等硬质河床基本无法使用;链斗船虽可适用于卵石河床,在川江以往的整治中也曾使用过,但较难适应挖掘深度的变化,且利用率不如抓斗船高,适用土质范围也不如抓斗船广。

抓斗挖泥船通常是单斗作业,可配备不同类型的抓斗,以适应不同硬度的土质:可以挖掘N值小于15的淤泥、一般粘土、松散的沙质土;N值15~25的中等沙土;也可挖掘N值25~40的硬粘土、夹石砂质土和砂砾;甚至可以挖N值大于40的风化碎岩。除适应土质范围广外,还广泛适用于狭小水域(港池、码头、以及堤堰和堤岸)的挖泥作业。挖掘深度较大,其中钢索抓斗船最大挖深可达80 m。综上所述,长江中上游,尤其川江航道硬质河床的疏浚以抓斗挖泥船为佳。且我局多年来以抓斗船为主进行川江航道整治也取得了较为满意的效果。

3 挖掘机的选型

国内外用于山区河流航道整治方式主要是对礁石钻爆后再进行挖掘清理。可供选择的设备主要有钢索抓斗挖掘机、液压反铲挖掘机和液压硬臂抓斗挖掘机。

3.1 钢索抓斗挖掘机

此类机型具有被对挖物质的广泛适应性、不同挖深的适应性及狭窄场所的适应性,但同时具有以下缺点:

(1)对结构紧密的卵石河床和爆破后的块石,必须增加斗重以减少抬斗现象,由于斗重增加,提升能力、主机功率及整机重也相应增大。这将受到船体尺度及吃水的制约。

( 2)急流航段施工,特别是在水流速度大于3 m/s时,钢索抓斗入水后漂斗现象严重,生产效率

较低。

(3)由于吊杆长度一定,不同的挖掘半径只有通过调整变幅钢缆来实现,操作频繁、机械磨损大、故障率高,影响了挖掘效率。

3.2 液压反铲挖掘机

该机型挖掘力强,生产效率高,在平原河流及沿海也广泛采用。使用反铲必须配置钢桩以保证各种作业状态下船舶的稳性,故在狭窄、流急、硬质河床的川江航道作业,易出现如下问题:

(1)同样因定位桩很难插入到所需要的深度,必须增加主缆及横移绞车以确保安全移船和定位,使系统变得复杂,船体重量增加,同时增加了辅助作业时间,功效受到影响。

(2)采用反铲时,要求爆破后的块石要小,且较均匀,但实际操作上却很难达到。

(3)在调遣航行中,定位桩高度易受桥梁或过江电缆净空高度的限制。

3.3 液压硬臂抓斗挖掘机

该机型与液压反铲式不同之处仅在于斗杆末端安装的斗型为二瓣式抓斗而已。其主要优点如下:

(1)对定位、移船设备的要求相对简单,只需主缆绞车和横移绞车就可。

(2)较适用于抓取形状各异、大小不一的块石,充斗系数较高。

(3)液压抓斗的重容比索斗小(一般仅为2~3之间),挖掘机功率、提升能力、整机重量都较索斗挖掘机小。故船舶主尺度相对较小,单船造价相对较低。

(4)回转速度快、循环周期短、生产率高,同一工况、同一斗容的情况下,液压硬臂抓斗较索斗生产率高出20%以上。且操作简便、设备故障率低。

上述三种挖掘机的性能特点见表1:

鉴于液压硬臂抓斗挖掘机优点突出,用于川江航道的整治较为理想,斗容大小以4 m3为宜。

3.4 抓斗机的选型

本船设计力求整体技术形态先进,因而主要工作机械——抓斗机和传动装置的选用必须注重技术先进性、经济性、且易于维修和保养。

根据我局的使用习惯,并考虑到当今世界抓斗机的制造情况,我们对日立、小松的产品进行了比较。这两家公司都生产定型的4 m3抓石机,且都有一定的市场覆盖率。

4 有关疏浚指标的选择

4.1 挖掘深度

为满足1 000 t~3 000 t驳船组成的万吨级船队直抵重庆,在中上游航道整治中,最大施工水深一般需超过10 m。因此挖掘机挖掘深度取为水下12 m较为合适。

4.2 挖掘N值

由于长江中上游航道疏浚对象主要是卵石或爆炸后的块石,这些土质的N值均在25~30之间,故将挖掘土质定为N≤30较符合长江中上游航道实际状况。

5 主要船型参数及设备的选择

5.1 船型尺度

5.1.1 吃水的选择

因重庆以上航道均为内河二级航道,枯水季节吃水限制在1.8 m,作为航道疏浚船舶,本船最大设计吃水拟不超过1.7 m。

5.1.2 船宽的选择

为保证抓斗机的安全作业,要求船舶具有一定的横倾力矩,船宽是影响本船的横倾力矩的重要要素。抓斗机正常工作时,规范及任务书要求船舶横倾角不超过5°。不同的抓斗机正常工作时会产生不同的倾侧力矩。根据现有资料:小松产品的倾侧力矩为408.1 t·m;日立的倾侧力矩为413.3 t·m;利勃海尔的倾侧力矩为410.5 t·m;三者相当接近。作业工况时最大风力为浦氏5级,产生的风压倾侧力矩约为15.5 t·m。

