本文摘要：傳統(tǒng)的疏浚設(shè)備是挖泥船，這種船屬于工程船舶。船舶論文闡述隨著世界疏浚事業(yè)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了適應(yīng)各種不同工況的需要和滿足水上施工的要求，現(xiàn)代挖泥船的類型日益繁多。挖泥船的疏浚范圍也從一般的泥沙發(fā)展到挖掘水下的巖石、礦物、珊瑚礁
傳統(tǒng)的疏浚設(shè)備是挖泥船，這種船屬于工程船舶。船舶論文闡述隨著世界疏浚事業(yè)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了適應(yīng)各種不同工況的需要和滿足水上施工的要求，現(xiàn)代挖泥船的類型日益繁多。挖泥船的疏浚范圍也從一般的泥沙發(fā)展到挖掘水下的巖石、礦物、珊瑚礁等。《船舶》系由中華人民共和國最大的船舶科研與設(shè)計(jì)單位--中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院(MARIC)主辦的技術(shù)性雙月刊。以民用船、軍輔船以及海洋開發(fā)用平臺為主，及時報(bào)道國內(nèi)外成功船型、最新科技成果、技術(shù)論文、學(xué)術(shù)動態(tài)及市場和經(jīng)營信息等。主要欄目有船型介紹、總體性能、船體結(jié)構(gòu)、動力裝置、船舶舾裝、輔助機(jī)電設(shè)備、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、船舶市場辨析、信息與動態(tài)等。
【摘 要】隨著世界疏浚事業(yè)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在傳統(tǒng)的鏈斗式挖泥船剛架后端加裝軸流式分選機(jī)構(gòu)，分離砂子與卵石。改進(jìn)疏浚船的動力驅(qū)動系統(tǒng)，以電力驅(qū)動代替柴油驅(qū)動，減少了環(huán)境污染，降低生產(chǎn)成本。通過對強(qiáng)度和剛度的加強(qiáng)，研制的鏈斗采挖系統(tǒng)滿足了砂卵石河床采砂與疏浚作業(yè)要求。
【關(guān)鍵詞】電力驅(qū)動 軸流組合式 分選篩 力學(xué)校核 料斗 連接部位 強(qiáng)度校核 焊接
1 疏浚船研究現(xiàn)狀
根據(jù)挖泥船疏浚機(jī)具所采用的不同動力，目前基本上可將挖泥船區(qū)分為：機(jī)械式、水力式和氣動式三大類。按照作業(yè)的不同，可以分為斗輪式、鏈斗式、絞吸式等種類。其中鏈斗式挖泥船比較適合于水深較淺的河道清淤疏浚。
考慮黃河洛陽段水深較淺，多為砂卵石沉淀，絞吸式及斗輪式疏浚船難以發(fā)揮作用，甚至很難到達(dá)需要疏浚的河段。使用鏈斗式挖泥船對河道疏浚，可以達(dá)到預(yù)期的目的，但是傳統(tǒng)的鏈斗式挖泥船存在如下問題：
(1)傳統(tǒng)的鏈斗式挖泥船用來挖掘黃河砂卵石沉淀層，由于卵石對料斗產(chǎn)生的阻力很大，導(dǎo)致連接料斗的錨固件，經(jīng)常破壞，更換頻繁，嚴(yán)重的影響了工作效率;
(2)傳統(tǒng)的鏈斗式挖泥船剛架結(jié)構(gòu)在挖掘砂卵沉淀層的時候，拉力較大，部分部位有開裂現(xiàn)象，存在安全隱患。
(3)傳統(tǒng)的鏈斗式挖泥船多采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，造成河面污染，導(dǎo)致河流水質(zhì)變差，嚴(yán)重影響環(huán)境。
(4)傳統(tǒng)的鏈輪疏浚船挖出的砂子及卵石摻雜，造成運(yùn)輸困難，利用時還要分選造成時間和經(jīng)濟(jì)的浪費(fèi)。
2 技改項(xiàng)目的研究內(nèi)容
