王健，孔凡震

（中交天津航道局有限公司，天津 300451）

“天鯤號”自航絞吸船核心技術(shù)應(yīng)用研究

王健，孔凡震

（中交天津航道局有限公司，天津 300451）

論文介紹了國內(nèi)自主設(shè)計的5 000 kW絞刀功率自航絞吸船——“天鯤號”的性能概況，分別對總體布置、動力系統(tǒng)配置、柔性鋼樁臺車定位系統(tǒng)、智能化集成控制系統(tǒng)和三纜定位系統(tǒng)等核心關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究進行了闡述。通過對本船核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，實現(xiàn)了多種核心關(guān)鍵技術(shù)的最佳匹配組合，對提高我國大型疏浚船舶設(shè)計技術(shù)的總體水平將起到促進作用，對今后研發(fā)設(shè)計同類型船舶有一定借鑒意義。

自航絞吸船；柔性鋼樁臺車；集成控制系統(tǒng)；三纜定位系統(tǒng)

0 引言

近十多年來，海上疏浚和填筑工程的規(guī)模越來越大，疏浚市場對疏浚設(shè)備的效率、成本和節(jié)能減排的要求越來越高，疏浚企業(yè)對大型疏浚設(shè)備的需求也越來越迫切，絞吸船正迅速向大型高效化、智能自動化和綠色環(huán)保方向快速發(fā)展。世界各大疏浚公司為占領(lǐng)疏浚市場，都在致力于研制開發(fā)新一代的大型挖泥船，并在這些挖泥船上競先采用新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備。大型自航絞吸船的設(shè)計建造和挖泥船關(guān)鍵設(shè)備的研制已成為國際疏浚行業(yè)競爭能力的標(biāo)志，甚至代表了一個國家的裝備制造業(yè)總體水平。因此，研發(fā)與國外先進技術(shù)水平相當(dāng)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大型絞吸船是在當(dāng)前國際疏浚市場激烈競爭形勢下的一項緊迫使命。

1 性能簡介

“天鯤號”自航絞吸船為我國自主研發(fā)的一款綠色環(huán)保、高效智能的重型自航絞吸挖泥船。全船采用全電力驅(qū)動形式，船體艉部設(shè)置帶有波浪補償?shù)臉蚣?，艏部設(shè)置柔性鋼樁臺車及三纜定位系統(tǒng)，機艙、泥泵艙設(shè)于船體舯部，上甲板上設(shè)置帶有氣動減振裝置的5層甲板室，定員45人。船舶主要參數(shù)：總長約140.0 m，型寬27.8 m，型深9.0 m，設(shè)計吃水6.5 m，吸/排管徑1 000/1 000 mm，挖深范圍6.5～35 m，滿載排水量17 000 t，設(shè)計航速12 kn，裝機總功率25 842 kW。

本船配置1臺水下泵，2臺艙內(nèi)泥泵，可實現(xiàn)單泵、二泵、三泵等多種組合工作模式，也可通過裝駁裝置實現(xiàn)單水下泵裝駁作業(yè)，最大排拒15 000 m。配置通用、黏土、挖巖及重型挖巖等4種類型的絞刀，絞刀電機功率2×3 300 kW，適用于挖掘淤泥、黏土、密實砂質(zhì)土、礫石、強風(fēng)化巖以及單側(cè)抗壓強度45 MPa的中弱風(fēng)化巖，標(biāo)準(zhǔn)疏浚能力6 000 m3/h。

2 總體布置

2.1 橋架布置

對于自航絞吸船的設(shè)計，首先考慮絞刀橋架設(shè)在艏或艉。目前世界上自航絞吸船橋架布置主要有3種方案[1]（見表1）。

這3種方案在實船上均有運用，通過“天鯨號”的使用經(jīng)驗并綜合分析，橋架布置于船尾的方案在船型、浮態(tài)、快速性、結(jié)構(gòu)強度和航行視線等方面均有優(yōu)勢。目前已建成實船統(tǒng)計中采用該方案的船型占68.8%，也從客觀上證明該方案相對更優(yōu)。

表1 自航絞吸船橋架布置方案Table 1 Bridge layout scheme of the self-propelled cutter suction dredger

2.2 橋架傳動軸系及耳軸形式

2.2.1 絞刀傳動形式

近些年來國內(nèi)外對環(huán)保和節(jié)能方面有越來越高的要求，采用電力驅(qū)動的絞刀傳動系統(tǒng)是絞吸船現(xiàn)在以及未來的發(fā)展方向。

