深水水下步履式整平機的研發(fā)

華寅超

中船第九設計研究院工程有限公司 上海 200063

水下拋石基床整平是重力式碼頭工程、航道整治工程等水工工程的重要施工工序之一。水下步履式整平機正是為此所研制的，它能在各種人力無法完成施工的條件下高質量、高效率地完成任務[1-4]。

然而目前水下整平機工作的最大水深極限為30 m，世界上工作水深最深的整平機可達到35 m。如果要適應更深的水下施工環(huán)境，將面臨水壓、水流、波浪、水下穩(wěn)定性、安全性等種種難題，是一個量變到質變的跨越。深水水下步履式整平機突破了30 m工作水深這一技術壁壘，研發(fā)出能在50 m水深條件下工作的整平機，以適應現(xiàn)今水深日趨加深的拋石基床整平工況。

1 水下步履式整平機簡介

1.1 水下步履式整平機組成

水下步履式整平機主要由主體結構、動力系統(tǒng)、定位檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

1.1.1 ?主體結構

整平機主體結構主要由電控動力室、塔架、機身、刮鏟系統(tǒng)等組成（圖1）。

1.1.2 ?動力系統(tǒng)

整平機采用液壓系統(tǒng)作為設備的動力系統(tǒng)，主要由動力源、液壓泵站、液壓電動機、油箱、液壓油缸、液壓管路和閥組等組成。

1.1.3 ?控制系統(tǒng)

整平機控制系統(tǒng)由工控機、可編程控制器（PLC）、各類按鈕組成，集中布置在中央控制臺上。

圖1 水下步履式整平機主體結構

1.1.4 ?定位檢測系統(tǒng)

整平機的定位檢測系統(tǒng)主要設備有測深儀、傾斜儀、角度儀、RTK GPS、位置傳感器、液壓系統(tǒng)壓力傳感器等。通過這些儀器，操作人員在控制臺上能精確掌握整平機的絕對坐標、姿態(tài)情況、執(zhí)行機構位置及狀態(tài)、拋石基床標高等，指導其進行整平機施工操作。

1.2 水下步履式整平機工作原理

操作人員控制整平機步行至指定工作區(qū)域，站穩(wěn)并調平機架。通過塔架上的GPS及整平臺車下方測深儀的數(shù)據(jù)反饋，系統(tǒng)計算出整平區(qū)域拋石基床的絕對高程。操作人員根據(jù)施工要求控制刮鏟對基床進行多次刮平，直至拋石基床的平整度和標高達到施工要求，而后采用壓輥裝置進行基床壓實。一個工作面的整平完成后，整平機采用步進方式通過縱向或橫向移動抵達下一個工作平面。

2 深水水下整平機技術參數(shù)

2.1 工作環(huán)境參數(shù)

水流及波浪是整平機工作的自然環(huán)境條件參數(shù)，是影響整平機穩(wěn)定性最主要的外部因素，通過對所收集的國內航道及沿海地區(qū)水域資料數(shù)據(jù)進行分析，并參考文獻[1]中介紹的深水拋石整平船“青平2號”的整平工作環(huán)境參數(shù)，以此為基礎制定深水整平機工作環(huán)境參數(shù)：最大工作水深50 m，最大工作水流2 m/s，最大工作浪高1.2 m，最大抗浪水流3 m/s，最大抗浪浪高2.5 m/s。

2.2 工作能力參數(shù)

日整平作業(yè)面積500 m2，整平精度5 cm，適用石塊質量5～100 kg。

3 深水水下整平機方案

3.1 方案分析

整平機依靠其機身上部的塔架把GPS天線送出水面以上，從而實現(xiàn)整平機的定位及整平面精度的測量。深水水下整平機其難點在于：

1）整平機在水下受到波浪及復雜水流等因素的影響，當整體高度超過50 m后，會產(chǎn)生較大的傾覆力矩，造成整平機穩(wěn)定性問題。

2）50 m高度的整平機在下水和出水時會給整機吊裝帶來極大的難度。

對于上述設計難點，解決方式如下。

3.1.1 ?減小整平機的傾覆力矩

整體高度增大后，由于上部塔架結構離開整平機撐腿距離變遠，力臂增大，其承載的水流力的作用效果被放大，塔架受水流力的力矩增大是引起傾覆力矩增大的原因。故在保證結構強度和剛度的前提條件下盡可能地減少上部塔架結構的水阻力。因此減小整平機的傾覆力矩的關鍵在于減小塔架的水阻力。

