大型抓斗式疏浚工程船抓斗比較與適用性分析

馬曉晶，魏富龍

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200126)

大型抓斗式疏浚工程船抓斗比較與適用性分析

馬曉晶，魏富龍

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司,上海 200126)

針對(duì)大型抓斗挖泥船的抓斗選型問題，分析電液抓斗和機(jī)械抓斗兩種疏浚抓斗的特點(diǎn)及大型抓斗研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)，從最大斗容、結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、控制、成本及維護(hù)性對(duì)兩種抓斗進(jìn)行綜合性比較，認(rèn)為大方量尤其是百方級(jí)以上的抓斗挖泥船電液主動(dòng)抓斗更具適用性和可行性。

抓斗式疏浚工程船，機(jī)械抓斗；電動(dòng)液壓抓斗

抓斗式挖泥船在疏浚工程中應(yīng)用廣泛，現(xiàn)有的抓斗船所使用的以機(jī)械重力式抓斗為主，隨著設(shè)計(jì)、生產(chǎn)水平的提高，對(duì)抓斗船生產(chǎn)能力、適應(yīng)土質(zhì)及挖泥效率等要求也相應(yīng)越來越高，重力機(jī)械式抓斗逐漸無法滿足使用需求。近年來大型抓斗式疏浚工程船開始受到關(guān)注，生產(chǎn)、使用單位競(jìng)相研發(fā)，一方面在向抓斗機(jī)的國(guó)產(chǎn)化努力，另一方面也嘗試在斗容、挖深等方面有所突破，以提高現(xiàn)有抓斗機(jī)的挖掘能力[1-2]。針對(duì)200 m3大型抓斗式疏浚船的抓斗選型問題，分析大型電動(dòng)液壓抓斗和機(jī)械重力抓斗的關(guān)鍵技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性及可行性，對(duì)兩種抓斗進(jìn)行綜合適用性比較，為大型抓斗挖泥船的抓斗選型提供參考。

1 兩種抓斗的特點(diǎn)及大型化技術(shù)難點(diǎn)

1.1 機(jī)械重力抓斗的特點(diǎn)

機(jī)械抓斗技術(shù)成熟，純機(jī)械結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，可靠性高且制造成本低，便于維修。

抓斗挖泥船所用機(jī)械抓斗多為兩瓣蚌殼式，通過開閉繩抽繩和自重實(shí)現(xiàn)開閉斗動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機(jī)械重力式抓斗結(jié)構(gòu)示意

機(jī)械抓斗的起升鋼絲繩分支持繩和開閉繩兩組。支持繩組與抓斗斗體為剛性連接，開閉繩組纏繞在滑輪組上。

1.2 大型疏浚機(jī)械抓斗技術(shù)難點(diǎn)

機(jī)械抓斗受其開閉斗形式的影響，斗容受到很大限制。根據(jù)目前配套件水平及抓開閉繩抽繩倍率等綜合因素計(jì)算，抓斗能達(dá)到的最大重量380 t(含物料重量，鋼絲繩安全系數(shù)4.05)，按照容重比3(滿足大多數(shù)作業(yè)土質(zhì))計(jì)算，抓斗最大斗容為80 m3[3-5]。

大斗容機(jī)械抓斗的另一個(gè)技術(shù)瓶頸就是開閉斗的控制。由于起重量大、鋼絲繩數(shù)多，為保證抓斗完全閉合只能采用速度控制方案，即采用開閉繩和支持繩保持一定的速度差，以保證抓斗的完全閉合，避免漏料，但無法保證鋼絲繩受力均勻。實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)支持繩長(zhǎng)時(shí)間受力過大使用壽命不長(zhǎng)的情況，需經(jīng)常更換。且由于斗容增加，相應(yīng)的鋼絲繩直徑增粗，給更換帶來很大不便。

從抓斗機(jī)整體設(shè)計(jì)角度分析,機(jī)械抓斗還有布置困難的缺點(diǎn)，斗容越大繩數(shù)越多空間布置難度越大，且需要預(yù)留抽繩長(zhǎng)度相應(yīng)卷筒長(zhǎng)度也會(huì)加長(zhǎng)，占用空間大。

