40 m雙體全自動水上垃圾清掃船的研制

占金鋒

(天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司,上海 201612)

0 引言

隨著環(huán)境問題日益突出，水環(huán)境保護(hù)越來越受到人們的關(guān)注。水面漂浮垃圾的污染已經(jīng)逐步威脅到市民的飲水安全、環(huán)境衛(wèi)生及市容市貌，因此，機(jī)械化清理水面垃圾已成為重要的水環(huán)境保護(hù)措施。

目前，國內(nèi)外對水面垃圾的清理一般采用人工打撈方式和機(jī)械打撈方式。人工打撈水面垃圾方式利用半艙式或甲板機(jī)動駁船, 由環(huán)衛(wèi)工人手持網(wǎng)兜等工具站在甲板邊上直接將垃圾撈上來。這種作業(yè)方式勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣, 效率也十分低下。 傳統(tǒng)的機(jī)械方式采用翻斗式和導(dǎo)向門式設(shè)計(jì)的水面垃圾清理船，利用液壓裝置對垃圾進(jìn)行打撈。這種水上垃圾清理船一般為單船體，由收集裝置、存儲裝置等組成。收集裝置的形式主要有傳送帶、翻斗以及造流收集等，其作用是把前方的漂浮垃圾引導(dǎo)過來, 收集到專用的垃圾存儲箱內(nèi)。這種船舶盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)，效率較人工打撈方式有所提高，但仍然存在船舶甲板面積太小，作業(yè)設(shè)備布置干涉太多，船員工作居住環(huán)境較差，自動化程度還不夠高，垃圾收集范圍及速率仍有限，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)等問題。因此，隨著各城市對水環(huán)境治理的日益重視，研制更加高效、適用的新型水上垃圾清掃裝備十分必要。

基于原建造交付的30 m以下的批量垃圾清掃船，進(jìn)一步從船舶主尺度及船型選擇、功能及布置綜合、設(shè)備與系統(tǒng)集成、自動化控制應(yīng)用等方面研究改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了新型40 m雙體全自動水上垃圾清掃船型。其主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到和超過了原設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，較原來水上垃圾打撈清掃船在功能布置、人員居住、自動控制及作業(yè)效率等方面有了較大的提升。

1 船舶主要技術(shù)參數(shù)及總體布置

1.1 船型及清掃作業(yè)流程

近年來，設(shè)計(jì)建造的批量專用水上垃圾清掃船，通過設(shè)置清掃打撈裝置與液壓調(diào)節(jié)裝置、伸縮式電動皮帶輸送機(jī)、電子皮帶秤、雙螺旋壓榨機(jī)組，將垃圾秤重后，經(jīng)過伸縮式電動皮帶輸送機(jī)集中輸送至伴行的船舶貨艙內(nèi)。而最新設(shè)計(jì)建造的40 m雙體全自動水上垃圾清掃船基于原批量船型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，加大了船體尺度，提升了作業(yè)效率，增強(qiáng)了自動化功能，實(shí)現(xiàn)了清掃、打撈、裝卸一體化作業(yè)。該船為雙體船型，主甲板為垃圾輸送及轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)域，包括液壓清掃打撈裝置與液壓調(diào)節(jié)裝置、伸縮式電動皮帶輸送機(jī)、電子皮帶秤、儲存轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。全部作業(yè)設(shè)備的控制系統(tǒng)采用就地操作模式，同時(shí)在駕駛室設(shè)置全部設(shè)備的應(yīng)急切斷按鈕，配置手持式無線遙控器，作業(yè)效率得到極大提升，自動化程度較高。該船作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 全自動垃圾清掃船作業(yè)流程圖

1.2 船舶主要技術(shù)參數(shù)

