大型絞吸挖泥船液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計

大型絞吸挖泥船液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計

在過去10年的十多年里，挖掘機行業(yè)對大型挖掘機設(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)計研究單位與船廠先后自主設(shè)計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)計與建造不僅為國內(nèi)大型基礎(chǔ)建設(shè)工程作出了貢獻,提高了國內(nèi)絞吸挖泥船的設(shè)計、制造和配套能力,也為國內(nèi)自主設(shè)計和制造能力更強、裝機功率更大、技術(shù)更先進的絞吸挖泥船積累設(shè)計經(jīng)驗和技術(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?！疤祺杼枴焙汀疤祺胩枴币晕揖忠延械摹敖蚝娇?15”絞吸挖泥船為參考船型,應(yīng)用國際上先進的機電、材料、信息、控制和自動化技術(shù),大量采用變頻技術(shù)驅(qū)動疏浚設(shè)備,配置具有挖巖能力的大功率絞刀及驅(qū)動系統(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年初在青島前進船廠開工建造,分別于2009年8月和10月投產(chǎn),并進行了挖巖試驗?！疤祺胩枴边€進行了超長距離挖泥吹填作業(yè),實現(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?！疤祺杼枴焙汀疤祺胩枴苯ǔ蓵r是國內(nèi)投入使用的最大非自航絞吸挖泥船,多項技術(shù)突破了國內(nèi)已有的實踐,挖巖試驗和后續(xù)的作業(yè)實踐均表明了此二船性能優(yōu)異。本文對該船型的主要特征作簡要介紹,既是對該船型的設(shè)計、制造和使用的總結(jié),更希望能對后續(xù)絞吸挖泥船的設(shè)計與建造有一定的參考意義。1一般船舶特點1.1主船結(jié)構(gòu)及布置特點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)計對主要要素和總布置影響巨大,因而是一類布置地位型船舶?！疤祺杼枴焙汀疤祺胩枴钡囊?guī)模突破了國內(nèi)已建成的非自航絞吸挖泥船,并主要有如下五個特點: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)動絞刀的兩臺電動機總功率達2000kW,采用多個水潤滑的滑動軸承座支持的剛性長軸驅(qū)動,絞刀齒輪箱內(nèi)設(shè)置雙向止推滑動軸承;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,其它主要疏浚設(shè)備采用變頻驅(qū)動方式,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。除了上述的特點外,“天麒號”和“天麟號”的主船體仍為成H型的箱形駁船;船主體為單甲板,在機艙和泵艙區(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)計仍然參照SOLAS公約的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,并取得船級標(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)計嚴格滿足相應(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,該公約對船員的艙室設(shè)備等的要求較高,而我局對住艙數(shù)量要求亦較高,因此對此布置地位型船的設(shè)計有較大影響,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。最大挖深和此時的橋架傾斜角直接影響船首開槽長度;柴油機的選型與數(shù)量等關(guān)系機艙長度;鋼樁臺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)時間而改變實際產(chǎn)量。船寬一般主要取決于機艙和泥泵的布置要求,而采用鋼樁臺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)計吃水來獲得必需的排水量。作為一類工程船舶,在作業(yè)時主甲板的全長范圍內(nèi)均經(jīng)常有船員活動,因此考慮到減小上浪對作業(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,相對普通運輸船舶而言,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”和“天麟號”的主要要素。1.4絞吸挖泥船的布置特點絞吸挖泥船設(shè)計的一個必需非常關(guān)注的重要特點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,將對船舶的浮態(tài)、實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,“天麒號”和“天麟號”總布置較為特殊,見圖1,其布置特點可以歸納如下:1)主船體平面縱向外形呈H型,這是所有采用鋼樁臺車的絞吸挖泥船的共同特點,但為滿足絞刀功率的增大,鋼樁直徑也相應(yīng)增加,臺車為帶緩沖的雙軛架形式,相同的臺車工作行程需要臺車開槽較長?！疤祺杼枴焙汀疤祺胩枴钡念~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齒輪箱的動力系統(tǒng)“天麒號”和“天麟號”絞刀驅(qū)動方式與“宇大1號”及我局電天牛系列船型類似,由兩臺電動機通過齒輪箱和長軸來驅(qū)動。相對“宇大1號”,“天麒號”和“天麟號”絞刀驅(qū)動功率增大,每臺絞刀電動機的額定功率為1000kW,電動機的恒扭矩、恒功率工作范圍都進行行了優(yōu)化調(diào)整,對應(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”和“天麟號”的橋架布置與“宇大1號”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)動系統(tǒng),包括絞刀電動機、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)動系統(tǒng),包括水下泵電動機、水下泵長軸和水下泵;橋架上的吸排泥管系則交錯分布在各層。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,其強度與剛度也能滿足絞刀長軸的運行需要和適應(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”和“天麟號”的定位采用了鋼樁臺車和三纜定位兩套定位系統(tǒng)。鋼樁臺車系統(tǒng)包括臺車、輔鋼樁架和主輔鋼樁,鋼樁臺車能夠淺水倒樁。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,緩沖系統(tǒng)在臺車兩側(cè)均設(shè)置一套。隨著絞刀功率和總裝機功率的增大,絞吸挖泥船尺度和橫移絞車能力均加大,臺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)時的載荷波動明顯,為了降低臺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,簡單加強不帶緩沖裝置的臺車和鋼樁的結(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)查研究資源為了驗證“天麒號”和“天麟號”的設(shè)計與制造滿足技術(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行了挖巖試驗。對試挖巖過程船舶和各類設(shè)備的運行狀況與參數(shù)均進行了仔細的觀察和測量,特別對絞刀及齒、絞刀軸系、絞刀齒輪箱和絞刀電動機的運行狀況與參數(shù)重點關(guān)注。對挖掘巖石我局委托水利部海河水利委員會基本建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心進行了物理和力學(xué)性能檢測,試挖巖石(正長花崗巖飽)的單軸抗壓試驗平均值達48.87MPa(飽和)。挖巖試驗和觀測結(jié)果表明了“天麒號”和“天麟號”的技術(shù)狀態(tài)優(yōu)良,具有極強的挖巖能力,對絞刀電動機運行參數(shù)的測量表明了挖巖載荷具有波動大的特點,雖然挖巖時的電動機平均功率僅為額定功率的一半左右,但瞬時負荷可達額定負荷的1.5倍,既證明了此二船設(shè)備配置參數(shù)的合理性,也證明鋼樁臺車需配置緩沖系統(tǒng)的必要性。5對我國船際疏浚裝備發(fā)展的建議“天麒號”和“天麟號”的成功建造表明我國已經(jīng)能夠研發(fā)、設(shè)計、建造大型絞吸挖泥船鋼樁臺車系統(tǒng),并且掌握了其設(shè)計要點;具備了設(shè)計適應(yīng)更大鉸刀功率橋架的能力;表明我國疏浚裝備的設(shè)計、建造水平與發(fā)達國家相比正在逐步縮小差距。同時