耙吸式和绞吸式挖泥船

1.借机械或流体动力的挖泥设备，挖取、提升和输送水下地表层的泥土、沙、石块和珊瑚礁等沉积物的船。

船舶工程（一级学科）；船舶种类及船舶检验、国际公约和证书（二级学科）
2.采用各种斗、铲或水枪等装置，挖掘并从水中提取泥沙的工程船舶。

电力（一级学科）；水工建筑（二级学科）
3.装有挖泥机械设备，专门用于挖取水下泥沙的船舶。

海洋科技（一级学科）；海洋技术（二级学科）；海洋工程（三级学科）
4．装有专门设备、用以挖起水下泥、沙或卵石、软石的工程船。

水利科技（一级学科）；航道与港口（二级学科）；疏浚（水利）（三级学科）
5.挖泥船有机动和非机动之分，按施工特点又可分为耙吸式、铰吸式、链斗式、抓斗式和铲斗式等。

一、特征
耙吸式挖泥船是自航式的深海或内陆船。

耙吸式挖泥船通常配备有泥舱和挖泥设备，可以自行装舱和卸载。

按照设计标准，耙吸式挖泥船装备有：
1.带有吸嘴的耙吸管，即耙头，挖泥时用于耙吸海床；
2.泥泵，用于耙吸被耙头耙松了的土壤；
3.泥舱，可堆存耙吸的泥水混合物；
4.溢流系统，用于排出泥舱装舱过程中多余积水；
5.位于泥舱内的底门，用于卸载泥水混合物；
6.位于甲板上的支架，用于起吊耙吸管；
7.波浪补偿器，用来补偿耙头与海床接触时耙头与船体垂直方向的相对运动。

二、应用领域
耙吸式挖泥船的应用广泛，在疏浚业被美名为“孺子牛”。

耙吸式挖泥船工作过程中不需要抛锚定位，因而不会给其它船舶的航行造成障碍。

早期耙吸式挖泥船主要用于加深和维护航道。

如今的耙吸式挖泥船还可用于围海造田。

例如，一项在远东的疏浚工程就是先使用耙吸式挖泥船将受污染的土壤挖掘去除，然后完全填埋，并平铺一层砂砾。

与其它疏浚设备相比，在实际施工中，若填埋沙坑的不良土壤区域太大而不能直接排放及提供管道线路排泥时应优先考虑使用耙吸式挖泥船。

耙吸式挖泥船的主要优点：
1.船体不在固定位置上工作，故没有抛锚用绳缆，而可以自由移动，这对于海港区域的疏浚是非常重要的；
2.耙吸式挖泥船非常适合远海疏浚作业。

