深水水下步履式整平機(jī)的研發(fā)

華寅超

中船第九設(shè)計研究院工程有限公司 上海 200063

水下拋石基床整平是重力式碼頭工程、航道整治工程等水工工程的重要施工工序之一。水下步履式整平機(jī)正是為此所研制的，它能在各種人力無法完成施工的條件下高質(zhì)量、高效率地完成任務(wù)[1-4]。

然而目前水下整平機(jī)工作的最大水深極限為30 m，世界上工作水深最深的整平機(jī)可達(dá)到35 m。如果要適應(yīng)更深的水下施工環(huán)境，將面臨水壓、水流、波浪、水下穩(wěn)定性、安全性等種種難題，是一個量變到質(zhì)變的跨越。深水水下步履式整平機(jī)突破了30 m工作水深這一技術(shù)壁壘，研發(fā)出能在50 m水深條件下工作的整平機(jī)，以適應(yīng)現(xiàn)今水深日趨加深的拋石基床整平工況。

1 水下步履式整平機(jī)簡介

1.1 水下步履式整平機(jī)組成

水下步履式整平機(jī)主要由主體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、定位檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

1.1.1 ?主體結(jié)構(gòu)

整平機(jī)主體結(jié)構(gòu)主要由電控動力室、塔架、機(jī)身、刮鏟系統(tǒng)等組成（圖1）。

1.1.2 ?動力系統(tǒng)

整平機(jī)采用液壓系統(tǒng)作為設(shè)備的動力系統(tǒng)，主要由動力源、液壓泵站、液壓電動機(jī)、油箱、液壓油缸、液壓管路和閥組等組成。

1.1.3 ?控制系統(tǒng)

整平機(jī)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、可編程控制器（PLC）、各類按鈕組成，集中布置在中央控制臺上。

圖1 水下步履式整平機(jī)主體結(jié)構(gòu)

1.1.4 ?定位檢測系統(tǒng)

整平機(jī)的定位檢測系統(tǒng)主要設(shè)備有測深儀、傾斜儀、角度儀、RTK GPS、位置傳感器、液壓系統(tǒng)壓力傳感器等。通過這些儀器，操作人員在控制臺上能精確掌握整平機(jī)的絕對坐標(biāo)、姿態(tài)情況、執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置及狀態(tài)、拋石基床標(biāo)高等，指導(dǎo)其進(jìn)行整平機(jī)施工操作。

1.2 水下步履式整平機(jī)工作原理

操作人員控制整平機(jī)步行至指定工作區(qū)域，站穩(wěn)并調(diào)平機(jī)架。通過塔架上的GPS及整平臺車下方測深儀的數(shù)據(jù)反饋，系統(tǒng)計算出整平區(qū)域拋石基床的絕對高程。操作人員根據(jù)施工要求控制刮鏟對基床進(jìn)行多次刮平，直至拋石基床的平整度和標(biāo)高達(dá)到施工要求，而后采用壓輥裝置進(jìn)行基床壓實。一個工作面的整平完成后，整平機(jī)采用步進(jìn)方式通過縱向或橫向移動抵達(dá)下一個工作平面。

2 深水水下整平機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.1 工作環(huán)境參數(shù)

水流及波浪是整平機(jī)工作的自然環(huán)境條件參數(shù)，是影響整平機(jī)穩(wěn)定性最主要的外部因素，通過對所收集的國內(nèi)航道及沿海地區(qū)水域資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并參考文獻(xiàn)[1]中介紹的深水拋石整平船“青平2號”的整平工作環(huán)境參數(shù)，以此為基礎(chǔ)制定深水整平機(jī)工作環(huán)境參數(shù)：最大工作水深50 m，最大工作水流2 m/s，最大工作浪高1.2 m，最大抗浪水流3 m/s，最大抗浪浪高2.5 m/s。

2.2 工作能力參數(shù)

日整平作業(yè)面積500 m2，整平精度5 cm，適用石塊質(zhì)量5～100 kg。

3 深水水下整平機(jī)方案

3.1 方案分析

整平機(jī)依靠其機(jī)身上部的塔架把GPS天線送出水面以上，從而實現(xiàn)整平機(jī)的定位及整平面精度的測量。深水水下整平機(jī)其難點在于：

1）整平機(jī)在水下受到波浪及復(fù)雜水流等因素的影響，當(dāng)整體高度超過50 m后，會產(chǎn)生較大的傾覆力矩，造成整平機(jī)穩(wěn)定性問題。

