沿海中小型開體泥駁總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析

曹仁丹,成 辰,2

(1.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

泥駁是挖泥船的配套船只,用以運(yùn)輸、裝卸挖泥船所挖泥沙,執(zhí)行港口或航道的疏浚、填海造島、海上結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)施工等任務(wù)。根據(jù)泄泥方式的不同,可分為封底泥駁、開底泥駁、側(cè)開泥駁、開體泥駁等類型。

封底泥駁依靠吹泥船將泥沙輸送至填泥區(qū),這種船型目前已不多見,被具有吹沙功能的挖泥船取代。開底泥駁通過開啟船底的活動(dòng)門進(jìn)行卸泥,側(cè)開泥駁的泄泥口設(shè)在兩舷。這2種泥駁多用于淺水區(qū)卸泥,泄泥速度較慢。

開體泥駁也稱對(duì)開泥駁,由左右2個(gè)對(duì)稱的縱向片體組成,通過泥艙前后兩端的甲板鉸鏈連接。2個(gè)片體繞縱向鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)泥艙的開閉。拋泥時(shí)泥門向下凸出,拋泥速度較快,是深水區(qū)拋泥作業(yè)的首選船型。隨著我國港口、航道及海上設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展,開體泥駁的發(fā)展有著大型化的趨勢(shì)。

本文將通過1 800 m3沿海自航開體泥駁(以下簡稱“本船”)的總體設(shè)計(jì),著重對(duì)其布置設(shè)計(jì)、上層建筑設(shè)計(jì)、鉸鏈設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 開體泥駁的工作原理

開體泥駁的2個(gè)片體可繞泥艙前后兩端的主甲板鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。泥艙滿載時(shí),船舶的排水量由船舶自重和泥艙內(nèi)泥沙的重量組成,片體重力作用線較浮力作用線更靠近船舶中縱剖面。2個(gè)半邊的重力和浮力形成使船體向外張開的力偶,通過油缸的拉力鎖緊2個(gè)片體。卸除油缸拉力(或由油缸產(chǎn)生推力)后,片體迅速張開,實(shí)現(xiàn)排泥[1],見圖1。

圖1 泥艙滿載狀態(tài)

排泥后,半邊重力作用線向外側(cè)移動(dòng),片體浮力作用線更靠近中縱剖面,產(chǎn)生使船體閉合的力偶,與油缸拉力共同作用下使船體閉合,見圖2。

圖2 泥艙卸載狀態(tài)

2 開體泥駁的布置設(shè)計(jì)

船舶的布置地位是指船體內(nèi)的容積和甲板面積[2],可通過選擇合適的主尺度、分艙長度等措施來保證。船舶布置地位的大小,往往根據(jù)船舶的功能、機(jī)械設(shè)備、駕乘人員等所需而定。開體泥駁兼有載重型船和布置地位型船的特點(diǎn),在總體設(shè)計(jì)時(shí)主要解決“裝得下”和“拋得出”2個(gè)問題。

2.1 船舶主尺度和排水量

開體泥駁的航程一般較短,對(duì)快速性要求較低[3]。為滿足艙容要求,提供足夠的排水量,解決“裝得下”的問題,開體泥駁往往設(shè)計(jì)成淺吃水肥大型船舶(型寬/型深≥2.8)[4]。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求,參考母型船數(shù)據(jù),結(jié)合對(duì)多艘開體泥駁的主尺度進(jìn)行線性回歸,確定本船主尺度如下：船長72.8 m,型寬15.0 m,型深5.2 m,吃水4.0 m。

開體泥駁的排水量由船舶自重和泥艙內(nèi)泥沙的重量兩部分組成。船舶自重可根據(jù)母型船數(shù)據(jù)進(jìn)行估算,在計(jì)算泥沙重量時(shí)密度不應(yīng)取小于1.4 t/m3,不裝運(yùn)石塊的開體泥駁的密度不大于1.8 t/m3。實(shí)際上,可裝載泥沙密度是衡量開體泥駁性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本船在計(jì)算時(shí)取1.67 t/m3。

2.2 泥艙的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求,本船的泥艙容積需達(dá)到1 800 m3。開體泥駁泥艙容積的計(jì)算方法通常有2種：一是將泥艙上沿設(shè)定為主甲板,二是將泥艙上沿設(shè)定為艙口圍板。由于在某種橫傾狀態(tài)下,若艙口圍板上口低于水平面時(shí),會(huì)有海水進(jìn)入泥艙,因此為留有一定的儲(chǔ)備浮力,滿足穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求,海上開體泥駁的艙容計(jì)算采用第一種計(jì)算方法,內(nèi)河開體泥駁的艙容 計(jì)算采用第二種計(jì)算方法。本船采用第一種計(jì)算方法。

