自航钢耙抓斗挖泥船的开发与设计

华小云，陈建军

(长江航道局，武汉430010)

九龙坡至朝天门河段属三峡变动回水区上段，位于重庆主城区，航运繁忙，通航密度大，且两岸码头和趸船众多，江底锚链密布，疏浚工况条件较差。由于三峡175 m蓄水后累积性淤积造成疏浚点和疏浚量增大，常用的钢耙船不能满足航道维护的需要，亟须开发、建造适合本河段特点的新型维护疏浚船舶［1-3］。

1 新型钢耙船的开发

新开发船为钢质、艏部为勺形、艉部为常规圆舭船型，单底、单甲板全焊接结构，主船体为混合骨架式、三层甲板室，艏部设置钢耙，艉部设置液压抓斗挖掘机，采用钢桩定位，设双机双导管桨电力推进系统，配双襟翼舵的自航挖泥船。总体布置见图1。

图1 钢耙抓斗挖泥船总布置图

1)该船具有抓斗挖掘和钢耙挖掘两种作业功能，能满足处于三峡库尾的重庆主城区航道复杂工况的疏浚施工要求。

2)抓斗挖掘机工作时，采用台车钢桩系统，并设环梁提升装置，能较好地适应重庆主城区长江航道过江锚链多、河床以板结沙卵石为主的特点。

3)采用电力推进，通过自航变频电机驱动导管桨，满足本船疏浚及航行等多种工况的要求，减少装机功率。

4)钢耙布置于船艏，液压抓斗挖掘机布置于船艉，较好地满足疏浚作业的要求。

5)该船进入疏浚区域前，采用锚链探测装置对该区域的锚链进行探测，并将锚链位置信息传输到本船上的控制系统，确保本船挖掘作业时能够有效地避开锚链，避免抓斗作业对锚链的损伤。

2 新技术的开发

考虑到该船施工区域的特殊性，在开发过程中应用了如下一系列先进技术。

2.1 推进装置电力驱动的开发

推进装置采用电力变频驱动，其优点在于:很好地解决了推进轴系过长问题，减少了整个船舶的振动，使机舱布置更合理，很容易通过对推进电机调速而实现对螺旋桨调速，减小了机械损耗，使船舶效率更高。

1)布置合理。由于该船艉部开有定位桩台车槽，机舱只能在中部，全电力驱动可以将柴油发电机组置于机舱，进而可以对用电设备根据总布置的要求合理安排位置。

2)能避免轴系过长带来的布置困难，安装复杂及扭振等问题。

3)电力驱动能避免由于船艉中部设置抓斗机，船艉线形收缩较快等问题。

该船主推进系统采用2台710 kW异步电动机驱动2个主推进器;每台异步电动机由一个独立的变频器供电;每个变频器由1台24脉冲三绕组移相变压器连接到400 V电网。

2.2 定位桩的开发

定位桩系统是自航钢耙抓斗挖泥船的重要挖泥设备，由台车、液压环梁升降装置和定位桩组成，主要解决下得去、定得住、拔得出3个问题。自航钢耙抓斗挖泥船设置4套定位桩系统。目前工程船舶上使用的台车定位桩系统形式多样化，驱动型式也多种多样，主要根据船舶的类型和施工区域的土质不同而定。

该船的升降定位桩采用带液压插销的液压环梁升降装置。由4根桩腿、液压环梁升降装置组成。4根桩腿布置在船舶主体上，船舶靠4根桩腿站立在河床上，桩腿和船舶主体间用液压环梁升降装置联结。

本船作业时桩腿站立在河床上，液压环梁升降装置将船体升高，借船舶的重量改变船舶的干舷，直到钢桩的入土深度可以稳住船舶为止(钢桩入河床最大深度为3 m)，此时船舶漂浮在水上，通过液压插销将船舶和钢桩固定连接，抓斗机开始挖泥作业，利用台车可使船舶沿船长方向移动，直到完成一个航道疏浚设计挖宽的纵向距离。作业完毕后桩腿收起到船舶基线以上，使用推进装置船舶移位，进入下一个设计的挖泥工位。升降装置包括有上下2道环梁，下部为固定环梁，安装于台车承载结构上;上部为移动环梁，通过6只升降油缸与下环梁相连。每道环梁装有3个液压插销，插销伸出时，可插入钢桩上的销孔，使环梁固定在钢桩上的某一高度。当上环梁的液压插销插入钢桩，而下环梁的液压插销未插入钢桩销孔，通过液压油缸的伸缩，可推举下环梁(与台车联为一体)向上或向下运动，使船体相对于定位钢桩的位置发生变化。因液压油缸行程的限制，上述升降动作的行程每次为500 mm。当下环梁销子插入钢桩，因下环梁与台车联为一体，此时如果上环梁的液压插销从钢桩拔离，油缸的伸缩可以抬高或降低上环梁的位置，到适合的高度再与桩腿固定。通过上述的步骤，可进行压桩或拔桩操作。

