新型耙吸挖泥船首部沖沙疏浚方式*
——“航浚20”耙吸挖泥船首沖功能介紹

王 兵

(長江航道局 武漢 430010)

新型耙吸挖泥船首部沖沙疏浚方式*
——“航浚20”耙吸挖泥船首沖功能介紹

王 兵

(長江航道局 武漢 430010)

淺水航道疏浚;首沖作業(yè);試驗

從用戶角度對一型用于張江超淺水域航道疏浚的特種挖泥船“航浚20”的作業(yè)方式以及作業(yè)裝置的功能和實船試驗進行了介紹,以試驗數(shù)據(jù)說明了首沖裝置結構的安全性和首沖疏浚方式的有效性。對從事航道疏浚及工程船舶設計領域的人員具有較好的參考價值。

0 引 言

長江航道局“航浚20”是一艘具有首沖功能的300方自航耙吸式挖泥船,為解決淺水航道疏浚的難題,該船研制配備了折臂式首沖裝置,實現(xiàn)了首沖作業(yè)和傳統(tǒng)的耙吸作業(yè)相結合的新的疏浚方式。與一般耙吸挖泥船相比,該船最顯著特點在于具有在超淺吃水(1.8m～2.0m)情況下的首部沖沙功能。該功能既可以實現(xiàn)超淺航道的噴沖疏浚作業(yè),也可利用噴沖功能清除航道的零星沙包,使船順利進入航道水域進行高效的耙吸作業(yè)。

1 首沖裝置的主要結構和功能

首沖作業(yè)方式是利用該船淺吃水的特點,在其他耙吸式挖泥船無法進槽施工的情況下進點作業(yè)。

首沖作業(yè)具有兩種方式:為了清除航道上的零星沙包,一般采用泥泵在高轉速下提供大流量的壓力水進行首沖作業(yè);在水流較緩的作業(yè)區(qū)域,則利用泥泵配合高壓沖水泵進行首吸邊噴作業(yè)。此時,開動高壓沖水泵至首沖管架進行首沖作業(yè),同時由泥泵通過艏部水下兩舷開口將沖起的泥沙吸入,首吸后經(jīng)邊拋管排出舷外。

通過上述兩種方式實現(xiàn)首沖作業(yè),既可利用耙吸作業(yè)系統(tǒng)的管路及設備,又具有相當?shù)撵`活性。第一種噴水疏浚方式針對有零星沙包且流速較快、介質沉淀速度慢的航道疏浚中,其通過大流量、低揚程的噴射水沖散零星沙包;而在航道水流速較慢、介質容易沉淀的工況下則實行第二種方式,利用高壓水沖、泥泵首吸的作業(yè)方式,通過邊噴管邊噴至距船舯25m以上的船側。

1.1 首沖裝置結構

本船首沖裝置裝設于船首。首沖裝置為液壓折臂噴射架型式,由主、副臂架、油缸、回轉支承、橡膠軟管及蓄能器等組成,見圖1。首沖管架結構為管式結構,其結構示意圖見圖2。噴沖水流經(jīng)DN 450的噴水管穿過上甲板分為兩路,通過兩根DN 350的橡膠軟管接至下臂架上的兩根DN 300的沖水管,再流至沖水管內噴嘴噴出。圖3為高壓沖水作業(yè)圖。

圖1 首沖管架實圖

圖2 首沖管架結構示意圖

圖3 高壓沖水作業(yè)圖

66只DN 28mm的噴嘴安裝于首沖裝置首部沖水管內,噴嘴材料為高分子耐磨材料。按照設計要求,當采用泥泵進行首沖作業(yè)時,泥泵為高轉速運轉,流量為3 000 m3/h、揚程25 m,噴嘴噴口速度～16 m/s;當采用高壓沖水泵進行首沖作業(yè)時,將首沖管架上的56只DN 28 mm的噴嘴閉塞,其余10只噴嘴的噴口速度可達到26m/s。

1.2 首沖作業(yè)控制系統(tǒng)及補償功能

1.2.1 首沖作業(yè)液壓系統(tǒng)工作原理簡介

首沖裝置采用液壓系統(tǒng)進行控制(見圖4)。進行首沖作業(yè)時,電磁鐵Y 21得電、副臂架油缸作用、首沖副臂架向外伸展至極限位置、限位開關S15作用、Y 21失電、Y23得電、副臂架油缸的兩腔與蓄能器通過插裝閥相互連通。此時,電磁鐵Y19得電、首沖主臂架油缸外伸,同時結合首沖管架位置顯示儀下放首沖管架至所需挖深;或當首沖管架放至極限位置時,S13作用、使Y19失電,主臂架油缸停止動作,首沖裝置處于工作狀態(tài)。