根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》“水流力”章節(jié)中的計算公式Fw=Cwρ V2A/2可以看出，水流力Fw和水流阻力系數(shù)Cw、水密度ρ、水流設計流速V、計算構件與流向垂直平面上的投影面積A成正比關系。當外部條件水密度和水流設計流速一定時，要減小水流力就要減小水阻力系數(shù)和構件與流向垂直平面上的投影面積。又根據(jù)各不同形狀墩柱的水阻系數(shù)，選用水阻系數(shù)較小又便于制造的圓形截面型材作為塔架的結構件。

3.1.2 ?增大抗傾覆力矩

整平機的抗傾覆力為整平機自身重力，通過增大整平機腿間跨度從而增大抗傾覆力臂，可達到增大抗傾覆力矩的目的。

3.1.3 ?降低整平機整體重心高度

對于整平機的安全性，還要考慮整平機在工作條件下可能出現(xiàn)小角度傾斜的情況。在整平機小角度偏斜的情況下，重心位置向外偏斜，重心越高，偏斜量越大，傾斜方向上重心的力臂減少越多，抗傾覆力矩越小。因此取消塔架上部電控動力室，設計中盡可能降低塔架的重心高度。

3.1.4 ?降低塔架高度

過高的塔架給吊裝帶來巨大的操作難度，主要的解決方案是采用可伸縮式的塔架形式，盡可能地降低吊裝時的塔架高度。

3.2 塔架結構設計

深水整平機塔架主要分為2個部分，分別為上部單鋼管結構及下部桁架結構。

上部單鋼管結構是由鋼管結構、GPS天線平臺、塑料浮筒組成，其上部設有一個小平臺，露出水面約4 m（50 m最大水深條件下），平臺用于安置2套GPS天線。小平臺下方設有一個圓環(huán)形的船用塑料浮筒，套裝在鋼管上。

下部桁架結構是由桁架本體、鋼管鎖緊裝置組成。其底部與整平機機身采用螺栓相連。塔架中心設有若干套筒，作為上部單管結構伸縮時的導向裝置。下部結構20 m高度處設有一個平臺，其上安裝有一對鋼管鎖緊裝置。構成塔架的各鋼管內部封閉不進水，在水中鋼管內部中空部分排水產(chǎn)生一定的浮力，抵消了鋼管的部分自重（圖2）。

圖2 自適應伸縮塔架

3.3 塔架伸縮原理

為方便整平機出入水時的吊裝操作，并適應不同深度水域的施工作業(yè)，整平機塔架具有可伸縮功能，并利用上部單管結構的浮筒提供浮力，通過浮力與單管結構重力的平衡，塔架的上部單管結構隨著水位變化可在下部桁架結構中進行上下運動，從而實現(xiàn)塔架高度的自適應調節(jié)，并保證GPS天線始終露出水面。

塔架的上部單管結構為塔架升降的主體，其頂部設有浮筒。浮筒沒入水中所產(chǎn)生的最大浮力略大于上部鋼管與浮筒自重的總和，因此帶動上部結構浮出水面，達到在不同的水位條件下自動調節(jié)塔架伸縮高度的目的。當高度調節(jié)到位后，下部塔架平臺上的鋼管鎖緊裝置鎖緊油缸伸出，完成鋼管鎖定。鋼管鎖緊裝置分為左右兩部分，分別由2個液壓油缸驅動，液壓油缸前端各設半個抱箍，頂伸到位后抱箍抱緊（圖3）。