因此本船定位桩系统具有如下特点。

1)抓斗作业时采用钢桩定位方式。相对于锚缆定位系统有以下优点:船舶施工占航道的面积小、设备少、设备在船上布置面积小、进入施工状态快、定位可靠性高、定位准确性高、操作简单、船舶移位快捷。

2)液压台车具有完善的功能:提升、下放和锁紧定位桩，推动挖泥船的船体沿船舶纵向移动。

3)采用环梁提升装置，具有强劲的能力，能在施工区域河床要求的深度(地质条件)利用船舶排水量的变化将钢桩压入和拔出河床，避免了常规的定位桩装置在重庆主城区下桩深度不够的情况，从而保证船舶定位牢靠，能安全作业。

4)4条桩腿可以联动，也可以独立动作。对河床的平整度的要求不高，在河床平整度偏差太大时也能正常作业。

2.3 锚链磁力探测装置的开发

锚链探测成像原理从理论上讲，主要为声、光、磁3个方面因素。利用声学，水下锚链外形和河床淤积层中的卵石在图像上区分有一定难度。由于该船作业时水质浑浊，且不可能随时派潜水员下水探测，因此该船锚链探测系统利用磁力原理。

RS-YGB6A型海洋氦光泵磁探仪(磁力仪)是一种原子磁力仪，是一种高精度磁异常探测器，适合于航空及海洋地球物理勘探中高精度磁测量，也可用于水下小目标探测。该仪器具有数字化、模块化、小型化和系统集成特点。用光泵技术制成的高灵敏度磁探仪，无零点漂移、不需严格定向，对周围磁场梯度要求不高，并可连续测量。

作业前利用工作母船(或其他船舶)拖动该装置(钢制船舶安全距离约15 m)，对作业区域进行探测，获得锚链位置基本信息。通过该装置上的GPS信号，利用其自身的专用软件，标绘出锚链具体位置。将锚链位置信息传输到本船上的控制系统，使该船作业时避开该区域。见图2。

图2 作业示意

2.4 硬臂抓斗挖掘机的开发

钢耙抓斗挖泥船是单斗作业，可以配备各种不同类型的抓斗，以适应各种不同硬度的土质，所以钢耙抓斗挖泥船的挖掘适应性较强，它可以挖掘水下N值小于15的淤泥、一般粘土、松散的沙质土，N值15～25的中等沙土，也可以挖掘水下N值25～40的硬粘土、夹石砂质土和砂砾，甚至可以挖掘水下N值大于40的风化碎岩。装有液压硬臂抓斗挖泥船还可以通过将抓斗更换为反铲，以扩大施工的需要。

2.4.1 生产效率的确定

定位桩式液压抓斗挖泥船的主要技术指标是斗容和生产率。斗容是指抓斗的除水容量，视船型大小配备不同的斗容，该船配备的斗容2 m3。生产率是衡量挖泥船生产能力的一项重要指标，主要与抓斗施工速度成正比，可用如下公式计算。

式中:F——挖泥船生产率，m3/h;

K1——充泥系数，抓斗内实装泥土体积与抓斗容积之比;根据土质类别确定，本文K1=0.70;

V——抓斗容积，V=2 m3;

N——每小时抓泥斗数，抓泥斗数/h，取N=45;

K2——搅松系数，即土壤经搅松后体积与原状土之比，一般取1.25。

该船生产量为

2.4.2 挖掘机起重能力确定该抓斗机工作时的起重量组成为抓斗自重+泥斗中泥重。抓斗自重G为

式中:C——抓斗容重比，C=3.75;V——抓斗容积;V=2 m3。

抓斗中泥重W为

式中:γ——泥土比容重，γ=2.4 t/m3;V——抓斗容积，V=2 m3。

抓斗机起重量为G和W之和，即

取抓机的作业卸载半径为11.5 m时的起重量为13 t。

3 结束语

自航钢耙船的开发能更好地适应重庆九龙坡至朝天门河段土质的需求;自航钢耙船新技术的开发使该船能更好地适应地理环境的需求。

［1］李 京.长江4 m3全回转液压抓斗挖泥船技术特点［J］.船海工程，2007(10):7-9.

［2］罗忠卿，刘家新.钻爆船钢桩台车系统设计研究与结构仿真［J］.船海工程，2009(4):1-3.

［3］(英)R.N.布雷.疏浚工程手册［M］.上海航道局设计研究所情报室，译.上海:上海航道设计研究所，1982.