砂卵石河道采砂和疏浚挖砂船的研制及应用

朱松伟　张断英　李军光（河南黄河河务局豫西黄河河务局，河南洛阳 471000）

砂卵石河道采砂和疏浚挖砂船的研制及应用

朱松伟张断英李军光
（河南黄河河务局豫西黄河河务局，河南洛阳 471000）

随着世界疏浚事业的不断发展和科学技术的进步，在传统的链斗式挖泥船刚架后端加装轴流式分选机构，分离砂子与卵石。改进疏浚船的动力驱动系统，以电力驱动代替柴油驱动，减少了环境污染，降低生产成本。通过对强度和刚度的加强，研制的链斗采挖系统满足了砂卵石河床采砂与疏浚作业要求。

电力驱动 轴流组合式 分选筛 力学校核 料斗 连接部位 强度校核 焊接

1　疏浚船研究现状

传统的疏浚设备是挖泥船，这种船属于工程船舶。随着世界疏浚事业的不断发展和科学技术的进步，为了适应各种不同工况的需要和满足水上施工的要求，现代挖泥船的类型日益繁多。挖泥船的疏浚范围也从一般的泥沙发展到挖掘水下的岩石、矿物、珊瑚礁等。根据挖泥船疏浚机具所采用的不同动力，目前基本上可将挖泥船区分为：机械式、水力式和气动式三大类。按照作业的不同，可以分为斗轮式、链斗式、绞吸式等种类。其中链斗式挖泥船比较适合于水深较浅的河道清淤疏浚。

考虑黄河洛阳段水深较浅，多为砂卵石沉淀，绞吸式及斗轮式疏浚船难以发挥作用，甚至很难到达需要疏浚的河段。使用链斗式挖泥船对河道疏浚，可以达到预期的目的，但是传统的链斗式挖泥船存在如下问题：

（1）传统的链斗式挖泥船用来挖掘黄河砂卵石沉淀层，由于卵石对料斗产生的阻力很大，导致连接料斗的锚固件，经常破坏，更换频繁，严重的影响了工作效率。

（2）传统的链斗式挖泥船刚架结构在挖掘砂卵沉淀层的时候，拉力较大，部分部位有开裂现象，存在安全隐患。

（3）传统的链斗式挖泥船多采用内燃机驱动，造成河面污染，导致河流水质变差，严重影响环境。

（4）传统的链轮疏浚船挖出的砂子及卵石掺杂，造成运输困难，利用时还要分选造成时间和经济的浪费。

2　技改项目的研究内容

针对黄河洛阳段的现实状况，以及现有的技术力量，决定对链斗式挖泥船技术革新，使其成为适用于砂卵石河道采砂和疏浚的链斗式挖砂船，主要进行如下几个方面的研究工作：

（1）根据链斗式挖泥船在黄河洛阳段河床砂卵石的采挖特点，从船的稳定性出发，设计了船体的整体尺寸，保证船在采挖过程的安全。

（2）改革传统疏浚船，使其原有砂子、卵石混杂的情况有所改变，在疏浚船刚架后端加装轴流式分选机构，分离砂子与卵石。

（3）改进疏浚船的动力驱动系统，以电力驱动代替柴油驱动，减少了环境污染。并对挖砂船刚架结构和料斗连接部位进行强度校核，并采取技术革新，增加焊缝面积，确保正常工作。

3　链斗式挖泥船船体的稳定性分析

链斗式挖泥船是用于河湖疏浚的挖泥船，特别适合于黄河中下游地区河道疏浚，该船在设计建造过程中充分体现了黄河洛阳段河床砂卵石的采挖特点，并吸收和借鉴了国内外同类挖砂船的先进技术与经验，使之成为具有一定先进性的工程船舶，技术上接近国外同类挖砂船的主要性能参数及船舶水平。在设计过程中，充分考虑了船体的稳定性，保证在采挖作业过程中生产安全。

