某23.8 m反鏟式挖泥船設(shè)計(jì)

李忠業(yè)

摘? ? 要：本文介紹某23.8m反鏟斗式挖泥船的設(shè)計(jì)背景、主要性能參數(shù)、以及主要設(shè)備的功能及配置，為此類船型的設(shè)計(jì)建造提供參考。

關(guān)鍵詞：挖泥船；設(shè)計(jì)；定位樁；反鏟挖掘機(jī)

中圖分類號：U674.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Discussion on Design of 23.8 m Backhoe Dredger

LI Zhongye

（ NanNing Haihe Ship Technology Service Co.， Ltd.，? Nanning 530000 ）

Abstract： This paper introduces the design background， the main performance parameters and the classification， as well as the main equipment system function and composition of 23.8m backhoe dredger. It can provide references for the design and construction of the similar backhoe dredgers in inland river .

Key words： dredger; design; spud; backhoe excavator

1? ? ?前言

航道是航運(yùn)交通基礎(chǔ)設(shè)施，為了保證航道的安全運(yùn)行，需要對航道定期進(jìn)行清淤疏通，確保航道的通暢。近幾年來，隨著我國港口的不斷開發(fā)，航運(yùn)管理水平的不斷提升，航道的疏通、清淤工程進(jìn)入了高速增長期。

挖泥船是建設(shè)、維護(hù)航道的主要機(jī)械設(shè)備，在開挖運(yùn)河、保護(hù)航道安全、確保航道通暢中具有非常重要的作用。

2? ? ?挖泥船的選型

2.1? ?挖泥船型式

挖泥船是一種用來清理淤泥、挖掘泥沙以及碎石等水下障礙的工程船，常用于港口、航道、河道等的疏浚、開挖運(yùn)河以及清除水下障礙等。挖泥船根據(jù)航行方式不同，可分為自航式挖泥船和非自航式挖泥船；按施工特性，可分為絞吸式、耙吸式、鏈斗式和鏟斗式挖泥船等。本船計(jì)劃用于航道疏浚、清淤以及開挖運(yùn)河等，要求能適應(yīng)不同泥質(zhì)的土層，且挖掘力大、破土力強(qiáng)。經(jīng)綜合考慮，本船設(shè)計(jì)為非自航反鏟斗式挖泥船。

2.2? ?挖泥船運(yùn)輸方式

本船計(jì)劃作業(yè)的水域航道彎曲多、水深較淺，吃水受限；由于航道疏浚工作需要周期性的來回調(diào)遣，如采用船只拖帶的水路運(yùn)輸方式，由于過閘，汛期等方面的原因影響，調(diào)遣時(shí)間相對較長，費(fèi)用較高；而采用陸路運(yùn)輸?shù)姆绞剑瑒t較為靈活、成本較低、運(yùn)輸時(shí)間也較有保障。但根據(jù)道路運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)條例，運(yùn)輸高度、寬度、長度等都受到限制。經(jīng)綜合分析，本船調(diào)遣作業(yè)選擇道路運(yùn)輸?shù)姆绞?。為了滿足陸路運(yùn)輸?shù)囊?，將本船設(shè)計(jì)為由2個(gè)邊浮箱、1個(gè)主浮箱、3個(gè)片體連接而成的組合式結(jié)構(gòu)，片體之間采用螺栓連接。

2.3? ?挖泥船定位方式

挖泥船的主流定位方式有兩種：一種是采用錨纜定位；另一種是采用鋼樁定位。其中錨纜定位方式精度較低、易產(chǎn)生漂移、占用水域大，對航道影響大；而鋼樁定位方式精度較高、占用水域小，對航道影響小。

表1為錨纜定位和鋼樁定位方式比較。

由表1可知，鋼樁定位方式可靠性好、占用水域面積小、對航道影響小，具有一定的優(yōu)越性，因此本船選用鋼樁定位方式。

3? ? 船舶概況

本船為鋼質(zhì)非自航反鏟式挖泥船，屬III類工程船，作業(yè)及調(diào)遣于內(nèi)河A級航區(qū)；作業(yè)方式為利用鏟斗挖起河道中的泥沙及石頭，直接放置到其他船舶的泥艙，當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)入船舶作業(yè)區(qū)域應(yīng)加壓載水。

