大型絞吸挖泥船液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

大型絞吸挖泥船液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在過去10年的十多年里，挖掘機(jī)行業(yè)對(duì)大型挖掘機(jī)設(shè)備的需求越來越高。絞吸和挖掘泥漿泵的發(fā)展迅速成為大型化、自動(dòng)化、節(jié)能和環(huán)保的方向。中交天津航道局(以下稱我局)根據(jù)國內(nèi)外疏浚工程的需要,聯(lián)合國內(nèi)設(shè)計(jì)研究單位與船廠先后自主設(shè)計(jì)制造了十二艘液天牛和電天牛系列大型非自航絞吸挖泥船,它們的成功設(shè)計(jì)與建造不僅為國內(nèi)大型基礎(chǔ)建設(shè)工程作出了貢獻(xiàn),提高了國內(nèi)絞吸挖泥船的設(shè)計(jì)、制造和配套能力,也為國內(nèi)自主設(shè)計(jì)和制造能力更強(qiáng)、裝機(jī)功率更大、技術(shù)更先進(jìn)的絞吸挖泥船積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。2007年初我局開始與上海交通大學(xué)合作研發(fā)具有挖巖能力的大型非自航絞吸挖泥船?！疤祺杼?hào)”和“天麟號(hào)”以我局已有的“津航浚215”絞吸挖泥船為參考船型,應(yīng)用國際上先進(jìn)的機(jī)電、材料、信息、控制和自動(dòng)化技術(shù),大量采用變頻技術(shù)驅(qū)動(dòng)疏浚設(shè)備,配置具有挖巖能力的大功率絞刀及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),采用適應(yīng)較惡劣作業(yè)環(huán)境條件的帶緩沖雙軛架淺水倒樁鋼樁臺(tái)車和三纜定位兩套定位系統(tǒng),設(shè)置能滿足全船起重作業(yè)的甲板行走吊。兩船于2008年初在青島前進(jìn)船廠開工建造,分別于2009年8月和10月投產(chǎn),并進(jìn)行了挖巖試驗(yàn)?！疤祺胩?hào)”還進(jìn)行了超長距離挖泥吹填作業(yè),實(shí)現(xiàn)了14000m的單船吹距,創(chuàng)造了我局單船施工吹填距離的新記錄?！疤祺杼?hào)”和“天麟號(hào)”建成時(shí)是國內(nèi)投入使用的最大非自航絞吸挖泥船,多項(xiàng)技術(shù)突破了國內(nèi)已有的實(shí)踐,挖巖試驗(yàn)和后續(xù)的作業(yè)實(shí)踐均表明了此二船性能優(yōu)異。本文對(duì)該船型的主要特征作簡要介紹,既是對(duì)該船型的設(shè)計(jì)、制造和使用的總結(jié),更希望能對(duì)后續(xù)絞吸挖泥船的設(shè)計(jì)與建造有一定的參考意義。1一般船舶特點(diǎn)1.1主船結(jié)構(gòu)及布置特點(diǎn)非自航絞吸挖泥船從艏到艉均布置各種設(shè)備,在艏部布置橋架等挖泥設(shè)備,舯部布置動(dòng)力及輔助設(shè)備、泥漿輸送設(shè)備和生活艙室,艉部布置定位設(shè)備,主要設(shè)備配置和特殊疏浚設(shè)備設(shè)計(jì)對(duì)主要要素和總布置影響巨大,因而是一類布置地位型船舶。“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的規(guī)模突破了國內(nèi)已建成的非自航絞吸挖泥船,并主要有如下五個(gè)特點(diǎn):1)配置甲板行走吊,其作業(yè)范圍要求覆蓋全船,需設(shè)置貫穿全船長的軌道;2)配置鋼樁臺(tái)車和三纜定位兩套定位系統(tǒng),船尾設(shè)備繁多,布置復(fù)雜;3)驅(qū)動(dòng)絞刀的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)總功率達(dá)2000kW,采用多個(gè)水潤滑的滑動(dòng)軸承座支持的剛性長軸驅(qū)動(dòng),絞刀齒輪箱內(nèi)設(shè)置雙向止推滑動(dòng)軸承;4)橫移絞車安裝在主甲板上,橫移鋼絲繩通過設(shè)置在橋架耳軸端頂部的行走滑輪導(dǎo)向至橫移滑輪;5)艙內(nèi)泵由柴油通過齒輪箱驅(qū)動(dòng),其它主要疏浚設(shè)備采用變頻驅(qū)動(dòng)方式,充分需考慮能力綜合利用,使得電力系統(tǒng)配置靈活、可靠和冗余。除了上述的特點(diǎn)外,“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的主船體仍為成H型的箱形駁船;船主體為單甲板,在機(jī)艙和泵艙區(qū)域布置局部雙層低;在船首有橋架開槽,在船尾有鋼樁臺(tái)車開槽;在船舶中部設(shè)四層甲板室。