相同的設(shè)計(jì)。應(yīng)根據(jù)需求特點(diǎn)及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等綜合考慮，選擇合適的轉(zhuǎn)駁形式。采用組合型轉(zhuǎn)駁形式時(shí)，應(yīng)結(jié)合轉(zhuǎn)駁平臺(tái)的尺度等合理布置各裝卸設(shè)備，并應(yīng)向船舶設(shè)計(jì)部門提供參數(shù)，進(jìn)行平臺(tái)的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

轉(zhuǎn)駁能力涉及的可變參數(shù)很多，比如物料特性、船型特點(diǎn)、氣候特點(diǎn)等等，都可能對(duì)轉(zhuǎn)駁能力產(chǎn)生影響。本文在調(diào)研比較的基礎(chǔ)上，提出了平均效率的參考值，可用于設(shè)備能力的初選。在實(shí)際的工程應(yīng)用中， 應(yīng)實(shí)地調(diào)研，適當(dāng)調(diào)整各參數(shù)，必要時(shí)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，使總體設(shè)計(jì)滿足工程項(xiàng)目的需要。