本船按中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）、第1次變更通告（2016）及其修改通報(bào)（2019，2021）、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》（2019）、《內(nèi)河避碰規(guī)則》（2003）、GB/T3221-2020《內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力內(nèi)河船舶系泊和航行試驗(yàn)大綱》等規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造。

3.1? ?主要參數(shù)

總長 ? ? ? ? ? ? 24.0 m

垂線間長 ? ? ? ? ? ? 23.8 m

型寬 ? ? ? ? ? ? 11.40 m

型深 ? ? ? ? ? ? ?2.20 m

設(shè)計(jì)吃水 ? ? ? ? ? ? ?1.33 m

浮箱尺寸 長23.8 m x寬3.8 m x型深2.2 m

3.2? ?總體布置

為了便于調(diào)遣和節(jié)約成本，本船在長距離調(diào)遣時(shí)采用陸路運(yùn)輸，因此將本船設(shè)計(jì)為3個(gè)片體（2個(gè)邊浮箱+1個(gè)主浮箱）連接而成的組合式結(jié)構(gòu)，片體之間采用螺栓連接。

本船為單底、單殼、單甲板、橫骨架式、交替肋骨結(jié)構(gòu);主甲板下邊浮箱共設(shè)6道水密橫艙壁，主浮箱設(shè)5道水密橫艙壁，最大船艙長為4.5 m；主甲板艉部設(shè)值班室、發(fā)電機(jī)室、蓄電池間和浴廁；艏部左舷設(shè)有手動(dòng)鋼索絞車和艏錨各一個(gè)；中間為挖掘機(jī)安放區(qū)域；頂棚甲板設(shè)水箱、桅桿和信號燈等。

總布置圖，如圖1、圖2所示。

4? ? ?浮箱連接裝置的強(qiáng)度計(jì)算

本船主體結(jié)構(gòu)是由中部主浮箱和左右舷側(cè)對稱分布的兩個(gè)邊浮箱連接而成，在船體甲板和船底附近使用兩組連接裝置將兩個(gè)邊浮箱與主浮箱連接起來，每組連接裝置由16顆螺栓組成，螺栓直徑56 mm，如圖3所示。螺栓的法蘭座板，由厚度為24 mm的鋼板加工而成。

本船載荷狀態(tài)，主要有航行狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)兩種工況。

根據(jù)規(guī)范要求，需要對各工況下組合式浮箱連接裝置的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核，其計(jì)算應(yīng)力應(yīng)不大于：

許用正應(yīng)力? ?[σ]=90/K = 90 N / mm2

許用剪切應(yīng)力 [τ]=50/K= 50 N / mm2

許用合成應(yīng)力 [σc]=110/K = 110 N / mm2

式中： K ——材料換算系數(shù)，本船取1。

根據(jù)規(guī)范要求逐一計(jì)算航行狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)下100%油水和10%油水工況下的水平拉應(yīng)力σ、剪切應(yīng)力τ以及合成應(yīng)力σc。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，作業(yè)狀態(tài)10%油水工況下浮箱連接裝置所受到的水平拉應(yīng)力σ、剪切應(yīng)力τ以及合成應(yīng)力σc均為最大，且均小于規(guī)范要求，因此本船船體浮箱連接裝置的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5? ? 主要系統(tǒng)及其配置

5.1? ?電力系統(tǒng)

目前船舶電力系統(tǒng)主要采用中性點(diǎn)接地的三線四線制和對地絕緣的三相三線制交流電。其中：（1）三相三線制電源在單相發(fā)生接地故障時(shí)仍能繼續(xù)工作，供電連續(xù)性較好；缺點(diǎn)是照明、空調(diào)、航行無線電設(shè)備等單相220 V電源需要通過變壓器獲得，成本較高；（2）中性點(diǎn)接地的三線四線制系統(tǒng)，則可以通過相線和中性線獲得單相220 V電源，與三相三線制相比，節(jié)省了變壓器，從而節(jié)省了成本；缺點(diǎn)是一旦發(fā)生單相接地故障即構(gòu)成短路，必須馬上切斷，供電連續(xù)性較差。

本船為非自航式工程船，對供電連續(xù)性要求相對較低，且電氣設(shè)備配置相對簡單，單相220 V電源主要負(fù)載為照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及航行無線電設(shè)備等。經(jīng)綜合考慮，本船電力系統(tǒng)主電源采用中性點(diǎn)接地的三線四線制電源，發(fā)電機(jī)采用電啟動(dòng)方式。

