耙吸挖泥船波浪补偿器系统设计_龙进军

０引言

耙吸挖泥船是一种装备有耙头挖泥机具和泥泵吸泥装置的大型自航、装舱式挖泥船，是从事航道和港口疏浚施工的重要设备。耙吸挖泥船一般在一舷或二舷旁安装有耙吸管，耙吸管一端同舱内泥泵吸泥管相连，另一端装有耙头。施工时利用安装在甲板上的耙管吊架将耙吸管放入水下一定深度，使耙头与水下土层的疏浚工作面相接触。通过波浪补偿器自动调整耙头深度，使耙头在水面有波浪的情况下也能始终保持与泥面接触。通过船上的推进装置使挖泥船在施工时慢速航行，拖曳耙头对水下土层中的泥沙进行耙松和挖掘。在泥泵的抽吸作用下，泥浆从耙头的吸口进入并流经耙吸管和船体内吸泥管进入泥泵，再经泥泵排出口通过船体内排泥管和装舱装置排入泥舱中。当泥舱满载后，停止疏浚挖泥作业，提升耙吸管出水，将船航行至指定的抛泥区，并通过泥舱底部所设置的泥门装置自行将舱内泥沙卸空，或根据工程需要将挖泥船驶至指定卸泥区，用船上的排岸接头同输泥浮管或岸管相连，利用船上的泥泵将泥舱内的泥浆吸入船体抽舱管路，然后通过船体内排泥管和同排岸接头相连的浮管或岸管将泥浆吹排到岸上卸泥区［１］。本文以某型３５００ｍ３耙吸挖泥船的波浪补偿器系统的设计过程为例，论述波浪补偿器有关设备的受力计算过程及系统参数的选择方法。１波浪补偿器系统布置设计

波浪补偿器系统是一套自动控制系统，可使耙吸挖泥船在海面有波浪或水底地形有起伏的情况下，耙头可以始终贴紧水底泥面。该型耙吸挖泥船波浪补偿器系统组成如图１所示，主要有蓄能器、液压缸、导缆轮及吊索等组成。在海面有波浪的情况下，当船体被波浪上举时，耙头脱离水底泥面，耙头吊索受力增加，钢缆将

图１波浪补偿器系统布置图

收稿日期：２００７－０６－０５

作者简介：龙进军（１９６６—），男，安徽安庆人，南通航运职业技术学院船舶工程系高级工程师。

摘要：耙吸挖泥船在港口和航道的发展和建设中起着非常重要的作用，文章从系统布置设计和参数选取两方面介

绍了耙吸挖泥船波浪补偿器系统设计中的关键要点。

关键词：耙吸挖泥船；波浪补偿器；设计

中图分类号：Ｕ６７４．３１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－９８９１（２００７）０３－００５９－０３

耙吸挖泥船波浪补偿器系统设计

龙进军

（南通航运职业技术学院船舶工程系，江苏南通２２６０１０）

第６卷第３期

２００７年９月南通航运职业技术学院学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＮＴＯＮＧＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ＆ＴＥＣＨＮＩＣＡＬＳＨＩＰＰＩＮＧＣＯＬＬＥＧＥＶｏｌ．６Ｎｏ．３Ｓｅｐ．２００７

２００７年６０南通航运职业技术学院学报柱塞杆向内压入，耙头吊索自动被放长，可将耙头下放至水底泥面；当船体下沉时，耙头压在泥底上，耙头吊索变松，柱塞杆受液压作用而向外伸出，使吊索自动绷紧。同理，当耙头遇到低陷的海底地形时，耙头被悬空吊起，耙头吊索受力增加，油缸柱塞杆下降，耙头被自动放至水底泥面；当耙头遇到高突的水底地形时，耙头向上爬升，耙头吊索变松，油缸的柱塞杆向外伸出，耙头吊索被自动绷紧。通过波浪补偿器的自动调节作用，可使耙头始终保持对水底泥面有一定的压力。

２波浪补偿器系统主要参数的选取

２．１耙头吊索受力计算

耙吸管最大受力状态在耙吸管被吊出水面的一刻，此时耙吸管内还留有泥浆水，高压冲水管内也留有水。耙头和下耙管通过万向节同上耙管相连，下耙管可在垂直面内绕万向节的枢轴转动，因此可将下耙管看成一段一端是铰接头的悬臂梁。经计算下耙管重力为６４．８８ｋＮ，冲水耙头重力为７５．５ｋＮ，吸泥管、冲水管中的泥浆和水的重力是１７８．６ｋＮ。下耙管的最大受力状态下的受力分析示意图如图２所示：

图２耙头吊索受力分析图原理图

图中：Ｔ—耙头吊索拉力；Ｇ１—耙管、泥浆及水的重力；Ｇ２—耙头的重力；ＡＯ—耙头重心至铰点的距离；ＢＯ—吊索至铰点的距离；ＣＯ—耙管、泥浆及水的重心至铰点的距离。由图２可得：

Ｔ×ＢＯ＝Ｇ１×ＣＯ＋Ｇ２×ＡＯ（１）

将Ｇ１＝１７８．６ｋＮ，

Ｇ２＝７５．５ｋＮ，ＡＯ＝１７ｍ，ＢＯ＝１３．３ｍ，ＣＯ＝８．１ｍ，代入式（１）可得：Ｔ＝２０５ＫＮ。２．２波浪补偿器油缸和蓄能器参数的选取

根据设计要求，该船应能在波高２．５ｍ的情况下正常施工。因此，根据耙头吊索的最大受力情况和施工海区最大波高要求，本船波浪补偿器系统主要设备参数选取如下：

（１）波浪补偿器油缸规格：柱塞直径：２２０ｍｍ径程：２５００ｍｍ

（２）蓄能器容积：６００Ｌ×２

２．３施工状态下蓄能器内空气压力的选取

蓄能器内充气压力同疏浚施工时的挖深和所挖掘的土质有关。挖泥船挖深不同，耙吸管与船底间的夹角也不同。随着挖深的加大，耙吸管与船底的夹角也增大，耙头吊索所受的拉力也随着减小，同时耙头吊索对补偿器油缸柱塞的压力也相应减少。挖掘土质的不同也会影响耙头吊索的拉力值。耙头在挖掘水底泥沙时，耙头需要对水底泥面保持一定的压力才能使耙头能够切碎水底泥沙层，并使切碎的泥沙块与周围的水混合形成泥浆，最终被泥泵吸入并装入泥舱中。由于淤泥较软，耙头在挖掘淤泥土质泥土时，不需要对淤泥泥面施加很大的力就可从切碎淤泥，但淤泥的承载力较小，耙头易陷入淤泥中，容易造成闷耙情况出现。因此，耙头对淤泥泥面的压力不能太高。在挖掘密致细沙的土质泥沙时情况正好相反，耙头需要对细沙土质泥面施加较大的压力才能满足施工要求。下面以挖深为１０ｍ、海面波高为２．５ｍ的施工情况为例，分别计算在挖掘淤泥和细沙两种不同土质的泥沙时，蓄能器所需的空气充气压力，其他施工条件下的蓄能器充气压力照此类推计算。

２．３．１挖掘土质为细沙时蓄能器内空气初始充气压力的选取

（１）受力计算与初始充气压力选取

在进行此类较硬土质的疏浚施工时，根据施工经验，在不计浮力影响下，耙头对水下泥面的压力应为耙头重力的８０％。本船的耙头重７５．５ｋＮ，则耙头对地压力取５８．５ｋＮ。在静水施工状态下，耙管和耙头的受力情况如图３所示：