4　链斗式挖泥船的船型简介

该船为非自航链斗挖砂船，船体结构采用整体式箱形结构，主要由刚架式挖斗装置、甲板输送带及动力装置等组成，适合黄河孟津河段挖砂作业和被拖带。考虑到河道上有桥梁，拖航时水上固定建筑高度不大于其船宽和船高，保证能够顺利通过。

4.1链斗式挖泥船主要技术特征

船舶的主要技术特征有船舶排水量，船舶主尺度，主要技术装备的规格等。

船舶吃水：水线面与船底基平面之间的垂直距离（自平板龙骨上缘量至水面的垂直距离。加上平板龙骨的厚度）。根据量取的方法不同，吃水可以分成实际吃水和型吃水两种。

（1）实际吃水指水线面至船底龙骨板下缘的垂直距离。它是船舶进出港、过浅滩、系靠码头和装卸货物时应考虑的吃水。

（2）型吃水是指水线面至船底龙骨板上缘的垂直距离，与实际吃水相差一个龙骨板的厚度。它是船舶设计和进行性能计算时所考虑的吃水。

挖砂船吃水随着船的载重量和水的密度的变化而不同，测量出吃水后经过查阅有关资料和计算，可以求得该船当时的排水量和载重量。

4.2链斗式挖泥船的稳定性分析

船舶的主要性能有浮性，稳性，抗沉性，快速性，耐波性，操纵性和经济性等。其中最关键的是挖沙船的稳定性。

链斗式挖泥船的浮性和浮态，浮性指船在各种装载情况下能浮于水中并保持一定的首，尾吃水和平衡的能力。浮态指船的吃水，纵倾和横倾的情况。船的浮性关系到装载能力和疏浚作业的安全.因此，根据船的重力和浮力的平衡关系，选择船的几何尺寸，设计总布置图时，就须对浮性加以注意。

为保证链斗式挖泥船的工作安全，船的主体在设计水线以上部分必须具有一定数量的水密体积，以提供一定大小的储备浮力。图2-1中，C点为船的重心，M点为船的浮心，为保证挖沙船的稳定平衡，必须保证M点始终位于重心C点之上。当船受外力作用离开平衡位置而发生倾斜时，浮力和重力就可以提供一个恢复力矩，使其回到平衡位置。当外力消失后船能恢复到原平衡位置保持平衡。一般在水面上，挖砂船的稳定性主要是指横倾时的稳定性。船在10°以内横倾时的稳定性称为船的初稳性，此时船横倾的浮心点（排水体积的中心） 位置的变化接近于在横剖面内的Μ点，Μ点称为稳心，从船舶重心C到Μ的距离称为初稳心高或初稳。

船横倾后可能出现3种稳定性情况：

①Μ点在C点之上，恢复力矩使船的倾斜减小，即船有回复能力，属稳定平衡状态；

②Μ点与C点重合，船不可能产生恢复力矩，即船无回复能力，属随遇平衡状态；

③Μ点在C点之下，，船自身会增大倾斜，属不稳定平衡状态。

从挖砂船的使用角度和安全角度考虑，后两种情况都是不允许的。

鉴于挖砂船稳定性对保障船体安全的重要性，船的稳定性按照国家规范对船的初稳性和大倾角稳性都进行了核算。并对船宽，水线面系数，干舷，重心高度，水面以上的侧面积大小和高度，以及船体开口的密封性等，影响挖砂船稳定性的主要因素进行了校核计算。同时，还对挖砂船的抗沉性进行了设计计算，即船体水下部分发生破损，船舱淹水后仍能浮而不沉和不倾覆的能力。

5　疏浚船节能减排优化设计

5.1疏浚船节能减排优化设计的意义

节能减排、绿色环保已成为船舶建造业发展的首要目标。疏浚船作为一种特殊的工程船舶，已经突破了传统的航道整治、防洪抢险、农田水利建设等范畴，其服务的领域越来越广泛，诸如河底取砂、河道疏浚等众多领域。疏浚船技术含量高，机械设备繁杂，全船装机功率远高于普通运输船舶，所以疏浚船满载运作时号称“河上油老虎”。同时，疏浚船施工区域一般在孟津会盟黄河河道或沿岸小区域内作业，在环保方面要求更加严格。否则，将对下游的郑州、开封等大中城市饮用水安全带来很大隐患。

