新一代智能化中小型耙吸挖泥船研發設計

毛建輝，費龍

（中國船舶與海洋工程設計研究院，上海 200011）

0 引言

20世紀70年代，我國從荷蘭和日本引進了多型挖泥船，僅荷蘭4 500 m3耙吸挖泥船4艘，1 500 m3耙吸挖泥船10艘。這些耙吸挖泥船目前普遍存在船齡大、施工效率低、能耗高等問題，急需升級換代。21世紀以來，國內疏浚業雖然建造了多型萬方級耙吸挖泥船，但中小型耙吸挖泥船在此期間建造比較少，技術沒有得到提升。因此，新一代的中小型耙吸挖泥船應運用國內外最新耙吸挖泥船的研究技術成果，在船型、動力配置、疏浚系統、自動化等方面進行全面升級，使其達到機動靈活、疏浚效率高、能耗低等目標。

在中小型耙吸挖泥船研發方面，陳成等[1]總結了中小型耙吸挖泥船的發展趨勢，張超[2]介紹了經濟型1 500 m3耙吸挖泥船的設計特點，羅彬[3]對5 000 m3自航耙吸挖泥船的設計特點進行了總結，唐豐等[4]對中小型耙吸挖泥船結構設計若干問題進行了探討，于再紅等[5]對國內外中小型耙吸挖泥船的動力配置等進行了研究。

本文是在上述研究的基礎上，通過分析中小型耙吸挖泥船的特點和發展趨勢，借鑒大型耙吸挖泥船技術研發成果，以新研制的“航浚4019”4 500 m3耙吸挖泥船為例，針對中小型耙吸挖泥船航道疏浚作業需求，重點介紹了淺吃水、操縱能力、疏浚系統、動力配置、智能化等方面的適宜技術，為國內設計建造高效的中小型耙吸挖泥船提供參考。

1 國外中小型耙吸挖泥船技術特點

據統計，歐洲四大疏浚公司擁有的中小型耙吸挖泥船數量較多，其中Jan De Nul公司有13艘3 000～5 000 m3等級的中小型耙吸挖泥船，Deme公司有6艘，Vanoord公司有5艘，Boskalis公司有6艘，見表1。這些中小型耙吸挖泥船因其淺吃水、操縱靈活、運營成本低等優點，具有較強的市場競爭力。此外，IHC公司也設計了多型中小型耙吸挖泥船，如EASYDREDGE系列。而近10 a國內中小型耙吸挖泥船建造數量相對較少，與國外相比存在較大差距。

由表1可知，國外中小型耙吸挖泥船具有以下特點：1）挖泥吃水較小；2）總裝機功率較小，航速12.0 kn左右；3）多采用復合驅動或全電驅；4）單耙配置，挖深30 m左右。

表1 國外3 000 m3等級耙吸挖泥船主要參數Table 1 Main parameters of 3 000 m3 grade trailing suction dredger at abroad

2 船舶概況

“航浚4019”為一艘雙機、雙槳、復合驅動、單耙、單甲板、帶球鼻艏、雙尾鰭，泥艙艙容4 500 m3的耙吸挖泥船，適用于港口航道疏浚工程，可在無限航區航行，沿海航區作業，見圖1。

圖1 4 500 m3耙吸挖泥船“航浚4019”Fig.1 4 500 m3 trailing suction dredger Hangjun 4019

船級符號：★CSA Trailing Suction Hopper Dredger，Dredging within R2，Ice Class B，PSPC（B），BWMP；★CSM AUT-0，OMBO，SCM，DP-1，BWMS

主要參數：總長103.00 m，垂線間長95.0 m，型寬21.8 m，挖泥吃水6.20 m，航速12.9 kn，定員28人。

動力系統：“一拖二”復合驅動；2臺3 000 kW主柴油機，每臺主機驅動1臺可調螺距螺旋槳和1臺2 750 kW軸帶發電機；1臺680 kW輔柴油發電機組；1臺240 kW應急兼停泊發電機組。設2臺350 kW可調螺距艏側推，滿足DP-1動力定位要求。