5.2? ?定位樁系統(tǒng)

挖泥船在作業(yè)時(shí)需要使用定位樁進(jìn)行定位，定位樁是絞吸式、鏟斗式等挖泥船實(shí)現(xiàn)船體定位的方形鋼樁，通常由鋼板焊接而成，也有采用鋼板卷制成柱形的；樁尖通常設(shè)計(jì)成尖端，整體形狀酷似鉛筆，這有利于定位樁通過尖端插入泥土；定位樁的長度依最大挖深確定，大小依船體排水量而定。

5.2.1 定位樁升降方式

挖泥船定位樁的升降方式較多，目前應(yīng)用較為廣泛的升降方式有三種：機(jī)械齒輪升降方式；液壓環(huán)梁升降方式；液壓絞車升降方式。

（1）機(jī)械齒輪升降方式

優(yōu)點(diǎn)是倒樁容易、起升速度快、安全性能好、操作簡單，適用于需要經(jīng)常升降的船舶；缺點(diǎn)是工藝要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資成本高；

（2）液壓環(huán)梁升降方式

優(yōu)點(diǎn)是起升能力好、工作穩(wěn)定性好、具有多種安全防護(hù)措施、安全可靠、使用簡單、噪音低，多用于風(fēng)電安裝及海洋平臺；缺點(diǎn)是倒樁困難，起升速度慢；

（3）液壓絞車升降方式

優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、運(yùn)行平穩(wěn)連續(xù)、成本低；缺點(diǎn)是升降速度較慢、倒樁困難、鋼絲繩、滑輪等部件容易磨損。

表2為三種定位樁升降方式比較。

由表2可知，液壓絞車升降方式結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、造價(jià)低，具有一定的優(yōu)勢，雖然在起升速度和倒樁方面存在不足，但由于本船對升降速度要求不高，同時(shí)考慮到本船長途調(diào)遣少、倒樁次數(shù)少，因此經(jīng)綜合考慮本船定位樁起升使用液壓絞車升降方式。

5.2.2? 定位樁系統(tǒng)

本船設(shè)有3座鋼質(zhì)定位樁，呈三角分布在船舶四周，樁長15 m，方形結(jié)長寬800 mm x 800 mm，重約8 t/根，底部設(shè)計(jì)為尖端，便于定位樁插入泥中，頂部設(shè)限位裝置，以防起升過高而傾倒；主甲板布置3臺5噸液壓絞車，其布置如圖4所示。

定位樁系統(tǒng)主要由定位樁、液壓絞車、滑輪組、驅(qū)動(dòng)裝置等組成。定位樁下降，通常是利用自身重量插入泥土中；定位樁起升，則通過挖掘機(jī)內(nèi)部液壓系統(tǒng)帶動(dòng)液壓絞車，通過設(shè)置在定位樁支架上的滑輪拉起定位樁。

6? ? 液壓挖掘機(jī)

本船配置一臺日立ZAXIS870H挖掘機(jī)，其液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)配合完美，具有挖掘力強(qiáng)、作業(yè)半徑大、操作靈活、回轉(zhuǎn)速度快、油耗低、工作效率高等特點(diǎn)，且作業(yè)時(shí)幾乎無需船體移動(dòng)，大大節(jié)省了調(diào)遣費(fèi)用。

挖掘機(jī)主要性能參數(shù)，見表3所示。

挖掘機(jī)系統(tǒng)主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、監(jiān)控系統(tǒng)、上部回轉(zhuǎn)平臺、下部行走機(jī)構(gòu)及其部件、液壓系統(tǒng)、動(dòng)臂、斗桿、4.5 m3鏟斗等。其中，鏟斗可以更換為破碎錘與液壓剪等附件，完成多種作業(yè)。

7? ? 總結(jié)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，港口、河道等的疏浚、清淤施工工程量逐年增長，對挖泥船的需求也大幅增加。2022年8月，世紀(jì)工程平陸運(yùn)河的開發(fā)建設(shè)，更給挖泥船的發(fā)展帶來了機(jī)遇，相信隨著23.8 m反鏟式挖泥船的交付使用，必將為航運(yùn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。

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