新一代智能化中小型耙吸挖泥船研發(fā)設(shè)計(jì)

毛建輝，費(fèi)龍

（中國船舶與海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011）

0 引言

20世紀(jì)70年代，我國從荷蘭和日本引進(jìn)了多型挖泥船，僅荷蘭4 500 m3耙吸挖泥船4艘，1 500 m3耙吸挖泥船10艘。這些耙吸挖泥船目前普遍存在船齡大、施工效率低、能耗高等問題，急需升級換代。21世紀(jì)以來，國內(nèi)疏浚業(yè)雖然建造了多型萬方級耙吸挖泥船，但中小型耙吸挖泥船在此期間建造比較少，技術(shù)沒有得到提升。因此，新一代的中小型耙吸挖泥船應(yīng)運(yùn)用國內(nèi)外最新耙吸挖泥船的研究技術(shù)成果，在船型、動力配置、疏浚系統(tǒng)、自動化等方面進(jìn)行全面升級，使其達(dá)到機(jī)動靈活、疏浚效率高、能耗低等目標(biāo)。

在中小型耙吸挖泥船研發(fā)方面，陳成等[1]總結(jié)了中小型耙吸挖泥船的發(fā)展趨勢，張超[2]介紹了經(jīng)濟(jì)型1 500 m3耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，羅彬[3]對5 000 m3自航耙吸挖泥船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，唐豐等[4]對中小型耙吸挖泥船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題進(jìn)行了探討，于再紅等[5]對國內(nèi)外中小型耙吸挖泥船的動力配置等進(jìn)行了研究。

本文是在上述研究的基礎(chǔ)上，通過分析中小型耙吸挖泥船的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，借鑒大型耙吸挖泥船技術(shù)研發(fā)成果，以新研制的“航浚4019”4 500 m3耙吸挖泥船為例，針對中小型耙吸挖泥船航道疏浚作業(yè)需求，重點(diǎn)介紹了淺吃水、操縱能力、疏浚系統(tǒng)、動力配置、智能化等方面的適宜技術(shù)，為國內(nèi)設(shè)計(jì)建造高效的中小型耙吸挖泥船提供參考。

1 國外中小型耙吸挖泥船技術(shù)特點(diǎn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲四大疏浚公司擁有的中小型耙吸挖泥船數(shù)量較多，其中Jan De Nul公司有13艘3 000～5 000 m3等級的中小型耙吸挖泥船，Deme公司有6艘，Vanoord公司有5艘，Boskalis公司有6艘，見表1。這些中小型耙吸挖泥船因其淺吃水、操縱靈活、運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的市場競爭力。此外，IHC公司也設(shè)計(jì)了多型中小型耙吸挖泥船，如EASYDREDGE系列。而近10 a國內(nèi)中小型耙吸挖泥船建造數(shù)量相對較少，與國外相比存在較大差距。

由表1可知，國外中小型耙吸挖泥船具有以下特點(diǎn)：1）挖泥吃水較?。?）總裝機(jī)功率較小，航速12.0 kn左右；3）多采用復(fù)合驅(qū)動或全電驅(qū)；4）單耙配置，挖深30 m左右。

表1 國外3 000 m3等級耙吸挖泥船主要參數(shù)Table 1 Main parameters of 3 000 m3 grade trailing suction dredger at abroad

2 船舶概況

“航浚4019”為一艘雙機(jī)、雙槳、復(fù)合驅(qū)動、單耙、單甲板、帶球鼻艏、雙尾鰭，泥艙艙容4 500 m3的耙吸挖泥船，適用于港口航道疏浚工程，可在無限航區(qū)航行，沿海航區(qū)作業(yè)，見圖1。

圖1 4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4019”Fig.1 4 500 m3 trailing suction dredger Hangjun 4019

船級符號：★CSA Trailing Suction Hopper Dredger，Dredging within R2，Ice Class B，PSPC（B），BWMP；★CSM AUT-0，OMBO，SCM，DP-1，BWMS