可被耙吸的物质主要是淤泥和沙子，黏土有时也可被耙吸上来，但易造成耙头和栅栏（置于耙头内后部）的堵塞。

用耙吸式挖泥船来挖掘岩石在大部分情况下是不经济的，耙头要求非常沉重，而且产量一般很低。

绞吸式挖泥船
一、应用领域
绞吸式挖泥船被广泛应用于港口、航道疏浚及吹填工程。

绞吸式挖泥船从挖泥到排泥场的距离一般小于耙吸式挖泥船。

使用绞吸式挖泥船的最大优势是能获得准确的挖掘轮廓。

绞吸式挖泥船基本适合挖掘各种类型的土壤，当然这也决定于切削功率的配置。

绞吸式
挖泥船类型和尺寸范围很广，绞刀头功率最小可为20KW，最大可达约4000KW。

但挖泥深度一般较有限，最大挖深为 25～30 m，最小挖泥深度通常取决于船体（平底船）的吃水深度。

绞吸式挖泥船属静态挖泥船。

至少有两套对挖掘过程非常重要的锚缆系统。

但锚缆却为其它船舶航行带来障碍。

某些大型绞吸式挖泥船为减少被“绊住”的危险而安装了推进器系统；推进器系统可用于帮助绞吸式挖泥船离开挖掘区域，当然也可帮助绞吸式挖泥船从一工作点移动到另一工作点。

小中型绞吸式挖泥船可制造为可拆卸式的。

这种方式较适合由公路到内陆区域而无水路时的运输，如，为公路铺沙层、为建筑工程公司挖掘沙子和砾石等。

安装了波浪补偿器的绞吸式挖泥船可在有波浪的开放水域施工，较之耙吸式挖泥船其局限性是显而易见的。

三、特征
绞吸式挖泥船的特性是：她属于静态挖泥船，安装绞刀头/绞刀作为挖掘工具，使泥土在切削后被吸入。

在吸泥过程中，绞吸式挖泥船是以定位桩为中心通过固定在侧边绞盘上的锚缆按圆弧形旋转。

绞吸式挖泥船非常易于与吸扬式挖泥船区分，因后者是没有定位桩系统的（但某些绞吸式挖泥船工作时是由缆绳定位的，而不是定位桩定位）。

绞刀支臂悬挂在支臂支架上，绞刀头、驱动器和吸泥管都置于其上。

对于中小型绞吸式挖泥船，一般采用A型支架，而对于大型绞吸式挖泥船，一般支架较重。

因部分切削力需由平底船及定位桩平衡，所以绞吸式挖泥船的平底型船体比其它静止型挖泥船较重。

挖掘的泥水混合物由水力式吸泥管输送到排泥场。

但也有某些绞吸式挖泥船配套有驳船卸泥系统。

绞吸式挖泥船安装一个或多个泥泵，其中一个放置在绞刀支臂上。

自航绞吸式挖泥船的推进器装置既可置于挖泥船前部靠近绞刀头处，也可置于其后部靠近定位桩处。

四、工作方式
在绞吸式挖泥船绞刀支臂放入水中后，泥泵开始工作，绞刀头开始旋转。

然后支臂向下转动直到绞刀头接触河床，或直到其达到最大挖深处。

挖泥船绕定位桩的初始运动是通过放松右舷锚缆、拉紧左舷锚缆完成的。

这些锚缆由靠近绞刀头的滑轮与甲板上的绞盘(靠近挖泥一侧的绞盘)连接。

放松绞盘保证两边缆绳的准确张力，这在挖掘坚硬岩石时尤为重要。

1.绞刀头的旋转方向相对于其横移运动的方向有时相同，有时相反。

在第一种情况下，绞
刀头作用在土壤上的反作用力带动船体运动，因此其横移作用力要小于第二种情况。

当绞刀头运动方向与挖泥船横移方向一致时，保证锚缆的预紧力是非常重要的。

如果绞刀头作用力推进挖泥船移动快于绞盘拉拽速度时，拉拽绞盘的缆绳将被绞刀头卷起并剪断，这是非常危险的；
2.锚的位置对挖泥船所需横移力影响大。

绞刀头到边缆的距离越近，所需的横移力越小；
3.横移力也受外界自然条件的影响，如风、水流及波浪等。

当然，绞刀支臂沿弧形摆动一次绞刀支臂，挖泥厚度由绞刀头直径及土壤类型决定。

当一次摆动后没有达到所需的挖泥深度，绞刀支臂将被放下更深，且绞刀支臂将向相反的方向摆动。

如前所述，绞吸式挖泥船是以定位桩 / 工作桩为固定支点做圆弧形摆动。

大多数绞吸式挖泥船的定位桩放置在可移动钢桩台车上。

另一只桩为辅助桩，置于中心线外，一般置于船尾右舷一侧。

钢桩台车利用液压缸可移动4-6 m的距离。

