具有波浪补偿功能的沿海采矿船研发

戴雪良，章庆生

(江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

随着世界各国对矿产资源需求的不断增加，陆地矿产资源因大量开采而逐渐枯竭，这样不仅影响世界经济的发展，还导致人类生存环境的恶化，所以开采海洋资源就成了人类首选的目标。

目前海底世界已被人类认为是未来最大的潜在战略资源基地，引起世界各国竞相开展相关研究。近海砂矿是一种在近海海底条件下经过漫长地质变化而形成的具有重要经济价值的矿砂资源，现已勘探出包括金红石、金钛铁矿、锆石、磁铁矿在内的多达数十种，对航天工业及核工业有重要意义，其价值仅次于海底石油和天然气。世界上已有众多国家或地区对近海砂矿进行勘探和开采。水下矿砂通常有2种挖掘系统，即干挖式和湿挖式。干挖式主要是采用抓斗、铲斗、链斗等直接挖取，湿挖式是通过斗轮、绞刀、泥泵、管道等。

由于采出的原矿通过500 m的水上浮管输送到后面的选矿船上进行选矿是一个连续的作业过程，选矿船要求采矿船的产量尽可能均匀，因此本文重点研究了具有浪浪补偿功能的斗轮式采矿船设计。

1 主要参数选择

本文研究的采矿船根据排水量大小以及稳性、浮态等要素，最终选取最佳船长、型宽、型深。主要参数如下：

船长35.2 m ,型宽8.30 m，型深2.70 m，设计吃水1.65 m，最大挖深(斗轮架与水平夹角45°)14.0 m，排距500 m，排高5 m，台车行程3.5 m，泥泵清水排量4 300 m3/h，排水量约426 t，航区沿海。

该船挖深约为10 m，最大挖深限定为14 m。这就需要艏部设置10 m的开槽，以便于桥架的起落和挖掘机构的维修；艉部根据设定台车行程大小来确定开槽长度，中间根据机舱设备及甲板舱室布置来确定。

2 总体布置和简介

主甲板以下的主船体从艉至艏依次布置压载水舱、空舱、燃油舱、机舱、空舱、压载水舱等。本船设4只燃油舱，贮油量约为55 t，可满足连续180 h施工需求；设5.5 m3的清水舱，满足作业人员的日用。

主甲板以上中部设有机舱棚、卫生间、CO2室、船员休息舱室、操纵室。

艉部设有定位桩系统：设置1根主定位桩和1根辅定位桩。定位桩直径均为Φ630 mm×18.5 m。副定位桩设在左舷船体的尾部，主定位桩台车船体尾部的开槽内。主定位桩台车带有波浪补偿系统，使得主定位桩作业时不易折断。主定位桩台车的工作行程为3.5 m。控制定位桩升降的顶升柱塞油缸径为180 mm，通过拨出桩箍插销，定位桩可通过倒桩装置倒下。

艏部设有斗轮采矿系统和横移锚的起抛锚杆系统，斗轮采矿臂架安装在船首部的开槽内，斗轮采矿臂架总长18.5 m。在船首驾驶室前主甲板上，安装1台150 kN桥架液压绞车，通过斗轮采矿臂架下滑轮组和船首门架上的上滑轮组牵引斗轮采矿臂架绕铰轴转动，可实现不同深度的采矿。斗轮采矿臂架下放45°时，最大挖深为14 m。斗轮采矿臂架前端装有采矿斗轮装置，采矿斗轮装置参数为：直径Φ3.2 m，额定功率250 kW，额定转速0～18 r/min，桥架绞车两侧设置2台150 kN型横移液压绞车。横移绞车采用上出绳，钢丝绳通过设在斗轮采矿臂架前部的摆动横移滑轮，至采矿船两侧前端的横移锚。2台横移绞车一收一放，可使采矿船绕艉部主定位桩实现左右扇形采矿。本船首部左右舷各设1套抛锚装置。该装置主要由吊锚杆、吊锚杆承座、开口滑车、导向滑轮、起锚绞车等组成。吊锚杆长度为15.5 m，舷外侧最大跨距为12 m，吊锚杆在舷侧可前后摆动，进行起抛锚。起抛锚由拉力为60 kN的液压起锚绞车控制，绳速约0～20 m/min。采矿船布置示意见图1。