針對黃河洛陽段的現(xiàn)實(shí)狀況，以及現(xiàn)有的技術(shù)力量，決定對鏈斗式挖泥船技術(shù)革新，使其成為適用于砂卵石河道采砂和疏浚的鏈斗式挖砂船，主要進(jìn)行如下幾個方面的研究工作：
(1)根據(jù)鏈斗式挖泥船在黃河洛陽段河床砂卵石的采挖特點(diǎn)，從船的穩(wěn)定性出發(fā)，設(shè)計(jì)了船體的整體尺寸，保證船在采挖過程的安全。
(2)改革傳統(tǒng)疏浚船，使其原有砂子、卵石混雜的情況有所改變，在疏浚船剛架后端加裝軸流式分選機(jī)構(gòu)，分離砂子與卵石。
(3)改進(jìn)疏浚船的動力驅(qū)動系統(tǒng)，以電力驅(qū)動代替柴油驅(qū)動，減少了環(huán)境污染。并對挖砂船剛架結(jié)構(gòu)和料斗連接部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，并采取技術(shù)革新，增加焊縫面積，確保正常工作。
3 鏈斗式挖泥船船體的穩(wěn)定性分析
鏈斗式挖泥船是用于河湖疏浚的挖泥船，特別適合于黃河中下游地區(qū)河道疏浚，該船在設(shè)計(jì)建造過程中充分體現(xiàn)了黃河洛陽段河床砂卵石的采挖特點(diǎn)，并吸收和借鑒了國內(nèi)外同類挖砂船的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，使之成為具有一定先進(jìn)性的工程船舶，技術(shù)上接近國外同類挖砂船的主要性能參數(shù)及船舶水平。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了船體的穩(wěn)定性，保證在采挖作業(yè)過程中生產(chǎn)安全。
4 鏈斗式挖泥船的船型簡介
該船為非自航鏈斗挖砂船，船體結(jié)構(gòu)采用整體式箱形結(jié)構(gòu)，主要由剛架式挖斗裝置、甲板輸送帶及動力裝置等組成，適合黃河孟津河段挖砂作業(yè)和被拖帶�？紤]到河道上有橋梁，拖航時水上固定建筑高度不大于其船寬和船高，保證能夠順利通過。
4.1鏈斗式挖泥船主要技術(shù)特征
船舶的主要技術(shù)特征有船舶排水量，船舶主尺度，主要技術(shù)裝備的規(guī)格等。
船舶吃水：水線面與船底基平面之間的垂直距離(自平板龍骨上緣量至水面的垂直距離。加上平板龍骨的厚度)。根據(jù)量取的方法不同，吃水可以分成實(shí)際吃水和型吃水兩種。
(1)實(shí)際吃水指水線面至船底龍骨板下緣的垂直距離。它是船舶進(jìn)出港、過淺灘、系靠碼頭和裝卸貨物時應(yīng)考慮的吃水。
(2)型吃水是指水線面至船底龍骨板上緣的垂直距離，與實(shí)際吃水相差一個龍骨板的厚度。它是船舶設(shè)計(jì)和進(jìn)行性能計(jì)算時所考慮的吃水。
挖砂船吃水隨著船的載重量和水的密度的變化而不同，測量出吃水后經(jīng)過查閱有關(guān)資料和計(jì)算，可以求得該船當(dāng)時的排水量和載重量。
4.2鏈斗式挖泥船的穩(wěn)定性分析
船舶的主要性能有浮性，穩(wěn)性，抗沉性，快速性，耐波性，操縱性和經(jīng)濟(jì)性等。其中最關(guān)鍵的是挖沙船的穩(wěn)定性。
鏈斗式挖泥船的浮性和浮態(tài)，浮性指船在各種裝載情況下能浮于水中并保持一定的首，尾吃水和平衡的能力。浮態(tài)指船的吃水，縱傾和橫傾的情況。船的浮性關(guān)系到裝載能力和疏浚作業(yè)的安全.因此，根據(jù)船的重力和浮力的平衡關(guān)系，選擇船的幾何尺寸，設(shè)計(jì)總布置圖時，就須對浮性加以注意。
圖2-1 船體穩(wěn)定性示意圖
