沿海中小型開體泥駁總體設計關鍵點分析

曹仁丹,成 辰,2

(1.江蘇現代造船技術有限公司,江蘇 鎮江 212003;2.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院,江蘇 鎮江 212000)

0 引言

泥駁是挖泥船的配套船只,用以運輸、裝卸挖泥船所挖泥沙,執行港口或航道的疏浚、填海造島、海上結構物基礎施工等任務。根據泄泥方式的不同,可分為封底泥駁、開底泥駁、側開泥駁、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,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門進行卸泥,側開泥駁的泄泥口設在兩舷。這2種泥駁多用于淺水區卸泥,泄泥速度較慢。

開體泥駁也稱對開泥駁,由左右2個對稱的縱向片體組成,通過泥艙前后兩端的甲板鉸鏈連接。2個片體繞縱向鉸鏈軸轉動,實現泥艙的開閉。拋泥時泥門向下凸出,拋泥速度較快,是深水區拋泥作業的首選船型。隨著我國港口、航道及海上設施建設的蓬勃發展,開體泥駁的發展有著大型化的趨勢。

本文將通過1 800 m3沿海自航開體泥駁(以下簡稱“本船”)的總體設計,著重對其布置設計、上層建筑設計、鉸鏈設計等關鍵技術點進行分析。

1 開體泥駁的工作原理

開體泥駁的2個片體可繞泥艙前后兩端的主甲板鉸鏈轉動。泥艙滿載時,船舶的排水量由船舶自重和泥艙內泥沙的重量組成,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個片體。卸除油缸拉力(或由油缸產生推力)后,片體迅速張開,實現排泥[1],見圖1。

圖1 泥艙滿載狀態

排泥后,半邊重力作用線向外側移動,片體浮力作用線更靠近中縱剖面,產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

2 開體泥駁的布置設計

船舶的布置地位是指船體內的容積和甲板面積[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,往往根據船舶的功能、機械設備、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,在總體設計時主要解決“裝得下”和“拋得出”2個問題。

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,開體泥駁往往設計成淺吃水肥大型船舶(型寬/型深≥2.8)[4]。根據設計任務要求,參考母型船數據,結合對多艘開體泥駁的主尺度進行線性回歸,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泥沙的重量兩部分組成。船舶自重可根據母型船數據進行估算,在計算泥沙重量時密度不應取小于1.4 t/m3,不裝運石塊的開體泥駁的密度不大于1.8 t/m3。實際上,可裝載泥沙密度是衡量開體泥駁性能的一項重要指標。本船在計算時取1.67 t/m3。

2.2 泥艙的設計

根據設計任務要求,本船的泥艙容積需達到1 800 m3。開體泥駁泥艙容積的計算方法通常有2種：一是將泥艙上沿設定為主甲板,二是將泥艙上沿設定為艙口圍板。由于在某種橫傾狀態下,若艙口圍板上口低于水平面時,會有海水進入泥艙,因此為留有一定的儲備浮力,滿足穩性衡準要求,海上開體泥駁的艙容計算采用第一種計算方法,內河開體泥駁的艙容 計算采用第二種計算方法。本船采用第一種計算方法。

泥艙斜頂板的角度的選取,應綜合考慮設計船舶載運泥沙的粘性和片體開體角度。角度過小會導致拋泥困難,過大則會使泥艙容積減小,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

艙口圍板的高度設定過低則會導致船舶進水點過低,降低穩性。考慮到施工人員會在艙口圍板附近進行沖泥作業,因此艙口圍板的高度一般應不小于海船舷墻的高度,不宜大于1.5 m。

2.3 油缸艙的設計

一般情況下,開體泥駁泥艙的前后兩端各設有1個油缸艙,用于安放開體油缸,作為開體泥駁作業動力的主要來源。油缸艙的長度要便于油缸的安裝和后期的檢修保養,這是保證開體泥駁“拋得出”的關鍵所在。小型開體泥駁的每個油缸艙內只有1只油缸。根據油缸直徑的大小,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,相應油缸的工作壓力也隨之增加。目前,國產油缸柱塞泵的最大工作壓力為31.5 MPa。若設計油缸工作壓力大于上述指標,則應在每個油缸艙內設置2只油缸。此時,油缸艙長度應大于2個油缸耳環銷子長度之和的1.5倍加上1倍的油缸直徑。但這種設計方法往往會使油缸艙的長度過長。

