基于耙吸挖泥船舷側(cè)吸口與滑塊安裝工藝改進(jìn)研究及應(yīng)用探討

魏今朝

（中港疏浚有限公司，上海 200136）

耙吸挖泥船在疏浚過(guò)程中要求船舶能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，從而高效的實(shí)現(xiàn)整個(gè)挖泥輸送過(guò)程。滑塊作為耙吸挖泥船輸送系統(tǒng)的組成部分，其與船體舷側(cè)吸口的配合狀態(tài)直接影響船舶的疏浚效率。

疏浚作業(yè)時(shí)滑塊磨損不可避免（如圖1所示），滑塊作為船體吸口與耙臂管連接的紐帶，其磨損情況直接影響挖泥船的疏浚效率：一方面，滑塊上、下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滑塊與船體的摩擦形成了滑塊吸口耐磨環(huán)和船體吸口扣環(huán)的不均勻磨損，使得滑塊與舷側(cè)吸口之間形成了間隙，從而使周邊液體通過(guò)間隙進(jìn)入輸送管路中，進(jìn)而改變了船舶施工參數(shù)；另一方面，由于耐磨環(huán)與吸口扣環(huán)之間、調(diào)節(jié)斜楔與船體鋼制斜楔之間、以及耐磨塊與導(dǎo)軌之間發(fā)生磨損，滑塊有向下、向船艉運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而使滑塊中心與船體吸口中心形成一定的錯(cuò)位，滑塊錯(cuò)位形成的間隙對(duì)船舶疏浚性能亦有著一定的影響，且滑塊與高壓沖水泵出口管路之間的是通過(guò)滑塊上的膠腕進(jìn)行密封，當(dāng)錯(cuò)位至一定距離，將引起密封失效、高壓沖水漏水，從而直接影響高壓沖水泵的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而降低沖耙頭和破土效果。

圖1 滑塊磨損情況

固液兩相流數(shù)值模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于疏浚行業(yè)，鑒于滑塊磨損后的挖泥輸送管阻及高壓沖水泵管路管組無(wú)可供借鑒的理論計(jì)算方法，本文通過(guò)數(shù)值模擬手段分析滑塊磨損后形成間隙和錯(cuò)位時(shí)施工參數(shù)的變化情況，從而得到滑塊安裝關(guān)鍵控制點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有滑塊磨損現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)滑塊維修方案，對(duì)維修后的滑塊在耙吸船上進(jìn)行實(shí)船安裝應(yīng)用，以滿足疏浚工程的使用需求。

1 數(shù)值分析

1.1 計(jì)算模型

耙吸挖泥船挖掘輸送系統(tǒng)由耙頭、耙臂管、滑塊、吸泥管、泥泵、排泥管等部件組成，如圖2所示。

圖2 挖掘輸送系統(tǒng)示意圖

滑塊與船體舷側(cè)吸口配合狀態(tài)有間隙和錯(cuò)位2種，若對(duì)整體輸送系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算比較復(fù)雜，耗時(shí)較多，同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的配置如運(yùn)行內(nèi)存、CPU性能等需求較大，因此，為了提高計(jì)算效率，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅對(duì)滑塊與船體之間的配合位置處進(jìn)行分析，同時(shí)在配合位置前后增加5倍管徑的延長(zhǎng)段以提高計(jì)算的穩(wěn)定性，存在間隙和錯(cuò)位時(shí)簡(jiǎn)化的計(jì)算模型分別如圖3(a)和圖3(b)所示，高壓沖水發(fā)生漏水時(shí)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖3(c)所示。需要說(shuō)明的是，模型簡(jiǎn)化后，需將挖掘輸送系統(tǒng)中的泵、管路、挖深、排高、土質(zhì)、高壓沖水泵等參數(shù)以擬合公式的方式輸入到相應(yīng)邊界條件中。

圖3 計(jì)算模型

1.2 數(shù)值結(jié)果

圖4為常用工況不同間隙下泥泵產(chǎn)量相對(duì)差、吸口真空相對(duì)差的變化情況，如間隙2mm時(shí)的產(chǎn)量相對(duì)差=1-間隙2mm的產(chǎn)量/無(wú)間隙時(shí)的產(chǎn)量，間隙2mm時(shí)的吸口真空相對(duì)差=1-間隙2mm時(shí)的吸口真空/無(wú)間隙時(shí)的吸口真空。隨著間隙增大，產(chǎn)量相對(duì)差和吸口相對(duì)差越大；間隙4mm時(shí)產(chǎn)量和吸口真空絕對(duì)值分別降低了4.5%和1.7%。