電力驅(qū)動的絞刀傳動系統(tǒng)又分為短軸和長軸驅(qū)動形式。短軸傳動系統(tǒng)是由電動機通過安全聯(lián)軸器、齒輪箱、鼓形齒聯(lián)軸器、絞刀短軸驅(qū)動絞刀。由于在水下工作，因此需對電動機采取密封措施，這要求電動機的絕緣性能要好。長軸形式的傳動系統(tǒng)是由1臺或2臺電動機通過高彈聯(lián)軸器、離合器、齒輪箱及絞刀長軸驅(qū)動絞刀。此種形式電機一般安裝在橋架艉部上方的密閉艙室內(nèi)。

兩種傳動形式的優(yōu)缺點比較見表2。

重型絞吸船除挖掘松軟的砂土，還需考慮挖掘巖石的能力。絞刀齒在挖掘巖石時并不像挖掘沙和黏土?xí)r那樣貫入其中，而是通過反復(fù)接觸，使巖石突然喪失抗拉強度后破碎成小塊或大塊，起決定性作用的是巖石的單側(cè)抗壓強度和抗拉強度以及反映巖石質(zhì)量的一些參數(shù)，如巖石質(zhì)量指標(biāo)、層理和成因等。絞吸船在切削巖石時絞刀齒反復(fù)刮劃巖石使其剝落，在此過程中產(chǎn)生反復(fù)出現(xiàn)峰值和迅速下降的切削力（見圖1），這樣就形成了一個比較低的平均切削負(fù)荷。峰值力必須由絞刀驅(qū)動裝置所吸收，因此需要儲備超過額定設(shè)計值比較大的扭矩和功率。

表2 絞刀傳動軸系類型比較Table 2 Comparison of cutter drive shaft types

圖1 挖掘巖石時絞刀負(fù)荷的變化示意圖Fig.1 Change of cutter load when excavating rocks

本船采用的重型橋架，配備了具有挖巖能力的絞刀，基于上述分析結(jié)果，絞刀傳動系統(tǒng)采用電機長軸驅(qū)動絞刀形式更為合理。

2.2.2 水下泥泵傳動系統(tǒng)

采用電機驅(qū)動水下泥泵的傳動形式是絞吸挖泥船現(xiàn)在以及未來的發(fā)展方向，尤其是隨著挖泥船向大型化、大挖深的方向發(fā)展，其優(yōu)越性更加凸顯。電機驅(qū)動軸系按布置形式分為水下電機直接驅(qū)動形式和密封艙電機驅(qū)動形式。

采用密封艙室電機驅(qū)動形式（見圖2），電機的位置可以盡量靠近水下泵，軸系的長度可相對縮短，所以傳動系統(tǒng)的軸系校中安裝相對簡單，傳遞效率較高。由于傳動距離比較短，所以橋架的變形對軸系影響也相應(yīng)減小，另外在相對密封的環(huán)境中也不會產(chǎn)生污染外部環(huán)境水域的問題。而水下電機直接驅(qū)動形式投資的成本很高，在最低挖深施工時安全性差。

圖2 密封艙電機驅(qū)動形式示意圖Fig.2 Types of electric drive in sealed cabin

綜上分析，本船選用了密封艙電機驅(qū)動形式。

2.2.3 橋架耳軸安裝形式

橋架耳軸的形式按布置位置分為在船體主甲板以上和船體主甲板以下兩種形式。耳軸設(shè)置在船體主甲板上時，耳軸密封、檢查和維修方便，建造也比較方便，但最大挖深會受到限制，一般只能達(dá)到25～27 m，同時也有可能會增加船體的振動。

如果增加挖深，就需要將耳軸設(shè)置在船體主甲板以下。目前世界上大型自航絞吸挖泥船的耳軸都是設(shè)置在船體主甲板下。

為了增強作業(yè)適應(yīng)能力，除了盡可能增加最大挖深外還需考慮滿足最小挖深的指標(biāo)，設(shè)置高、低兩對耳軸可有效解決上述問題。這樣的設(shè)計也能在保證絞刀架剛度的前提下，不至于使橋架過重，這對降低挖泥船的建造成本非常有利。

基于上述分析，結(jié)合絞刀大挖深、大功率的特點，本船采用了上下雙耳軸形式（見圖3）。通過切換鉸點調(diào)整橋架位置，可滿足6.5～35 m挖深范圍內(nèi)的施工需要。