2）50 m高度的整平機(jī)在下水和出水時會給整機(jī)吊裝帶來極大的難度。

對于上述設(shè)計難點，解決方式如下。

3.1.1 ?減小整平機(jī)的傾覆力矩

整體高度增大后，由于上部塔架結(jié)構(gòu)離開整平機(jī)撐腿距離變遠(yuǎn)，力臂增大，其承載的水流力的作用效果被放大，塔架受水流力的力矩增大是引起傾覆力矩增大的原因。故在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提條件下盡可能地減少上部塔架結(jié)構(gòu)的水阻力。因此減小整平機(jī)的傾覆力矩的關(guān)鍵在于減小塔架的水阻力。

根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》“水流力”章節(jié)中的計算公式Fw=Cwρ V2A/2可以看出，水流力Fw和水流阻力系數(shù)Cw、水密度ρ、水流設(shè)計流速V、計算構(gòu)件與流向垂直平面上的投影面積A成正比關(guān)系。當(dāng)外部條件水密度和水流設(shè)計流速一定時，要減小水流力就要減小水阻力系數(shù)和構(gòu)件與流向垂直平面上的投影面積。又根據(jù)各不同形狀墩柱的水阻系數(shù)，選用水阻系數(shù)較小又便于制造的圓形截面型材作為塔架的結(jié)構(gòu)件。

3.1.2 ?增大抗傾覆力矩

整平機(jī)的抗傾覆力為整平機(jī)自身重力，通過增大整平機(jī)腿間跨度從而增大抗傾覆力臂，可達(dá)到增大抗傾覆力矩的目的。

3.1.3 ?降低整平機(jī)整體重心高度

對于整平機(jī)的安全性，還要考慮整平機(jī)在工作條件下可能出現(xiàn)小角度傾斜的情況。在整平機(jī)小角度偏斜的情況下，重心位置向外偏斜，重心越高，偏斜量越大，傾斜方向上重心的力臂減少越多，抗傾覆力矩越小。因此取消塔架上部電控動力室，設(shè)計中盡可能降低塔架的重心高度。

3.1.4 ?降低塔架高度

過高的塔架給吊裝帶來巨大的操作難度，主要的解決方案是采用可伸縮式的塔架形式，盡可能地降低吊裝時的塔架高度。

3.2 塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計

深水整平機(jī)塔架主要分為2個部分，分別為上部單鋼管結(jié)構(gòu)及下部桁架結(jié)構(gòu)。

上部單鋼管結(jié)構(gòu)是由鋼管結(jié)構(gòu)、GPS天線平臺、塑料浮筒組成，其上部設(shè)有一個小平臺，露出水面約4 m（50 m最大水深條件下），平臺用于安置2套GPS天線。小平臺下方設(shè)有一個圓環(huán)形的船用塑料浮筒，套裝在鋼管上。

下部桁架結(jié)構(gòu)是由桁架本體、鋼管鎖緊裝置組成。其底部與整平機(jī)機(jī)身采用螺栓相連。塔架中心設(shè)有若干套筒，作為上部單管結(jié)構(gòu)伸縮時的導(dǎo)向裝置。下部結(jié)構(gòu)20 m高度處設(shè)有一個平臺，其上安裝有一對鋼管鎖緊裝置。構(gòu)成塔架的各鋼管內(nèi)部封閉不進(jìn)水，在水中鋼管內(nèi)部中空部分排水產(chǎn)生一定的浮力，抵消了鋼管的部分自重（圖2）。

圖2 自適應(yīng)伸縮塔架

3.3 塔架伸縮原理

為方便整平機(jī)出入水時的吊裝操作，并適應(yīng)不同深度水域的施工作業(yè)，整平機(jī)塔架具有可伸縮功能，并利用上部單管結(jié)構(gòu)的浮筒提供浮力，通過浮力與單管結(jié)構(gòu)重力的平衡，塔架的上部單管結(jié)構(gòu)隨著水位變化可在下部桁架結(jié)構(gòu)中進(jìn)行上下運(yùn)動，從而實現(xiàn)塔架高度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并保證GPS天線始終露出水面。

塔架的上部單管結(jié)構(gòu)為塔架升降的主體，其頂部設(shè)有浮筒。浮筒沒入水中所產(chǎn)生的最大浮力略大于上部鋼管與浮筒自重的總和，因此帶動上部結(jié)構(gòu)浮出水面，達(dá)到在不同的水位條件下自動調(diào)節(jié)塔架伸縮高度的目的。當(dāng)高度調(diào)節(jié)到位后，下部塔架平臺上的鋼管鎖緊裝置鎖緊油缸伸出，完成鋼管鎖定。鋼管鎖緊裝置分為左右兩部分，分別由2個液壓油缸驅(qū)動，液壓油缸前端各設(shè)半個抱箍，頂伸到位后抱箍抱緊（圖3）。