由于规范规定的船舶横倾角不超过5°,一般是对起重船而言,抓斗船因抓斗机(从一舷至另一舷)往返速度大,负荷变化突然,故稳性要求通常较起重船要高,故我们考虑静倾角3.5°。一定船宽的船舶与某个相对重心高度时静倾3.5°所能提供的回复力矩是一定的,如表2所示(不考虑自由液面的影响)。

经综合考虑,船宽14 m左右即可,横倾角(考虑风压影响)约为3.0°。稳性满足要求。

5.1.3 船长的选择

船长的选取主要是从全船布置,尤其是抓斗机以及甲板机械的布置和操作需要来考虑的,甲板室的布置和工作通道等亦不容忽视。按型船经验船长40 m左右即可。

综合本船船型及特点如下:

本船为钢质、单甲板、单底、首部雪橇形的方箱形非自航抓斗式抓石船。

本船尾部设全回转抓斗机一台,首部设甲板室。

航区为长江B、C级航区,J级航段。担负长江中、上游航道的整治,疏浚及港池的维护工作。

主要技术参数为:

总 长40.00 m左右

船 宽14.00 m左右

型 深设计确定

空载吃水1.70 m

抓斗斗容4 m3

挖掘土质 爆破碎石、软岩石、砂卵石。在常规的施工条件下能挖掘贯入级数(N)值＜30的土质。

生产能力120 m3/h

5.2 甲板机械及定位系统

本船施工时船队组成如下:

主船(4 m3抓斗船)+500 m3石驳(艘数视装船时间及运距而定)+一艘800 HP拖轮。

5.2.1 定位方式的选择

本船主要使用于川江河段,考虑到该水域施工存在滩多、流急、弯道多的特点,拟采用六锚定位作业,主缆绞车(2台)下放施工距离长,且是全船的生命线,因此在设置上必须考虑安全,双主缆须同时抛出,互为备用(如图1所示),相应的2台容缆绞车容绳量为1 000 m。另设4台边缆绞车及1套应急驱动系统。

5.2.2 各移船工况下所需的功率

我局抓斗船在长江中上游施工时一般采用两种移船形式。

(1)五收三放(2台主缆绞车、2台容缆绞车、1台横移绞车主动收缆,另外3台横移绞车被动放缆)式作业,约需功率164 kW;

(2)4台横移绞车联动作业,即一舷的2台横移绞车同时收缆,另一舷的2台横移绞车在一定的背压下被动放缆,此时所需功率为98 kW。

5.2.3 水下出缆器

我局在长期实践的基础上与长江船舶设计院共同研究设计了液压驱动水下出缆器装置,即在船舶的艏部左右舷和艉部左右舷各安装了一套液压水下出缆器装置。本装置可以根据航道和过往船舶的吃水情况,在水下1~3.5 m的范围内借助液压油缸变换出缆深度,不至碍航。此举既减低了船员的劳动强度,也提高了施工效率。

5.3 主要动力设备选型

根据对本船使用工况所作的估算,并参照相近的型船资料已初步确定,本船主柴油机功率在350 kW左右。从表3中可以得出这样的结论:选用引进国外专利的国内生产柴油机就其使用性能来说已经和进口柴油机基本相当。但工作过程中的稳定性和可靠性与进口机尚有一定差距。

根据本船的使用工况要求,拟选用进口的双端输出轴的柴油机组1台,一端通过气胎离合器带液压泵组供甲板机械使用;另一端带发电机组供全船其它用电。

5.4 有关电气及控制系统

本船电气及控制系统和原有的同类船舶相比有较大的改进:

·设备的选型均以自动化程度高、可靠性好为原则。

·为了保证挖掘作业准确可靠,本船拟采用DG-PS定位系统,配合16通道的数式测深仪,实现船舶的精确定位(精度为0.5 m)。

·液压绞车控制系统拟采用PLC可编程序控制器,以提高控制精度和可靠性。

6 结 论

本船综合技术形态先进,能适应长江中、上游航道疏浚的要求。

船舶尺度范围经济、合理,既满足使用要求,又降低了造价。

船舶性能对采用不同抓斗机型号的适应性强。

施工定位系统配置安全、可靠、合理。

水下出缆器装置的安装使用大大增加了有效作业时间,提高了生产效率。

动力设备的选取保持了我局现有船舶机务维护的连续性,方便管理。

采用柴油机两端输出,且通过气胎离合器及多输出轴齿轮箱带动油泵动力设备的传动形式,既保证使用性能,又提高传动效率。

先进电子技术的应用将提高本船在施工过程中机械设备控制的精度和动作的可靠性。

本船船型的前期研究,将为我局长江中、上游航道装备新型4 m3抓斗挖泥船在船型技术上作了铺垫。

7 扩 展

泰兴市依科攀船舶设备有限公司在抓斗船的功能上进一步拓展了水上重物吊装、水上打桩等多用途。

该公司生产的最大的抓斗船为25m3，最大吊重500T，通过转换抓斗，可以实现打桩功能。