主要參數(shù)：總長103.00 m，垂線間長95.0 m，型寬21.8 m，挖泥吃水6.20 m，航速12.9 kn，定員28人。

動力系統(tǒng)：“一拖二”復(fù)合驅(qū)動；2臺3 000 kW主柴油機(jī)，每臺主機(jī)驅(qū)動1臺可調(diào)螺距螺旋槳和1臺2 750 kW軸帶發(fā)電機(jī)；1臺680 kW輔柴油發(fā)電機(jī)組；1臺240 kW應(yīng)急兼停泊發(fā)電機(jī)組。設(shè)2臺350 kW可調(diào)螺距艏側(cè)推，滿足DP-1動力定位要求。

疏浚系統(tǒng)：單耙挖泥，耙吸管內(nèi)徑900 mm，最大挖深30.0 m；單列方形泥門卸泥，具有艏吹、艏噴功能。1臺1 250/3 150 kW泥泵和1臺900 kW高壓沖水泵，均由變頻電機(jī)驅(qū)動。

3 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)配置

3.1 淺吃水

隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施，我國疏浚企業(yè)參與東南亞、非洲、南美等港口建設(shè)正如火如荼地進(jìn)行，這些地區(qū)部分港口還處于開發(fā)初期，疏浚區(qū)域浚前水深較淺，只有淺吃水船舶才能進(jìn)場施工。因此，中小型耙吸挖泥船必須通過主尺度和線型優(yōu)化，以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置降低空船重量，以達(dá)到淺吃水的目標(biāo)。

3.1.1 主尺度和線型

受港口航道寬度和水深的限制，中小型耙吸挖泥船只能通過增加船寬和增大方形系數(shù)，滿足淺吃水和載泥量的要求。根據(jù)對耙吸挖泥船的船型特征分析，該船優(yōu)化了主尺度選擇，采用了肥大船型，船長船寬比L/B取4.36，方形系數(shù)取0.89，這樣船舶在泥艙滿載時船尾吃水約6.2 m，泥艙空載時船尾吃水約4.2 m。如果進(jìn)一步抽掉泥艙內(nèi)殘余水、用高壓沖水泵將艏壓載艙快速注滿，則船尾吃水最小可達(dá)3.6 m，很好地滿足了淺水區(qū)施工的需要。

隨著環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，在現(xiàn)代疏浚工程中對拋泥區(qū)都做了嚴(yán)格規(guī)定（遠(yuǎn)離人口密集區(qū)），一般距離挖泥區(qū)域較遠(yuǎn)。疏浚船必須降低航行阻力，提高航速，盡量縮短運(yùn)泥時間，從而提高整體生產(chǎn)效率。因此，為克服肥大船型帶來的對阻力性能不利影響，需通過線型優(yōu)化設(shè)計(jì)來解決。根據(jù)以往開展的大量水池試驗(yàn)研究和眾多的設(shè)計(jì)實(shí)踐，采用長球艏和雙尾鰭線型，是減小耙吸挖泥船淺水條件下船體阻力、改善推進(jìn)性能和提高載泥量的有效措施，已得到了廣泛應(yīng)用。采用長球首設(shè)計(jì)，一是可以明顯降低淺水區(qū)航行阻力；二是可以減小艏部興波，減少對航道、港口堤岸的沖刷；三是減小航行時埋首現(xiàn)象，從而減小船首吃水。采用雙尾鰭線型，一是可以優(yōu)化艉部來流，使螺旋槳盤面處流場更為均勻，改善船舶振動；二是可以減小艉部粘壓阻力，獲得更高的總推進(jìn)效率；三是可以使機(jī)艙后移，在同等載泥量下有利于減小船長[1，6]。該船通過采用長球艏和雙尾鰭線型，并開展CFD線型優(yōu)化，從而獲得了良好的阻力性能。實(shí)船試航證明，該船深水調(diào)遣航速約12.9 kn，即使在淺水區(qū)航速仍大于12kn，能夠滿足快速拋泥的需要。

