大型绞吸挖泥船液压制动系统的设计

大型绞吸挖泥船液压制动系统的设计

在过去10年的十多年里，挖掘机行业对大型挖掘机设备的需求越来越高。绞吸和挖掘泥浆泵的发展迅速成为大型化、自动化、节能和环保的方向。中交天津航道局(以下称我局)根据国内外疏浚工程的需要,联合国内设计研究单位与船厂先后自主设计制造了十二艘液天牛和电天牛系列大型非自航绞吸挖泥船,它们的成功设计与建造不仅为国内大型基础建设工程作出了贡献,提高了国内绞吸挖泥船的设计、制造和配套能力,也为国内自主设计和制造能力更强、装机功率更大、技术更先进的绞吸挖泥船积累设计经验和技术。2007年初我局开始与上海交通大学合作研发具有挖岩能力的大型非自航绞吸挖泥船。“天麒号”和“天麟号”以我局已有的“津航浚215”绞吸挖泥船为参考船型,应用国际上先进的机电、材料、信息、控制和自动化技术,大量采用变频技术驱动疏浚设备,配置具有挖岩能力的大功率绞刀及驱动系统,采用适应较恶劣作业环境条件的带缓冲双轭架浅水倒桩钢桩台车和三缆定位两套定位系统,设置能满足全船起重作业的甲板行走吊。两船于2008年初在青岛前进船厂开工建造,分别于2009年8月和10月投产,并进行了挖岩试验。“天麟号”还进行了超长距离挖泥吹填作业,实现了14000m的单船吹距,创造了我局单船施工吹填距离的新记录。“天麒号”和“天麟号”建成时是国内投入使用的最大非自航绞吸挖泥船,多项技术突破了国内已有的实践,挖岩试验和后续的作业实践均表明了此二船性能优异。本文对该船型的主要特征作简要介绍,既是对该船型的设计、制造和使用的总结,更希望能对后续绞吸挖泥船的设计与建造有一定的参考意义。1一般船舶特点1.1主船结构及布置特点非自航绞吸挖泥船从艏到艉均布置各种设备,在艏部布置桥架等挖泥设备,舯部布置动力及辅助设备、泥浆输送设备和生活舱室,艉部布置定位设备,主要设备配置和特殊疏浚设备设计对主要要素和总布置影响巨大,因而是一类布置地位型船舶。“天麒号”和“天麟号”的规模突破了国内已建成的非自航绞吸挖泥船,并主要有如下五个特点:1)配置甲板行走吊,其作业范围要求覆盖全船,需设置贯穿全船长的轨道;2)配置钢桩台车和三缆定位两套定位系统,船尾设备繁多,布置复杂;3)驱动绞刀的两台电动机总功率达2000kW,采用多个水润滑的滑动轴承座支持的刚性长轴驱动,绞刀齿轮箱内设置双向止推滑动轴承;4)横移绞车安装在主甲板上,横移钢丝绳通过设置在桥架耳轴端顶部的行走滑轮导向至横移滑轮;5)舱内泵由柴油通过齿轮箱驱动,其它主要疏浚设备采用变频驱动方式,充分需考虑能力综合利用,使得电力系统配置灵活、可靠和冗余。除了上述的特点外,“天麒号”和“天麟号”的主船体仍为成H型的箱形驳船;船主体为单甲板,在机舱和泵舱区域布置局部双层低;在船首有桥架开槽,在船尾有钢桩台车开槽;在船舶中部设四层甲板室。1.2本船的主要参数此船的设计航区为R2内挖泥作业、无限航区拖航调遣,因此完整稳性和船体结构需满足法规和规则对无限航区的要求。非自航的船舶虽然不需要满足SOLAS公约,但为了本船安全性,本船的设计仍然参照SOLAS公约的标准执行,并取得船级标志:★CSACutterSuctionDredger,DredgingWithinR2,Non-propulsion。为了适应国外作业和国际无限航区拖航,本船设计严格满足相应的国际公约和规则,特别是满足国际劳工组织的相关公约,该公约对船员的舱室设备等的要求较高,而我局对住舱数量要求亦较高,因此对此布置地位型船的设计有较大影响,使得本船的上层建筑丰满。1.3开槽长度和船宽非自航的绞吸挖泥船是布置地位型船舶,其主要要素主要取决于布置,具体而言为受挖泥性能与配备、动力设备选型、定位装置的技术指标、定员等影响。最大挖深、柴油机选型、定位装置最大工作行程等是确定船长的重要因素。最大挖深和此时的桥架倾斜角直接影响船首开槽长度;柴油机的选型与数量等关系机舱长度;钢桩台车定位装置的形式和最大工作行程决定船尾开槽长度,而钢桩台车的行程与绞刀的尺度相关,并且因影响绞吸挖泥船的有效作业时间而改变实际产量。船宽一般主要取决于机舱和泥泵的布置要求,而采用钢桩台车定位和三缆定位两套挖泥作业定位系统,由于此两套系统均布置在艉部,因此船宽较大。在确定了船长和船宽后,需合理选择设计吃水来获得必需的排水量。作为一类工程船舶,在作业时主甲板的全长范围内均经常有船员活动,因此考虑到减小上浪对作业的干扰,通常略有富裕干舷。