圖4 首沖裝置液壓系統(tǒng)原理圖

首沖作業(yè)結束時先收主臂架,再收副臂架;回收時Y20得電、主臂架回收至下放前位置、限位開關S12作用、Y20失電、同時Y23失電,連接首沖副臂架油缸兩腔與蓄能器的插裝閥回復至關閉位置。此時,Y 22得電、副臂架油缸回收至下放前位置、副臂架油缸限位開關S14作用、Y22失電,首沖架恢復至下放前位置。

1.2.2 首沖裝置蓄能器自動補償功能的實現(xiàn)

在以上的控制功能中,首沖作業(yè)時最為重要的是首沖裝置蓄能器自動補償功能的實現(xiàn)。蓄能器有效工作容積為200 L,設定補償壓力為30 kg/cm2～40 kg/cm2,以保證在首沖作業(yè)碰上＜1 000 kgf的障礙物時能正常作業(yè),超過時則蓄能器自動補償使副臂架油缸回收,起到安全保護的作用,這時油缸兩腔中的液壓油被蓄能器吸收;首沖裝置越過障礙物時,在蓄能器的作用下副臂架油缸自動恢復,蓄能器中的液壓油返回油缸的兩腔。首沖作業(yè)深度為2.3 m～2.8 m,通過兩個單級行程為2 427 mm的雙級伸縮式套筒油缸的變幅進行調整。

2 試驗實施概況

作為一種全新的疏浚方式,首沖疏浚效果、首沖管架結構強度及補償功能安全可靠性、控制系統(tǒng)有效性都處于理論設計層面,實用效果沒有外部同類船型實例可佐證。為了檢驗該船首沖功能的實現(xiàn)情況,積累技術數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,長江航道局成立了實船測試組,并于2005年4月三次在該船上進行了首沖功能檢驗性作業(yè)試驗。

2.1 試驗考核目標

首沖裝置結構性能、首沖作業(yè)控制系統(tǒng)及補償功能、首沖作業(yè)疏浚效果。

2.2 試驗實施步驟

(1)在“航浚20”進入施工水域前,由航道部門測量施工水域水深及流速,繪制施工水域航行作業(yè)圖;

(2)船舶離開碼頭,在進入施工水域前完成相關準備工作:開啟液壓系統(tǒng)、挖泥控制系統(tǒng)等,打開挖泥產(chǎn)量計和DGPS工程定位儀;

(3)船舶進入施工水域后,根據(jù)實際水域水深情況進行調載,達到首沖作業(yè)水深條件時,針對零星流沙包進行高壓沖水泵首沖作業(yè);

(4)“航浚20”作業(yè)完畢退出作業(yè)水域后,由航道部門測量施工水域水深,繪制航道變化圖。

2.3 試驗區(qū)域及作業(yè)方式的選定

首沖作業(yè)方式的選區(qū)主要根據(jù)施工水域自然條件,在流速較大水域(2 m/s左右)一般采用泥泵在高轉速下提供大流量的壓力水進行首沖作業(yè);在流速較平緩區(qū)域,一般選用高壓沖水泵沖水,泥泵首吸進行作業(yè)。此次試驗作業(yè)區(qū)域選在長江武漢白沙洲水道洲尾長約600 m、寬約15 m的水域,江水流速約0.5 m/s,水深在2.3m～2.8 m。考慮到該水域水流較緩的實際條件,此次試驗選取了高壓沖水作業(yè)方式。

2.4 首沖作業(yè)時間、次數(shù)

(1)4月8日從11∶53到15∶00首沖作業(yè)3次;

(2)4月14日從10∶27到18∶00首沖作業(yè)5次;

(3)4月15日從9∶48到11∶52首沖作業(yè)2次。

2.5 試驗測量

分別于4月13日下午和4月15日下午作了疏浚前和疏浚后水下地面高程測量;作業(yè)過程中應用船載GPS記錄船舶作業(yè)航跡,運用船載挖泥顯示系統(tǒng)描述記錄首沖管架運動軌跡。

