40 m雙體全自動水上垃圾清掃船的研制

占金鋒

(天海融合防務裝備技術股份有限公司,上海 201612)

0 引言

隨著環境問題日益突出，水環境保護越來越受到人們的關注。水面漂浮垃圾的污染已經逐步威脅到市民的飲水安全、環境衛生及市容市貌，因此，機械化清理水面垃圾已成為重要的水環境保護措施。

目前，國內外對水面垃圾的清理一般采用人工打撈方式和機械打撈方式。人工打撈水面垃圾方式利用半艙式或甲板機動駁船, 由環衛工人手持網兜等工具站在甲板邊上直接將垃圾撈上來。這種作業方式勞動強度大、工作環境惡劣, 效率也十分低下。 傳統的機械方式采用翻斗式和導向門式設計的水面垃圾清理船，利用液壓裝置對垃圾進行打撈。這種水上垃圾清理船一般為單船體，由收集裝置、存儲裝置等組成。收集裝置的形式主要有傳送帶、翻斗以及造流收集等，其作用是把前方的漂浮垃圾引導過來, 收集到專用的垃圾存儲箱內。這種船舶盡管已經實現了機械化作業，效率較人工打撈方式有所提高，但仍然存在船舶甲板面積太小，作業設備布置干涉太多，船員工作居住環境較差，自動化程度還不夠高，垃圾收集范圍及速率仍有限，不能實現連續運轉作業等問題。因此，隨著各城市對水環境治理的日益重視，研制更加高效、適用的新型水上垃圾清掃裝備十分必要。

基于原建造交付的30 m以下的批量垃圾清掃船，進一步從船舶主尺度及船型選擇、功能及布置綜合、設備與系統集成、自動化控制應用等方面研究改進，優化設計了新型40 m雙體全自動水上垃圾清掃船型。其主要技術性能指標達到和超過了原設計任務書的要求，較原來水上垃圾打撈清掃船在功能布置、人員居住、自動控制及作業效率等方面有了較大的提升。

1 船舶主要技術參數及總體布置

1.1 船型及清掃作業流程

近年來，設計建造的批量專用水上垃圾清掃船，通過設置清掃打撈裝置與液壓調節裝置、伸縮式電動皮帶輸送機、電子皮帶秤、雙螺旋壓榨機組，將垃圾秤重后，經過伸縮式電動皮帶輸送機集中輸送至伴行的船舶貨艙內。而最新設計建造的40 m雙體全自動水上垃圾清掃船基于原批量船型進行優化改進，加大了船體尺度，提升了作業效率，增強了自動化功能，實現了清掃、打撈、裝卸一體化作業。該船為雙體船型，主甲板為垃圾輸送及轉運區域，包括液壓清掃打撈裝置與液壓調節裝置、伸縮式電動皮帶輸送機、電子皮帶秤、儲存轉運裝置。全部作業設備的控制系統采用就地操作模式，同時在駕駛室設置全部設備的應急切斷按鈕，配置手持式無線遙控器，作業效率得到極大提升，自動化程度較高。該船作業流程如圖1所示。

圖1 全自動垃圾清掃船作業流程圖

1.2 船舶主要技術參數

最大船長

～42.00 m

總長

～37.50 m

水線長

37.45 m

兩柱間長

36.00 m

最大寬度

8.60 m

船寬

8.20 m

片體寬

2.70 m

型深

2.60 m

設計吃水

1.80 m

排水量

～260 t

最大航速

～10 kn

船舶定員

9人

清掃打撈作業寬度

～2.6 m

最大保潔寬度

～12 m

清掃打撈作業深度

～0.5 m(水面以下)

1.3 總體布置

本船為對稱線型雙體船的內河機動專用工作船，船體采用單底、單殼、單甲板、艉機型、全鋼質全焊接結構形式，動力裝置采用雙機、雙槳、雙舵的推進方式。根據中國船級社(CCS)的規范和中華人民共和國海事局的規則中關于內河A 級船舶的要求進行設計。