疏浚系統：單耙挖泥，耙吸管內徑900 mm，最大挖深30.0 m；單列方形泥門卸泥，具有艏吹、艏噴功能。1臺1 250/3 150 kW泥泵和1臺900 kW高壓沖水泵，均由變頻電機驅動。

3 關鍵技術及系統配置

3.1 淺吃水

隨著“一帶一路”倡議的實施，我國疏浚企業參與東南亞、非洲、南美等港口建設正如火如荼地進行，這些地區部分港口還處于開發初期，疏浚區域浚前水深較淺，只有淺吃水船舶才能進場施工。因此，中小型耙吸挖泥船必須通過主尺度和線型優化，以及合理的結構設計和系統配置降低空船重量，以達到淺吃水的目標。

3.1.1 主尺度和線型

受港口航道寬度和水深的限制，中小型耙吸挖泥船只能通過增加船寬和增大方形系數，滿足淺吃水和載泥量的要求。根據對耙吸挖泥船的船型特征分析，該船優化了主尺度選擇，采用了肥大船型，船長船寬比L/B取4.36，方形系數取0.89，這樣船舶在泥艙滿載時船尾吃水約6.2 m，泥艙空載時船尾吃水約4.2 m。如果進一步抽掉泥艙內殘余水、用高壓沖水泵將艏壓載艙快速注滿，則船尾吃水最小可達3.6 m，很好地滿足了淺水區施工的需要。

隨著環保意識的不斷增強，在現代疏浚工程中對拋泥區都做了嚴格規定（遠離人口密集區），一般距離挖泥區域較遠。疏浚船必須降低航行阻力，提高航速，盡量縮短運泥時間，從而提高整體生產效率。因此，為克服肥大船型帶來的對阻力性能不利影響，需通過線型優化設計來解決。根據以往開展的大量水池試驗研究和眾多的設計實踐，采用長球艏和雙尾鰭線型，是減小耙吸挖泥船淺水條件下船體阻力、改善推進性能和提高載泥量的有效措施，已得到了廣泛應用。采用長球首設計，一是可以明顯降低淺水區航行阻力；二是可以減小艏部興波，減少對航道、港口堤岸的沖刷；三是減小航行時埋首現象，從而減小船首吃水。采用雙尾鰭線型，一是可以優化艉部來流，使螺旋槳盤面處流場更為均勻，改善船舶振動；二是可以減小艉部粘壓阻力，獲得更高的總推進效率；三是可以使機艙后移，在同等載泥量下有利于減小船長[1，6]。該船通過采用長球艏和雙尾鰭線型，并開展CFD線型優化，從而獲得了良好的阻力性能。實船試航證明，該船深水調遣航速約12.9 kn，即使在淺水區航速仍大于12kn，能夠滿足快速拋泥的需要。

3.1.2 合理的結構設計

與普通貨船相比，耙吸挖泥船的泥艙長度較短（約占船長45%左右），泥漿載荷大且集中在船體中部，使得船體承受的彎矩和剪力較大。此外，不僅在主甲板和泥艙甲板上有縱通連續的泥艙大開口，而且在船體底部有大面積的泥門開口和溢流筒開口，使得橫剖面上的剖面模數進一步降低，因此合理的船體結構設計對結構強度和空船重量控制都是非常重要的。首先，合理選取型深，型深越大，船體梁的剖面模數越大，板和構件的尺度可以相應地減小。其次，在泥艙甲板開口范圍內設置架空橫梁，與泥艙肋板、強肋骨、泥艙縱壁垂直桁、主甲板強橫梁形成橫向強框架。最后，泥艙區域采用高強度鋼，并通過泥艙段結構有限元計算分析進一步優化構件尺寸。與普通鋼相比，采用高強度鋼可以使結構重量減少約7.5%[7]。

