特點
泰興市依科攀船舶設備有限公司開發的抓鬥船在長江上游疏浚方面的運用簡介如下：
1 長江上游航道特點
隨著西部大開發戰略的實施,長江航運迎來了新的歷史發展機遇,同時也給長江中上游的航道治理提出了許多新的課題。
長江中上游,特別是處於丘陵和高山峽谷地區的千里川江,屬大型山區河流,著名的長江三峽位於其間;宜賓-重慶段,為丘陵地區,灘多流急(流速高達3.5 m/s),且河床多為粒徑較大的卵石層覆蓋,空隙為砂、礫石填實,結構緊密;部分河段礁石林立,限制船舶吃水,枯水季節河寬僅150~250 m,實行控制的單行航道有多處,嚴重地妨礙了航運事業的發展。三峽大壩蓄水135 m高程時,回水只到忠縣;即使三峽大壩蓄水175 m高程時,重慶江津以上水位仍保持原狀。很顯然,要提高航道等級,該段航道需進行整治的工程量很大。
選擇
2 挖泥船船型的選擇
區別長江航道不同區段的地質地貌和疏浚特點,採用不同型式的挖泥船進行施工作業,其效果大不一樣。目前用於長江航道整治施工的挖泥船主要有:絞吸/斗輪、吸盤、耙吸、抓鬥/鏟斗、鏈斗等類型。絞吸/斗輪、吸盤和耙吸挖泥船雖然效率較高,但主要適合挖掘砂、淤泥和鬆軟的土砂等,對上游硬質河床較難適應;斗輪船因定位鋼樁較難插入硬質河底,在卵石
等硬質河床基本無法使用;鏈斗船雖可適用於卵石河床,在川江以往的整治中也曾使用過,但較難適應挖掘深度的變化,且利用率不如抓鬥船高,適用土質範圍也不如抓鬥船廣。
抓鬥挖泥船通常是單斗作業,可配備不同類型的抓鬥,以適應不同硬度的土質:可以挖掘N值小於15的淤泥、一般粘土、鬆散的沙質土;N值15~25的中等沙土;也可挖掘N值25~40的硬粘土、夾石砂質土和砂礫;甚至可以挖N值大於40的風化碎岩。除適應土質範圍廣外,還廣泛適用於狹小水域(港池、碼頭、以及堤堰和堤岸)的挖泥作業。挖掘深度較大,其中鋼索抓鬥船最大挖深可達80 m。綜上所述,長江中上游,尤其川江航道硬質河床的疏浚以抓鬥挖泥船為佳。且我局多年來以抓鬥船為主進行川江航道整治也取得了較為滿意的效果。
選型
3 挖掘機的選型
目前,國內外用於山區河流航道整治方式主要是對礁石鑽爆後再進行挖掘清理。可供選擇的設備主要有鋼索抓鬥挖掘機、液壓反鏟挖掘機和液壓硬臂抓鬥挖掘機。
3.1 鋼索抓鬥挖掘機
此類機型具有被對挖物質的廣泛適應性、不同挖深的適應性及狹窄場所的適應性,但同時具有以下缺點:
(1)對結構緊密的卵石河床和爆破後的塊石,必須增加斗重以減少抬斗現象,由於斗重增加,提升能力、主機功率及整機重也相應增大。這將受到船體尺度及吃水的制約。
( 2)急流航段施工,特別是在水流速度大於3 m/s時,鋼索抓鬥入水後漂斗現象嚴重,生產效率
較低。
(3)由於吊桿長度一定,不同的挖掘半徑只有通過調整變幅鋼纜來實現,操作頻繁、機械磨損大、故障率高,影響了挖掘效率。
3.2 液壓反鏟挖掘機
該機型挖掘力強,生產效率高,在平原河流及沿海也廣泛採用。使用反鏟必須配置鋼樁以保證各種作業狀態下船舶的穩性,故在狹窄、流急、硬質河床的川江航道作業,易出現如下問題:
(1)同樣因定位樁很難插入到所需要的深度,必須增加主纜及橫移絞車以確保全全移船和定位,使系統變得複雜,船體重量增加,同時增加了輔助作業時間,功效受到影響。
(2)採用反鏟時,要求爆破後的塊石要小,且較均勻,但實際操作上卻很難達到。
(3)在調遣航行中,定位樁高度易受橋樑或過江電纜淨空高度的限制。
3.3 液壓硬臂抓鬥挖掘機
該機型與液壓反鏟式不同之處僅在於斗桿末端安裝的斗型為二瓣式抓鬥而已。其主要優點如下:
(1)對定位、移船設備的要求相對簡單,只需主纜絞車和橫移絞車就可。
(2)較適用於抓取形狀各異、大小不一的塊石,充斗係數較高。
