陳新權(quán),楊啟,顧敏童,譚家華,凌良勇,湯山
(1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240;2.交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航道局,湖北 武漢 430010)
隨著絞吸挖泥船作業(yè)區(qū)域的擴(kuò)大,在設(shè)計(jì)階段必須考慮風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件的影響,從而為關(guān)鍵設(shè)備的選取、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見。本文研究的絞吸挖泥船需要在三峽庫(kù)尾航道進(jìn)行作業(yè),該航道屬大型山區(qū)急流航段,為保證在較大的流速中安全作業(yè),要配備能力更強(qiáng)的絞車和定位設(shè)備。本文對(duì)不同設(shè)備配置條件下絞吸挖泥船的環(huán)境載荷、設(shè)備載荷及作業(yè)能力進(jìn)行了分析,為船舶在不同環(huán)境條件下的作業(yè)范圍限定方法提供建議,從而保證施工安全。
目標(biāo)船定位樁在艏部,橋架和絞刀則位于船艉。主要參數(shù)為:垂線間長(zhǎng)87.3 m;型寬22.4 m;型深5.3 m;設(shè)計(jì)吃水3.4 m;絞刀轉(zhuǎn)速30 r/min;絞刀半徑1.2 m。
圖1 坐標(biāo)系及外載荷
取隨船坐標(biāo)系,坐標(biāo)原點(diǎn)取為樁處,采用右手坐標(biāo)系,X軸和Y軸方向如圖1所示。將挖泥船船體、定位樁、橋架、絞刀作為一個(gè)系統(tǒng),則作用在系統(tǒng)上的外載荷包括環(huán)境載荷Fcx,F(xiàn)cy和搖艏流力矩Mcxy;橫移鋼絲繩的拉力Fap和Fas;絞刀頭處的軸向力Fl,水平力Fh,垂直于軸向及水平方向的力Fv,扭矩M;樁處的反力Fsx和Fsy。
絞吸挖泥船作業(yè)時(shí)主要考慮風(fēng)、浪和流載荷的作用。其中風(fēng)載荷根據(jù)各船級(jí)社規(guī)范推薦方法估算或由風(fēng)洞試驗(yàn)確定;波浪載荷可以通過三維勢(shì)流方法進(jìn)行計(jì)算;流載荷可以采用相近船型近似估算或CFD方法進(jìn)行計(jì)算。由于內(nèi)河風(fēng)浪很小,其作用在船體上的載荷可以忽略,而流載荷是影響作業(yè)安全的主要因素,因此僅考慮流載荷的作用。采用OCIMF推薦方法對(duì)水流力和力矩進(jìn)行估算[1]。計(jì)算結(jié)果見圖2。
圖2 流載荷
式中:Fcx,F(xiàn)cy,Mcxy分別為縱向流力,kN、橫向流力,kN、搖艏流力矩,kN·m;Ccx,Ccy,Ccxy分別為縱向流力系數(shù)、橫向流力系數(shù)、搖艏流力矩系數(shù);ρc為水密度;Vc為流速;T為設(shè)計(jì)吃水。流載荷系數(shù)Ccx,Ccy,Ccxy根據(jù)相對(duì)于船舶的流向角、水深吃水比及船艏形狀確定。所設(shè)計(jì)挖泥船的船艏與報(bào)告提供的柱形艏相近,因此在計(jì)算中采用柱形艏的系數(shù)數(shù)據(jù)。
絞吸挖泥船在工作過程中,絞刀所受的切削力可以分解為作用在中心3個(gè)方向的力和扭矩:軸向力Fl,水平方向的力Fh,垂直于軸向及水平方向的力Fv,扭矩為M。通常采用如下近似公式計(jì)算[2]:
式中:P為絞刀功率;N為絞刀轉(zhuǎn)速;R為絞刀半徑;計(jì)算中取Cl=0.4;Cv=0.9;絞刀向上切削時(shí)Ch=1,向下切削時(shí)Ch=0.6,水平力的方向與絞刀的切削方向和轉(zhuǎn)動(dòng)方向有關(guān)。
當(dāng)挖泥船繞定位樁旋轉(zhuǎn)時(shí),有一邊錨鏈起主要拉動(dòng)作用;而為了防止轉(zhuǎn)動(dòng)過程中引起橋架擺動(dòng),另一邊錨鏈往往設(shè)有一個(gè)預(yù)張力,它一般取為較大錨鏈拉力的30%[3],因此Fap和Fas之間的關(guān)系為Fap=αFas或Fas=αFap,α=0.3。
挖泥船作業(yè)時(shí),定位樁一端插入泥沙中,另一端在臺(tái)車的卡箍中,在計(jì)算中將定位樁與船體假定為一剛體,泥沙對(duì)定位樁的作用力分解為X、Y方向的集中載荷,則定位樁上的總載荷:
假定挖泥船繞樁從右往左順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),到達(dá)最大角度后從右往左逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),將該過程分為4個(gè)階段,見圖3。
