13 m漂浮物推拖船的開發設計

倪 杰

(蘇州飛馳環保科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215619)

0 引言

目前，國內應用水面漂浮物清理技術主要有機械吊漂打撈、船只撈漂、打撈船、清漂船。清漂船主要用于處理水面生活垃圾、工業垃圾和樹枝、秸稈等農作物漂浮垃圾[1]，其領域主要包括專業清漂船、推漂船、推拖船、清潔船、保潔船、割草船、收割船等。由此可見，現有清漂船衍生出的船型種類也越來越多，專業化程度也越來越高。

推拖船利用卷揚機拖曳拖網圍住漂浮物并將漂浮物拖至相應的清漂工作平臺。遼寧大伙房庫區在處理庫區漂浮物時，采用推拖船組合方案，共配備11對22艘推拖船進行集中清理。該船型為推漂船的典型應用案例，其推漂排寬度大、主機功率高，但僅適合在航道寬度無影響的庫區航行，對于受寬度限制的普通運河水域，幾乎難以發揮最佳推漂效果。因此，本文將依據現有推漂船適用水域特點，從船型水動力性能的優化、增加拼裝式浮桶的整體結構穩性、推拖裝置的組合液壓單元等方面開發研究13 m漂浮物推拖船。

1 船型及主要量度

1.1 船型

現有用于清污用途的船型主要有2種：單體船和雙體船。雙體船甲板面積大，總寬度相對較大，適合在船上進行收集，以及對船舶穩性要求較高的激流水域[2]，但是雙體船結構復雜，不利于制造加工。而本船船型為單底、平艉、斜尖艏，焊接型式為全焊接鋼質結構。相對于雙體船，本船結構簡單，便于制造加工。其總體布置示意圖見圖1。

圖1 總體布置示意圖

1.2 主要量度

總長16.30 m，船長13.00 m，型寬3.70 m，總寬3.80 m，型深1.40 m，設計吃水0.90 m，排水量24.69 t，航速14 km/h，續航力24 h，航區B級，全船肋距0.50 m，推漂寬度8 m。

受現有運河航道面寬的限制，為保證自由通航，且作業過程中不影響其他船舶，本船推漂排寬度只能趨于窄化設計，并考慮到方便推漂裝置拆卸，最終設定為8 m。

2 船體結構

船體結構依據中國船級社(CCS)《內河小型船舶建造規范》(2016)[3]中對B級航區的要求設計。船體結構為單甲板、單底、橫骨架式。主船體選用CCS-B級船用鋼板，型鋼、輔料采用Q235鋼。

本船在主甲板以下Fr6、Fr15、Fr24肋位處，分別設置 3 道水密橫艙壁，分隔出艉空艙、主機艙、輔機艙、艏尖艙4 個全封閉水密艙。

3 駕駛室設計

本船上層建筑設駕駛室甲板層。駕駛室采用整體式設計，其內部主要布置駕控臺、駕駛室椅、工具箱。整個駕控臺集成了推進系統控制裝置、操舵系統控制裝置、航行及無線電設備、照明設備、推票系統控制裝置、卷揚機系統控制裝置等。

本船駕駛室的設計在一定程度上參考了中國船級社一人駕駛(CCS-OMBO)的附加標志相關要求[4]，即可以實現由一人在橋樓進行操作船舶的功能。同時，從該船的駕駛室布置、視野、工作環境、照明、窗戶等多個方面進行了優化設計。

在船舶實際航行試驗時能從駕駛室內觀察到任何方向上所有航行所必須的物體，幾乎能在駕駛室內能得到船舶周圍360°的視野，其中后方向通過安裝在駕駛室頂部的攝像頭實現。而在駕駛室主操舵位置，從正前方至兩舷實測角度可以達到80°的角度，遠大于規范60°的最低要求。

4 甲板機械設計

本船駕駛機械主要由推漂裝置、拖網裝置兩部分組成。

4.1 推漂裝置

推漂裝置為本船的主要工作部件，由主推漂控制系統、兩側平衡浮箱、推漂支架、液壓缸升降裝置、液壓動力裝置等組成。當船舶在推漂作業過程中受到單側橫向力矩時，兩側的平衡浮箱能起到保持整船穩性的作用。平衡浮箱通過螺栓連接在推漂支架上，其與中間主船體形成一個虛擬的三體船，使得船舶在激流等特殊工況下作業，保證了船舶的穩定性，同時浮桶的制造成本低，安裝便利。推漂架共分為5片，采用圖2的即插件連接，拆卸安裝方便。

4.2 拖網裝置

拖網裝置為本船在拖網工況下使用的主要設備，由艏艉設備的2臺液壓馬達驅動卷揚機組成。使用組合脫網裝置時，首先需要將推票裝置提升出水面并將其拆卸，之后將垃圾拖網系固在卷揚機一端，并通過卷揚機控制裝置實現拖網的收放。拖網機構見圖3。