最大船長

～42.00 m

總長

～37.50 m

水線長

37.45 m

兩柱間長

36.00 m

最大寬度

8.60 m

船寬

8.20 m

片體寬

2.70 m

型深

2.60 m

設(shè)計(jì)吃水

1.80 m

排水量

～260 t

最大航速

～10 kn

船舶定員

9人

清掃打撈作業(yè)寬度

～2.6 m

最大保潔寬度

～12 m

清掃打撈作業(yè)深度

～0.5 m(水面以下)

1.3 總體布置

本船為對稱線型雙體船的內(nèi)河機(jī)動專用工作船，船體采用單底、單殼、單甲板、艉機(jī)型、全鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)形式，動力裝置采用雙機(jī)、雙槳、雙舵的推進(jìn)方式。根據(jù)中國船級社(CCS)的規(guī)范和中華人民共和國海事局的規(guī)則中關(guān)于內(nèi)河A 級船舶的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

主甲板上布置垃圾輸送及轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備。駕駛甲板設(shè)置船員、工作人員住居及生活艙室、會議室、船舶駕駛室等，配備生活設(shè)施及相關(guān)船舶操控設(shè)備。

40 m雙體全自動清掃船又作為工作母船，在艉部配置輔助工作子船。工作子船平時(shí)安放在主甲板上，獨(dú)立作業(yè)時(shí)可下沉至水中自主航行。工作子船的收放過程由母船自帶的升降平臺獨(dú)立完成。升降平臺載重量為5 t，最大尺寸為7 m×2.6 m。該平臺采用液壓控制方式，通過叉車導(dǎo)軌升降形式可下沉至水下0.8 m水深處，也可上升至主甲板平面。同時(shí)，通過母船下層空間的甲板橫梁，設(shè)置2 根導(dǎo)軌 (船舯區(qū)域)，可參考伸縮舷梯形式，配掛1 臺電動葫蘆，將升降平臺上作業(yè)裝備所收集與儲存的漂浮廢棄物吊運(yùn)至母船的儲存轉(zhuǎn)運(yùn)裝置中。

40 m雙體全自動水上垃圾清掃船總體布置示意圖如圖2所示。

2 船舶主要功能及清掃裝置的配置

2.1 主要功能

水面垃圾全自動清掃船針對水面環(huán)境污染的問題，致力于湖泊、河流等水域的固體垃圾清理，如：塑料袋、飲料瓶、樹枝樹葉、其他易清理的水面垃圾，以及水葫蘆等水生物的清理。它自動將水上漂浮的垃圾從水面打撈后，直接裝運(yùn)或者經(jīng)壓縮后裝運(yùn)到垃圾處理廠進(jìn)行處理。開發(fā)設(shè)計(jì)的40 m雙體全自動水上垃圾清掃船作為服務(wù)國內(nèi)各內(nèi)河水域的多功能保潔作業(yè)船，當(dāng)前主要適用于上海黃浦江景觀水域及相關(guān)水域收集水面垃圾及漂浮廢棄物，并且滿足水生植物高發(fā)時(shí)期定點(diǎn)打撈、連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)的作業(yè)需要。同時(shí)，能將收集的垃圾自動卸載到指定的裝載船、岸上碼頭、垃圾運(yùn)輸車等相應(yīng)設(shè)備上。

2.2 清掃裝置配置

本船主要作業(yè)設(shè)備包括：液壓開啟導(dǎo)流裝置、消防水炮噴射裝置、液壓清掃打撈裝置與液壓調(diào)節(jié)裝置、伸縮式電動皮帶輸送機(jī)、電子皮帶秤、儲存轉(zhuǎn)運(yùn)裝置。全部作業(yè)設(shè)備的控制系統(tǒng)采用就地操作模式，同時(shí)在駕駛室設(shè)置全部設(shè)備的應(yīng)急切斷按鈕，配置手持式無線遙控器。此外，船艉設(shè)置升降平臺，便于工作子船在作業(yè)工作母船上實(shí)現(xiàn)收放自如。