主甲板上布置垃圾輸送及轉運設備。駕駛甲板設置船員、工作人員住居及生活艙室、會議室、船舶駕駛室等，配備生活設施及相關船舶操控設備。

40 m雙體全自動清掃船又作為工作母船，在艉部配置輔助工作子船。工作子船平時安放在主甲板上，獨立作業時可下沉至水中自主航行。工作子船的收放過程由母船自帶的升降平臺獨立完成。升降平臺載重量為5 t，最大尺寸為7 m×2.6 m。該平臺采用液壓控制方式，通過叉車導軌升降形式可下沉至水下0.8 m水深處，也可上升至主甲板平面。同時，通過母船下層空間的甲板橫梁，設置2 根導軌 (船舯區域)，可參考伸縮舷梯形式，配掛1 臺電動葫蘆，將升降平臺上作業裝備所收集與儲存的漂浮廢棄物吊運至母船的儲存轉運裝置中。

40 m雙體全自動水上垃圾清掃船總體布置示意圖如圖2所示。

2 船舶主要功能及清掃裝置的配置

2.1 主要功能

水面垃圾全自動清掃船針對水面環境污染的問題，致力于湖泊、河流等水域的固體垃圾清理，如：塑料袋、飲料瓶、樹枝樹葉、其他易清理的水面垃圾，以及水葫蘆等水生物的清理。它自動將水上漂浮的垃圾從水面打撈后，直接裝運或者經壓縮后裝運到垃圾處理廠進行處理。開發設計的40 m雙體全自動水上垃圾清掃船作為服務國內各內河水域的多功能保潔作業船，當前主要適用于上海黃浦江景觀水域及相關水域收集水面垃圾及漂浮廢棄物，并且滿足水生植物高發時期定點打撈、連續轉運的作業需要。同時，能將收集的垃圾自動卸載到指定的裝載船、岸上碼頭、垃圾運輸車等相應設備上。

2.2 清掃裝置配置

本船主要作業設備包括：液壓開啟導流裝置、消防水炮噴射裝置、液壓清掃打撈裝置與液壓調節裝置、伸縮式電動皮帶輸送機、電子皮帶秤、儲存轉運裝置。全部作業設備的控制系統采用就地操作模式，同時在駕駛室設置全部設備的應急切斷按鈕，配置手持式無線遙控器。此外，船艉設置升降平臺，便于工作子船在作業工作母船上實現收放自如。

(1)液壓開啟導流裝置通過各個片體艏部由液壓驅動的襟翼舵形式導流裝置進行水流導向，有利于水面漂浮物進入液壓清掃打撈裝置的前端。同時，還有利于增加保潔作業船舶對水域清掃面的寬度，能夠明顯提升清掃打撈的保潔范圍。

(2)消防水炮噴射裝置由船艏左右舷分別設置的一套消防水炮(規格：噴射流量17 L/s、射程40 m)組成，日常作業時使用靠岸側的一套消防水炮，或者同時使用兩套消防水炮在船艏交叉噴射。機艙內設置兩臺消防炮專用泵(規格：60 m3/h×0.75 MPa)作為水炮噴射裝置的動力水源，提供具有較高壓力的消防水。該系統在船舶作業時進行人工噴水造流，可以更好地打撈收集靠岸死角處的漂浮垃圾，也可以較好地驅趕或攔截水面漂浮物引導進入清掃打撈裝置前端。

(3)清掃打撈裝置的輸送形式采用先進的排鏈式。輸送鏈條由高強度尼龍扣、不銹鋼鏈軸和連接片組成，尼龍扣上帶有的突齒能有效勾掛漂浮水生植物，其間隙能在整個清掃打撈過程中保證漂浮水生植物的充分濾水。主要技術參數為：安裝角度30°～35°，鏈齒運動速度10～15 m/min，鏈齒有效寬度2.6 m，浸入水深0.5 m，采用電動形式，通過變頻啟動及調速。該裝置升降采用液壓驅動，通過頂升油缸的動作來實現清掃打撈裝置角度的調整。

(4)電子皮帶秤由四部分組成：稱重橋架、稱重傳感器、速度傳感器及測速滾筒、稱重控制器。主要參數為：稱重范圍0.5～200 t/h，皮帶寬度約3 m，稱重區標準長度約2.4 m，皮帶輸送機傾角18°，計量精度±0.5%。

