某23.8 m反鏟式挖泥船設計

李忠業

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

關鍵詞：挖泥船；設計；定位樁；反鏟挖掘機

中圖分類號：U674.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

航道是航運交通基礎設施，為了保證航道的安全運行，需要對航道定期進行清淤疏通，確保航道的通暢。近幾年來，隨著我國港口的不斷開發，航運管理水平的不斷提升，航道的疏通、清淤工程進入了高速增長期。

挖泥船是建設、維護航道的主要機械設備，在開挖運河、保護航道安全、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、開挖運河以及清除水下障礙等。挖泥船根據航行方式不同，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。本船計劃用于航道疏浚、清淤以及開挖運河等，要求能適應不同泥質的土層，且挖掘力大、破土力強。經綜合考慮，本船設計為非自航反鏟斗式挖泥船。

2.2? ?挖泥船運輸方式

本船計劃作業的水域航道彎曲多、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遣，如采用船只拖帶的水路運輸方式，由于過閘，汛期等方面的原因影響，調遣時間相對較長，費用較高；而采用陸路運輸的方式，則較為靈活、成本較低、運輸時間也較有保障。但根據道路運輸的相關條例，運輸高度、寬度、長度等都受到限制。經綜合分析，本船調遣作業選擇道路運輸的方式。為了滿足陸路運輸的要求，將本船設計為由2個邊浮箱、1個主浮箱、3個片體連接而成的組合式結構，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，具有一定的優越性，因此本船選用鋼樁定位方式。

3? ? 船舶概況

本船為鋼質非自航反鏟式挖泥船，屬III類工程船，作業及調遣于內河A級航區；作業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，當挖掘機進入船舶作業區域應加壓載水。

本船按中國船級社《鋼質內河船舶建造規范》（2016）、第1次變更通告（2016）及其修改通報（2019，2021）、中華人民共和國海事局《內河船舶法定檢驗技術規則》（2019）、《內河避碰規則》（2003）、GB/T3221-2020《內燃機動力內河船舶系泊和航行試驗大綱》等規范、標準進行設計建造。

3.1? ?主要參數

總長 ? ? ? ? ? ? 24.0 m

垂線間長 ? ? ? ? ? ? 23.8 m

型寬 ? ? ? ? ? ? 11.40 m

型深 ? ? ? ? ? ? ?2.20 m

設計吃水 ? ? ? ? ? ? ?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

為了便于調遣和節約成本，本船在長距離調遣時采用陸路運輸，因此將本船設計為3個片體（2個邊浮箱+1個主浮箱）連接而成的組合式結構，片體之間采用螺栓連接。

本船為單底、單殼、單甲板、橫骨架式、交替肋骨結構;主甲板下邊浮箱共設6道水密橫艙壁，主浮箱設5道水密橫艙壁，最大船艙長為4.5 m；主甲板艉部設值班室、發電機室、蓄電池間和浴廁；艏部左舷設有手動鋼索絞車和艏錨各一個；中間為挖掘機安放區域；頂棚甲板設水箱、桅桿和信號燈等。

總布置圖，如圖1、圖2所示。

4? ? ?浮箱連接裝置的強度計算

本船主體結構是由中部主浮箱和左右舷側對稱分布的兩個邊浮箱連接而成，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，主要有航行狀態和作業狀態兩種工況。

根據規范要求，需要對各工況下組合式浮箱連接裝置的強度進行計算校核，其計算應力應不大于：

許用正應力? ?[σ]=90/K = 90 N / mm2

許用剪切應力 [τ]=50/K= 50 N / mm2

許用合成應力 [σc]=110/K = 110 N / mm2

式中： K ——材料換算系數，本船取1。

根據規范要求逐一計算航行狀態和作業狀態下100%油水和10%油水工況下的水平拉應力σ、剪切應力τ以及合成應力σc。根據計算結果可知，作業狀態10%油水工況下浮箱連接裝置所受到的水平拉應力σ、剪切應力τ以及合成應力σc均為最大，且均小于規范要求，因此本船船體浮箱連接裝置的強度滿足規范要求。

5? ? 主要系統及其配置

5.1? ?電力系統

目前船舶電力系統主要采用中性點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生接地故障時仍能繼續工作，供電連續性較好；缺點是照明、空調、航行無線電設備等單相220 V電源需要通過變壓器獲得，成本較高；（2）中性點接地的三線四線制系統，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，節省了變壓器，從而節省了成本；缺點是一旦發生單相接地故障即構成短路，必須馬上切斷，供電連續性較差。

本船為非自航式工程船，對供電連續性要求相對較低，且電氣設備配置相對簡單，單相220 V電源主要負載為照明系統、空調系統以及航行無線電設備等。經綜合考慮，本船電力系統主電源采用中性點接地的三線四線制電源，發電機采用電啟動方式。

5.2? ?定位樁系統

挖泥船在作業時需要使用定位樁進行定位，定位樁是絞吸式、鏟斗式等挖泥船實現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；樁尖通常設計成尖端，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，目前應用較為廣泛的升降方式有三種：機械齒輪升降方式；液壓環梁升降方式；液壓絞車升降方式。

（1）機械齒輪升降方式

優點是倒樁容易、起升速度快、安全性能好、操作簡單，適用于需要經常升降的船舶；缺點是工藝要求高、結構復雜、投資成本高；

（2）液壓環梁升降方式

優點是起升能力好、工作穩定性好、具有多種安全防護措施、安全可靠、使用簡單、噪音低，多用于風電安裝及海洋平臺；缺點是倒樁困難，起升速度慢；

（3）液壓絞車升降方式

優點是結構簡單、控制容易、運行平穩連續、成本低；缺點是升降速度較慢、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構簡單、使用方便、造價低，具有一定的優勢，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，同時考慮到本船長途調遣少、倒樁次數少，因此經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

本船設有3座鋼質定位樁，呈三角分布在船舶四周，樁長15 m，方形結長寬800 mm x 800 mm，重約8 t/根，底部設計為尖端，便于定位樁插入泥中，頂部設限位裝置，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。

定位樁系統主要由定位樁、液壓絞車、滑輪組、驅動裝置等組成。定位樁下降，通常是利用自身重量插入泥土中；定位樁起升，則通過挖掘機內部液壓系統帶動液壓絞車，通過設置在定位樁支架上的滑輪拉起定位樁。

6? ? 液壓挖掘機

本船配置一臺日立ZAXIS870H挖掘機，其液壓系統與發動機配合完美，具有挖掘力強、作業半徑大、操作靈活、回轉速度快、油耗低、工作效率高等特點，且作業時幾乎無需船體移動，大大節省了調遣費用。

挖掘機主要性能參數，見表3所示。

挖掘機系統主要包括：發動機、駕駛室、監控系統、上部回轉平臺、下部行走機構及其部件、液壓系統、動臂、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。

7? ? 總結

隨著我國經濟的飛速發展，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，世紀工程平陸運河的開發建設，更給挖泥船的發展帶來了機遇，相信隨著23.8 m反鏟式挖泥船的交付使用，必將為航運業的發展添磚加瓦。

參考文獻

[1]內河船舶法定檢驗技術規則[S].北京：中華人民共和國海事局， 2019.

[2]鋼質內河船舶建造規范[S].北京：中國船級社， 2016.

[3]王曉剛.淺談內河航運的發展[J].現代經濟信息， 2011 （23）.

[4]陳亮.挖泥船在輸水工程中的應用[J].水利規劃與設計， 2016 （5）.

[5]徐本舉.卵石河床急流航道鏟斗（抓斗）挖泥船定位系統設計[J].船? ? ? 海工程， 2016， 45 （1）.