本船在駕駛室外前部和機艙棚后部所設液壓絞車參數為:額定拉力10 kN，卷筒底徑Φ219 mm，容繩量50 m，繩速≥13 m/min。

本船在液壓系統設計時，采用共用液壓單元設計。由于推漂工況下推漂排由液壓缸執行，而拖網工況下前后絞車由液壓馬達驅動，其液壓系統設計類似舵機液壓系統，由我廠自主研發的雙作用液壓組合系統。在液壓缸處設置球閥，便于高壓油管進行切換。在后期的實際建造過程中，分別在前后液壓馬達管路中增加液壓油管和手動控制球閥(見圖4)。其與前期同類型船所采用的常規電動卷揚機相比，減少了2套電氣控制箱，而反應在機艙主配電板上，減少了2路AC380 V空氣斷路器，使得主配電板尺寸得到精簡優化，更有利于機艙布置和設備后期維護。

圖2 推漂裝置示意圖

圖3 拖網機構示意圖

5 輪機設計

本船機艙為艉機型，推進形式為單機單槳、柴油機直接推進，并在輔機艙設1臺柴油發電機組。

5.1 主要設備參數

本船在滿足規范與法規的前提下，盡量考慮船舶的航區和實際作業區域，通過選擇可靠性好、效率高、經濟性高的單臺主機替代常規的雙主機相互備份的原則，使得在試航過程中，機艙的噪聲和振動有明顯降低。

配置情況如下：

主機1臺，缸數4，持續功率118 kW，額定轉速2 000 r/min，冷卻方式為閉式循環水冷卻。齒輪箱1臺，減速比4.05。發電機組1臺，持續功率24 kW，額定轉速1 500 r/min，冷卻方式為閉式循環水冷卻。

圖4 組合液壓系統圖

5.2 主要系統

(1)燃油系統

本船燃油柜位于輔機艙內，總容積為2 m3，由甲板注入頭注入。燃油柜設有自閉式放泄閥，用于放泄殘油，并設有燃油快速切斷裝置。

(2)滑油系統

主機為濕式油底殼。主機通過自帶的機油泵從油底殼將機油抽出，經機油濾清器、機油冷卻器至主機各潤滑部件，再流回油底殼。齒輪箱采用飛濺潤滑方式。

(3)冷卻水系統

主機海水泵由江水總管吸入江水，經粗濾器后，首先冷卻齒輪箱，繼而流經主機熱交換器后，再排至舷外[5]。主機冷卻用的淡水，由淡水泵經節溫器進行閉式水冷循環。隨著淡水溫度的升高，調節水溫的旁通閥打開，淡水循環水流經熱交換器。淡水被江水冷卻后，仍經淡水泵吸送至主機繼而循環冷卻。

5.3 驅動系統及舵機系統

本船采用螺旋槳驅動，控制上采用軟軸機械式機架合一裝置，駕駛人員可通過設置駕控臺上的控制面板來遙控主機和齒輪箱。

本船操縱采用液壓舵機系統，設置1臺液壓舵機。舵機油泵由主機艙的主機驅動，并通過驅動液壓缸及轉向臂來控制舵葉的角度。舵機的操縱通過駕駛室的操舵控制裝置完成。

6 電氣設計

6.1 主電源

(1)本船設有1臺柴油發電機，其參數為：額定電壓AC400 V，額定功率24 kW，額定頻率50 Hz。

(2)本船設有6-QW-195蓄電池2只，作為低壓設備的供電電源，同時兼作應急照明。當主電源失電后，蓄電池可以自動供電。充放電板設置在駕駛室內，蓄電池組設置在駕駛甲板外。

6.2 配電系統

本船在機艙設有小型主配電板1座，配電板配有額定電壓AC380 V、AC220 V供電系統。供電負載有：分電箱(駕駛室內)、充放電板、探照燈、航行信號燈、航行設備等。

本船在配電系統的設計上，增加光伏太陽能充電系統，為船上提供輔助AC220 V電源，同時多余的電能可以通過充放電板，為蓄電池組充電。

7 結論

綜上所述，13 m漂浮物推拖船的開發設計主要有以下幾個創新點：

(1)采用斜尖艏船底變曲面，艉部雙曲面過渡圓弧，艦船型船體結構；水動力學性能更好，保證了推進效率。

(2)推漂裝置及輔助裝置設計采用可拆分式推漂桁架的結構設計，推板可升降調節，解決了不同推漂深度和調遣不同工作模式的問題；推漂裝置兩側采用平衡浮筒的設計，提高了船舶的整體穩性。

(3)一船兩用，快速切換功能。推漂裝置與卷揚機拖網裝置共用1套液壓系統單元。當船舶從推漂工況切換至拖網工況時，可快速拆卸推漂裝置，同時由于推漂裝置和卷揚機均采用高壓軟管及快速接頭型式，也可以進行快速拆卸。通過轉換球閥控制向卷揚機液壓馬達提供動力。