1.2本船的主要參數(shù)此船的設(shè)計(jì)航區(qū)為R2內(nèi)挖泥作業(yè)、無限航區(qū)拖航調(diào)遣,因此完整穩(wěn)性和船體結(jié)構(gòu)需滿足法規(guī)和規(guī)則對(duì)無限航區(qū)的要求。非自航的船舶雖然不需要滿足SOLAS公約,但為了本船安全性,本船的設(shè)計(jì)仍然參照SOLAS公約的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,并取得船級(jí)標(biāo)志:★CSACutterSuctionDredger,DredgingWithinR2,Non-propulsion。為了適應(yīng)國外作業(yè)和國際無限航區(qū)拖航,本船設(shè)計(jì)嚴(yán)格滿足相應(yīng)的國際公約和規(guī)則,特別是滿足國際勞工組織的相關(guān)公約,該公約對(duì)船員的艙室設(shè)備等的要求較高,而我局對(duì)住艙數(shù)量要求亦較高,因此對(duì)此布置地位型船的設(shè)計(jì)有較大影響,使得本船的上層建筑豐滿。1.3開槽長度和船寬非自航的絞吸挖泥船是布置地位型船舶,其主要要素主要取決于布置,具體而言為受挖泥性能與配備、動(dòng)力設(shè)備選型、定位裝置的技術(shù)指標(biāo)、定員等影響。最大挖深、柴油機(jī)選型、定位裝置最大工作行程等是確定船長的重要因素。最大挖深和此時(shí)的橋架傾斜角直接影響船首開槽長度;柴油機(jī)的選型與數(shù)量等關(guān)系機(jī)艙長度;鋼樁臺(tái)車定位裝置的形式和最大工作行程決定船尾開槽長度,而鋼樁臺(tái)車的行程與絞刀的尺度相關(guān),并且因影響絞吸挖泥船的有效作業(yè)時(shí)間而改變實(shí)際產(chǎn)量。船寬一般主要取決于機(jī)艙和泥泵的布置要求,而采用鋼樁臺(tái)車定位和三纜定位兩套挖泥作業(yè)定位系統(tǒng),由于此兩套系統(tǒng)均布置在艉部,因此船寬較大。在確定了船長和船寬后,需合理選擇設(shè)計(jì)吃水來獲得必需的排水量。作為一類工程船舶,在作業(yè)時(shí)主甲板的全長范圍內(nèi)均經(jīng)常有船員活動(dòng),因此考慮到減小上浪對(duì)作業(yè)的干擾,通常略有富裕干舷。另一方面,還需要艙內(nèi)設(shè)備布置的要求和與船長的配合。此外,相對(duì)普通運(yùn)輸船舶而言,因大量的挖泥設(shè)備布置在干舷甲板以上和有較發(fā)達(dá)的上層建筑,使得絞吸挖泥船的重心較高,滿足穩(wěn)性要求也需要有較大干舷。表1列出了“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的主要要素。1.4絞吸挖泥船的布置特點(diǎn)絞吸挖泥船設(shè)計(jì)的一個(gè)必需非常關(guān)注的重要特點(diǎn)是其空船重量約占總排水量的約80%,且盡可能不用或少用壓載水,所以在設(shè)計(jì)之初準(zhǔn)確估算空船重量重心以及合理布置設(shè)備與艙室,將對(duì)船舶的浮態(tài)、實(shí)際可裝載油水的能力關(guān)系重大。作為一種布置地位型船,絞吸挖泥船的總布置受技術(shù)性能和設(shè)備配置影響巨大,如1.1所述的特點(diǎn),“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”總布置較為特殊,見圖1,其布置特點(diǎn)可以歸納如下:1)主船體平面縱向外形呈H型,這是所有采用鋼樁臺(tái)車的絞吸挖泥船的共同特點(diǎn),但為滿足絞刀功率的增大,鋼樁直徑也相應(yīng)增加,臺(tái)車為帶緩沖的雙軛架形式,相同的臺(tái)車工作行程需要臺(tái)車開槽較長?！疤祺杼?hào)”和“天麟號(hào)”的額定工況為挖深25m、排距6300m、排管直徑φ900mm和土質(zhì)為中粗沙。3.2齒輪箱的動(dòng)力系統(tǒng)“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”絞刀驅(qū)動(dòng)方式與“宇大1號(hào)”及我局電天牛系列船型類似,由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)通過齒輪箱和長軸來驅(qū)動(dòng)。相對(duì)“宇大1號(hào)”,“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”絞刀驅(qū)動(dòng)功率增大,每臺(tái)絞刀電動(dòng)機(jī)的額定功率為1000kW,電動(dòng)機(jī)的恒扭矩、恒功率工作范圍都進(jìn)行行了優(yōu)化調(diào)整,對(duì)應(yīng)絞刀的恒扭矩、恒功率工作范圍也隨之發(fā)生了變化,使絞刀能較大范圍地適應(yīng)挖掘不同泥土,并能低速盤車以安裝或拆卸絞刀。齒輪箱采用Michell滑動(dòng)推力軸承,能承受250t的雙向推力。為減小油類潤滑劑的使用,絞刀軸和中間軸采用復(fù)合材料軸承,使用海水潤滑和冷卻,因而環(huán)保。