圖3 鋼管鎖緊裝置

起吊時，鎖緊裝置松開，整平機(jī)吊耳安裝在機(jī)身上，當(dāng)整平機(jī)被緩緩地起吊出水，其塔架上部鋼管隨出水過程慢慢收回，直至上部單管完全進(jìn)入下部桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，塔架回收完成。整平機(jī)總高度從50 m減小到36 m。

采用以上形式，整平機(jī)塔架具有自重增加少（在水中有浮力的條件下）、迎水面積小、重心較低、可自適應(yīng)伸縮等特點，很好地解決了整平機(jī)塔架出水方案的主要技術(shù)難點。

4 設(shè)計驗證

本設(shè)計要解決的核心問題是整平機(jī)的水下穩(wěn)定性問題，設(shè)計是否滿足穩(wěn)定性的要求須進(jìn)行驗證。整平機(jī)下部機(jī)身及其上設(shè)備結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，水流通過此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)會引起湍流，湍流對整平機(jī)機(jī)架的實際影響很難通過計算公式算得。因此采用CFD仿真計算的方式計算整平機(jī)的水下穩(wěn)定性。并用ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析，對伸縮塔架結(jié)構(gòu)在水流作用下的剛度進(jìn)行了計算。

4.1 CFD仿真計算

整平機(jī)上部塔架結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式比較單一，通過公式計算即可得到較為準(zhǔn)確的受力結(jié)果。整平機(jī)下部復(fù)雜的機(jī)身本體則需要借助試驗或CFD軟件幫助來進(jìn)行計算。

經(jīng)計算：工作狀態(tài)下，在設(shè)計最高水流速度2 m/s時，整平機(jī)的穩(wěn)定性具有一定的富余量；在水流速度達(dá)2.85 m/s時，為整平機(jī)工作狀態(tài)下具備合格穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)?？估藸顟B(tài)下，在設(shè)計最高水流速度3 m/s時，整平機(jī)的穩(wěn)定性具有一定富余量；在水流速度達(dá)到4 m/s時，為整平機(jī)抗浪狀態(tài)下具備合格穩(wěn)定性的臨界狀態(tài)。

4.2 塔架結(jié)構(gòu)受力分析

由于塔架結(jié)構(gòu)是作為GPS天線的支撐架體，而GPS為整平機(jī)進(jìn)行水平和高程方向上的定位的核心設(shè)備，更是保證整平機(jī)作業(yè)精度重要的一環(huán)，因此塔架受水流力后的變形量是設(shè)計必須考慮的問題。整平機(jī)水平方向的定位精度要求不高，而在高程方向上，由于是作為基床絕對高程的測量儀器，其必須保證整平機(jī)高程方向的施工精度在5 cm以內(nèi)。因此塔架受水流和波浪的作用后在縱向的位移不能過大，否則會影響GPS對拋石基床高程的正確測量。

將CFD計算所得的水流力力矩數(shù)值及計算公式算出的波浪力力矩數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS結(jié)構(gòu)分析模塊中進(jìn)行計算?？紤]設(shè)備在實際的運(yùn)用中只需關(guān)注工作狀態(tài)下的GPS高程精度，因此只計算2 m/s流速下塔架的變形量。

建模加載后對塔架剛度進(jìn)行計算，根據(jù)塔架在高程方向上的變形量可知，其最大位移量為5.78 mm（圖4）；根據(jù)塔架在水平方向上的變形量可知，其最大位移量為134.40 mm（圖5）。由于塔架高度高，其一旦產(chǎn)生小角度偏斜，頂端橫向位移將被成倍放大，而縱向的位移卻不明顯。根據(jù)計算數(shù)據(jù)，在最大工作水流力及波浪力的作用下，高度方向的最大變形量在毫米級，對GPS高程測量影響很小，滿足設(shè)計要求。

圖4 塔架結(jié)構(gòu)高程方向位移

圖5 塔架結(jié)構(gòu)水平方向位移

5 結(jié)語

通過改造整平機(jī)的塔架形式，取消原塔架上部的電控動力室（將其安置于工作母船上），把塔架的功能定位于只負(fù)責(zé)將GPS天線托出水面。根據(jù)這一特點，在剛度滿足要求的條件下，盡可能減少塔架的水阻系數(shù)及迎水面積來減小整平機(jī)所受的傾覆力矩。并考慮了機(jī)體高度過高不利于吊裝的問題，設(shè)計了自適應(yīng)型的塔架伸縮系統(tǒng)，大幅度提高了設(shè)備在運(yùn)輸及使用過程中的安全性與可操作性。并經(jīng)計算驗證，本設(shè)計方案在各工況條件下都滿足整平機(jī)穩(wěn)定性的要求，并有足夠的安全系數(shù)。對絕對高程方向上的精度影響也較小，滿足定位精度要求，解決了深水水下整平機(jī)在50 m水深條件下進(jìn)行正常施工作業(yè)的技術(shù)難題。