另一方面,还需要舱内设备布置的要求和与船长的配合。此外,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和有较发达的上层建筑,使得绞吸挖泥船的重心较高,满足稳性要求也需要有较大干舷。表1列出了“天麒号”和“天麟号”的主要要素。1.4绞吸挖泥船的布置特点绞吸挖泥船设计的一个必需非常关注的重要特点是其空船重量约占总排水量的约80%,且尽可能不用或少用压载水,所以在设计之初准确估算空船重量重心以及合理布置设备与舱室,将对船舶的浮态、实际可装载油水的能力关系重大。作为一种布置地位型船,绞吸挖泥船的总布置受技术性能和设备配置影响巨大,如1.1所述的特点,“天麒号”和“天麟号”总布置较为特殊,见图1,其布置特点可以归纳如下:1)主船体平面纵向外形呈H型,这是所有采用钢桩台车的绞吸挖泥船的共同特点,但为满足绞刀功率的增大,钢桩直径也相应增加,台车为带缓冲的双轭架形式,相同的台车工作行程需要台车开槽较长。“天麒号”和“天麟号”的额定工况为挖深25m、排距6300m、排管直径φ900mm和土质为中粗沙。3.2齿轮箱的动力系统“天麒号”和“天麟号”绞刀驱动方式与“宇大1号”及我局电天牛系列船型类似,由两台电动机通过齿轮箱和长轴来驱动。相对“宇大1号”,“天麒号”和“天麟号”绞刀驱动功率增大,每台绞刀电动机的额定功率为1000kW,电动机的恒扭矩、恒功率工作范围都进行行了优化调整,对应绞刀的恒扭矩、恒功率工作范围也随之发生了变化,使绞刀能较大范围地适应挖掘不同泥土,并能低速盘车以安装或拆卸绞刀。齿轮箱采用Michell滑动推力轴承,能承受250t的双向推力。为减小油类润滑剂的使用,绞刀轴和中间轴采用复合材料轴承,使用海水润滑和冷却,因而环保。3.3桥桥架、减斜板、提板“天麒号”和“天麟号”的桥架布置与“宇大1号”及我局电天牛系列船型类似,采用分层布置,最上层为横移系统,包括横移行走滑轮、钢丝绳和横移滑轮;第二层为绞刀及其驱动系统,包括绞刀电动机、齿轮箱、中间轴与轴承、绞刀轴与绞刀;第三层为水下泵及其驱动系统,包括水下泵电动机、水下泵长轴和水下泵;桥架上的吸排泥管系则交错分布在各层。桥架上还有旋转耳轴、桥架提升滑轮组、桥架固定装置、辅助油水管系与电缆等。这种桥架的形状能较优地满足桥架的布置要求,其强度与刚度也能满足绞刀长轴的运行需要和适应挖掘硬土与弱风化岩。3.4车桥缓冲带缓冲器结构形式“天麒号”和“天麟号”的定位采用了钢桩台车和三缆定位两套定位系统。钢桩台车系统包括台车、辅钢桩架和主辅钢桩,钢桩台车能够浅水倒桩。为了适应大的绞刀功率、挖岩作业工况和较恶劣的作业环境条件,钢桩台车采用双轭架形式,并带缓冲功能,其总体布置如图3所示。行走轭架有前后两个,缓冲系统在台车两侧均设置一套。随着绞刀功率和总装机功率的增大,绞吸挖泥船尺度和横移绞车能力均加大,台车和钢桩的工作载荷和应力也随之增加,特别是在挖掘岩石和在涌浪中作业时的载荷波动明显,为了降低台车和钢桩的峰值载荷与应力,增加它们的疲劳寿命,超大型绞吸挖泥船均配置了不同形式的缓冲装置,简单加强不带缓冲装置的台车和钢桩的结构并不能很好满足要求。配置三缆定位系统的原因是为了在更大的风浪中作业和适应陡峭的近岸作业。4调查研究资源为了验证“天麒号”和“天麟号”的设计与制造满足技术任务书的要求,特别是挖掘岩石的能力,在此二艘船建成后进行了挖岩试验。对试挖岩过程船舶和各类设备的运行状况与参数均进行了仔细的观察和测量,特别对绞刀及齿、绞刀轴系、绞刀齿轮箱和绞刀电动机的运行状况与参数重点关注。对挖掘岩石我局委托水利部海河水利委员会基本建设工程质量检测中心进行了物理和力学性能检测,试挖岩石(正长花岗岩饱)的单轴抗压试验平均值达48.87MPa(饱和)。挖岩试验和观测结果表明了“天麒号”和“天麟号”的技术状态优良,具有极强的挖岩能力,对绞刀电动机运行参数的测量表明了挖岩载荷具有波动大的特点,虽然挖岩时的电动机平均功率仅为额定功率的一半左右,但瞬时负荷可达额定负荷的1.5倍,既证明了此二船设备配置参数的合理性,也证明钢桩台车需配置缓冲系统的必要性。5对我国船际疏浚装备发展的建议“天麒号”和“天麟号”的成功建造表明我国已经能够研发、设计、建造大型绞吸挖泥船钢桩台车系统,并且掌握了其设计要点;具备了设计适应更大铰刀功率桥架的能力;表明我国疏浚装备的设计、建造水平与发达国家相比正在逐步缩小差距。同时