耙吸挖泥船自立式泥門啟閉裝置

夏鋮，胡京招，潘旭皓，楊順，吳騰偉*

（1.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海201208；2.中港疏浚有限公司，上海200129）

0 引言

耙吸挖泥船是一種廣泛應用于海上吹填疏浚類工程的施工船舶。其上配備的主要疏浚裝備有：泥泵、耙頭、高壓沖水泵、波浪補償器、環保溢流筒、泥門等。其中，泥門作為水下快速卸泥的核心裝置，是保證耙吸挖泥船完成自裝、自卸作業的關鍵設備。泥門根據結構形式主要分為圓錐形泥門、平移泥門、方形泥門。圓錐形泥門的優勢在于開閉過程與船體泥門框結合緊密，防泄漏性能好，且不易被卡阻變形損壞，但是開口面積較小，排泥效率較低；平移泥門又稱抽屜式泥門，是早期耙吸挖泥船上使用較多的泥門類型，但是容易產生變形、密封性差、容易故障、維護困難，在近年來設計建造的耙吸挖泥船上很少應用；方形泥門包括對開式和單開式結構，打開角度和開口面積大，卸泥效率高，但卸泥時鉸鏈區域容易掛連障礙物，關閉后引起鉸鏈區域卡阻變形，長久使用后密封性能較差[1-4]。

隨著疏浚施工水平不斷提高以及艙內高壓沖水系統的運用，艙容量明顯增大，卸泥更加順暢，單列泥門由于泥門個數少、泥門結構簡單、施工維修便利、造價成本低等優點，逐漸受到重視。此外，隨著防卡堵裝置被運用于方形泥門上，方形泥門由于掛連障礙物而導致的密封性較差的問題得到改善；方形泥門憑借其本身較高的卸泥效率，逐漸被廣泛運用于各類耙吸挖泥船[5-6]。

本文主要介紹了自立式泥門啟閉裝置的設計及性能計算方法。本文的設計充分考慮了泥門啟閉裝置與液壓油缸的匹配，單列泥門啟閉裝置油缸座的安裝，泥門主拉桿的導向裝置的設置方法等一系列問題，提出了優化方案，通過強度校核確保所設計的泥門啟閉裝置滿足工作要求。

1 泥門啟閉裝置結構設計

泥門啟閉裝置作為耙吸挖泥船上主要的疏浚裝備之一，主要由泥門本體、泥門傳動機構、泥門自立式機構、泥門導向機構、液壓油缸等組成。泥門傳動機構包括泥門主拉桿以及泥門下拉桿，傳動機構的主要作用是控制泥門的打開和關閉。泥門自立式機構主要由泥門油缸座及斜撐管組成，通過斜撐管支撐泥門油缸座來實現整個泥門裝置自立于泥艙內。泥門的導向裝置由泥門導向座和導向塊組成，主要作用是確保泥門主拉桿沿豎直方向運動。泥門啟閉裝置整體結構如圖1所示。

圖1 泥門啟閉裝置裝配體三維圖Fig.1 Three dimensional drawing of assembly body of the bottom door opening and closing device

1.1 自立式泥門支撐結構

船舶在海上航行過程中，受到船舶靜水彎矩以及波浪誘導彎矩的影響，船體沿長度方向產生總縱彎曲，且隨著泥艙裝卸以及波浪波峰波谷的變化，船體不斷在中垂和中拱形態下交替。對于耙吸式挖泥船，舯部為大開口泥艙，泥艙上部橫梁與底部泥門相距十多米，船體的中垂和中拱變形直接引起橫梁與泥門的間距相應變化。因此，對于中列式泥門裝置，泥門油缸區域不適宜固定焊接在橫梁上。基于此，本文在前人研究基礎上，設計了三腿支撐的自立式泥門裝置，避免了油缸區域與橫梁的焊接固定，有效解決了波浪引起的總縱彎曲對泥門裝置的影響。

本文涉及的項目中泥門裝置布置在泥艙中列，對開式、大開口。這樣做既能保證排泥效率又能使船體結構安全穩定。自立式機構主要由泥門油缸座和斜撐管等部件組成，如圖1所示。

1.2 泥門導向裝置

由于泥門裝置布置于泥艙中列，距離兩舷側縱艙壁較遠，拉桿導向裝置無法依靠縱艙壁支撐固定。因此，常規的導向裝置難以適用。本文結合導向裝置使用要求，針對泥艙總布置特點，研究設計了適用于中列泥門形式的新型導向裝置，如圖2所示。導向裝置安裝于泥門油缸座下端面，整體結構簡單，導向塊易于拆卸，便于現場維修。

圖2 泥門導向裝置Fig.2 Guide device of the bottom door

2 油缸參數的確定

泥門油缸選型主要是泥門油缸拉力的確定。油缸拉力過大會導致泥門關閉后與船體限位結構擠壓造成結構變形。油缸拉力過小會導致滿載狀態下泥門區域關閉不嚴密，引起泄漏。假設泥門關閉狀態時受到的最大預緊力為Fmax，油缸拉力為FC，單位均為kN，油缸拉力FC應滿足如下條件：

式中：Ff為泥艙滿艙時由于泥門上下表面存在壓差而產生的力，kN；F1為由機械限位塊位置決定的橡膠密封圈壓縮量所產生的反作用力，kN；C為其他外力的作用，如船體航行狀態下的慣性力[7]，kN。本文采用球頭型橡膠密封圈，其截面形狀以及試驗所得受力情況與壓縮量之間的關系見圖3。

圖3 橡膠密封圈反作用力與壓縮量的關系曲線Fig.3 Relation curve between reaction force and compression of rubber sealing ring