5.2节能减排的主要措施

疏浚船作为一种特殊的工程船舶，在航道整治、河底取砂、河道疏浚诸领域的应用越来越广泛。疏浚船技术含量高，机械设备繁杂，全船装机功率远高于普通运输船舶，其耗能之巨大可想而知。一般疏浚船以柴油机驱动的较多，由于功率大，原设计需配备总功率为25OkW的几台柴油机，分别带动链斗挖砂和筛分、将砂和卵石装上驳船，耗油量大，所排出的尾气量也较大。

5.3负载互换及功率管理措施

为保证环保方面的要求，在革新设计过程中充分考虑了节能环保措施，采用负载互换或功率管理分配、采用变频电机取代柴油机为驱动设备等技术，推进了绿色造船的新理念。

疏浚船采用非自航型式，作业时，由驳船将其托到作业面，料斗在挖砂石时对于河底的反作用力使船沿挖料方向前进。由于疏浚船活动范围一般不大，行进速度也没有过高的要求，这种在挖沙石的过程中短距离移动也可以节省部分能源。船上的料斗、分选筛、将砂和料石卸到驳船上的传送带动力全由电动机提供。

6　技术革新总结

通过以上技术的运用，使得该疏浚船的环保性能优于同类产品，也减少了对大气环境以及对河水的污染。另外，选择的电机功率与工况配合得较好，使电机在多数时间内运行稳定。

6.1社会效益分析

黄河洛阳河段，是黄河由山区性河道向冲积性平原河道过渡的河段。由于河出山区，水流扩散，流速相对减缓，历史上上游峡谷河床带来的砂卵石推移质易在河段内沉积，长时间的造床作用，从而在洛阳黄河段形成了砂卵石洲滩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组成，滩区砂卵石埋深也较浅，砂卵石粒径（20～200）mm，厚度在（40～80）米之间，砂卵石资源十分丰富。

目前，随着经济社会的快速发展，盈利性采砂开始快速发展，采砂量大幅增加，包括直接在河床中抽取细砂用于建筑材料等，采砂规模及采砂量越来越大。黄河泥沙作为建筑材料的直接利用，能够部分减轻黄河下游的淤积，控制河床的抬高，同时也为两岸提供了天然的建筑材料，具有重要的社会效益。

6.2经济效益总结

新研制的疏浚船对于提高挖砂效率来说意义重大，黄河河道洛阳段除汛期外，常年可以采砂，有了新的挖砂船，由于采用了电能挖砂，较使用柴油机械而言，可以节省较多的挖砂成本，按现阶段挖砂情况分析，该船每天可挖1200m3砂，其经济效益如下： 原来使用柴油机驱动，每立方砂需油费3.00元，每天油耗3600元，改换电力驱动后，每立方砂需电费1.50元，每天电费1800元，每天节约费用1800元，汛期和冬季不工作，全年按200个工作日计算，节约费用360000元。如果每天的采砂量提高，仅此项节约的费用就相当可观。该船每年可创上百万的经济利润。

6.3环保意义经过技术革新，由电能代替内燃机驱动，杜绝了燃油尾气及漏油等问题的发生，既使河段上空空气保持良好，也保证了水质不会受废油的污染。另外利用变频技术、负载技术使能耗大幅度降低，对于节能减排意义重大。

［1］方新磊.烟丝振动分选筛动态特性研究.网络出版时间：2012-09-20.

［2］杨顺.耙吸式疏浚船泥泵特性分析与工况优化.机电设备，Mechanical and Electrical Equipment，2010年06期.

［3］徐国庆.抓住机遇，努力打造国内最大疏浚船建造基地.广东造船，Guangdong Shipbuilding，2007年01期等12篇.