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

圖4 油缸艙設計

由于油缸兩端的耳環厚度不同,也有將2支油缸其中1支調頭安裝的做法。但此種做法會導致液壓油管布管困難,故本船未采用。

油缸艙內左右兩側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,會有海水進入。考慮海水進入后泥沙雜質對油缸功效的影響,左右兩側油缸支柱眼板之間的距離,應略大于油缸縮短后的最小長度,以100～200 mm為宜。

2.4 機艙的設計

開體泥駁的2個片體艉部各有1個機艙,屬于艉機型船舶。機艙內的主要設備包括主機、變速箱、發電機、配電板、變壓器、液壓缸油泵等,應盡量對稱布置。

液壓缸油泵的驅動有電動和電動+軸帶2種方式。后者可使開體操作簡便,但需要增加1臺齒輪箱和若干泵閥,機艙長度也略有增加。考慮到作業時發電機組一般不停機,本船采用加大發電機組功率的做法,不配軸帶裝置。

3 上層建筑設計

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,抬高上建大體保持水平狀態,見圖5。抬高上建不宜設計得過重、過高,在船舶縱向上應與后甲板鉸鏈留有一定的距離,方便后期對甲板鉸鏈的保養維修,見圖6。抬高上建面向泥艙的一側還應設置擦窗平臺。

圖5 甲板室鉸鏈運動軌跡

圖6 抬高上建設計

開體泥駁的艉甲板室一般對稱布置在2個片體上,直接與艉部甲板焊接。該甲板室主要包含下機艙的梯道口、CO2室、煙囪等,還應盡可能布置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相互觸碰,見圖7。同理,舷墻、艙口圍板等在船體中線處的設計也要考慮到這一點。

4 鉸鏈設計

4.1 甲板室鉸鏈設計

甲板室鉸鏈一側為上下鉸鏈支座直接鉸接(簡稱“鉸鏈側”),另一側為上下鉸鏈支座通過搖臂鉸接(簡稱“搖臂側”),見圖5。3個鉸接點和甲板鉸鏈(即開體轉動軸心)組成4點連桿機構。開體時,兩側下鉸鏈支座隨片體繞甲板鉸鏈轉動,在上層建筑重力作用下,搖臂發生微小擺動。同時,在任意開體角度下,3個鉸接點構成1個三角形。根據三角形的穩定性,保證抬高上建平穩地固定在某一位置。

圖7 艉甲板室設計

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

作為運動部件,甲板室鉸鏈還應設計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,也應做好相應的加強。

4.2 甲板鉸鏈設計

甲板鉸鏈的設計依據為載荷,包括靜載荷和動載荷兩部分[5]。各個船級社規范中都給出了靜載荷的計算公式。動載荷的計算一般有3種方法：一是經驗公式法;二是在靜力的基礎上乘以一定的經驗系數;三是根據弗勞德數和斯圖羅哈數相同的原則,通過母型船動載荷進行換算。

常見的甲板鉸鏈結構有“2+1”和“3+2”型。根據計算所得的總載荷,本船甲板鉸鏈采用“3+2”型設計,見圖8。鉸鏈支座向下延伸進艉升高甲板平面以下,左右與甲板強橫梁相連,保證開體力的傳遞。甲板鉸鏈支座板厚較厚,與其連接的甲板區域要做好加強工作。甲板鉸鏈中也應包含潤滑系統。

5 結論

(1)在開體泥駁總體設計時,要著重考慮開體運動對船體的影響,上建、舷墻、中縱處艙口圍板等處的設計要確保能避免開體時相互觸碰。

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

圖8 甲板鉸鏈設計

(3)甲板室鉸鏈的實質為4點連桿機構,在滿足強度的前提下取值不宜太大。 (4)甲板鉸鏈設計載荷中動載荷的計算有3種方法,可根據總載荷的大小,選擇合適的結構形式。