圖3 橋架設(shè)置雙耳軸鉸點布置示意圖Fig.3 Hinge points of double trunnions in ladder bridge

3 動力系統(tǒng)配置

隨著絞吸船的裝機功率大型化發(fā)展趨勢，采用全電力驅(qū)動的形式越來越受到疏浚企業(yè)的青睞。根據(jù)統(tǒng)計，歐洲近幾年設(shè)計建造的超大型絞吸挖泥船大功率負(fù)載無一例外地采用電力驅(qū)動。

大型絞吸挖泥船的動力系統(tǒng)配置主要分3種類型：常規(guī)推進混合驅(qū)動形式、電力推進混合驅(qū)動形式、全電驅(qū)形式。根據(jù)本船大功率設(shè)備數(shù)量、功率參數(shù)（見表3）和作業(yè)特點，從整船裝機功率、柴油機數(shù)量、設(shè)備的安裝布置、動力系統(tǒng)設(shè)計等方面對上述三種動力系統(tǒng)方案進行對比分析，全電驅(qū)形式整船的裝機數(shù)量為5臺，裝機功率為25 842 kW，相比前兩種混合驅(qū)動形式的裝機數(shù)量為7臺，裝機功率為27 108 kW，全電驅(qū)形式裝船柴油機數(shù)量少了2臺，裝機總功率降低了4.7%。

表3 本船大功率設(shè)備Table 3 High power equipment of the ship

綜上，本船采用了全電驅(qū)形式，配置3臺主發(fā)電機組，容量7 680 kW，6 600 V；另配置1臺輔發(fā)電機組，容量1 000 kW，400 V；另配置1臺應(yīng)急兼停泊發(fā)電機組，容量580 kW，400 V。

4 柔性鋼樁臺車定位系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)布置

鋼樁臺車定位系統(tǒng)的總體布置是該系統(tǒng)設(shè)計中的首要關(guān)鍵，根據(jù)臺車的使用要求，首先對臺車的主要功能參數(shù)進行了分析，確定了鋼樁臺車定位系統(tǒng)總體布置方案。鋼樁臺車定位系統(tǒng)從底至頂共分為4層平臺[2]（見圖4）：第1層平臺布置下抱箍結(jié)構(gòu)和下橫向限位裝置，第2層平臺布置下行走油缸，第2層平臺和第3層平臺之間布置平衡梁結(jié)構(gòu)、滑移系統(tǒng)和拖航垂向支撐結(jié)構(gòu)，第3層平臺布置上橫向限位裝置和液壓閥組，第3層平臺和第4層平臺之間布置上行走油缸、鋼樁夾具、可轉(zhuǎn)動的上抱箍結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動軸和倒樁油缸下鉸鏈，第4層平臺布置提升夾具、提升滑輪組和起升油缸。

4.2 臺車緩沖裝置

圖4 鋼樁臺車定位系統(tǒng)總體布置（豎直狀態(tài)）Fig.4 General layout of spud carrier system(vertical)

臺車定位系統(tǒng)的緩沖裝置[3]通常采用鋼絲繩柔性緩沖系統(tǒng)或油缸緩沖系統(tǒng)兩種類型，其作用原理基本一致，即鋼樁在海上作業(yè)時波浪在船上產(chǎn)生的彎矩會造成船舶相對鋼樁的運動，使鋼樁產(chǎn)生一定程度的搖擺，進而在下鋼箍和鋼樁入泥處之間形成很大的力矩，為了使船舶能在更加惡劣的海況下工作，或在相同工況下延長鋼樁的使用壽命，鋼樁與船體之間的連接采用由繩索串聯(lián)帶蓄能器液壓油缸的形式或是帶蓄能器液壓油缸的形式，旨在大波浪環(huán)境工作過程中吸收沖擊能量，減小主鋼樁在中線面內(nèi)的波動力矩峰值。

鋼絲繩柔性緩沖系統(tǒng)[4]的特點是各個緩沖部件所需承受的力與沖擊相對較小，對油缸與液壓系統(tǒng)的要求較低。但是也存在系統(tǒng)相對復(fù)雜，例如鋼絲繩形變，臺車初狀態(tài)的調(diào)整，鋼絲繩與油缸緩沖工作時之間的匹配等容易出現(xiàn)不可控的問題。