(1)液壓開啟導(dǎo)流裝置通過各個(gè)片體艏部由液壓驅(qū)動的襟翼舵形式導(dǎo)流裝置進(jìn)行水流導(dǎo)向，有利于水面漂浮物進(jìn)入液壓清掃打撈裝置的前端。同時(shí)，還有利于增加保潔作業(yè)船舶對水域清掃面的寬度，能夠明顯提升清掃打撈的保潔范圍。

(2)消防水炮噴射裝置由船艏左右舷分別設(shè)置的一套消防水炮(規(guī)格：噴射流量17 L/s、射程40 m)組成，日常作業(yè)時(shí)使用靠岸側(cè)的一套消防水炮，或者同時(shí)使用兩套消防水炮在船艏交叉噴射。機(jī)艙內(nèi)設(shè)置兩臺消防炮專用泵(規(guī)格：60 m3/h×0.75 MPa)作為水炮噴射裝置的動力水源，提供具有較高壓力的消防水。該系統(tǒng)在船舶作業(yè)時(shí)進(jìn)行人工噴水造流，可以更好地打撈收集靠岸死角處的漂浮垃圾，也可以較好地驅(qū)趕或攔截水面漂浮物引導(dǎo)進(jìn)入清掃打撈裝置前端。

(3)清掃打撈裝置的輸送形式采用先進(jìn)的排鏈?zhǔn)?。輸送鏈條由高強(qiáng)度尼龍扣、不銹鋼鏈軸和連接片組成，尼龍扣上帶有的突齒能有效勾掛漂浮水生植物，其間隙能在整個(gè)清掃打撈過程中保證漂浮水生植物的充分濾水。主要技術(shù)參數(shù)為：安裝角度30°～35°，鏈齒運(yùn)動速度10～15 m/min，鏈齒有效寬度2.6 m，浸入水深0.5 m，采用電動形式，通過變頻啟動及調(diào)速。該裝置升降采用液壓驅(qū)動，通過頂升油缸的動作來實(shí)現(xiàn)清掃打撈裝置角度的調(diào)整。

(4)電子皮帶秤由四部分組成：稱重橋架、稱重傳感器、速度傳感器及測速滾筒、稱重控制器。主要參數(shù)為：稱重范圍0.5～200 t/h，皮帶寬度約3 m，稱重區(qū)標(biāo)準(zhǔn)長度約2.4 m，皮帶輸送機(jī)傾角18°，計(jì)量精度±0.5%。

(5)儲存轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的輸送形式采用先進(jìn)的排鏈?zhǔn)剑漭斔玩湕l由不銹鋼鏈軸和連接片組成，其間隙能在整個(gè)清掃打撈過程中保證漂浮水生植物的充分濾水。主要技術(shù)參數(shù)為：安裝角度0°～20°，鏈齒運(yùn)動速度3～8 m/min，鏈齒有效寬度2個(gè)×1.6 m,四周的擋板高度1.5 m，儲存容積約60 m3。儲運(yùn)裝置正轉(zhuǎn)工況時(shí)進(jìn)行收集儲存，反轉(zhuǎn)工況時(shí)輸送轉(zhuǎn)運(yùn)。

1—導(dǎo)流裝置；2—垃圾清掃裝置；3—電子皮帶秤；4—垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)裝置；5—垃圾存儲裝置；6—液壓升降平臺；7—消防水炮引流裝置。

(6)伸縮式電動皮帶輸送機(jī)承接垃圾并將其傳送到伴行的船舶貨艙里。主要技術(shù)參數(shù)為：輸送帶額定稱量30 kg/m，輸送帶工作速度60 m/min，輸送帶有效寬度1 m，輸送機(jī)伸縮有效行程10 m。

3 船舶主要特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

(1)本船采用雙體船型，較好解決了專用設(shè)備布置及船員居住空間的矛盾，提高了船舶的穩(wěn)性和工作人員的舒適性。中部空間區(qū)域便于安裝整套清掃、轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，使船型與專用設(shè)備能夠完美結(jié)合。同時(shí)，清掃及轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備布置在中部空間，在兩舷側(cè)設(shè)置整體玻璃幕墻，使本船相對其他清掃船外觀更為協(xié)調(diào)，美觀大方。

