自航鋼耙抓斗挖泥船的開發與設計

2013-06-12 06:54:28華小云陳建軍

船海工程 2013年3期

華小云，陳建軍

(長江航道局，武漢430010)

九龍坡至朝天門河段屬三峽變動回水區上段，位于重慶主城區，航運繁忙，通航密度大，且兩岸碼頭和躉船眾多，江底錨鏈密布，疏浚工況條件較差。由于三峽175 m蓄水后累積性淤積造成疏浚點和疏浚量增大，常用的鋼耙船不能滿足航道維護的需要，亟須開發、建造適合本河段特點的新型維護疏浚船舶［1-3］。

1 新型鋼耙船的開發

新開發船為鋼質、艏部為勺形、艉部為常規圓舭船型，單底、單甲板全焊接結構，主船體為混合骨架式、三層甲板室，艏部設置鋼耙，艉部設置液壓抓斗挖掘機，采用鋼樁定位，設雙機雙導管槳電力推進系統，配雙襟翼舵的自航挖泥船。總體布置見圖1。

圖1 鋼耙抓斗挖泥船總布置圖

1)該船具有抓斗挖掘和鋼耙挖掘兩種作業功能，能滿足處于三峽庫尾的重慶主城區航道復雜工況的疏浚施工要求。

2)抓斗挖掘機工作時，采用臺車鋼樁系統，并設環梁提升裝置，能較好地適應重慶主城區長江航道過江錨鏈多、河床以板結沙卵石為主的特點。

3)采用電力推進，通過自航變頻電機驅動導管槳，滿足本船疏浚及航行等多種工況的要求，減少裝機功率。

4)鋼耙布置于船艏，液壓抓斗挖掘機布置于船艉，較好地滿足疏浚作業的要求。

5)該船進入疏浚區域前，采用錨鏈探測裝置對該區域的錨鏈進行探測，并將錨鏈位置信息傳輸到本船上的控制系統，確保本船挖掘作業時能夠有效地避開錨鏈，避免抓斗作業對錨鏈的損傷。

2 新技術的開發

考慮到該船施工區域的特殊性，在開發過程中應用了如下一系列先進技術。

2.1 推進裝置電力驅動的開發

推進裝置采用電力變頻驅動，其優點在于:很好地解決了推進軸系過長問題，減少了整個船舶的振動，使機艙布置更合理，很容易通過對推進電機調速而實現對螺旋槳調速，減小了機械損耗，使船舶效率更高。

1)布置合理。由于該船艉部開有定位樁臺車槽，機艙只能在中部，全電力驅動可以將柴油發電機組置于機艙，進而可以對用電設備根據總布置的要求合理安排位置。

2)能避免軸系過長帶來的布置困難，安裝復雜及扭振等問題。

3)電力驅動能避免由于船艉中部設置抓斗機，船艉線形收縮較快等問題。

該船主推進系統采用2臺710 kW異步電動機驅動2個主推進器;每臺異步電動機由一個獨立的變頻器供電;每個變頻器由1臺24脈沖三繞組移相變壓器連接到400 V電網。

2.2 定位樁的開發

定位樁系統是自航鋼耙抓斗挖泥船的重要挖泥設備，由臺車、液壓環梁升降裝置和定位樁組成，主要解決下得去、定得住、拔得出3個問題。自航鋼耙抓斗挖泥船設置4套定位樁系統。目前工程船舶上使用的臺車定位樁系統形式多樣化，驅動型式也多種多樣，主要根據船舶的類型和施工區域的土質不同而定。

該船的升降定位樁采用帶液壓插銷的液壓環梁升降裝置。由4根樁腿、液壓環梁升降裝置組成。4根樁腿布置在船舶主體上，船舶靠4根樁腿站立在河床上，樁腿和船舶主體間用液壓環梁升降裝置聯結。