3.1.2 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

與普通貨船相比，耙吸挖泥船的泥艙長度較短（約占船長45%左右），泥漿載荷大且集中在船體中部，使得船體承受的彎矩和剪力較大。此外，不僅在主甲板和泥艙甲板上有縱通連續(xù)的泥艙大開口，而且在船體底部有大面積的泥門開口和溢流筒開口，使得橫剖面上的剖面模數(shù)進(jìn)一步降低，因此合理的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和空船重量控制都是非常重要的。首先，合理選取型深，型深越大，船體梁的剖面模數(shù)越大，板和構(gòu)件的尺度可以相應(yīng)地減小。其次，在泥艙甲板開口范圍內(nèi)設(shè)置架空橫梁，與泥艙肋板、強(qiáng)肋骨、泥艙縱壁垂直桁、主甲板強(qiáng)橫梁形成橫向強(qiáng)框架。最后，泥艙區(qū)域采用高強(qiáng)度鋼，并通過泥艙段結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)件尺寸。與普通鋼相比，采用高強(qiáng)度鋼可以使結(jié)構(gòu)重量減少約7.5%[7]。

3.1.3 單列泥門型式

為減輕空船重量，簡化系統(tǒng)配置，該船采用結(jié)構(gòu)簡單的單列方形泥門，不僅減少泥門數(shù)量，而且節(jié)約建造和維護(hù)成本。另外，該泥門采用創(chuàng)新的自平衡機(jī)構(gòu)[8]，通過3個斜撐桿支撐泥門油缸底座，使整個泥門裝置受力全部傳遞到泥艙底部結(jié)構(gòu)，而泥艙橫梁不受力，從而可以減少橫梁的結(jié)構(gòu)重量。同時該泥門由液壓缸啟閉，可在任何位置停止，也有利于淺水拋泥。

3.2 操縱能力

3.2.1 襟翼舵

在航道內(nèi)作業(yè)時需要經(jīng)常回轉(zhuǎn)調(diào)頭，而航道內(nèi)船舶往來繁忙，因此為保證安全，應(yīng)特別重視中小型耙吸挖泥船的操縱性能，特別是低速挖泥作業(yè)時的操縱能力。為此該船采用了舵效性能好、應(yīng)舵速度快的襟翼舵，主舵最大角度45°，襟翼相對角度45°～55°，保證了低速挖泥時操縱能力。此外，為解決挖泥區(qū)大量泥沙對轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的磨損，該襟翼舵?zhèn)鲃訖C(jī)構(gòu)采用導(dǎo)桿式，上方安裝有密封裝置，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠。根據(jù)實(shí)船測試，該船在滿載全速、舵角35°時回轉(zhuǎn)直徑約1.8倍船長，低速挖泥時船舶操縱方便，能夠滿足狹窄航道內(nèi)疏浚作業(yè)要求。

3.2.2 動力定位與動態(tài)跟蹤系統(tǒng)DP/DT

在大型疏浚工程末期，往往需要中小型耙吸挖泥船在不同淺點(diǎn)間沿規(guī)劃路線進(jìn)行高效掃淺作業(yè)，此時疏浚效率嚴(yán)重依賴駕駛員的經(jīng)驗(yàn)。而優(yōu)秀駕駛員的經(jīng)驗(yàn)往往難以批量復(fù)制和傳承，為提高施工效率，該船設(shè)置了2臺艏側(cè)推，并配置了動力定位與動態(tài)跟蹤系統(tǒng)DP/DT，能夠自動按照預(yù)先規(guī)劃好的路線進(jìn)行精確掃淺作業(yè)。經(jīng)估算，在流速2.0 kn，風(fēng)速11.0 m/s，波高2.0 m環(huán)境條件，以及考慮耙頭和耙管附加阻力等因素，該船在船首45°范圍內(nèi)能夠沿規(guī)定路徑進(jìn)行掃淺作業(yè)，見圖2。