圖4 產(chǎn)量與真空相對(duì)差隨間隙變化情況

圖5為常用工況不同錯(cuò)位下泥泵產(chǎn)量相對(duì)差、真空相對(duì)差的變化情況，可以看出，隨著錯(cuò)位的增大，泥泵吸口真空相對(duì)差和產(chǎn)量相對(duì)差逐漸增大，其中錯(cuò)位30mm時(shí)，吸口真空平均增加了0.4%，產(chǎn)量平均降低了0.1%，總體而言，錯(cuò)位對(duì)吸口真空和產(chǎn)量的影響較小。

圖5 產(chǎn)量與真空相對(duì)差隨錯(cuò)位變化情況

圖6為泄漏面積增大時(shí)沖水管和耙頭進(jìn)口的壓力變化情況，從圖中可以看出，隨著泄漏面積增大，耙頭進(jìn)口的壓力和流量逐漸減小；在膠腕保持理想的膨脹密封狀態(tài)且錯(cuò)位距離10mm（等效直徑68mm）時(shí)，相對(duì)于無(wú)泄漏狀態(tài)時(shí)，耙頭進(jìn)口的壓力和流量分別降低了3.2%和1.1%；當(dāng)膠腕密封失效且錯(cuò)位距離為10mm（等效直徑144mm），耙頭進(jìn)口的壓力和流量分別降低了19.3%和11.6%；當(dāng)錯(cuò)位達(dá)到40mm且密封失效時(shí)（等效直徑200mm），耙頭進(jìn)口的壓力和流量分別降低了39.7%和20.9%。

圖6 耙頭進(jìn)口壓力隨等效直徑的變化情況

2 滑塊安裝工藝改進(jìn)

滑塊的原安裝工藝要求包括滑塊與船體吸口貼合良好、滑塊沖水孔與船體吸口密封良好即可，并未考慮在使用過(guò)程中因滑塊發(fā)生磨損后導(dǎo)致的一系列影響，因此本文在原安裝工藝要求基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果，提出幾點(diǎn)新的安裝工藝要求?；瑝K與船體的安裝結(jié)構(gòu)如圖7、圖8所示。

圖7 滑塊吸口與船體舷側(cè)吸口安裝結(jié)構(gòu)

圖8 滑塊高壓沖水孔與船體舷側(cè)高壓沖水口安裝結(jié)構(gòu)

（1）滑塊吸口中心相對(duì)舷側(cè)吸口中朝船艏方向偏移10mm：由于耙頭持續(xù)受拖拽力的影響，施工挖泥時(shí)滑塊會(huì)朝船艉方向偏移直至與導(dǎo)軌接觸，偏移的距離約5mm，滑塊耐磨塊磨損后，偏移距離會(huì)逐漸增加，而當(dāng)安裝時(shí)滑塊吸口中心相對(duì)舷側(cè)吸口中朝船艏方向偏移10mm，使得施工時(shí)仍然留有5mm的偏移裕量，從而隨著磨損增加，滑塊與船體吸口中心的重合度會(huì)逐步提高。

（2）滑塊與船體吸口貼合面比例應(yīng)不小于40%：從間隙對(duì)裝艙產(chǎn)量的模擬結(jié)果來(lái)看，間隙小于2mm時(shí)的產(chǎn)量降低不到2%，但考慮海水的腐蝕作用，間隙的存在會(huì)加劇磨損，因此滑塊吸口與船體貼合越緊密越好。

（3）滑塊的高壓沖水密封膠腕上端距船體高壓沖水孔上端不小于30mm：數(shù)值模擬結(jié)果顯示錯(cuò)位對(duì)高壓沖水性能的影響巨大，一旦膠腕失效和發(fā)生錯(cuò)位，高壓沖水的沖耙頭效果將大打折扣，而考慮到隨著滑塊吸口與船體吸口磨損后，滑塊會(huì)朝著船中、船下方向移動(dòng)，其中向下偏移的量與磨損量的比值約為3（楔形塊長(zhǎng)寬比），因此滑塊高壓沖水孔中心留有約30mm的錯(cuò)位距離，由于調(diào)節(jié)斜楔與船體鋼制斜楔磨損過(guò)度，滑塊吸口中心相對(duì)于船體中心下移10mm，高壓沖水孔仍能保證正常工作。

（4）高壓沖水密封膠腕距船體高壓沖水孔端面距離5～10mm：距離過(guò)大將超過(guò)膠腕的膨脹量，引起密封失效，距離過(guò)小時(shí)，滑塊上下滑動(dòng)過(guò)程中膠腕會(huì)直接與船體面接觸而損壞。

