絞吸挖泥船環境載荷及其對作業能力的影響

陳新權，楊啟，顧敏童，譚家華，凌良勇，湯山

（1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.交通運輸部長江航道局，湖北 武漢 430010）

0 引言

隨著絞吸挖泥船作業區域的擴大，在設計階段必須考慮風、浪、流等環境條件的影響，從而為關鍵設備的選取、結構的設計提供指導意見。本文研究的絞吸挖泥船需要在三峽庫尾航道進行作業，該航道屬大型山區急流航段，為保證在較大的流速中安全作業，要配備能力更強的絞車和定位設備。本文對不同設備配置條件下絞吸挖泥船的環境載荷、設備載荷及作業能力進行了分析，為船舶在不同環境條件下的作業范圍限定方法提供建議，從而保證施工安全。

1 載荷計算

1.1 主尺度與計算坐標系

目標船定位樁在艏部，橋架和絞刀則位于船艉。主要參數為：垂線間長87.3 m；型寬22.4 m；型深5.3 m；設計吃水3.4 m；絞刀轉速30 r/min；絞刀半徑1.2 m。

圖1 坐標系及外載荷

取隨船坐標系，坐標原點取為樁處，采用右手坐標系，X軸和Y軸方向如圖1所示。將挖泥船船體、定位樁、橋架、絞刀作為一個系統，則作用在系統上的外載荷包括環境載荷Fcx，Fcy和搖艏流力矩Mcxy；橫移鋼絲繩的拉力Fap和Fas；絞刀頭處的軸向力Fl，水平力Fh，垂直于軸向及水平方向的力Fv，扭矩M；樁處的反力Fsx和Fsy。

1.2 環境載荷

絞吸挖泥船作業時主要考慮風、浪和流載荷的作用。其中風載荷根據各船級社規范推薦方法估算或由風洞試驗確定；波浪載荷可以通過三維勢流方法進行計算；流載荷可以采用相近船型近似估算或CFD方法進行計算。由于內河風浪很小，其作用在船體上的載荷可以忽略，而流載荷是影響作業安全的主要因素，因此僅考慮流載荷的作用。采用OCIMF推薦方法對水流力和力矩進行估算[1]。計算結果見圖2。

圖2 流載荷

式中：Fcx，Fcy，Mcxy分別為縱向流力，kN、橫向流力，kN、搖艏流力矩，kN·m；Ccx，Ccy，Ccxy分別為縱向流力系數、橫向流力系數、搖艏流力矩系數；ρc為水密度；Vc為流速；T為設計吃水。流載荷系數Ccx，Ccy，Ccxy根據相對于船舶的流向角、水深吃水比及船艏形狀確定。所設計挖泥船的船艏與報告提供的柱形艏相近，因此在計算中采用柱形艏的系數數據。

1.3 絞刀載荷

絞吸挖泥船在工作過程中，絞刀所受的切削力可以分解為作用在中心3個方向的力和扭矩：軸向力Fl，水平方向的力Fh，垂直于軸向及水平方向的力Fv，扭矩為M。通常采用如下近似公式計算[2]：

式中：P為絞刀功率；N為絞刀轉速；R為絞刀半徑；計算中取Cl=0.4；Cv=0.9；絞刀向上切削時Ch=1，向下切削時Ch=0.6，水平力的方向與絞刀的切削方向和轉動方向有關。

1.4 橫移系統載荷

當挖泥船繞定位樁旋轉時，有一邊錨鏈起主要拉動作用；而為了防止轉動過程中引起橋架擺動，另一邊錨鏈往往設有一個預張力，它一般取為較大錨鏈拉力的30%[3]，因此Fap和Fas之間的關系為Fap=αFas或Fas=αFap，α=0.3。

1.5 定位樁載荷

挖泥船作業時，定位樁一端插入泥沙中，另一端在臺車的卡箍中，在計算中將定位樁與船體假定為一剛體，泥沙對定位樁的作用力分解為X、Y方向的集中載荷，則定位樁上的總載荷：

2 絞吸挖泥船作業能力計算分析

2.1 計算工況

假定挖泥船繞樁從右往左順時針轉動，到達最大角度后從右往左逆時針轉動，將該過程分為4個階段，見圖3。

2.2 計算結果

對絞刀功率為1200 kW，900 kW，600 kW和0 kW（即絞刀不作業），絞車設計負荷為60 t和70 t時，流速為3 m/s，2 m/s和1 m/s等工況進行計算，得到圖4所示的所能達到的作業角度及對應情況下樁上的載荷。逆流順流針對絞刀作業而言，與船舶的相反。

圖3 計算工況

圖4 作業角度

對于逆流作業，第一、三階段中，流載荷起阻礙作用，第二、四階段則起推動作用，順流作業則相反。從計算結果可知，在起推動作用的階段，在小角度時，流載荷較小，絞車拉動船舶抵抗流載荷旋轉；在大角度時，流載荷較大，推動船舶旋轉，則為了穩定作業，原先起輔助作用的絞車變成主絞車，拉力變大，起阻止船舶旋轉的作用。因此認為在流載荷起推動作用階段，可以通過調節絞車拉力達到全范圍作業角度，挖泥船的作業范圍取決于流載荷起阻礙作用時能工作的角度，結果見表1，其中Ft為樁上載荷，取四個階段中的最大值，Δθ表示絞車設計負荷70 t相對于60 t時增加的作業角度范圍。

表1 絞刀功率1200 kW，不同絞車設計負荷時的結果（逆流，流速3 m/s）

對1.5倍水深吃水比的結果進行匯總，見表2～表5。

表2 逆流時不同情況下的作業范圍角度 （°）

表3 逆流時不同情況下樁上的最大載荷 t

表4 順流時不同情況下的作業范圍角度 （°）

表5 順流時不同情況下樁上的最大載荷 t

3 結語

通過對一急流航段絞吸挖泥船在不同絞刀功率、不同橫移絞車能力、不同流速、不同水深情況下的作業范圍和載荷進行了計算，得到如下結論：

1）淺水效應對挖泥船在內河作業的影響很大，水深越小，流載荷越大；

2）相同絞刀功率時，流速越大，作業范圍越小；相同絞刀功率，相同流速時，水深越大，作業范圍越大；絞刀采用較小的功率作業時，絞刀載荷減小，作業角度范圍增加；

3）絞車設計負荷從60 t增加到70 t時，作業角度增加，水深越大，流速越小，增加越多，建議采用70 t的絞車；

4）在絞車設計負荷為70 t時，順流都有較大的作業角度，但是樁上的載荷較大；

5）在逆流流速較大的情況下，即使絞刀不作業，若旋轉角度較大，可能導致絞車拉力不足以穩定挖泥船的不安全狀況，在這種工況下，挖泥船應在絞車拉力可控范圍內轉動，以保證安全。

本結論所涉及的內容僅針對討論的船型、船型參數在不同流速、水深情況下選用不同拉力的橫移絞車，能較安全的在一定轉角內施工。不涉及橫移錨抓地的技術性能，也不涉及定位鋼樁、臺車及其它設備的技術性能。

[1]OCIMF.Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs[R].1994.

[2]WIM VLASBLOM.Lecture Notes on Dredging Equipment and Techno-logy[M].Delft University of Technology，2003.

[3]張文宜，陳新權，譚家華.絞吸式挖泥船外力計算軟件及應用[J].中國港灣建設，2008（6）：6-8.