對(duì)絞刀功率為1200 kW,900 kW,600 kW和0 kW(即絞刀不作業(yè)),絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷為60 t和70 t時(shí),流速為3 m/s,2 m/s和1 m/s等工況進(jìn)行計(jì)算,得到圖4所示的所能達(dá)到的作業(yè)角度及對(duì)應(yīng)情況下樁上的載荷。逆流順流針對(duì)絞刀作業(yè)而言,與船舶的相反。
圖3 計(jì)算工況
圖4 作業(yè)角度
對(duì)于逆流作業(yè),第一、三階段中,流載荷起阻礙作用,第二、四階段則起推動(dòng)作用,順流作業(yè)則相反。從計(jì)算結(jié)果可知,在起推動(dòng)作用的階段,在小角度時(shí),流載荷較小,絞車?yán)瓌?dòng)船舶抵抗流載荷旋轉(zhuǎn);在大角度時(shí),流載荷較大,推動(dòng)船舶旋轉(zhuǎn),則為了穩(wěn)定作業(yè),原先起輔助作用的絞車變成主絞車,拉力變大,起阻止船舶旋轉(zhuǎn)的作用。因此認(rèn)為在流載荷起推動(dòng)作用階段,可以通過調(diào)節(jié)絞車?yán)_(dá)到全范圍作業(yè)角度,挖泥船的作業(yè)范圍取決于流載荷起阻礙作用時(shí)能工作的角度,結(jié)果見表1,其中Ft為樁上載荷,取四個(gè)階段中的最大值,Δθ表示絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷70 t相對(duì)于60 t時(shí)增加的作業(yè)角度范圍。
表1 絞刀功率1200 kW,不同絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)的結(jié)果(逆流,流速3 m/s)
對(duì)1.5倍水深吃水比的結(jié)果進(jìn)行匯總,見表2~表5。
表2 逆流時(shí)不同情況下的作業(yè)范圍角度 (°)
表3 逆流時(shí)不同情況下樁上的最大載荷 t
表4 順流時(shí)不同情況下的作業(yè)范圍角度 (°)
表5 順流時(shí)不同情況下樁上的最大載荷 t
通過對(duì)一急流航段絞吸挖泥船在不同絞刀功率、不同橫移絞車能力、不同流速、不同水深情況下的作業(yè)范圍和載荷進(jìn)行了計(jì)算,得到如下結(jié)論:
1)淺水效應(yīng)對(duì)挖泥船在內(nèi)河作業(yè)的影響很大,水深越小,流載荷越大;
2)相同絞刀功率時(shí),流速越大,作業(yè)范圍越??;相同絞刀功率,相同流速時(shí),水深越大,作業(yè)范圍越大;絞刀采用較小的功率作業(yè)時(shí),絞刀載荷減小,作業(yè)角度范圍增加;
3)絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷從60 t增加到70 t時(shí),作業(yè)角度增加,水深越大,流速越小,增加越多,建議采用70 t的絞車;
4)在絞車設(shè)計(jì)負(fù)荷為70 t時(shí),順流都有較大的作業(yè)角度,但是樁上的載荷較大;
5)在逆流流速較大的情況下,即使絞刀不作業(yè),若旋轉(zhuǎn)角度較大,可能導(dǎo)致絞車?yán)Σ蛔阋苑€(wěn)定挖泥船的不安全狀況,在這種工況下,挖泥船應(yīng)在絞車?yán)煽胤秶鷥?nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),以保證安全。
本結(jié)論所涉及的內(nèi)容僅針對(duì)討論的船型、船型參數(shù)在不同流速、水深情況下選用不同拉力的橫移絞車,能較安全的在一定轉(zhuǎn)角內(nèi)施工。不涉及橫移錨抓地的技術(shù)性能,也不涉及定位鋼樁、臺(tái)車及其它設(shè)備的技術(shù)性能。
[1]OCIMF.Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs[R].1994.
[2]WIM VLASBLOM.Lecture Notes on Dredging Equipment and Techno-logy[M].Delft University of Technology,2003.
[3]張文宜,陳新權(quán),譚家華.絞吸式挖泥船外力計(jì)算軟件及應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè),2008(6):6-8.