(3)液壓抓鬥的重容比索斗小(一般僅為2~3之間),挖掘機功率、提升能力、整機重量都較索斗挖掘機小。故船舶主尺度相對較小,單船造價相對較低。
(4)迴轉速度快、循環周期短、生產率高,同一工況、同一斗容的情況下,液壓硬臂抓鬥較索斗生產率高出20%以上。且操作簡便、設備故障率低。
上述三種挖掘機的性能特點見表1:
| 項目 | 鋼索式抓鬥 挖掘機 | 液壓反鏟 挖掘機 | 液壓硬臂抓鬥 挖掘機 |
| 挖掘機整機重量 | 較重 | 最輕 | 最輕 |
| 船舶吃水 | 較大 | 較小 | 較小 |
| 船舶定位設備 | 較簡單 | 較複雜 | 較簡單 |
| 挖掘深度 | 最深 | 較淺 | 較深 |
| 挖掘塊石要求 | 一般 | 較嚴 | 一般 |
| 避讓行船所需時間 | 短 | 長 | 短 |
| 生產率 | 較低 | 較高 | 較高 |
| 造價 | 較高 | 較高 | 較低 |
| 抓鬥重量 | 較重 | 最輕 | 較輕 |
| 漂斗現象 | 較嚴重 | 無 | 可控制 |
| 設備故障率 | 較高 | 較低 | 較低 |
| 抓鬥重容比 | 最大 | 最小 | 較小 |
鑒於液壓硬臂抓鬥挖掘機優點突出,用於川江航道的整治較為理想,斗容大小以4 m3為宜。
3.4 抓鬥機的選型
本船設計力求整體技術形態先進,因而主要工作機械——抓鬥機和傳動裝置的選用必須注重技術先進性、經濟性、且易於維修和保養。
根據我局的使用習慣,並考慮到當今世界抓鬥機的製造情況,我們對日立、小松的產品進行了比較。這兩家公司都生產定型的4 m3抓石機,且都有一定的市場覆蓋率。
4 有關疏浚指標的選擇
4.1 挖掘深度
為滿足1 000 t~3 000 t駁船組成的萬噸級船隊直抵重慶,在中上游航道整治中,最大施工水深一般需超過10 m。因此挖掘機挖掘深度取為水下12 m較為合適。
4.2 挖掘N值
由於長江中上游航道疏浚對象主要是卵石或爆炸後的塊石,這些土質的N值均在25~30之間,故將挖掘土質定為N≤30較符合長江中上游航道實際狀況。
5 主要船型參數及設備的選擇
5.1 船型尺度
5.1.1 吃水的選擇
因重慶以上航道均為內河二級航道,枯水季節吃水限制在1.8 m,作為航道疏浚船舶,本船最大設計吃水擬不超過1.7 m。
5.1.2 船寬的選擇
為保證抓鬥機的安全作業,要求船舶具有一定的橫傾力矩,船寬是影響本船的橫傾力矩的重要要素。抓鬥機正常工作時,規範及任務書要求船舶橫傾角不超過5°。不同的抓鬥機正常工作時會產生不同的傾側力矩。根據現有資料:小松產品的傾側力矩為408.1 t·m;日立的傾側力矩為413.3 t·m;利勃海爾的傾側力矩為410.5 t·m;三者相當接近。作業工況時最大風力為浦氏5級,產生的風壓傾側力矩約為15.5 t·m。
由於規範規定的船舶橫傾角不超過5°,一般是對起重船而言,抓鬥船因抓鬥機(從一舷至另一舷)往返速度大,負荷變化突然,故穩性要求通常較起重船要高,故我們考慮靜傾角3.5°。一定船寬的船舶與某個相對重心高度時靜傾3.5°所能提供的回覆力矩是一定的,如表2所示(不考慮自由液面的影響)。
| 吃水 (m) | 重心高 (m) | 船寬 (m) | 排水量 (t) | 橫傾3.5°的回覆力矩 (t°m) |
| 1.7 | 4.1 | 14.2 | 1014.9 | 478.1 |
| 14.4 | 1030.4 | 510.9 | ||
| 14.6 | 1047.9 | 530.7 |
經綜合考慮,船寬14 m左右即可,橫傾角(考慮風壓影響)約為3.0°。穩性滿足要求。
5.1.3 船長的選擇
船長的選取主要是從全船布置,尤其是抓鬥機以及甲板機械的布置和操作需要來考慮的,甲板室的布置和工作通道等亦不容忽視。按型船經驗船長40 m左右即可。