（5）滑塊調(diào)節(jié)斜楔與船體鋼制斜楔配合面應(yīng)均勻貼合，且接觸比不低于50%：為確保受力接觸面積，接觸面積越大，滑塊和船體力的傳遞越均勻，因此針對(duì)滑塊調(diào)節(jié)斜楔的定位，需分兩次吊裝測(cè)量，第一次吊裝滑塊，通過(guò)測(cè)量垂向不重合偏差值調(diào)整斜楔的高度，吊出滑塊并將楔形底腳點(diǎn)焊固定；第二次吊裝滑塊，在船體鋼制斜楔接觸面涂抹藍(lán)油，吊出滑塊并檢查接觸面的藍(lán)油面積，如果藍(lán)油面均勻，則滿足要求（圖9所示），如果藍(lán)油面為幾個(gè)點(diǎn)接觸，則需要打磨高點(diǎn)，以保證配合面的安裝要求。

3 滑塊維修方案及實(shí)船應(yīng)用

通過(guò)對(duì)某耙吸船滑塊磨損后的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，除了上部耐磨塊、下部耐磨塊、吸口耐磨環(huán)、膠腕、三角板、調(diào)節(jié)斜楔等滑塊易損件磨損嚴(yán)重外，滑塊本體、船體導(dǎo)軌、船體鋼制斜楔以及吸口扣環(huán)等部件的磨損和腐蝕也較為嚴(yán)重，而考慮到后續(xù)施工安排，暫時(shí)不對(duì)導(dǎo)軌和滑塊本體進(jìn)行修復(fù)，其中吸口扣環(huán)、調(diào)節(jié)斜楔、膠腕、船體鋼制斜楔等有現(xiàn)成的備件可以直接替換使用，因此僅需確定滑塊上、下部耐磨塊及吸口耐磨環(huán)等易損件的維修更換方案，但由于現(xiàn)場(chǎng)這些易損件已經(jīng)磨損較為嚴(yán)重，且沒(méi)有施工圖紙作參考，因此，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)以及部分原設(shè)計(jì)紙質(zhì)版圖紙重新設(shè)計(jì)滑塊上、下部耐磨塊及耐磨環(huán)，更換新設(shè)計(jì)易損件后的滑塊如圖10所示。

圖10 滑塊新設(shè)計(jì)易損件情況

更換新設(shè)計(jì)易損件的滑塊實(shí)船安裝，滑塊吸口與船體吸口配合良好，滑塊高壓沖水孔另加設(shè)環(huán)形墊圈使得密封膠腕與船體高壓沖水孔端面距離保持在5～10mm，調(diào)節(jié)斜楔拂配良好，基本滿足滑塊安裝工藝要求。此外，通過(guò)下放耙臂進(jìn)行高壓沖水密封試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：用高壓沖水泵打雙耙試驗(yàn)時(shí)，吸口處高壓沖水對(duì)接面觀察基本無(wú)泄漏，密封較好，試驗(yàn)結(jié)果能夠滿足船舶疏浚工程的施工需求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)滑塊磨損后的挖掘輸送系統(tǒng)數(shù)值分析可知，間隙對(duì)疏浚產(chǎn)量影響較大，錯(cuò)位本身對(duì)疏浚產(chǎn)量影響較小，但因錯(cuò)位導(dǎo)致的高壓沖水漏水間接影響了船舶的疏浚性能。

（2）滑塊拂配是耙臂系統(tǒng)安裝過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要目的是確定滑塊楔形底腳的位置，保證滑塊耐磨環(huán)與船體吸口扣環(huán)貼合。拂配的主要控制點(diǎn)為滑塊中心與吸口中心的高度偏差及船長(zhǎng)方向偏差；測(cè)量滑塊后側(cè)三角板與船體導(dǎo)軌下部定位楔塊間隙，保證滑塊下耐磨塊不能摩擦船體船艉方向?qū)к夁吘墸簧舷履湍K磨損量超限更換；船體扣環(huán)與滑塊吸口耐磨環(huán)貼合度；高壓沖水出口船體扣環(huán)端面與高壓沖水膠腕唇口理論間隙。

（3）根據(jù)改進(jìn)的滑塊安裝工藝要求，結(jié)合滑塊的磨損現(xiàn)狀，提出了滑塊維修方案，維修安裝后的實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠滿足后續(xù)工程的疏浚需求。

考慮到船體導(dǎo)軌損壞仍然嚴(yán)重，這會(huì)使得滑塊在上、下滑動(dòng)過(guò)程中發(fā)生傾斜，加速易損件和導(dǎo)軌的磨損，因此建議在以后的滑塊維修保養(yǎng)中，對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行修復(fù)或更換，以達(dá)到減緩滑塊磨損、提高疏浚效率的目的。