3.3橋橋架、減斜板、提板“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的橋架布置與“宇大1號(hào)”及我局電天牛系列船型類似,采用分層布置,最上層為橫移系統(tǒng),包括橫移行走滑輪、鋼絲繩和橫移滑輪;第二層為絞刀及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),包括絞刀電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、中間軸與軸承、絞刀軸與絞刀;第三層為水下泵及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),包括水下泵電動(dòng)機(jī)、水下泵長軸和水下泵;橋架上的吸排泥管系則交錯(cuò)分布在各層。橋架上還有旋轉(zhuǎn)耳軸、橋架提升滑輪組、橋架固定裝置、輔助油水管系與電纜等。這種橋架的形狀能較優(yōu)地滿足橋架的布置要求,其強(qiáng)度與剛度也能滿足絞刀長軸的運(yùn)行需要和適應(yīng)挖掘硬土與弱風(fēng)化巖。3.4車橋緩沖帶緩沖器結(jié)構(gòu)形式“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的定位采用了鋼樁臺(tái)車和三纜定位兩套定位系統(tǒng)。鋼樁臺(tái)車系統(tǒng)包括臺(tái)車、輔鋼樁架和主輔鋼樁,鋼樁臺(tái)車能夠淺水倒樁。為了適應(yīng)大的絞刀功率、挖巖作業(yè)工況和較惡劣的作業(yè)環(huán)境條件,鋼樁臺(tái)車采用雙軛架形式,并帶緩沖功能,其總體布置如圖3所示。行走軛架有前后兩個(gè),緩沖系統(tǒng)在臺(tái)車兩側(cè)均設(shè)置一套。隨著絞刀功率和總裝機(jī)功率的增大,絞吸挖泥船尺度和橫移絞車能力均加大,臺(tái)車和鋼樁的工作載荷和應(yīng)力也隨之增加,特別是在挖掘巖石和在涌浪中作業(yè)時(shí)的載荷波動(dòng)明顯,為了降低臺(tái)車和鋼樁的峰值載荷與應(yīng)力,增加它們的疲勞壽命,超大型絞吸挖泥船均配置了不同形式的緩沖裝置,簡單加強(qiáng)不帶緩沖裝置的臺(tái)車和鋼樁的結(jié)構(gòu)并不能很好滿足要求。配置三纜定位系統(tǒng)的原因是為了在更大的風(fēng)浪中作業(yè)和適應(yīng)陡峭的近岸作業(yè)。4調(diào)查研究資源為了驗(yàn)證“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的設(shè)計(jì)與制造滿足技術(shù)任務(wù)書的要求,特別是挖掘巖石的能力,在此二艘船建成后進(jìn)行了挖巖試驗(yàn)。對(duì)試挖巖過程船舶和各類設(shè)備的運(yùn)行狀況與參數(shù)均進(jìn)行了仔細(xì)的觀察和測(cè)量,特別對(duì)絞刀及齒、絞刀軸系、絞刀齒輪箱和絞刀電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況與參數(shù)重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)挖掘巖石我局委托水利部海河水利委員會(huì)基本建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心進(jìn)行了物理和力學(xué)性能檢測(cè),試挖巖石(正長花崗巖飽)的單軸抗壓試驗(yàn)平均值達(dá)48.87MPa(飽和)。挖巖試驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果表明了“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的技術(shù)狀態(tài)優(yōu)良,具有極強(qiáng)的挖巖能力,對(duì)絞刀電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量表明了挖巖載荷具有波動(dòng)大的特點(diǎn),雖然挖巖時(shí)的電動(dòng)機(jī)平均功率僅為額定功率的一半左右,但瞬時(shí)負(fù)荷可達(dá)額定負(fù)荷的1.5倍,既證明了此二船設(shè)備配置參數(shù)的合理性,也證明鋼樁臺(tái)車需配置緩沖系統(tǒng)的必要性。5對(duì)我國船際疏浚裝備發(fā)展的建議“天麒號(hào)”和“天麟號(hào)”的成功建造表明我國已經(jīng)能夠研發(fā)、設(shè)計(jì)、建造大型絞吸挖泥船鋼樁臺(tái)車系統(tǒng),并且掌握了其設(shè)計(jì)要點(diǎn);具備了設(shè)計(jì)適應(yīng)更大鉸刀功率橋架的能力;表明我國疏浚裝備的設(shè)計(jì)、建造水平與發(fā)達(dá)國家相比正在逐步縮小差距。同時(shí)