開底式拋石船的改裝設計

趙明林，張偉利

(天津濱海博泰海事工程技術有限公司，天津 300456)

隨著各種水上大型交通設施及水利設施的建設，對水下基礎的防護要求會越來越高，通常需要對水底泥面進行拋石、拋袋或鋪排等措施進行防護，以保持河床的穩定性，本文介紹的一型新開發的開底式拋石船，這種船型能滿足淺水急流區石塊拋填的施工需要，克服了原施工工藝船側自由拋水底石塊均勻度低的缺點，既提高了工作效率又能節省施工材料。

1 船舶設計的基本要求

由于本船是為了滿足某大橋河床防護施工需要而專門設計開發的新船型，在原有的定位船的基礎上增加拋石浮箱模塊，拋石艙、底門、挖掘機過駁跳板等全部集成在新加模塊上，拋石底門控制專用絞車安裝在原定位船甲板上，新加模塊在國內整體建造調試完成，整體運輸至國外施工現場進行水上拼裝，這樣既節約成本又提高了整體改造進度，整船改造的設計基礎如下。

1)作業條件。施工最大水深，20 m；波高,≤1.0 m；最大流速,≤2 m/s；作業環境溫度，0 ～45 ℃；石料最大質量，≤800 kg；拋石平均厚度，80 cm；拋石精度，±30 cm。

2)氣象條件。蒲氏6級風情況下能正常作業，蒲氏8級風施工地點拋錨避風。

3)作業要求。四艙同時作業單次拋投約60 t，每小時拋石量不小于500 t。

4)執行規范。船舶的改造設計滿足CCS《鋼制內河船舶建造規范》，中華人民共和國海事局《內河船舶法定檢驗技術規則》。

2 船型設備的基本布置

本船由非自航工作駁船船型改造而成，原船為浮箱拼裝船，其船長36.0 m，型寬7.2 m，型深2.2 m,設計吃水0.7 m;改裝后船長為36.0 m,型寬11.7 m,型深2.2 m,設計吃水0.9 m。

改造后的船仍采用6纜水上定位，艏艉端各設3臺定位錨機，工作時艏艉各斜向“八”字拋出2口錨，沿船舶縱向各拋1口錨，由于帕德瑪河水流較急，一般本船工作時沿水流方向縱向布置，4口“八”字形可控制船舶的橫向移動定位，艏艉縱向錨可實現船舶的縱向定位及移動，船舷的右舷為新加裝的拋石模塊，模塊上設4個拋石艙，每個石艙的尺寸為5 050×1 600×1 000,單艙裝載石料約15 t，石艙的底部為一個單側開啟的底門， 通過特殊設計絞車的牽引能實現自由落體打開，拋石后緩慢閉合，為防止石塊裝填和拋落時損壞底門牽引索，設計時特意將牽引索與底門連接的部分選用足夠強度的錨鏈并加隔艙保護，圖1為改造方案布置示意圖，圖2為改造后的實船圖。

主要改造工作是在原有水上定位船的右舷加裝拋石模塊，原船結構及布置不做重大修改。由于要求拋石艙的底門打開要迅速，考慮到開門時水阻力的影響，所以設計時盡可能將底門抬高，方案最終將底門的上平面與模塊的主甲板平齊，這樣在底門完全打開時只有門緣少量入水，水阻力影響甚微，石艙用艙口圍板設置在主甲板平面以上，圖3為拋石艙的橫剖面示意圖。

圖1 改造后拋石船布置示意圖

如圖3所示，底門的一側通過鉸鏈與模塊船體連接在一起，另一側兩端與開門專用絞車的2個同步繩卷筒連接，底門整體將石艙的底部封閉，為防止底門在裝載石塊時砸傷，設計時特意將底門的面板加厚，同時上面鋪設50 mm的硬木板，底門完全打開時整個石艙就變成一個無底的方框，石艙內積的石料整體自由落體拋下，由于艙口圍板和船體的約束，艙內石塊脫離船體時仍呈現矩形體，脫離船體后在水阻力的作用下石塊會有一定的分散飄移，但整體分散范圍可控，通過模型試驗，水深15.0 m時,石艙堆積1.0 m厚的石塊整艙自由拋落后,水底會形成0.8 m厚的比較均勻的拋石層。