采用油缸式緩沖系統(tǒng)的特點是組成相對簡單，只要外載荷估算準(zhǔn)確，油缸的各個部件能承受相應(yīng)的外載沖擊，并設(shè)計有足夠的安保措施，則整個系統(tǒng)可起到更可靠與更精確的緩沖效果。但是對產(chǎn)品部件的加工、系統(tǒng)控制程序的編程有著更高的要求。由于該系統(tǒng)豎倒樁時間短，施工效率高，經(jīng)反復(fù)論證，本船最終采用了此種形式。

4.3 鋼樁起升油缸對航行視線干涉的解決方案

本船航行時，2根鋼樁可通過傾倒油缸系統(tǒng)傾倒平放在甲板上。但鋼樁兩側(cè)的提升油缸，卻造成了從駕駛位置所見海面視域兩側(cè)提升油缸盲視區(qū)之間的可視扇形區(qū)域不能滿足SOLAS公約第Ⅴ章航行安全第22條駕駛室可視范圍1.2中關(guān)于在盲視區(qū)之間的可視扇形區(qū)域應(yīng)至少為5°的要求。經(jīng)反復(fù)論證研究，主輔鋼樁起升裝置采用液壓缸驅(qū)動的整體傾倒方式，一是主、輔鋼樁起升裝置增加液壓缸驅(qū)動的整體傾倒結(jié)構(gòu)；二是增設(shè)起升裝置整體傾倒在鋼樁上的馬鞍形固定架；三是傾倒控制旋鈕設(shè)置在現(xiàn)場的鋼樁控制臺上。通過上述措施消除了駕駛室對航行視線的影響。

5 智能化集成控制系統(tǒng)

5.1 泥泵自動控制（APC）

目的是在吹填工況下，以設(shè)定的泥漿流速為主要的控制輸入，以泥泵間的壓力、末級泵的排出壓力為限制條件，充分考慮動力設(shè)備的機械傳動性能，實時合理調(diào)節(jié)各個泥泵的轉(zhuǎn)速，使泥漿流速維持在某個設(shè)定的流速區(qū)間內(nèi)。

自動泥泵控制邏輯框圖見圖5。

圖5 自動泥泵控制邏輯框圖Fig.5 Logic diagram of automatic dredge pump control

船舶施工操作人員根據(jù)施工土質(zhì)、排距等施工參數(shù)，給定期望的泥漿流速范圍值，根據(jù)泥泵、管線等施工設(shè)備的具體情況設(shè)定泥泵間的允許壓力值范圍、末級泵的排出壓力值范圍等限制條件，自動泥泵控制程序?qū)⑼ㄟ^改變變頻電機的轉(zhuǎn)速，實時調(diào)節(jié)泥泵的轉(zhuǎn)速，將泥漿管路內(nèi)的流速控制在給定的期望流速范圍內(nèi)，同時保證滿足各限制條件和設(shè)備的機械性能。

5.2 挖泥自動控制（ACC）

該功能是絞吸船集成控制系統(tǒng)中的最高級功能，也是絞吸船集成控制系統(tǒng)中關(guān)鍵核心技術(shù)之一。其控制主要是指疏浚施工過程中重要設(shè)備（如橫移絞車、橋架絞車、鋼樁臺車等）在不同的施工模式下進行的自動控制。施工模式經(jīng)常使用到的模式主要分為以下3種：固定深度挖掘，即在每個臺車行程內(nèi)，每層設(shè)定一個固定的疏浚層深，絞刀切削完1層后，臺車行程復(fù)位，再設(shè)定一個固定的疏浚深度進行切削作業(yè)，重復(fù)作業(yè)直到到達(dá)最大疏浚深度為止；剖面挖掘，即根據(jù)預(yù)先設(shè)置的某個疏浚剖面，將絞刀下放到設(shè)定深度，操作控制絞刀移動至設(shè)定的剖面邊緣后停止，然后自動加大設(shè)定疏浚深度，換向后再次移動絞刀進行挖泥，如此往復(fù)，直到疏浚深度到設(shè)定剖面的底部；同軌跡挖掘，即在硬質(zhì)土區(qū)域，使絞刀在執(zhí)行2次擺動動作后再執(zhí)行臺車步進動作，其它按固定深度挖掘或剖面挖掘相同的動作方式進行施工。