3.1.3 單列泥門型式

為減輕空船重量，簡化系統配置，該船采用結構簡單的單列方形泥門，不僅減少泥門數量，而且節約建造和維護成本。另外，該泥門采用創新的自平衡機構[8]，通過3個斜撐桿支撐泥門油缸底座，使整個泥門裝置受力全部傳遞到泥艙底部結構，而泥艙橫梁不受力，從而可以減少橫梁的結構重量。同時該泥門由液壓缸啟閉，可在任何位置停止，也有利于淺水拋泥。

3.2 操縱能力

3.2.1 襟翼舵

在航道內作業時需要經常回轉調頭，而航道內船舶往來繁忙，因此為保證安全，應特別重視中小型耙吸挖泥船的操縱性能，特別是低速挖泥作業時的操縱能力。為此該船采用了舵效性能好、應舵速度快的襟翼舵，主舵最大角度45°，襟翼相對角度45°～55°，保證了低速挖泥時操縱能力。此外，為解決挖泥區大量泥沙對轉動機構的磨損，該襟翼舵傳動機構采用導桿式，上方安裝有密封裝置，結構簡單，使用可靠。根據實船測試，該船在滿載全速、舵角35°時回轉直徑約1.8倍船長，低速挖泥時船舶操縱方便，能夠滿足狹窄航道內疏浚作業要求。

3.2.2 動力定位與動態跟蹤系統DP/DT

在大型疏浚工程末期，往往需要中小型耙吸挖泥船在不同淺點間沿規劃路線進行高效掃淺作業，此時疏浚效率嚴重依賴駕駛員的經驗。而優秀駕駛員的經驗往往難以批量復制和傳承，為提高施工效率，該船設置了2臺艏側推，并配置了動力定位與動態跟蹤系統DP/DT，能夠自動按照預先規劃好的路線進行精確掃淺作業。經估算，在流速2.0 kn，風速11.0 m/s，波高2.0 m環境條件，以及考慮耙頭和耙管附加阻力等因素，該船在船首45°范圍內能夠沿規定路徑進行掃淺作業，見圖2。

圖2 推進器功率利用率與船舶動力定位首向限制角關系圖Fig.2 Relationship between propeller power utilization and ship dynamic positioning head limit angle

3.3 疏浚能力

3.3.1 適宜的疏浚設備配置

首先，為適應復雜多變的疏浚土質，該船泥泵和高壓沖水泵均采用變頻電機驅動，通過改變泥泵和高壓沖水泵的轉速，使泥泵和高壓沖水泵在各種土質、挖深條件下均能獲得較高效率的運行點，提高了疏浚效能和作業效率[9]。因此，根據泥泵和高壓沖水泵驅動形式，該船采用“一拖二”復合驅動方式[4]，軸帶發電機作為主發電機，提供電力驅動泥泵、高壓沖水泵、艏側推和全船輔助設備。其次，對難挖土質，在裝機功率相同的情況下為使耙頭獲得更大的拖曳力，該船采用了單耙配置，一是提高耙頭挖掘能力，增大進艙泥漿濃度；二是疏浚系統配置簡單，維護方便，對控制空船重量有利；三是單耙挖泥裝艙時能夠減少泥艙內的泥漿擾動，減少溢流損失。通過上述措施，經實船試驗驗證，當疏浚土質為中細砂、挖深20 m時，進艙泥漿平均密度1.35 t/m3，整個裝艙時間約45 min，滿足了高效疏浚的要求。

3.3.2 針對不同土質的特殊設計

在挖泥機具方面，針對不同疏浚土質，耙頭在結構形式、耙齒類型、高壓沖水和重量的配置上應根據土質條件有所不同。針對中砂和細砂土質，該船配備雙排耙齒耙頭，耙頭重約17 t，最大寬度約4 000 mm。耙齒帶最大壓力0.9 MPa的高壓沖水噴嘴，該沖水形式能增加耙齒切入土層的能力，同時也可減少耙頭阻力[10]。針對顆粒間附著力較強的黏土，該船配備了單排耙齒耙頭，通過調整耙齒縱向角度、優化耙頭內高壓沖水噴嘴和格柵，減少黏土在耙頭內堵塞，提高施工效率。