图1 采矿船布置图

3 船体性能

本船入级法国BV船级社，挂斐济国旗，严格按照BV和斐济的规范来设计。本船作为非自航船，航行主要是靠其他船舶拖航，阻力大小对拖航速度不敏感，故船体型线采用箱型，便于船厂施工。采矿船在6级以下风浪下作业，稳性满足规范要求。

4 主要设备配置

(1)采矿泵驱动柴油机参数：型号CAT 3512C，型式V型12缸 4冲程柴油机，缸径170 mm，行程215 mm，功率1 350 kW，转速1 600 r/min；电启动。

(2)液压/发电驱动柴油机参数：型号CAT C18，型式直列 4冲程柴油机，缸径145 mm，行程183 mm，功率465 kW，转速1 800 r/min；电启动。

(3)泥泵装置参数：型号HK-HE 3HD 131-22-50，型式泵齿轮箱组合，清水流量4 300 m3/h，扬程65 m。

(4)斗轮装置参数：斗轮直径Φ3 200 mm，转速(12-15.4-18) r/min，斗轮轴功率250 kW。

5 波浪补偿台车定位桩系统研制

5.1 带波浪补偿台车定位桩的作用

台车定位装置系统是保障采矿作业船连续作业不可缺少的装备。随着矿区作业海域水深不断增加，海况越来越复杂，波浪涌对斗轮采矿船的影响越来越大，在这种情况下无波浪补偿台车定位装置已不能满足复杂海况下平台作业要求。为提高平台对环境条件的适应能力、作业效率，确保平台作业安全，需要在台车定位装置上增设波浪补偿系统，以减小风、浪、涌引起的平台运动对台车定位桩系统的作用力。

5.2 波浪补偿原理及结构形式

斗轮采矿船作业时通过台车定位桩的波浪补偿装置的作用可降低定位桩损坏的风险。采矿船在恶劣的波浪条件下工作时，作用在主定位桩上的反作用力主要由采矿斗轮旋转切削产生反作用力、横移绞车牵引产生的作用力和波浪流对船体产生的反作用力反馈到主定位桩上。为了使采矿船在恶劣的波浪条件下可以进行采矿作业，使用带波浪补尝台车定位桩的采矿船可以随着波浪绕着定位桩摆动，以防止定位桩折断，达到增加采矿船有效作业时间、提高作业产量的目的。

台车波浪补偿装置包括以下3个方向的补偿：

(1)绕横轴摆动和水平纵向摆动补偿的波浪补偿系统。

(2)沿垂向方向位移补偿的波浪补偿系统。

(3)沿水平方向横向位移补偿的波浪补偿系统，波浪补偿采用油缸+纯机械结构组合(油缸+摇臂结构形式)以及油缸+钢丝绳滑轮组形式。油缸+纯机械结构组合见图2。双作用波浪缓冲油缸见图3。

实际工作中，补偿方式的选用、波浪补偿结构形式及补偿原理的确定需要根据采矿作业船上的空间位置、装置的平台体布置、定位波浪补偿系统桩的受力、作业工况等诸多因素来决定。

图2 油缸+纯机械结构组合

根据本采矿船的实际情况，波浪补偿采用油缸+纯机械结构组合(油缸+摇臂结构形式)，即钢桩在海上作业时波浪在船上产生的作用力会造成采矿船相对定位桩的移动，使定位桩桩产生一定角度的摆动，因而在采矿船定位桩下抱箍和定位桩入泥处产生很大的作业力矩。为了使采矿船能在更加恶劣的波浪海况条件下进行采矿作业，或在延长定位桩的使用寿命，定位桩台车与船体之间采用带液压蓄能器和双作用液压油缸的进行补偿形式，通过蓄能器和双作用液压油缸在作业过程中吸收波浪流产生的冲击，减小主定位桩在中线的波动冲击力矩。

图3 双作用波浪缓冲油缸

6 结语

本采矿船的研发成功，为我国在沿海采矿领域增添了新型的装备，特别是带波浪补偿的台车定位桩的使用，延长了采矿船作业的窗口期，提高了作业效率。海洋矿产资源作为战略资源，已得到世界各国的高度重视。本项目的实施，将大大提升疏浚工程领域和选矿领域的先进技术和我国海洋采矿产业的系统研发和产业化转化能力，加速我国海工装备产品的结构调整，创建具有国际影响力的自主品牌，对增强我国海工装备的国际市场竞争力具有十分重要的作用。