圖3 鋼管鎖緊裝置

起吊時，鎖緊裝置松開，整平機吊耳安裝在機身上，當整平機被緩緩地起吊出水，其塔架上部鋼管隨出水過程慢慢收回，直至上部單管完全進入下部桁架結構內部，塔架回收完成。整平機總高度從50 m減小到36 m。

采用以上形式，整平機塔架具有自重增加少（在水中有浮力的條件下）、迎水面積小、重心較低、可自適應伸縮等特點，很好地解決了整平機塔架出水方案的主要技術難點。

4 設計驗證

本設計要解決的核心問題是整平機的水下穩(wěn)定性問題，設計是否滿足穩(wěn)定性的要求須進行驗證。整平機下部機身及其上設備結構形式復雜，水流通過此類復雜結構會引起湍流，湍流對整平機機架的實際影響很難通過計算公式算得。因此采用CFD仿真計算的方式計算整平機的水下穩(wěn)定性。并用ANSYS結構有限元分析，對伸縮塔架結構在水流作用下的剛度進行了計算。

4.1 CFD仿真計算

整平機上部塔架結構由于結構形式比較單一，通過公式計算即可得到較為準確的受力結果。整平機下部復雜的機身本體則需要借助試驗或CFD軟件幫助來進行計算。

經(jīng)計算：工作狀態(tài)下，在設計最高水流速度2 m/s時，整平機的穩(wěn)定性具有一定的富余量；在水流速度達2.85 m/s時，為整平機工作狀態(tài)下具備合格穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)。抗浪狀態(tài)下，在設計最高水流速度3 m/s時，整平機的穩(wěn)定性具有一定富余量；在水流速度達到4 m/s時，為整平機抗浪狀態(tài)下具備合格穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)。

4.2 塔架結構受力分析

由于塔架結構是作為GPS天線的支撐架體，而GPS為整平機進行水平和高程方向上的定位的核心設備，更是保證整平機作業(yè)精度重要的一環(huán)，因此塔架受水流力后的變形量是設計必須考慮的問題。整平機水平方向的定位精度要求不高，而在高程方向上，由于是作為基床絕對高程的測量儀器，其必須保證整平機高程方向的施工精度在5 cm以內。因此塔架受水流和波浪的作用后在縱向的位移不能過大，否則會影響GPS對拋石基床高程的正確測量。

將CFD計算所得的水流力力矩數(shù)值及計算公式算出的波浪力力矩數(shù)據(jù)導入到ANSYS結構分析模塊中進行計算。考慮設備在實際的運用中只需關注工作狀態(tài)下的GPS高程精度，因此只計算2 m/s流速下塔架的變形量。

建模加載后對塔架剛度進行計算，根據(jù)塔架在高程方向上的變形量可知，其最大位移量為5.78 mm（圖4）；根據(jù)塔架在水平方向上的變形量可知，其最大位移量為134.40 mm（圖5）。由于塔架高度高，其一旦產(chǎn)生小角度偏斜，頂端橫向位移將被成倍放大，而縱向的位移卻不明顯。根據(jù)計算數(shù)據(jù)，在最大工作水流力及波浪力的作用下，高度方向的最大變形量在毫米級，對GPS高程測量影響很小，滿足設計要求。

圖4 塔架結構高程方向位移

圖5 塔架結構水平方向位移

5 結語

通過改造整平機的塔架形式，取消原塔架上部的電控動力室（將其安置于工作母船上），把塔架的功能定位于只負責將GPS天線托出水面。根據(jù)這一特點，在剛度滿足要求的條件下，盡可能減少塔架的水阻系數(shù)及迎水面積來減小整平機所受的傾覆力矩。并考慮了機體高度過高不利于吊裝的問題，設計了自適應型的塔架伸縮系統(tǒng)，大幅度提高了設備在運輸及使用過程中的安全性與可操作性。并經(jīng)計算驗證，本設計方案在各工況條件下都滿足整平機穩(wěn)定性的要求，并有足夠的安全系數(shù)。對絕對高程方向上的精度影響也較小，滿足定位精度要求，解決了深水水下整平機在50 m水深條件下進行正常施工作業(yè)的技術難題。