2.6 試驗過程

測試組通過挖泥監(jiān)控顯示裝置對首沖作業(yè)時的管架運動狀態(tài)進行了紀錄,用船載GPS對航行軌跡作了記錄,見圖5,圖6。

圖5 主臂架伸出運動過程中的管架位置示意圖

圖6 沖水作業(yè)時管架位置示意圖

在試驗作業(yè)中,首沖裝置主、副臂架各傳感器工作正常,除Y23電磁閥出現(xiàn)過短暫故障外,其余電磁閥工作正常,主液壓控制回路、工作回路工作正常,能有效傳遞控制信號和工作能量。在高壓水首沖試驗過程中,0.1 kn～2 kn的航速,首沖管架整體能承受船舶前進中觸及沙包、淺灘時受到的沖擊外力,結構強度足夠,沒有產(chǎn)生大的明顯的結構變形;主、副臂架收放自如,各油缸工作正常,能收放到位;各回轉支承能起到機械補償作用,保證管架整體運動平穩(wěn);各橡膠管能有效伸縮,傳遞扭矩;在高壓水沖擊下的運動中,水路各聯(lián)接處有效密封,沒有大的滲漏現(xiàn)象;首沖高壓水從噴嘴出來成柱狀。

表1與圖7是4月15日上午10∶18～10∶32作業(yè)時間段的一組記錄數(shù)據(jù)及分析圖示:

表1 實驗測量數(shù)據(jù)記錄表

圖7 時間——首沖管中心相對基線距離趨勢分析圖

從這一組數(shù)據(jù)以及“時間—首沖管中心相對基線距離趨勢分析圖”可以看出,首沖副臂架挖深隨著河床的變化發(fā)生著變化,副臂架能在遇到障礙物時自動回收、下放,蓄能器補償功能實現(xiàn)較好,能在首沖作業(yè)中對首沖管架起到保護作用。

基于以上試驗結果,測試組認為,“航浚20”首沖管架及其蓄能器能按照其設計原理實現(xiàn)作業(yè),控制系統(tǒng)工作有效,補償功能工作正常,能起到對管架的保護作用。

2.7 首沖作業(yè)效果測量

在4月13日(施工前)和4月15日(施工后)對施工水域進行了水深測量,測圖比例為1∶1 000,水深測量精度為0.1m。在試驗作業(yè)后,根據(jù)作業(yè)前后水深測量圖,航道部門依據(jù)“航浚20”自帶DGPS航跡定位坐標對作業(yè)航跡的水下地形高程進行了對比分析,分析結果顯示,施工水域的水下地形高程有一定降低,降低幅度在0.1m～0.3m。

3 測試結論

從整個首沖試驗作業(yè)過程看來,“航浚20”首沖管架工作正常,其機械性能和控制功能達到了設計目標,蓄能器能有效起到首沖管架保護作用,首沖作業(yè)具有一定的沖散零星沙包的疏浚效果。

4 有關評價及鑒定

2006年1月,作為“十五”國家重大技術裝備攻關項目的具有首沖功能的300方自航耙吸挖泥船研制通過了交通部主持的科技成果鑒定會。2007年3月,該船由交通部主持進行了建造后評估會。經(jīng)專家評審認為,該船為解決淺水航道疏浚的關鍵技術,研制了折臂式首沖裝置,開發(fā)了能適應不同作業(yè)方式和工況的、具有首沖、中耙多功能的淺吃水船型,實現(xiàn)了首沖和傳統(tǒng)的耙吸式結合的新的疏浚方式,是一種新型有效、綠色環(huán)保、國際領先的疏浚方式,具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2006年9月,以首沖裝置為主要研制創(chuàng)新點之一的《具有首沖功能的300方自航耙吸挖泥船研制》獲評中國航海學會科學技術二等獎。

A new trailing suction dredger with bow-jetting dredging on bow-jetting of“Hang Suo 20”

Wang Bing

shallow waterway dredging;bow-jetting;test

This paper presents the operation,equipment function and full scale test of a special dredger“HangSuo 20”,which dredges in Zhang Jiang shallow waterway,and safety of bow-jetting structure and its dredging validity has been explained by test data.It can be taken as a reference for waterway dredging and engineering ship design.

U 674.31

A

1001-9855(2010)01-0018-04

2009-11-28

王 兵(1963.04-),男,漢族,武漢人,高級工程師,主要從事船舶建造管理工作。