根據圖3所述內容可得，橡膠密封圈反作用力與壓縮量之間的關系為：

式中：F為橡膠密封圈的反作用力；x為壓縮量;L為橡膠密封圈的總長度。

因而公式（1）可以變形為：

式中：x1為現有泥門橡膠密封圈的壓縮量。油缸的輸出拉力取決于油缸的缸徑、桿徑以及工作壓力，其公式如下所示：

式中：P為工作壓力，MPa；D為活塞直徑，mm；d為活塞桿直徑，mm。

此外，在計算泥艙內泥漿對泥門表面的受力時，需要考慮到波浪對泥門的作用以及泥艙內泥漿對泥門上表面的作用，本文只考慮靜水力和慣性力對泥門表面的作用。因而，本文中的C即代表慣性力，數值大小與加速度3個方向的分量ax、ay、az有關，ax、ay、az分別表示沿船長方向、船寬方向及重力方向的加速度分量，具體數值參考BV的《Rules for the Classification of Steel Ships》[8]。經計算，在船體處于直立狀態航行時，ay=0，az遠大于ax，因而本文以az作為主要因素，得到C值的大小約為163 kN。

根據上述內容，在只考慮慣性力和靜水力的作用以及實船機械限位塊的強度情況下，假設缸徑是桿徑的2倍，定義Ff=994 kN，x1=10 mm，L=16 m，P=25 MPa，Fmax=300 kN。

經過計算，得到活塞桿的直徑d，其范圍是：156.62 mm臆d臆172.12 mm。結合所需的油缸拉力和液壓系統的壓力，即可推算出油缸缸徑尺寸，得到油缸的參數范圍。

3 強度校核

3.1 泥門主要部件強度校核

根據現有油缸參數，對泥門本體、泥門主拉桿、泥門下拉桿進行強度校核。本文采用有限元分析軟件對其強度進行系統分析。

由于泥門主拉桿及泥門下拉桿為二力桿，泥門本體為兩端鉸接，上下表面受海水及泥漿的作用力，所以泥門本體、泥門主拉桿、泥門下拉桿的受力情況、受力位置及約束位置如表1所示。

表1 泥門啟閉裝置主要零部件強度校核邊界條件Table 1 Boundary conditions of main parts of bottom door opening and closing device

由表1的邊界條件帶入有限元軟件中計算得到其強度校核結果如下。

3.1.1 泥門本體

泥門本體的強度校核計算結果如圖4所示，從圖中可以得到泥門的應力分布，顯然泥門上表面受力較大，受力最大處位于泥門本體與機械限位塊相接觸的位置，最大應力為177.02 MPa，計算得到的變形量為4.33 mm。

圖4 泥門本體強度校核計算結果Fig.4 Strength check calculation results of bottom door

3.1.2 泥門傳動機構

泥門傳動機構主要由1根泥門主拉桿和2根泥門下拉桿鉸接組成，其強度校核計算結果如下。

1）泥門主拉桿大部分位置的應力都在80~100 MPa之間，兩端鉸接位置受力較大，最大受力位置為泥門主拉桿與油缸拉桿鉸接的位置，大小為171.69 MPa，最大變形量為2.77 mm。

2）泥門下拉桿的應力分布和泥門主拉桿類似，兩端的鉸接位置應力較大，最大應力位置位于泥門下拉桿與泥門主拉桿鉸接的位置，大小為160.25 MPa，最大變形量為0.6 mm。

本文中各零部件的許用應力約為231.15 MPa。由計算結果可以看出，泥門各部件應力均在許用應力范圍內，泥門強度滿足許用要求。

3.2 支撐平衡機構穩定性分析

整個支撐平衡機構受油缸支反力作用，作用在泥門油缸座法蘭上端面。由于整個系統為細長桿結構，需分析支撐平衡機構壓桿的穩定性[9]。

壓桿穩定性是指壓桿保持原有的直線平衡的狀態，不發生彎曲變形的能力。壓桿穩定性的計算主要分為以下3個方面：1）柔度計算；2）臨界應力及臨界壓力計算；3）壓桿的穩定計算。

首先是柔度計算，壓桿的柔度計算公式：

式中：μ為長度系數；l為桿長；i為截面的慣性半徑；A為截面面積；I為慣性矩。

文中3個支撐管為主要支撐零件，對其進行柔度計算得到柔度值為21.56以及22.87，遠小于大柔度的臨界值λlj（Q355B無縫鋼管的臨界柔度為102），所以本文中的支撐管為中小柔度桿。

根據上述內容對其臨界應力以及臨界壓力進行計算，其計算公式如公式（6）所示：

式中：λ為壓桿的柔度；a、b為材料常數，此處a=343，b=0.014 2；A為截面面積。

經計算得到文中3根支撐管的臨界應力和臨界壓力分別為：

現有液壓油缸的支反力為1 508 kN，3根支撐管的臨界壓力均遠大于液壓油缸傳遞給3根支撐管的力。從分析看出，在油缸支反力作用下，支撐機構具有足夠的受壓穩定性。

4 結語

本文結合上航局3 000 m3等級耙吸挖泥船建造項目，研究了中列式泥門裝置的結構形式，分析了自立式支撐結構在中列泥門裝置中的適用性。針對泥門在施工過程中的工況條件，分析并校核了泥門裝置各部分結構的強度和穩定性，并初步總結了油缸的選型方法。

文中泥門啟閉裝置的設計和油缸選型方法是對泥艙中部單列泥門啟閉裝置的新的研究，為后續單列泥門的廣泛應用和優化設計提供參考。