在裝艙溢流方面，為達到良好的裝艙效果，針對粗砂土質，該船設置了2個裝載箱（普通中小型耙吸挖泥船通常僅設置1個裝載箱）；針對細砂或中細砂，可僅使用1個裝載箱。為更好地保證裝艙后能達到泥艙最大裝載量而溢流掉濃度較低的泥漿，該船應用了1套帶環保閥的溢流筒裝置，可從3 000～4 500 m3艙容連續調節，滿足不同土質的溢流需要。同時該溢流筒可自動調節閥板開度以保持液面高度恒定，通過有效減少溢流中空氣含量來減少溢流對周圍水域和海洋生物造成的不利影響[11]。通過上述措施，該船疏浚系統能夠更好地滿足不同土質的疏浚需要。

3.4 智能化

3.4.1 智能疏浚系統

耙吸挖泥船智能化不是以無人化為目標，而是以提高作業效率為主要目的。該船采用了最新國內自主研發的智能疏浚系統，通過采用智能控制和感知診斷技術，以一人橋樓+宏按鈕的設計理念，在保證安全的前提下，實現挖泥、拋泥、吹泥等作業的全自動控制。施工時，駕駛員將主要關注航行安全，只在開始施工時進行模式設置，過程中只需按下“宏按鍵”就可以通過智能疏浚系統做到全自動疏浚作業。目前該系統可以通過機器學習算法和大數據分析技術，根據不同作業環境條件不斷優化迭代作業參數，為疏浚操作人員決策提供參考。

在智能疏浚系統中，疏浚控制系統DCS、功率管理系統PMS、動力定位/動態跟蹤系統DT/DP三者通過數據通訊，協調配合，共同實現智能疏浚的目標。其中疏浚控制系統包括耙管絞車自動控制系統[12]、泥泵自動控制系統、高壓沖水泵自動控制系統、吃水和裝載測量系統、挖泥航速控制系統、疏浚軌跡顯示系統等，見圖3，滿足單耙挖泥、泥門卸泥、抽艙排岸等作業的自動控制。

圖3 疏浚作業自動控制界面Fig.3 Automatic control interface of dredging operation

3.4.2 振動監測系統

耙吸挖泥船機械設備多、總裝機功率大（較常規船大200%以上），作業時主機、泥泵、高壓沖水泵等運行環境較差。為保證重要設備持續健康運行，該船設有1套振動監測系統，通過檢測設備的振動、轉速、溫度等參數檢測設備運行情況，當參數超過設定值時就發出報警或停機信號，從而實現對設備的保護。此外，該系統的離線監測功能能夠通過便攜式數據采集器定期獲取設備狀態信息，利用狀態監測軟件分析設備運行情況，預估維護周期，從而提高設備維護效率，降低船員工作強度。

4 結語

作為新一代的智能化中小型耙吸挖泥船，4 500 m3耙吸挖泥船在以下方面進行了升級：

1）通過主尺度和線型優化設計、合理的船體結構設計和適宜的疏浚設備配置，滿足中小型耙吸挖泥船淺吃水的要求；通過配置襟翼舵、動力定位與動態跟蹤系統DP/DT，滿足狹窄航道疏浚作業時機動靈活的要求。

2）通過采用“一拖二”的動力配置形式，以及單列泥門、單耙、電驅泥泵等適宜疏浚技術，滿足高效疏浚的要求。

3）通過智能疏浚系統和振動監測系統等技術，滿足耙吸挖泥船智能化的發展趨勢。

目前，4 500 m3耙吸挖泥船已建造了3艘，將推動國內一大批中小型耙吸挖泥船的更新換代，向著高效、智能、更具競爭力的方向不斷前進。下一步，需對智能疏浚系統進行完善和研究，不斷積累疏浚作業的原始數據，通過機器學習算法和大數據分析技術，開發更加精準、高效的算法邏輯，以實現數據控制完全自主化和動態優化，最終實現全自動疏浚的目標。