為保證鏈斗式挖泥船的工作安全，船的主體在設(shè)計(jì)水線以上部分必須具有一定數(shù)量的水密體積，以提供一定大小的儲備浮力。圖2-1中，C點(diǎn)為船的重心，M點(diǎn)為船的浮心，為保證挖沙船的穩(wěn)定平衡，必須保證M點(diǎn)始終位于重心C點(diǎn)之上。當(dāng)船受外力作用離開平衡位置而發(fā)生傾斜時，浮力和重力就可以提供一個恢復(fù)力矩，使其回到平衡位置。當(dāng)外力消失后船能恢復(fù)到原平衡位置保持平衡。一般在水面上，挖砂船的穩(wěn)定性主要是指橫傾時的穩(wěn)定性。船在10°以內(nèi)橫傾時的穩(wěn)定性稱為船的初穩(wěn)性，此時船橫傾的浮心點(diǎn)(排水體積的中心) 位置的變化接近于在橫剖面內(nèi)的Μ點(diǎn)，Μ點(diǎn)稱為穩(wěn)心，從船舶重心C到Μ的距離稱為初穩(wěn)心高或初穩(wěn)。
船橫傾后可能出現(xiàn) 3種穩(wěn)定性情況：
�、�Μ點(diǎn)在C點(diǎn)之上，恢復(fù)力矩使船的傾斜減小，即船有回復(fù)能力，屬穩(wěn)定平衡狀態(tài);
②Μ點(diǎn)與C點(diǎn)重合， 船不可能產(chǎn)生恢復(fù)力矩，即船無回復(fù)能力，屬隨遇平衡狀態(tài);
�、�Μ點(diǎn)在C點(diǎn)之下，，船自身會增大傾斜，屬不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
圖2-2 船體產(chǎn)生恢復(fù)力矩示意圖
從挖砂船的使用角度和安全角度考慮，后兩種情況都是不允許的。
鑒于挖砂船穩(wěn)定性對保障船體安全的重要性，船的穩(wěn)定性按照國家規(guī)范對船的初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性都進(jìn)行了核算。并對船寬，水線面系數(shù)，干舷，重心高度，水面以上的側(cè)面積大小和高度，以及船體開口的密封性等，影響挖砂船穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行了校核計(jì)算。同時，還對挖砂船的抗沉性進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，即船體水下部分發(fā)生破損，船艙淹水后仍能浮而不沉和不傾覆的能力。
5 疏浚船節(jié)能減排優(yōu)化設(shè)計(jì)
5.1疏浚船節(jié)能減排優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義
節(jié)能減排、綠色環(huán)保已成為船舶建造業(yè)發(fā)展的首要目標(biāo)。疏浚船作為一種特殊的工程船舶，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的航道整治、防洪搶險(xiǎn)、農(nóng)田水利建設(shè)等范疇，其服務(wù)的領(lǐng)域越來越廣泛，諸如河底取砂、河道疏浚等眾多領(lǐng)域。疏浚船技術(shù)含量高，機(jī)械設(shè)備繁雜，全船裝機(jī)功率遠(yuǎn)高于普通運(yùn)輸船舶，所以疏浚船滿載運(yùn)作時號稱“河上油老虎”。同時，疏浚船施工區(qū)域一般在孟津會盟黃河河道或沿岸小區(qū)域內(nèi)作業(yè)，在環(huán)保方面要求更加嚴(yán)格。否則，將對下游的鄭州、開封等大中城市飲用水安全帶來很大隱患。
5.2節(jié)能減排的主要措施
疏浚船作為一種特殊的工程船舶，在航道整治、河底取砂、河道疏浚諸領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。疏浚船技術(shù)含量高，機(jī)械設(shè)備繁雜，全船裝機(jī)功率遠(yuǎn)高于普通運(yùn)輸船舶，其耗能之巨大可想而知。一般疏浚船以柴油機(jī)驅(qū)動的較多，由于功率大，原設(shè)計(jì)需配備總功率為25OkW的幾臺柴油機(jī)，分別帶動鏈斗挖砂和篩分、將砂和卵石裝上駁船，耗油量大，所排出的尾氣量也較大。