(5)儲存轉運裝置的輸送形式采用先進的排鏈式，其輸送鏈條由不銹鋼鏈軸和連接片組成，其間隙能在整個清掃打撈過程中保證漂浮水生植物的充分濾水。主要技術參數為：安裝角度0°～20°，鏈齒運動速度3～8 m/min，鏈齒有效寬度2個×1.6 m,四周的擋板高度1.5 m，儲存容積約60 m3。儲運裝置正轉工況時進行收集儲存，反轉工況時輸送轉運。

1—導流裝置；2—垃圾清掃裝置；3—電子皮帶秤；4—垃圾轉運裝置；5—垃圾存儲裝置；6—液壓升降平臺；7—消防水炮引流裝置。

(6)伸縮式電動皮帶輸送機承接垃圾并將其傳送到伴行的船舶貨艙里。主要技術參數為：輸送帶額定稱量30 kg/m，輸送帶工作速度60 m/min，輸送帶有效寬度1 m，輸送機伸縮有效行程10 m。

3 船舶主要特點及創新點

(1)本船采用雙體船型，較好解決了專用設備布置及船員居住空間的矛盾，提高了船舶的穩性和工作人員的舒適性。中部空間區域便于安裝整套清掃、轉運裝置，使船型與專用設備能夠完美結合。同時，清掃及轉運設備布置在中部空間，在兩舷側設置整體玻璃幕墻，使本船相對其他清掃船外觀更為協調，美觀大方。

(2)本雙體全自動清掃船采用母子船組合形式，可作為一艘工作母船，配置輔助工作的若干工作子船。子船通過液壓升降平臺放入水中，還可將子船清掃的垃圾收集到母船上。這樣作為大型清掃船作業時，可以通過配備的子船在角落、汊流、淺水灘涂等區域進行輔助和補充清掃，做到清掃無死角，并行作業，能極大提升作業效率。

(3)艏部設有流線型襟翼舵型式液壓開啟導流裝置，在船舶航行時收回以減小航行阻力。工作時由液壓驅動各個片體艏部進行水流導向，這樣有利于水面漂浮物進入液壓清掃打撈裝置的前端。同時，還有利于增加保潔作業船舶對水域清掃面的寬度，最大達到約12 m，明顯提升了清掃打撈的保潔范圍。

(4)設有高壓消防水炮噴射裝置來造流。日常作業時使用靠岸側的一套消防水炮，或者同時使用兩套消防水炮在船艏交叉噴射，進行船舶特殊作業時的人工噴水造流。這樣可以更好地打撈收集靠岸死角處的漂浮垃圾，也可以較好地驅趕或攔截水面漂浮物并將其引導進入清掃打撈裝置前端。相對于一般清掃船所設置的明輪式或機械式造流更為有效，作業更為方便。

(5)清掃打撈裝置的輸送形式采用先進的排鏈式，其輸送鏈條都是由高強度尼龍扣、不銹鋼鏈軸和連接片組成，尼龍扣上帶有的突齒能有效勾掛漂浮水生植物，其間隙能在整個清掃打撈過程中保證漂浮水生植物的充分濾水。清掃打撈裝置升降采用液壓驅動，并通過頂升油缸來實現變幅。清掃打撈裝置安裝角度的調整，可以滿足不同根深的漂浮水生植物打撈作業的工況要求。

(6)整套清掃打撈裝置可實現機旁手動及駕駛室自動控制，同時還配備有手持式遙控器控制，能夠實現多工位、全自動的靈活操控。本船設置的垃圾電子稱重裝置，能實現打撈轉運垃圾的科學計量，既便于垃圾量的統計計量，又能有效實現轉運裝載垃圾船舶及車輛的噸位統計，避免超載。

4 結語

近年來，設計建造的批量水上垃圾清掃船，從收到船東的使用反饋意見來看，其主要技術性能指標達到和超過了原設計任務書的要求，在很大程度上提高了我國水上垃圾打撈清掃裝備的整體水平。40 m雙體全自動水上垃圾清掃船建成交付后，在上海黃浦江45 km景觀水域保潔及水面垃圾清掃中發揮了重要作用，組合子母船協同作業，效率極大提高，使用效果十分良好，為上海水域環境保潔提供有力的保障。如今，隨著社會經濟的飛速發展，環境問題日益突出，水環境保護也越來越受到人們的關注。水上清掃保潔船的需求量很大，因此不斷優化改進的40 m雙體全自動水上垃圾清掃船具有良好的市場前景。