新型耙吸挖泥船首部冲沙疏浚方式*——“航浚20”耙吸挖泥船首冲功能介绍

王 兵

(长江航道局 武汉 430010)

新型耙吸挖泥船首部冲沙疏浚方式*
——“航浚20”耙吸挖泥船首冲功能介绍

王 兵

(长江航道局 武汉 430010)

浅水航道疏浚;首冲作业;试验

从用户角度对一型用于张江超浅水域航道疏浚的特种挖泥船“航浚20”的作业方式以及作业装置的功能和实船试验进行了介绍,以试验数据说明了首冲装置结构的安全性和首冲疏浚方式的有效性。对从事航道疏浚及工程船舶设计领域的人员具有较好的参考价值。

0 引 言

长江航道局“航浚20”是一艘具有首冲功能的300方自航耙吸式挖泥船,为解决浅水航道疏浚的难题,该船研制配备了折臂式首冲装置,实现了首冲作业和传统的耙吸作业相结合的新的疏浚方式。与一般耙吸挖泥船相比,该船最显著特点在于具有在超浅吃水(1.8m～2.0m)情况下的首部冲沙功能。该功能既可以实现超浅航道的喷冲疏浚作业,也可利用喷冲功能清除航道的零星沙包,使船顺利进入航道水域进行高效的耙吸作业。

1 首冲装置的主要结构和功能

首冲作业方式是利用该船浅吃水的特点,在其他耙吸式挖泥船无法进槽施工的情况下进点作业。

首冲作业具有两种方式:为了清除航道上的零星沙包,一般采用泥泵在高转速下提供大流量的压力水进行首冲作业;在水流较缓的作业区域,则利用泥泵配合高压冲水泵进行首吸边喷作业。此时,开动高压冲水泵至首冲管架进行首冲作业,同时由泥泵通过艏部水下两舷开口将冲起的泥沙吸入,首吸后经边抛管排出舷外。

通过上述两种方式实现首冲作业,既可利用耙吸作业系统的管路及设备,又具有相当的灵活性。第一种喷水疏浚方式针对有零星沙包且流速较快、介质沉淀速度慢的航道疏浚中,其通过大流量、低扬程的喷射水冲散零星沙包;而在航道水流速较慢、介质容易沉淀的工况下则实行第二种方式,利用高压水冲、泥泵首吸的作业方式,通过边喷管边喷至距船舯25m以上的船侧。

1.1 首冲装置结构

本船首冲装置装设于船首。首冲装置为液压折臂喷射架型式,由主、副臂架、油缸、回转支承、橡胶软管及蓄能器等组成,见图1。首冲管架结构为管式结构,其结构示意图见图2。喷冲水流经DN 450的喷水管穿过上甲板分为两路,通过两根DN 350的橡胶软管接至下臂架上的两根DN 300的冲水管,再流至冲水管内喷嘴喷出。图3为高压冲水作业图。

图1 首冲管架实图

图2 首冲管架结构示意图

图3 高压冲水作业图

66只DN 28mm的喷嘴安装于首冲装置首部冲水管内,喷嘴材料为高分子耐磨材料。按照设计要求,当采用泥泵进行首冲作业时,泥泵为高转速运转,流量为3 000 m3/h、扬程25 m,喷嘴喷口速度～16 m/s;当采用高压冲水泵进行首冲作业时,将首冲管架上的56只DN 28 mm的喷嘴闭塞,其余10只喷嘴的喷口速度可达到26m/s。

1.2 首冲作业控制系统及补偿功能

1.2.1 首冲作业液压系统工作原理简介

首冲装置采用液压系统进行控制(见图4)。进行首冲作业时,电磁铁Y 21得电、副臂架油缸作用、首冲副臂架向外伸展至极限位置、限位开关S15作用、Y 21失电、Y23得电、副臂架油缸的两腔与蓄能器通过插装阀相互连通。此时,电磁铁Y19得电、首冲主臂架油缸外伸,同时结合首冲管架位置显示仪下放首冲管架至所需挖深;或当首冲管架放至极限位置时,S13作用、使Y19失电,主臂架油缸停止动作,首冲装置处于工作状态。

图4 首冲装置液压系统原理图

首冲作业结束时先收主臂架,再收副臂架;回收时Y20得电、主臂架回收至下放前位置、限位开关S12作用、Y20失电、同时Y23失电,连接首冲副臂架油缸两腔与蓄能器的插装阀回复至关闭位置。此时,Y 22得电、副臂架油缸回收至下放前位置、副臂架油缸限位开关S14作用、Y22失电,首冲架恢复至下放前位置。

1.2.2 首冲装置蓄能器自动补偿功能的实现

在以上的控制功能中,首冲作业时最为重要的是首冲装置蓄能器自动补偿功能的实现。蓄能器有效工作容积为200 L,设定补偿压力为30 kg/cm2～40 kg/cm2,以保证在首冲作业碰上＜1 000 kgf的障碍物时能正常作业,超过时则蓄能器自动补偿使副臂架油缸回收,起到安全保护的作用,这时油缸两腔中的液压油被蓄能器吸收;首冲装置越过障碍物时,在蓄能器的作用下副臂架油缸自动恢复,蓄能器中的液压油返回油缸的两腔。首冲作业深度为2.3 m～2.8 m,通过两个单级行程为2 427 mm的双级伸缩式套筒油缸的变幅进行调整。

2 试验实施概况

作为一种全新的疏浚方式,首冲疏浚效果、首冲管架结构强度及补偿功能安全可靠性、控制系统有效性都处于理论设计层面,实用效果没有外部同类船型实例可佐证。为了检验该船首冲功能的实现情况,积累技术数据和经验,长江航道局成立了实船测试组,并于2005年4月三次在该船上进行了首冲功能检验性作业试验。