本船作業時樁腿站立在河床上，液壓環梁升降裝置將船體升高，借船舶的重量改變船舶的干舷，直到鋼樁的入土深度可以穩住船舶為止(鋼樁入河床最大深度為3 m)，此時船舶漂浮在水上，通過液壓插銷將船舶和鋼樁固定連接，抓斗機開始挖泥作業，利用臺車可使船舶沿船長方向移動，直到完成一個航道疏浚設計挖寬的縱向距離。作業完畢后樁腿收起到船舶基線以上，使用推進裝置船舶移位，進入下一個設計的挖泥工位。升降裝置包括有上下2道環梁，下部為固定環梁，安裝于臺車承載結構上;上部為移動環梁，通過6只升降油缸與下環梁相連。每道環梁裝有3個液壓插銷，插銷伸出時，可插入鋼樁上的銷孔，使環梁固定在鋼樁上的某一高度。當上環梁的液壓插銷插入鋼樁，而下環梁的液壓插銷未插入鋼樁銷孔，通過液壓油缸的伸縮，可推舉下環梁(與臺車聯為一體)向上或向下運動，使船體相對于定位鋼樁的位置發生變化。因液壓油缸行程的限制，上述升降動作的行程每次為500 mm。當下環梁銷子插入鋼樁，因下環梁與臺車聯為一體，此時如果上環梁的液壓插銷從鋼樁拔離，油缸的伸縮可以抬高或降低上環梁的位置，到適合的高度再與樁腿固定。通過上述的步驟，可進行壓樁或拔樁操作。

因此本船定位樁系統具有如下特點。

1)抓斗作業時采用鋼樁定位方式。相對于錨纜定位系統有以下優點:船舶施工占航道的面積小、設備少、設備在船上布置面積小、進入施工狀態快、定位可靠性高、定位準確性高、操作簡單、船舶移位快捷。

2)液壓臺車具有完善的功能:提升、下放和鎖緊定位樁，推動挖泥船的船體沿船舶縱向移動。

3)采用環梁提升裝置，具有強勁的能力，能在施工區域河床要求的深度(地質條件)利用船舶排水量的變化將鋼樁壓入和拔出河床，避免了常規的定位樁裝置在重慶主城區下樁深度不夠的情況，從而保證船舶定位牢靠，能安全作業。

4)4條樁腿可以聯動，也可以獨立動作。對河床的平整度的要求不高，在河床平整度偏差太大時也能正常作業。

2.3 錨鏈磁力探測裝置的開發

錨鏈探測成像原理從理論上講，主要為聲、光、磁3個方面因素。利用聲學，水下錨鏈外形和河床淤積層中的卵石在圖像上區分有一定難度。由于該船作業時水質渾濁，且不可能隨時派潛水員下水探測，因此該船錨鏈探測系統利用磁力原理。

RS-YGB6A型海洋氦光泵磁探儀(磁力儀)是一種原子磁力儀，是一種高精度磁異常探測器，適合于航空及海洋地球物理勘探中高精度磁測量，也可用于水下小目標探測。該儀器具有數字化、模塊化、小型化和系統集成特點。用光泵技術制成的高靈敏度磁探儀，無零點漂移、不需嚴格定向，對周圍磁場梯度要求不高，并可連續測量。

作業前利用工作母船(或其他船舶)拖動該裝置(鋼制船舶安全距離約15 m)，對作業區域進行探測，獲得錨鏈位置基本信息。通過該裝置上的GPS信號，利用其自身的專用軟件，標繪出錨鏈具體位置。將錨鏈位置信息傳輸到本船上的控制系統，使該船作業時避開該區域。見圖2。

圖2 作業示意

2.4 硬臂抓斗挖掘機的開發

鋼耙抓斗挖泥船是單斗作業，可以配備各種不同類型的抓斗，以適應各種不同硬度的土質，所以鋼耙抓斗挖泥船的挖掘適應性較強，它可以挖掘水下N值小于15的淤泥、一般粘土、松散的沙質土，N值15～25的中等沙土，也可以挖掘水下N值25～40的硬粘土、夾石砂質土和砂礫，甚至可以挖掘水下N值大于40的風化碎巖。裝有液壓硬臂抓斗挖泥船還可以通過將抓斗更換為反鏟，以擴大施工的需要。

2.4.1 生產效率的確定

定位樁式液壓抓斗挖泥船的主要技術指標是斗容和生產率。斗容是指抓斗的除水容量，視船型大小配備不同的斗容，該船配備的斗容2 m3。生產率是衡量挖泥船生產能力的一項重要指標，主要與抓斗施工速度成正比，可用如下公式計算。