5.3負(fù)載互換及功率管理措施
為保證環(huán)保方面的要求，在革新設(shè)計(jì)過程中充分考慮了節(jié)能環(huán)保措施，采用負(fù)載互換或功率管理分配、采用變頻電機(jī)取代柴油機(jī)為驅(qū)動設(shè)備等技術(shù)，推進(jìn)了綠色造船的新理念。
疏浚船采用非自航型式，作業(yè)時，由駁船將其托到作業(yè)面，料斗在挖砂石時對于河底的反作用力使船沿挖料方向前進(jìn)。由于疏浚船活動范圍一般不大，行進(jìn)速度也沒有過高的要求，這種在挖沙石的過程中短距離移動也可以節(jié)省部分能源。船上的料斗、分選篩、將砂和料石卸到駁船上的傳送帶動力全由電動機(jī)提供。
6 技術(shù)革新總結(jié)
通過以上技術(shù)的運(yùn)用，使得該疏浚船的環(huán)保性能優(yōu)于同類產(chǎn)品，也減少了對大氣環(huán)境以及對河水的污染。另外，選擇的電機(jī)功率與工況配合得較好，使電機(jī)在多數(shù)時間內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定。
6.1社會效益分析
黃河洛陽河段，是黃河由山區(qū)性河道向沖積性平原河道過渡的河段。由于河出山區(qū)，水流擴(kuò)散，流速相對減緩，歷史上上游峽谷河床帶來的砂卵石推移質(zhì)易在河段內(nèi)沉積，長時間的造床作用，從而在洛陽黃河段形成了砂卵石洲灘和汊道密布的分汊性砂卵石河道。河床床面基本由卵石和粗砂組成，灘區(qū)砂卵石埋深也較淺，砂卵石粒徑(20～200)mm，厚度在(40～80)米之間，砂卵石資源十分豐富。
目前，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，盈利性采砂開始快速發(fā)展，采砂量大幅增加，包括直接在河床中抽取細(xì)砂用于建筑材料等，采砂規(guī)模及采砂量越來越大。黃河泥沙作為建筑材料的直接利用，能夠部分減輕黃河下游的淤積，控制河床的抬高，同時也為兩岸提供了天然的建筑材料，具有重要的社會效益。
6.2經(jīng)濟(jì)效益總結(jié)
新研制的疏浚船對于提高挖砂效率來說意義重大，黃河河道洛陽段除汛期外，常年可以采砂，有了新的挖砂船，由于采用了電能挖砂，較使用柴油機(jī)械而言，可以節(jié)省較多的挖砂成本，按現(xiàn)階段挖砂情況分析，該船每天可挖1200m3砂，其經(jīng)濟(jì)效益如下： 原來使用柴油機(jī)驅(qū)動，每立方砂需油費(fèi)3.00元，每天油耗3600元，改換電力驅(qū)動后， 每立方砂需電費(fèi)1.50元，每天電費(fèi)1800元，每天節(jié)約費(fèi)用1800元，汛期和冬季不工作，全年按200個工作日計(jì)算，節(jié)約費(fèi)用360000元。如果每天的采砂量提高，僅此項(xiàng)節(jié)約的費(fèi)用就相當(dāng)可觀。該船每年可創(chuàng)上百萬的經(jīng)濟(jì)利潤。
6.3環(huán)保意義
經(jīng)過技術(shù)革新，由電能代替內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，杜絕了燃油尾氣及漏油等問題的發(fā)生，既使河段上空空氣保持良好，也保證了水質(zhì)不會受廢油的污染。另外利用變頻技術(shù)、負(fù)載技術(shù)使能耗大幅度降低，對于節(jié)能減排意義重大。
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