圖2 推進(jìn)器功率利用率與船舶動力定位首向限制角關(guān)系圖Fig.2 Relationship between propeller power utilization and ship dynamic positioning head limit angle

3.3 疏浚能力

3.3.1 適宜的疏浚設(shè)備配置

首先，為適應(yīng)復(fù)雜多變的疏浚土質(zhì)，該船泥泵和高壓沖水泵均采用變頻電機(jī)驅(qū)動，通過改變泥泵和高壓沖水泵的轉(zhuǎn)速，使泥泵和高壓沖水泵在各種土質(zhì)、挖深條件下均能獲得較高效率的運(yùn)行點(diǎn)，提高了疏浚效能和作業(yè)效率[9]。因此，根據(jù)泥泵和高壓沖水泵驅(qū)動形式，該船采用“一拖二”復(fù)合驅(qū)動方式[4]，軸帶發(fā)電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)，提供電力驅(qū)動泥泵、高壓沖水泵、艏側(cè)推和全船輔助設(shè)備。其次，對難挖土質(zhì)，在裝機(jī)功率相同的情況下為使耙頭獲得更大的拖曳力，該船采用了單耙配置，一是提高耙頭挖掘能力，增大進(jìn)艙泥漿濃度；二是疏浚系統(tǒng)配置簡單，維護(hù)方便，對控制空船重量有利；三是單耙挖泥裝艙時能夠減少泥艙內(nèi)的泥漿擾動，減少溢流損失。通過上述措施，經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)疏浚土質(zhì)為中細(xì)砂、挖深20 m時，進(jìn)艙泥漿平均密度1.35 t/m3，整個裝艙時間約45 min，滿足了高效疏浚的要求。

3.3.2 針對不同土質(zhì)的特殊設(shè)計(jì)

在挖泥機(jī)具方面，針對不同疏浚土質(zhì)，耙頭在結(jié)構(gòu)形式、耙齒類型、高壓沖水和重量的配置上應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件有所不同。針對中砂和細(xì)砂土質(zhì)，該船配備雙排耙齒耙頭，耙頭重約17 t，最大寬度約4 000 mm。耙齒帶最大壓力0.9 MPa的高壓沖水噴嘴，該沖水形式能增加耙齒切入土層的能力，同時也可減少耙頭阻力[10]。針對顆粒間附著力較強(qiáng)的黏土，該船配備了單排耙齒耙頭，通過調(diào)整耙齒縱向角度、優(yōu)化耙頭內(nèi)高壓沖水噴嘴和格柵，減少黏土在耙頭內(nèi)堵塞，提高施工效率。

在裝艙溢流方面，為達(dá)到良好的裝艙效果，針對粗砂土質(zhì)，該船設(shè)置了2個裝載箱（普通中小型耙吸挖泥船通常僅設(shè)置1個裝載箱）；針對細(xì)砂或中細(xì)砂，可僅使用1個裝載箱。為更好地保證裝艙后能達(dá)到泥艙最大裝載量而溢流掉濃度較低的泥漿，該船應(yīng)用了1套帶環(huán)保閥的溢流筒裝置，可從3 000～4 500 m3艙容連續(xù)調(diào)節(jié)，滿足不同土質(zhì)的溢流需要。同時該溢流筒可自動調(diào)節(jié)閥板開度以保持液面高度恒定，通過有效減少溢流中空氣含量來減少溢流對周圍水域和海洋生物造成的不利影響[11]。通過上述措施，該船疏浚系統(tǒng)能夠更好地滿足不同土質(zhì)的疏浚需要。

3.4 智能化

3.4.1 智能疏浚系統(tǒng)