在以上的疏浚設(shè)備自動控制過程中，橫移絞車的自動控制受到設(shè)定的橫移絞車扭矩、橫移角度范圍、最大允許的橫移速度等因素的限制，同時在橫移絞車停止和換向時，還應(yīng)注意絞車減速和加速的斜坡控制，以避免對絞車造成過大的沖擊。此過程中，橫移絞車、橋架絞車、鋼樁臺車等的控制邏輯見圖6。

圖6 施工模式下，絞車、鋼樁臺車等控制邏輯圖Fig.6 Logic diagram of winch and spud carrier when working

以上的控制過程，實現(xiàn)了橫移絞車、橋架絞車和鋼樁臺車在疏浚過程中的動作自動控制。為了能夠獲得更好的疏浚施工效率，啟用自動挖泥控制功能后，還應(yīng)能夠自動的獲得最佳的挖掘效率和疏浚效率。這就需要有絞刀轉(zhuǎn)速/扭矩、橫移速度/拉力、真空釋放閥開度、泥泵轉(zhuǎn)速等重要設(shè)備綜合進行控制。

6 三纜定位系統(tǒng)應(yīng)用研究

三纜定位系統(tǒng)由筒體，3臺絞車，3個大抓力錨，3根錨索及導(dǎo)向滑輪等組成。錨索一端與絞車相連，另一端通過筒體頂部的導(dǎo)向滑輪進入筒體，然后再通過筒體下端的導(dǎo)向滑輪導(dǎo)出船外與大抓力錨相連。拋好錨后收緊錨索起到定位樁的作用，并可通過控制3根錨索受力移動船位[5]。

三纜定位系統(tǒng)應(yīng)用，可在惡劣海況條件下與柔性鋼樁臺車定位系統(tǒng)形成有益補充，利用其強大的定位功能，在施工區(qū)原地抗風(fēng)，提高船舶有效施工作業(yè)時間；三纜定位系統(tǒng)施工海況適應(yīng)性較柔性鋼樁臺車系統(tǒng)有一定提高，在柔性鋼樁臺車系統(tǒng)定位無法施工情況下，繼續(xù)施工；在定位區(qū)域水深過深或陷樁地質(zhì)條件導(dǎo)致柔性鋼樁臺車定位系統(tǒng)無法使用情況下，應(yīng)用三纜定位系統(tǒng)固定船位繼續(xù)施工；該系統(tǒng)定位施工1個作業(yè)周期理性行程可達(dá)100～150 m，船舶連續(xù)施工作業(yè)效率高。

本船三纜定位系統(tǒng)的筒體設(shè)在船的艏部，橫移錨索則通過設(shè)在艉橋架上的導(dǎo)向滑輪與橫移錨連接。通過收放橫移錨，使船舶繞筒體左右轉(zhuǎn)動施工。

7 結(jié)語

挖泥船技術(shù)屬于疏浚工程、船舶工程、機電相互融合的交叉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[6-8]，其設(shè)計建造能力可反映出一個國家在裝備制造業(yè)和船舶工業(yè)的研發(fā)水平。該船的成功研制將滿足國民經(jīng)濟發(fā)展對疏浚業(yè)的需求，對社會進步和國家戰(zhàn)略起到支撐作用。同時也將進一步提高我國疏浚船舶設(shè)計建造技術(shù)的總體水平，并帶動國內(nèi)船舶配套產(chǎn)業(yè)裝備水平的進步，有助于中國疏浚行業(yè)提升國際競爭力，為中國成為真正意義上的疏浚強國做出貢獻。

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Applied research on key technology of Tiankun self-propelled cutter suction dredger

WANG Jian,KONG Fan-zhen
（CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China）

We introduced the performance of Tiankun,a self-propelled cutter suction dredger with cutter power of 5 000 kW, independently designed in China.We elaborated the research and application of the key technologies in this paper,such as the general layout,power system configuration,flexible spud carrier system,intelligent integrated control system,and three cable locating system.Through research and development of key technologies,we achieved the optimal combination of several key technologies,which will further improve the design level of large dredgers in China and has reference significance for research and design of similar dredgers.

self-propelled cutter suction dredger;flexible spud carrier;integrated control system;three cable positioning system

U662.9

A

2095-7874（2017）01-0058-05

10.7640/zggwjs201701013

2016-08-22

2016-10-27

王健（1961— ），男，河北石家莊市人，高級輪機長，副總工程師，從事挖泥船技術(shù)研究工作。E-mail：wangbuluke@163.com