泥艙斜頂板的角度的選取,應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)船舶載運(yùn)泥沙的粘性和片體開體角度。角度過小會(huì)導(dǎo)致拋泥困難,過大則會(huì)使泥艙容積減小,一般取大于30°。本船泥艙斜板角度為35°。中橫剖面見圖3。

圖3 開體泥駁中橫剖面

艙口圍板的高度設(shè)定過低則會(huì)導(dǎo)致船舶進(jìn)水點(diǎn)過低,降低穩(wěn)性。考慮到施工人員會(huì)在艙口圍板附近進(jìn)行沖泥作業(yè),因此艙口圍板的高度一般應(yīng)不小于海船舷墻的高度,不宜大于1.5 m。

2.3 油缸艙的設(shè)計(jì)

一般情況下,開體泥駁泥艙的前后兩端各設(shè)有1個(gè)油缸艙,用于安放開體油缸,作為開體泥駁作業(yè)動(dòng)力的主要來源。油缸艙的長度要便于油缸的安裝和后期的檢修保養(yǎng),這是保證開體泥駁“拋得出”的關(guān)鍵所在。小型開體泥駁的每個(gè)油缸艙內(nèi)只有1只油缸。根據(jù)油缸直徑的大小,油缸艙長度一般取2～3道肋距。大、中型開體泥駁需要選配更大直徑的油缸,相應(yīng)油缸的工作壓力也隨之增加。目前,國產(chǎn)油缸柱塞泵的最大工作壓力為31.5 MPa。若設(shè)計(jì)油缸工作壓力大于上述指標(biāo),則應(yīng)在每個(gè)油缸艙內(nèi)設(shè)置2只油缸。此時(shí),油缸艙長度應(yīng)大于2個(gè)油缸耳環(huán)銷子長度之和的1.5倍加上1倍的油缸直徑。但這種設(shè)計(jì)方法往往會(huì)使油缸艙的長度過長。

以本船后油缸艙為例,該艙位于泥艙和機(jī)艙之間,艙內(nèi)設(shè)置2個(gè)外觀直徑630 mm的油缸,單根銷子長度為620 mm。采用油缸偏向后側(cè)的布置方法,保證靠近泥艙一側(cè)的油缸支柱距離油缸艙前壁之間的距離大于620 mm,并在機(jī)艙前壁正對(duì)油缸耳環(huán)銷子的位置設(shè)置水密人孔蓋,以滿足另一支銷子的拆裝距離,見圖4。

圖4 油缸艙設(shè)計(jì)

由于油缸兩端的耳環(huán)厚度不同,也有將2支油缸其中1支調(diào)頭安裝的做法。但此種做法會(huì)導(dǎo)致液壓油管布管困難,故本船未采用。

油缸艙內(nèi)左右兩側(cè)油缸支柱眼板之間的距離,理論上要等于油缸縮短后的最小長度,但油缸艙為開敞艙室,會(huì)有海水進(jìn)入。考慮海水進(jìn)入后泥沙雜質(zhì)對(duì)油缸功效的影響,左右兩側(cè)油缸支柱眼板之間的距離,應(yīng)略大于油缸縮短后的最小長度,以100～200 mm為宜。

2.4 機(jī)艙的設(shè)計(jì)

開體泥駁的2個(gè)片體艉部各有1個(gè)機(jī)艙,屬于艉機(jī)型船舶。機(jī)艙內(nèi)的主要設(shè)備包括主機(jī)、變速箱、發(fā)電機(jī)、配電板、變壓器、液壓缸油泵等,應(yīng)盡量對(duì)稱布置。

液壓缸油泵的驅(qū)動(dòng)有電動(dòng)和電動(dòng)+軸帶2種方式。后者可使開體操作簡便,但需要增加1臺(tái)齒輪箱和若干泵閥,機(jī)艙長度也略有增加。考慮到作業(yè)時(shí)發(fā)電機(jī)組一般不停機(jī),本船采用加大發(fā)電機(jī)組功率的做法,不配軸帶裝置。

3 上層建筑設(shè)計(jì)

開體泥駁的上層建筑主要包括抬高上建和艉甲板室兩部分。

開體泥駁的抬高上建通過甲板室鉸鏈與艉升高甲板連接。開體時(shí),抬高上建大體保持水平狀態(tài),見圖5。抬高上建不宜設(shè)計(jì)得過重、過高,在船舶縱向上應(yīng)與后甲板鉸鏈留有一定的距離,方便后期對(duì)甲板鉸鏈的保養(yǎng)維修,見圖6。抬高上建面向泥艙的一側(cè)還應(yīng)設(shè)置擦窗平臺(tái)。