耙吸挖泥船智能化不是以無人化為目標(biāo)，而是以提高作業(yè)效率為主要目的。該船采用了最新國內(nèi)自主研發(fā)的智能疏浚系統(tǒng)，通過采用智能控制和感知診斷技術(shù)，以一人橋樓+宏按鈕的設(shè)計(jì)理念，在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)挖泥、拋泥、吹泥等作業(yè)的全自動控制。施工時，駕駛員將主要關(guān)注航行安全，只在開始施工時進(jìn)行模式設(shè)置，過程中只需按下“宏按鍵”就可以通過智能疏浚系統(tǒng)做到全自動疏浚作業(yè)。目前該系統(tǒng)可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境條件不斷優(yōu)化迭代作業(yè)參數(shù)，為疏浚操作人員決策提供參考。

在智能疏浚系統(tǒng)中，疏?？刂葡到y(tǒng)DCS、功率管理系統(tǒng)PMS、動力定位/動態(tài)跟蹤系統(tǒng)DT/DP三者通過數(shù)據(jù)通訊，協(xié)調(diào)配合，共同實(shí)現(xiàn)智能疏浚的目標(biāo)。其中疏浚控制系統(tǒng)包括耙管絞車自動控制系統(tǒng)[12]、泥泵自動控制系統(tǒng)、高壓沖水泵自動控制系統(tǒng)、吃水和裝載測量系統(tǒng)、挖泥航速控制系統(tǒng)、疏浚軌跡顯示系統(tǒng)等，見圖3，滿足單耙挖泥、泥門卸泥、抽艙排岸等作業(yè)的自動控制。

圖3 疏浚作業(yè)自動控制界面Fig.3 Automatic control interface of dredging operation

3.4.2 振動監(jiān)測系統(tǒng)

耙吸挖泥船機(jī)械設(shè)備多、總裝機(jī)功率大（較常規(guī)船大200%以上），作業(yè)時主機(jī)、泥泵、高壓沖水泵等運(yùn)行環(huán)境較差。為保證重要設(shè)備持續(xù)健康運(yùn)行，該船設(shè)有1套振動監(jiān)測系統(tǒng)，通過檢測設(shè)備的振動、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)檢測設(shè)備運(yùn)行情況，當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定值時就發(fā)出報(bào)警或停機(jī)信號，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)。此外，該系統(tǒng)的離線監(jiān)測功能能夠通過便攜式數(shù)據(jù)采集器定期獲取設(shè)備狀態(tài)信息，利用狀態(tài)監(jiān)測軟件分析設(shè)備運(yùn)行情況，預(yù)估維護(hù)周期，從而提高設(shè)備維護(hù)效率，降低船員工作強(qiáng)度。

4 結(jié)語

作為新一代的智能化中小型耙吸挖泥船，4 500 m3耙吸挖泥船在以下方面進(jìn)行了升級：

1）通過主尺度和線型優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適宜的疏浚設(shè)備配置，滿足中小型耙吸挖泥船淺吃水的要求；通過配置襟翼舵、動力定位與動態(tài)跟蹤系統(tǒng)DP/DT，滿足狹窄航道疏浚作業(yè)時機(jī)動靈活的要求。

2）通過采用“一拖二”的動力配置形式，以及單列泥門、單耙、電驅(qū)泥泵等適宜疏浚技術(shù)，滿足高效疏浚的要求。

3）通過智能疏浚系統(tǒng)和振動監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)，滿足耙吸挖泥船智能化的發(fā)展趨勢。

目前，4 500 m3耙吸挖泥船已建造了3艘，將推動國內(nèi)一大批中小型耙吸挖泥船的更新?lián)Q代，向著高效、智能、更具競爭力的方向不斷前進(jìn)。下一步，需對智能疏浚系統(tǒng)進(jìn)行完善和研究，不斷積累疏浚作業(yè)的原始數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開發(fā)更加精準(zhǔn)、高效的算法邏輯，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制完全自主化和動態(tài)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)全自動疏浚的目標(biāo)。