绞吸挖泥船环境载荷及其对作业能力的影响

2012-06-30陈新权杨启顾敏童谭家华凌良勇汤山

中国港湾建设 2012年6期

陈新权，杨启，顾敏童，谭家华，凌良勇，汤山

（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.交通运输部长江航道局，湖北武汉 430010）

0 引言

随着绞吸挖泥船作业区域的扩大，在设计阶段必须考虑风、浪、流等环境条件的影响，从而为关键设备的选取、结构的设计提供指导意见。本文研究的绞吸挖泥船需要在三峡库尾航道进行作业，该航道属大型山区急流航段，为保证在较大的流速中安全作业，要配备能力更强的绞车和定位设备。本文对不同设备配置条件下绞吸挖泥船的环境载荷、设备载荷及作业能力进行了分析，为船舶在不同环境条件下的作业范围限定方法提供建议，从而保证施工安全。

1 载荷计算

1.1 主尺度与计算坐标系

目标船定位桩在艏部，桥架和绞刀则位于船艉。主要参数为：垂线间长87.3 m；型宽22.4 m；型深5.3 m；设计吃水3.4 m；绞刀转速30 r/min；绞刀半径1.2 m。

图1 坐标系及外载荷

取随船坐标系，坐标原点取为桩处，采用右手坐标系，X轴和Y轴方向如图1所示。将挖泥船船体、定位桩、桥架、绞刀作为一个系统，则作用在系统上的外载荷包括环境载荷Fcx，Fcy和摇艏流力矩Mcxy；横移钢丝绳的拉力Fap和Fas；绞刀头处的轴向力Fl，水平力Fh，垂直于轴向及水平方向的力Fv，扭矩M；桩处的反力Fsx和Fsy。

1.2 环境载荷

绞吸挖泥船作业时主要考虑风、浪和流载荷的作用。其中风载荷根据各船级社规范推荐方法估算或由风洞试验确定；波浪载荷可以通过三维势流方法进行计算；流载荷可以采用相近船型近似估算或CFD方法进行计算。由于内河风浪很小，其作用在船体上的载荷可以忽略，而流载荷是影响作业安全的主要因素，因此仅考虑流载荷的作用。采用OCIMF推荐方法对水流力和力矩进行估算[1]。计算结果见图2。

图2 流载荷

式中：Fcx，Fcy，Mcxy分别为纵向流力，kN、横向流力，kN、摇艏流力矩，kN·m；Ccx，Ccy，Ccxy分别为纵向流力系数、横向流力系数、摇艏流力矩系数；ρc为水密度；Vc为流速；T为设计吃水。流载荷系数Ccx，Ccy，Ccxy根据相对于船舶的流向角、水深吃水比及船艏形状确定。所设计挖泥船的船艏与报告提供的柱形艏相近，因此在计算中采用柱形艏的系数数据。

1.3 绞刀载荷

绞吸挖泥船在工作过程中，绞刀所受的切削力可以分解为作用在中心3个方向的力和扭矩：轴向力Fl，水平方向的力Fh，垂直于轴向及水平方向的力Fv，扭矩为M。通常采用如下近似公式计算[2]：

式中：P为绞刀功率；N为绞刀转速；R为绞刀半径；计算中取Cl=0.4；Cv=0.9；绞刀向上切削时Ch=1，向下切削时Ch=0.6，水平力的方向与绞刀的切削方向和转动方向有关。

1.4 横移系统载荷

当挖泥船绕定位桩旋转时，有一边锚链起主要拉动作用；而为了防止转动过程中引起桥架摆动，另一边锚链往往设有一个预张力，它一般取为较大锚链拉力的30%[3]，因此Fap和Fas之间的关系为Fap=αFas或Fas=αFap，α=0.3。

1.5 定位桩载荷

挖泥船作业时，定位桩一端插入泥沙中，另一端在台车的卡箍中，在计算中将定位桩与船体假定为一刚体，泥沙对定位桩的作用力分解为X、Y方向的集中载荷，则定位桩上的总载荷：

2 绞吸挖泥船作业能力计算分析

2.1 计算工况

假定挖泥船绕桩从右往左顺时针转动，到达最大角度后从右往左逆时针转动，将该过程分为4个阶段，见图3。

2.2 计算结果

对绞刀功率为1200 kW，900 kW，600 kW和0 kW（即绞刀不作业），绞车设计负荷为60 t和70 t时，流速为3 m/s，2 m/s和1 m/s等工况进行计算，得到图4所示的所能达到的作业角度及对应情况下桩上的载荷。逆流顺流针对绞刀作业而言，与船舶的相反。

图3 计算工况

图4 作业角度

对于逆流作业，第一、三阶段中，流载荷起阻碍作用，第二、四阶段则起推动作用，顺流作业则相反。从计算结果可知，在起推动作用的阶段，在小角度时，流载荷较小，绞车拉动船舶抵抗流载荷旋转；在大角度时，流载荷较大，推动船舶旋转，则为了稳定作业，原先起辅助作用的绞车变成主绞车，拉力变大，起阻止船舶旋转的作用。因此认为在流载荷起推动作用阶段，可以通过调节绞车拉力达到全范围作业角度，挖泥船的作业范围取决于流载荷起阻碍作用时能工作的角度，结果见表1，其中Ft为桩上载荷，取四个阶段中的最大值，Δθ表示绞车设计负荷70 t相对于60 t时增加的作业角度范围。