因为钢桩立于河床上，通过向船艉方向推动钢桩台车即可推动绞吸式挖泥船向前移动。

绞刀头的尺寸和土壤硬度决定了钢桩台车移动的步长。

钢桩台车每移动一步，在每次沿弧形摆动末端放低绞刀支臂，绞刀可切削一层或多层土壤。

支臂每向前一步，绞刀头以定位桩为中心绘出一个同心圆弧，其半径随步长的增加而增加。

如果钢桩台车液压缸已移到尽头，则必须要移动钢桩了。

在步进前，绞刀头移到切削中心线上，放下辅助桩，抬起工作桩，向前移动钢桩台车。

然后再次放下工作桩，抬起辅助桩。

挖泥船就又可以开始工作了。

步进后的第一次切削不是一个同心圆弧。

天鲸号
世界上的大型自航绞吸式挖泥船（Self PropelledCutter Suction Dredger,SCSD）屈指可数，尽管它的建造和使用成本较高，但人们选择它有两个主要原因：1）为了适应在海况下工作，能够应付大风浪或无需帮助自行前往避风场所；2）此类船舶的市场是国际化的，相对较小的工程分布在世界各地，自航挖泥船使调遣和调离的时间和费用显著降低
第一艘自航绞吸式挖泥船是Zanen-Verstoep（现在的Boskalis）公司在1977年建造的“Aquarius”，总装机功率为12 759 kW.
国内第一艘已建成的自航绞吸式挖泥船是中交集团天津航道局有限公司在深圳招商重工建造的“天鲸”号自航绞吸式挖泥船，该船由德国Vosta LMG公司和上海交通大学船舶与海洋工程设计研究所联合设计，以于2009年交付使用.
“天鲸”号自航绞吸式挖泥船的项目准备从2006年上半年开始，由于当时国内还没有自航绞吸式挖泥船，对此种船型的了解还不够深入，因此在项目初期天津航道局有限公司开展了广泛的收集资料、调研和邀请了IHC与Vosta公司作了自航绞吸式挖泥船的专题报告，最后选取以“Ursa”号为母型的方案，原因很多，但基本原因可以归纳为以下三个方面：1）设备选型的限制.由于世界范围造船高峰，机电设备特别是柴油机供应紧张，可满足交货期合适柴油机选择很少；2）造价的限制.目标船总造价限制在八亿人民币以内，为了降低建造成本，要求在国内建造，而由国外提供基本设计和主要疏浚设备；3）交船期的限制.要求在2009年上半年建成该船. 可供选择的基本设计和供应主要疏浚设备的单位是荷兰IHC或德国Vosta LMG，但IHC仅愿意提供整船，既不愿意提供船舶设计，也不愿意在中国建造整船和提供专业疏浚设备.因此，船舶基本设计和主要疏浚设备供应的单位只能是德国的Vosta LMG.“Ursa”号是由德国O&K设计的，O&K现已并入VostaLMG，该船原配柴油机的功率与日本大发的8DK36接近.所以，选择“Ursa”号作为母型船舶，由Vosta LMG提供基本设计和主要疏浚设备也是必然的选择.以“Ursa”号作为母型船舶和选用四台日本大发的8DK36作为主柴油机，基本确定了本船的总体布置格局，并且也确定了本船自航的推进由柴油机驱动.
1.2生产能力选择
绞吸式挖泥船的自航能力仅能提供机动性和降低调遣成本，但只有在挖泥作业时才能生产和产生经济效益，因此必须具备有合适的生产能力才具有良好的经济性.绞吸式挖泥船的生产能力取决于输送能力和挖掘能力两个方面.在确定了输送和挖掘设备以后，实际生产能力与土质、排距和海况等因素有关.输送能力决定于配备的泥泵及其驱动装置功率，
在挖掘能力不受限制时，绞吸式挖泥船产量主要取决于泥泵能力.已有的大型自航绞吸式挖泥船均配置三台泥泵，包括一台安装在桥架上的水下泵和两台安装在船体内的舱内泥泵，既具备远距离输送泥浆的能力，又能良好地适应不同排距，并能装驳.如前所述，已确定8DK36作为主柴油机，舱内泥泵由柴油机通过齿轮箱驱动，因此决定了舱内泵的最大功率.