(2)本雙體全自動清掃船采用母子船組合形式，可作為一艘工作母船，配置輔助工作的若干工作子船。子船通過液壓升降平臺放入水中，還可將子船清掃的垃圾收集到母船上。這樣作為大型清掃船作業(yè)時(shí)，可以通過配備的子船在角落、汊流、淺水灘涂等區(qū)域進(jìn)行輔助和補(bǔ)充清掃，做到清掃無死角，并行作業(yè)，能極大提升作業(yè)效率。

(3)艏部設(shè)有流線型襟翼舵型式液壓開啟導(dǎo)流裝置，在船舶航行時(shí)收回以減小航行阻力。工作時(shí)由液壓驅(qū)動各個(gè)片體艏部進(jìn)行水流導(dǎo)向，這樣有利于水面漂浮物進(jìn)入液壓清掃打撈裝置的前端。同時(shí)，還有利于增加保潔作業(yè)船舶對水域清掃面的寬度，最大達(dá)到約12 m，明顯提升了清掃打撈的保潔范圍。

(4)設(shè)有高壓消防水炮噴射裝置來造流。日常作業(yè)時(shí)使用靠岸側(cè)的一套消防水炮，或者同時(shí)使用兩套消防水炮在船艏交叉噴射，進(jìn)行船舶特殊作業(yè)時(shí)的人工噴水造流。這樣可以更好地打撈收集靠岸死角處的漂浮垃圾，也可以較好地驅(qū)趕或攔截水面漂浮物并將其引導(dǎo)進(jìn)入清掃打撈裝置前端。相對于一般清掃船所設(shè)置的明輪式或機(jī)械式造流更為有效，作業(yè)更為方便。

(5)清掃打撈裝置的輸送形式采用先進(jìn)的排鏈?zhǔn)?，其輸送鏈條都是由高強(qiáng)度尼龍扣、不銹鋼鏈軸和連接片組成，尼龍扣上帶有的突齒能有效勾掛漂浮水生植物，其間隙能在整個(gè)清掃打撈過程中保證漂浮水生植物的充分濾水。清掃打撈裝置升降采用液壓驅(qū)動，并通過頂升油缸來實(shí)現(xiàn)變幅。清掃打撈裝置安裝角度的調(diào)整，可以滿足不同根深的漂浮水生植物打撈作業(yè)的工況要求。

(6)整套清掃打撈裝置可實(shí)現(xiàn)機(jī)旁手動及駕駛室自動控制，同時(shí)還配備有手持式遙控器控制，能夠?qū)崿F(xiàn)多工位、全自動的靈活操控。本船設(shè)置的垃圾電子稱重裝置，能實(shí)現(xiàn)打撈轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾的科學(xué)計(jì)量，既便于垃圾量的統(tǒng)計(jì)計(jì)量，又能有效實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)裝載垃圾船舶及車輛的噸位統(tǒng)計(jì)，避免超載。

4 結(jié)語

近年來，設(shè)計(jì)建造的批量水上垃圾清掃船，從收到船東的使用反饋意見來看，其主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到和超過了原設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，在很大程度上提高了我國水上垃圾打撈清掃裝備的整體水平。40 m雙體全自動水上垃圾清掃船建成交付后，在上海黃浦江45 km景觀水域保潔及水面垃圾清掃中發(fā)揮了重要作用，組合子母船協(xié)同作業(yè)，效率極大提高，使用效果十分良好，為上海水域環(huán)境保潔提供有力的保障。如今，隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，水環(huán)境保護(hù)也越來越受到人們的關(guān)注。水上清掃保潔船的需求量很大，因此不斷優(yōu)化改進(jìn)的40 m雙體全自動水上垃圾清掃船具有良好的市場前景。