1.3 電液主動(dòng)抓斗的特點(diǎn)

近年來，電動(dòng)液壓抓斗發(fā)展十分迅速，在煤炭、砂石、礦石、木材等各使用工況均已有規(guī)格齊全、品種繁多且性能良好的產(chǎn)品。在挖掘疏浚工程作業(yè)方面，具有操作簡(jiǎn)單、更換方便及挖掘性能好的優(yōu)勢(shì)[6]。液壓抓斗通過液壓油缸伸縮實(shí)現(xiàn)開閉斗動(dòng)作，吊點(diǎn)設(shè)置在抓斗結(jié)構(gòu)上部與鋼絲繩剛性連接。液壓動(dòng)力系統(tǒng)布置在抓斗上部箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過水下電纜傳輸動(dòng)力[7]。抓斗大小、功能不同，布置形式也有所不同。電液主動(dòng)式抓斗結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 電液主動(dòng)式抓斗結(jié)構(gòu)示意

1.4 大型疏浚電動(dòng)液壓抓斗的優(yōu)勢(shì)

1)斗容大。由于不需要考慮開閉繩受力不均及抽繩長(zhǎng)度、抓斗高度等問題，電液抓斗可達(dá)到的最大起重量約為690 t(含物料重量，鋼絲繩安全系數(shù)5)，按照容重比3(滿足大多數(shù)作業(yè)土質(zhì))計(jì)算，抓斗最大斗容約為200 m3。

2)挖掘性能好。抓斗在抓取物料時(shí)，抓斗的閉合運(yùn)動(dòng)與抓斗深入物料的運(yùn)動(dòng)疊加實(shí)現(xiàn)挖掘，在抓斗填充過程行將結(jié)束時(shí)，由于抓取阻力大大增加，要求抓斗傳動(dòng)裝置能夠提供越來越大的閉合力。抓取阻力與顎板刃口上的閉合力之間的消長(zhǎng)循環(huán)，對(duì)于抓斗的填充過程具有決定性的影響。機(jī)械抓斗靠抓斗自重閉合，因此最大閉合力不會(huì)超過抓斗自重與物料重量之和，而液壓抓斗閉合靠油缸控制不受抓斗自重局限且沒有開閉繩拉力對(duì)自重的向上平衡作用，更有利于抓斗深挖物料[6]。

3)鋼絲繩使用壽命長(zhǎng)。液壓抓斗鋼絲繩與斗體為剛性連接，沒有多倍率纏繞的開閉繩裝置，鋼絲繩損耗較小且各繩受力較均勻，更換頻率小，抓斗使用效率隨之提高。

1.5 大型疏浚電液抓斗技術(shù)難點(diǎn)：

由于我國(guó)電動(dòng)液壓抓斗的使用研制屬于剛剛起步階段，大型電液抓斗的研制主要存在以下難點(diǎn)。

1)制造成本高。造成高成本的原因不能僅從液壓抓斗結(jié)構(gòu)復(fù)雜考慮，因?yàn)橐簤鹤ザ窞闄C(jī)電液一體的系統(tǒng)，制造成本必然高于機(jī)械抓斗，讓使用單位和制造廠商望而卻步的是其隱形成本。國(guó)內(nèi)幾乎沒有生產(chǎn)制造電液疏浚抓斗的經(jīng)驗(yàn)，可以說每制造一部都是首制，因此研發(fā)費(fèi)用往往計(jì)入成本；另一個(gè)隱形成本既為風(fēng)險(xiǎn)投入，由于首次研制又無太多先例可循，產(chǎn)品能否達(dá)到預(yù)期的使用效果，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2)液壓元件可靠性未知。液壓系統(tǒng)是抓斗重要組成部分，在水下密閉空間中液壓元件的散熱及抗振性能是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求目前沒有可靠的數(shù)據(jù)支持。另外液壓元件維修保養(yǎng)要求高，維修工藝復(fù)雜。