綜合本船船型及特點如下:
本船為鋼質、單甲板、單底、首部雪橇形的方箱形非自航抓鬥式抓石船。
本船尾部設全迴轉抓鬥機一台,首部設甲板室。
航區為長江B、C級航區,J級航段。擔負長江中、上游航道的整治,疏浚及港池的維護工作。
主要技術參數為:
總 長40.00 m左右
船 寬14.00 m左右
型 深設計確定
空載吃水1.70 m
抓鬥斗容4 m3
挖掘土質 爆破碎石、軟岩石、砂卵石。在常規的施工條件下能挖掘貫入級數(N)值<30的土質。
生產能力120 m3/h
5.2 甲板機械及定位系統
本船施工時船隊組成如下:
主船(4 m3抓鬥船)+500 m3石駁(艘數視裝船時間及運距而定)+一艘800 HP拖輪。
5.2.1 定位方式的選擇
本船主要使用於川江河段,考慮到該水域施工存在灘多、流急、彎道多的特點,擬採用六錨定位作業,主纜絞車(2台)下放施工距離長,且是全船的生命線,因此在設定上必須考慮安全,雙主纜須同時拋出,互為備用(如圖1所示),相應的2台容纜絞車容繩量為1 000 m。另設4台邊纜絞車及1套應急驅動系統。
5.2.2 各移船工況下所需的功率
我局抓鬥船在長江中上游施工時一般採用兩種移船形式。
(1)五收三放(2台主纜絞車、2台容纜絞車、1台橫移絞車主動收纜,另外3台橫移絞車被動放纜)式作業,約需功率164 kW;
(2)4台橫移絞車聯動作業,即一舷的2台橫移絞車同時收纜,另一舷的2台橫移絞車在一定的背壓下被動放纜,此時所需功率為98 kW。
5.2.3 水下出纜器
我局在長期實踐的基礎上與長江船舶設計院共同研究設計了液壓驅動水下出纜器裝置,即在船舶的艏部左右舷和艉部左右舷各安裝了一套液壓水下出纜器裝置。本裝置可以根據航道和過往船舶的吃水情況,在水下1~3.5 m的範圍內藉助液壓油缸變換出纜深度,不至礙航。此舉既減低了船員的勞動強度,也提高了施工效率。
5.3 主要動力設備選型
根據對本船使用工況所作的估算,並參照相近的型船資料已初步確定,本船主柴油機功率在350 kW左右。從表3中可以得出這樣的結論:選用引進國外專利的國內生產柴油機就其使用性能來說已經和進口柴油機基本相當。但工作過程中的穩定性和可靠性與進口機尚有一定差距。
根據本船的使用工況要求,擬選用進口的雙端輸出軸的柴油機組1台,一端通過氣胎離合器帶液壓泵組供甲板機械使用;另一端帶發電機組供全船其它用電。
5.4 有關電氣及控制系統
本船電氣及控制系統和原有的同類船舶相比有較大的改進:
·設備的選型均以自動化程度高、可靠性好為原則。
·為了保證挖掘作業準確可靠,本船擬採用DG-PS定位系統,配合16通道的數式測深儀,實現船舶的精確定位(精度為0.5 m)。
·液壓絞車控制系統擬採用PLC可程式序控制器,以提高控制精度和可靠性。
6 結 論
本船綜合技術形態先進,能適應長江中、上游航道疏浚的要求。
船舶尺度範圍經濟、合理,既滿足使用要求,又降低了造價。
船舶性能對採用不同抓鬥機型號的適應性強。
施工定位系統配置安全、可靠、合理。
水下出纜器裝置的安裝使用大大增加了有效作業時間,提高了生產效率。
動力設備的選取保持了我局現有船舶機務維護的連續性,方便管理。
採用柴油機兩端輸出,且通過氣胎離合器及多輸出軸齒輪箱帶動油泵動力設備的傳動形式,既保證使用性能,又提高傳動效率。
先進電子技術的套用將提高本船在施工過程中機械設備控制的精度和動作的可靠性。
本船船型的前期研究,將為我局長江中、上游航道裝備新型4 m3抓鬥挖泥船在船型技術上作了鋪墊。
7 擴 展
泰興市依科攀船舶設備有限公司在抓鬥船的功能上進一步拓展了水上重物吊裝、水上打樁等多用途。
目前該公司生產的最大的抓鬥船為25m³，最大吊重500T，通過轉換抓鬥，可以實現打樁功能。