圖2 改造后實船圖

圖3 拋石艙橫剖面示意圖

堆

整船拋石工作時，使用DGPS定位在拋石地點，運送石料的駁船靠泊在本船的右舷，在駁船上使用反鏟式挖掘機向石艙內裝填石料，當石艙裝填到要求高度后，絞車液壓剎車迅速打開，整艙石料拋落。當一艘運輸駁船的石料拋完后，即將離開時，可將安裝在拋石船上的挖掘機過駁跳板搭接在運貨駁船上，挖掘機直接開到拋石船的挖掘機停車平臺上，升起跳板，駁船駛離，待第二條運輸駁船靠泊完成后，放下跳板，挖掘機直接開到駁船上繼續進行石料裝填作業。

挖掘機跳板布置示意圖見圖4。

圖4 挖掘機跳板布置示意圖

3 特種絞車的設計

要實現拋石艙底門的迅速開啟，在拋石后緩慢關閉，同時在裝填石料時底門還要承擔近15 t的負荷，這種絞車的功能是非常特殊的，設計起來也比較困難，而且結構復雜，本文重點介紹此項目的特種絞車。圖5為特種絞車結構示意圖。

絞車由電動機、減速機、內漲式摩擦離合器、液壓帶式制動器、釋放行程限位裝置(齒輪/棘爪機構)、帶繩槽的雙卷筒、液壓動力系統、整體叉頭十字節萬向軸等組成，卷筒上安裝彈簧壓繩裝置以防止快速釋放時跳繩，并提供底門閉門限位信號接口，除卷筒和連接軸外，裝置集成在一個公共底座上。

絞車的設計參數為：額定負載，2×20 kN；支持負載,2×120 kN；鋼絲繩直徑,24 mm；卷筒繩速,≥4 m/min (共一層)；出繩方向,上出繩；容繩量,2×10 m；電機,YZ132-6-H，3.7 kW；每條船上的4臺絞車共用1個控制箱，既能單動也能聯動，同時還有遙控功能。

本絞車由于2卷筒的位置分別對應于1個拋石艙底門兩側的連接耳板，所以間距很大，設計間距約5.2 m,考慮到船上安裝的精度及平整度要求，在每個卷筒的兩側各設有1個強軸承架，這樣每個卷筒就能獨立安裝了，不必和絞車本體安裝在1個公共底座上，為彌補軸線上的誤差，2個卷筒的動力輸入軸上均安裝有2套叉頭十字節。

絞車按照以下順序工作。

1)內漲式摩擦離合器和液壓帶式制動器均剎車閉合，拋石艙底門關閉，此時可向石艙內裝填石塊，待石塊裝填到要求高度時，操縱拋石按鈕內漲式摩擦離合器先行打開，程序延時1～2 s后，液壓帶式制動器迅速打開，兩卷筒在底門的帶動下同軸無阻力釋放，石艙中石塊自由落體拋落。

2)底門開啟后，經過適當的延時后(延時時間可調整)，液壓帶式制動器動作，限制卷筒的過度釋放，由于液壓帶式制動器工作特性，剎車的過程比較平緩，不會造成太大的沖擊，如液壓帶式制動器作用不及時，則備用裝置齒輪/棘爪機構開始作用，在棘爪機構上安裝彈簧裝置，及時緩解剎車沖擊力，卷筒上的鋼絲繩壓繩裝置保障鋼絲繩正常纏繞，不會因為絞車的突然制動而發生跳繩現象。

3)液壓帶式制動器將滾筒軸剎住后，操縱閉門按鈕使液壓離合齒輪箱閉合，并打開液壓帶式制動器，絞車將底門關閉。

4)底門完全關閉后，觸發船體上安裝的限位開關，給絞車發送信號，液壓帶式制動器動作，將卷筒軸剎死，同時停止絞車電機。

4 結束語

本船的設計、改裝比較成功地解決了水下拋石的準確性問題，同時提高了拋石的均勻性及拋石效率，該船在孟加拉帕德瑪大橋河道防護工程施工中表現良好。此船型為國內首次開發，對以后類似的工程施工船型的設計有一定的參考及借鑒作用。

1-卷筒;2-傳動軸;3-減速箱;4-釋放行程限位裝置;5-傳動齒輪;6-內漲式摩擦離合器;7-液壓帶式制動器;8-液壓動力裝置;9-電動機圖5 特種絞車結構示意圖