绞吸式挖泥船的挖掘能力由绞刀功率所决定，要充分发挥绞刀功率，除根据土质不同而选用合适绞刀外，还需要有足够的桥架重量、横移绞车能力和钢桩强度.在确定主柴油机的功率和数量以后，增加绞刀功率的唯一途径是增加辅机功率，使除疏浚设备以外的所有辅助设备由辅发电机组供电，而主发电机组完全用于疏浚设备用电，包括水下泥泵、绞刀、横移绞车和桥架绞车.这样船舶柴油机数量较多，在挖泥作业中同时运行的柴油机较多，好处是疏浚设备的可用
功率增大，且变频设备用电与普通设备用电分开.经过分析和计算最终确定了水下泵和绞刀的驱动功率，水下泵采用一台2 200 kW电动机驱动，绞刀则采用二台2 100 kW电动机驱动，因而确定了整船的泥泵功率和绞刀功率，也决定了本船的挖掘能力和输送能力，从而确定了本船的生产能力.
2、船船技术状态
2.1船舶主要要素
自航绞吸式挖泥船主尺度主要是由船舶布置所决定的，是一种布置地位型船.
1）影响船长的因素有最大挖深、泥泵的数量、柴油机的类型、驱动方式、定位装置形式、上层建筑布置地位和形式等.最大挖深的要求影响桥架长度，从而影响船体的桥架开槽长度.定位装置通常为钢桩台车，定位装置的行程影响船体为定位装置运行的开槽.另外，为了提高对环境条件的适应性从而提供可工作时间，自航绞吸式挖泥船的定位装置设计成具有缓冲功能，以降低涌浪时钢桩受力，不同缓冲方式所需要的布置空间也不同.
2）船宽与机舱和泥泵的布置要求关系较密切，绞吸船燃油耗量大，需要较多的燃油舱容积，主甲板两舷需较宽走道，因此船宽较大.此外，从性能上考虑，适当取大船宽，船舶复原能力大，在一定风浪情况下横摇幅值可减小，对挖泥作业有利.国际航区对燃油舱超过600 m3的需要对燃油舱进行双壳保护，这也对船宽有一定的影响[1].
3）确定型深考虑更多的是舱内设备布置的要求和与船长的配合，此外考虑到上浪因素，因此通常略有富裕干舷.自航绞吸式挖泥船的重心相对普通运输船舶而言，因大量的挖泥设备布置在干舷甲板以上，重心较高，为了需满足IMO的稳性要求也需要有较大干舷.确定吃水主要是考虑排水量要求，国产设备一般体积较大，也较重，因此在决定船舶吃水时也需要考虑这方面影响.
除了上述因素外，自航绞吸式挖泥船配置了两台舱内泥泵和具备装驳功能，设计成能通过闸阀改变不同的工作模式，泥管和装驳设备的布置需要仔细考虑，对船舶的总布置和主尺度也有一定影响.
表1给出“天鲸”号和“Ursa”号的主要要素.对比两艘船主要要素，可以看到两艘船船体长度相差不大，但垂线间长却有差异较大，这是两艘船首部采取的型线特征差异引起的.桥架布置在船首，使得艏部型线处理复杂，需要结合桥架形状和桥架开槽来统一考虑.“Ursa”号艏部型线具有纵流特征，静水阻力性能比较好，但在波浪中航行时抨击严重；“天鲸”号采用普通运输船型线特征.“天鲸”号船宽大的原因是燃油舱双壳保护要求、增加了装驳系统和留有更多浮力裕度.
2.2总布置
绞吸式挖泥船是一种布置地位型工程船舶，其总布置与船舶的主尺度关系密切，同时绞吸式挖泥船上安装的设备繁多，从船首到船尾的船体内和上甲板上都安装了各种各样的专用和辅助设备，合理地布置需要考虑的因素非常多，总布置是自航绞吸式挖泥船设计非常关键的工作.
本船船体为单体、双底、局部设中间甲板的双机双桨船型.桥架布置在船首，钢桩台车布置在船尾.主船体从艏至艉分别为桥架区域、变频设备与泥管区域、泥泵区域、机舱区域和钢桩台车区域，钢桩台车区域也是推进轴系和螺旋桨布置区域.主甲板上设有艏艉楼，舯部设六层住舱甲板室，舯艉两舷设辅助用甲板室，在船舯区域的左右两舷各设置一套装驳系统.
2.3船舶型线
自航绞吸式挖泥船因为艏艉均有开槽，对“天鲸”号而言，艏部是桥架开槽，艉部是台车开槽，开槽给保证船舶具有合适的航行性能带来了困难.艏部型线影响船舶阻力，由于桥架是安装绞刀和水下泥泵及其驱动装置的结构，形状和大小需要满足合乎其功能的型式，并需要有足够的重量.。