圖5 甲板室鉸鏈運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 抬高上建設(shè)計(jì)

開體泥駁的艉甲板室一般對(duì)稱布置在2個(gè)片體上,直接與艉部甲板焊接。該甲板室主要包含下機(jī)艙的梯道口、CO2室、煙囪等,還應(yīng)盡可能布置1間更衣室和洗衣房,方便施工人員的盥洗清潔。左右艉甲板室的間距要確保能避免開體時(shí)相互觸碰,見圖7。同理,舷墻、艙口圍板等在船體中線處的設(shè)計(jì)也要考慮到這一點(diǎn)。

4 鉸鏈設(shè)計(jì)

4.1 甲板室鉸鏈設(shè)計(jì)

甲板室鉸鏈一側(cè)為上下鉸鏈支座直接鉸接(簡稱“鉸鏈側(cè)”),另一側(cè)為上下鉸鏈支座通過搖臂鉸接(簡稱“搖臂側(cè)”),見圖5。3個(gè)鉸接點(diǎn)和甲板鉸鏈(即開體轉(zhuǎn)動(dòng)軸心)組成4點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)。開體時(shí),兩側(cè)下鉸鏈支座隨片體繞甲板鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng),在上層建筑重力作用下,搖臂發(fā)生微小擺動(dòng)。同時(shí),在任意開體角度下,3個(gè)鉸接點(diǎn)構(gòu)成1個(gè)三角形。根據(jù)三角形的穩(wěn)定性,保證抬高上建平穩(wěn)地固定在某一位置。

圖7 艉甲板室設(shè)計(jì)

上層建筑的抬高高度與甲板室鉸鏈的大小有關(guān)。由圖5可知,上建的抬高高度略大于鉸鏈支座眼板的圓環(huán)直徑加上搖臂眼板的圓環(huán)直徑。因此,在甲板鉸鏈的強(qiáng)度計(jì)算中,應(yīng)控制好支座、搖臂的眼板圓環(huán)直徑,在保住強(qiáng)度的前提下不宜取值過大。

作為運(yùn)動(dòng)部件,甲板室鉸鏈還應(yīng)設(shè)計(jì)便于加油的潤滑裝置。鉸鏈支座和艉升高甲板、上層建筑最底層甲板的接觸部位,也應(yīng)做好相應(yīng)的加強(qiáng)。

4.2 甲板鉸鏈設(shè)計(jì)

甲板鉸鏈的設(shè)計(jì)依據(jù)為載荷,包括靜載荷和動(dòng)載荷兩部分[5]。各個(gè)船級(jí)社規(guī)范中都給出了靜載荷的計(jì)算公式。動(dòng)載荷的計(jì)算一般有3種方法：一是經(jīng)驗(yàn)公式法;二是在靜力的基礎(chǔ)上乘以一定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù);三是根據(jù)弗勞德數(shù)和斯圖羅哈數(shù)相同的原則,通過母型船動(dòng)載荷進(jìn)行換算。

常見的甲板鉸鏈結(jié)構(gòu)有“2+1”和“3+2”型。根據(jù)計(jì)算所得的總載荷,本船甲板鉸鏈采用“3+2”型設(shè)計(jì),見圖8。鉸鏈支座向下延伸進(jìn)艉升高甲板平面以下,左右與甲板強(qiáng)橫梁相連,保證開體力的傳遞。甲板鉸鏈支座板厚較厚,與其連接的甲板區(qū)域要做好加強(qiáng)工作。甲板鉸鏈中也應(yīng)包含潤滑系統(tǒng)。

5 結(jié)論

(1)在開體泥駁總體設(shè)計(jì)時(shí),要著重考慮開體運(yùn)動(dòng)對(duì)船體的影響,上建、舷墻、中縱處艙口圍板等處的設(shè)計(jì)要確保能避免開體時(shí)相互觸碰。

(2)油缸艙的長度和寬度,需根據(jù)油缸的數(shù)量和尺寸,兼顧油缸的布置和拆裝工藝綜合考量,油缸左右眼環(huán)之間距離應(yīng)略大于油缸原始長度。

圖8 甲板鉸鏈設(shè)計(jì)

(3)甲板室鉸鏈的實(shí)質(zhì)為4點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu),在滿足強(qiáng)度的前提下取值不宜太大。 (4)甲板鉸鏈設(shè)計(jì)載荷中動(dòng)載荷的計(jì)算有3種方法,可根據(jù)總載荷的大小,選擇合適的結(jié)構(gòu)形式。