3)水下動(dòng)力傳輸電纜需定制。按照目前配套件廠商的技術(shù)水平，具備生產(chǎn)符合要求的水下電纜的只有幾家國(guó)外廠商，且需特制，訂貨周期長(zhǎng)，成本也較高。

2 兩種抓斗比較

兩種抓斗的綜合比較見表1。

表1 兩種抓斗綜合比較表

對(duì)整船船型、機(jī)構(gòu)布置及抓斗結(jié)構(gòu)形式等各方面綜合比較表明，對(duì)于大方量尤其是百方級(jí)的抓斗挖泥船，機(jī)械重力抓斗受到自身特點(diǎn)局限、配套件限制及控制方案上的技術(shù)瓶頸等因素影響，無法達(dá)到使用要求。電液抓斗雖然我國(guó)相關(guān)研制、使用經(jīng)驗(yàn)較少，但目前技術(shù)上并沒有無法解決的難題，且國(guó)際上已有成功先例。因此，電液抓斗在大型抓斗挖泥船上的適用性和可實(shí)現(xiàn)性遠(yuǎn)高于機(jī)械抓斗，優(yōu)勢(shì)更為明顯[7-8]。

3 結(jié)論

1)雖然常規(guī)機(jī)械抓斗制造成本低、用戶維修及使用經(jīng)驗(yàn)豐富，但是大型機(jī)械抓斗的開發(fā)研制存在很難突破的技術(shù)瓶頸。

2)電液主動(dòng)抓斗斗容大、挖掘性能好且鋼絲繩使用壽命長(zhǎng)，大型電液抓斗的開發(fā)研制雖然存在技術(shù)難點(diǎn)，但技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)突破。

3)大型疏浚抓斗尤其方量在百方級(jí)以上，電液主動(dòng)式抓斗的適用性和可實(shí)現(xiàn)性遠(yuǎn)高于機(jī)械重力式抓斗。

[1] 周銀龍.電動(dòng)液壓抓斗縱論[J].港口裝卸,1997,2:34-39.

[2] 倪福生.國(guó)內(nèi)外疏浚設(shè)備發(fā)展綜述[J].海河大學(xué)常州分校學(xué)報(bào),2014(3):1-9.

[3] 中華人民共和國(guó)交通部,JTJ/T 320-96.疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民交通出版社,1996.

[4] 劉 丹，陳新權(quán)，楊 啟.大型自航抓斗疏浚船總體設(shè)計(jì)研究[J].船舶工程，2015(3):6-9.

[5] 姚 佶.挖泥船的分類與發(fā)展研究[J].科技風(fēng),2012(4):224.

[6] 張海寧.疏浚抓斗力學(xué)特性分析及仿真實(shí)驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué).2014.

[7] 鄒晟,李竹森,肖漢斌,等.抓斗挖泥船疏浚工藝研究與設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2014(2):139-143.

[8] 范翠玉,馮寧麒,張篤生，等.1m3全液壓抓斗挖泥船的研制[J].水運(yùn)科學(xué)研究所學(xué)報(bào),1997(2):1-9.

Comparison and Applicability Research of Dredging Grab for Large Grab Dredgers

MA Xiao-jing, WEI Fu-long

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200126, China)

The technical difficulties and characteristics of the hydraulic dredging grab and the mechanical dredging grab are analyzed. The maximum capacity, the characteristics of structure and mechanism, control, cost and maintenance of the two type of dredging grab are compared and analyzed. It can be concluded that the hydraulic dredging grab is more applicability and feasibility for a large dredger.

grab dredger; mechanical dredging grab; hydraulic dredging grab

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.039

2015-08-18

工信部項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝2012539號(hào))

馬曉晶(1981-)，女，碩士，工程師

U674.3

A

1671-7953(2015)06-0169-03

修回日期：2015-09-07

研究方向:挖泥船疏浚機(jī)械

E-mail: Maxiaojing2008@zpmc.net