2.1 试验考核目标

首冲装置结构性能、首冲作业控制系统及补偿功能、首冲作业疏浚效果。

2.2 试验实施步骤

(1)在“航浚20”进入施工水域前,由航道部门测量施工水域水深及流速,绘制施工水域航行作业图;

(2)船舶离开码头,在进入施工水域前完成相关准备工作:开启液压系统、挖泥控制系统等,打开挖泥产量计和DGPS工程定位仪;

(3)船舶进入施工水域后,根据实际水域水深情况进行调载,达到首冲作业水深条件时,针对零星流沙包进行高压冲水泵首冲作业;

(4)“航浚20”作业完毕退出作业水域后,由航道部门测量施工水域水深,绘制航道变化图。

2.3 试验区域及作业方式的选定

首冲作业方式的选区主要根据施工水域自然条件,在流速较大水域(2 m/s左右)一般采用泥泵在高转速下提供大流量的压力水进行首冲作业;在流速较平缓区域,一般选用高压冲水泵冲水,泥泵首吸进行作业。此次试验作业区域选在长江武汉白沙洲水道洲尾长约600 m、宽约15 m的水域,江水流速约0.5 m/s,水深在2.3m～2.8 m。考虑到该水域水流较缓的实际条件,此次试验选取了高压冲水作业方式。

2.4 首冲作业时间、次数

(1)4月8日从11∶53到15∶00首冲作业3次;

(2)4月14日从10∶27到18∶00首冲作业5次;

(3)4月15日从9∶48到11∶52首冲作业2次。

2.5 试验测量

分别于4月13日下午和4月15日下午作了疏浚前和疏浚后水下地面高程测量;作业过程中应用船载GPS记录船舶作业航迹,运用船载挖泥显示系统描述记录首冲管架运动轨迹。

2.6 试验过程

测试组通过挖泥监控显示装置对首冲作业时的管架运动状态进行了纪录,用船载GPS对航行轨迹作了记录,见图5,图6。

图5 主臂架伸出运动过程中的管架位置示意图

图6 冲水作业时管架位置示意图

在试验作业中,首冲装置主、副臂架各传感器工作正常,除Y23电磁阀出现过短暂故障外,其余电磁阀工作正常,主液压控制回路、工作回路工作正常,能有效传递控制信号和工作能量。在高压水首冲试验过程中,0.1 kn～2 kn的航速,首冲管架整体能承受船舶前进中触及沙包、浅滩时受到的冲击外力,结构强度足够,没有产生大的明显的结构变形;主、副臂架收放自如,各油缸工作正常,能收放到位;各回转支承能起到机械补偿作用,保证管架整体运动平稳;各橡胶管能有效伸缩,传递扭矩;在高压水冲击下的运动中,水路各联接处有效密封,没有大的渗漏现象;首冲高压水从喷嘴出来成柱状。

表1与图7是4月15日上午10∶18～10∶32作业时间段的一组记录数据及分析图示:

表1 实验测量数据记录表

图7 时间——首冲管中心相对基线距离趋势分析图

从这一组数据以及“时间—首冲管中心相对基线距离趋势分析图”可以看出,首冲副臂架挖深随着河床的变化发生着变化,副臂架能在遇到障碍物时自动回收、下放,蓄能器补偿功能实现较好,能在首冲作业中对首冲管架起到保护作用。

基于以上试验结果,测试组认为,“航浚20”首冲管架及其蓄能器能按照其设计原理实现作业,控制系统工作有效,补偿功能工作正常,能起到对管架的保护作用。

2.7 首冲作业效果测量

在4月13日(施工前)和4月15日(施工后)对施工水域进行了水深测量,测图比例为1∶1 000,水深测量精度为0.1m。在试验作业后,根据作业前后水深测量图,航道部门依据“航浚20”自带DGPS航迹定位坐标对作业航迹的水下地形高程进行了对比分析,分析结果显示,施工水域的水下地形高程有一定降低,降低幅度在0.1m～0.3m。

3 测试结论

从整个首冲试验作业过程看来,“航浚20”首冲管架工作正常,其机械性能和控制功能达到了设计目标,蓄能器能有效起到首冲管架保护作用,首冲作业具有一定的冲散零星沙包的疏浚效果。

4 有关评价及鉴定

2006年1月,作为“十五”国家重大技术装备攻关项目的具有首冲功能的300方自航耙吸挖泥船研制通过了交通部主持的科技成果鉴定会。2007年3月,该船由交通部主持进行了建造后评估会。经专家评审认为,该船为解决浅水航道疏浚的关键技术,研制了折臂式首冲装置,开发了能适应不同作业方式和工况的、具有首冲、中耙多功能的浅吃水船型,实现了首冲和传统的耙吸式结合的新的疏浚方式,是一种新型有效、绿色环保、国际领先的疏浚方式,具有良好的经济效益和社会效益。

2006年9月,以首冲装置为主要研制创新点之一的《具有首冲功能的300方自航耙吸挖泥船研制》获评中国航海学会科学技术二等奖。

A new trailing suction dredger with bow-jetting dredging on bow-jetting of“Hang Suo 20”

Wang Bing

shallow waterway dredging;bow-jetting;test

This paper presents the operation,equipment function and full scale test of a special dredger“HangSuo 20”,which dredges in Zhang Jiang shallow waterway,and safety of bow-jetting structure and its dredging validity has been explained by test data.It can be taken as a reference for waterway dredging and engineering ship design.

U 674.31

A

1001-9855(2010)01-0018-04

2009-11-28

王 兵(1963.04-),男,汉族,武汉人,高级工程师,主要从事船舶建造管理工作。