绞吸挖泥船桥架发展概述

2015-12-19冯永军陈新权丁金鸿杨启

中国港湾建设 2015年8期

冯永军，陈新权，丁金鸿，杨启

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

1 概述

目前，绞吸挖泥船在航道维护、围海造地及码头建设等工程中发挥着越来越重要的作用[1]。对于绞吸挖泥船而言，安装有绞刀头、水下泵、泥管、横移滑轮等一系列设备的桥架是施工设备系统中的设计重点与难点[2]，它对整个绞吸挖泥船的主尺度以及整体布局有着重要的影响。本文从桥架的绞刀驱动方式、传统耳轴的种类及安装位置、新型耳轴等方面将目前疏浚行业中主流绞吸挖泥船常用的各种桥架作一描述和比较。

2 桥架形式

绞吸挖泥船的主船体平面一般纵向外形呈H形，即其首端、尾端分别设有开槽，一端开槽安装有用于定位的钢桩台车系统，另一端开槽安装有装备了绞刀头的桥架系统。在施工过程中，将桥架放下，使绞刀头下放到待挖航道的底部。在钢桩台车、左右横移绞车钢丝绳等的共同作用下，使桥架及绞刀头在一定范围内做循环弧形运动，从而完成施工任务[3-4]。

绞吸挖泥船的发展经历了一个从小型到大型再到超大型的过程[5]。早期小型绞吸挖泥船所用的桥架是桁架式结构，泥管布置在桥架内部。“福闽六号”的桥架即为此种方式。

小型挖泥船经常使用的还有一种管筒式桥架，即整个桥架是一个长筒形结构，一端装有横移滑轮和绞刀头，另一端以铰接的形式和船体连接在一起。泥管一般不是布置在桥架内部，而是布置在桥架外部的下方。海狸号系列绞吸挖泥船Beaver 300的桥架即为此种形式。

一般说来，桁架式桥架与管筒式桥架主要应用于在湖泊、内河施工的疏浚船舶上，这些挖泥船的尺度不大，绞刀的功率和泥管的直径都较小，桥架上不安装水下泵。

图1 桥架系统Fig.1 Bridgeladder system

随着绞吸挖泥船的发展，桥架上需要布置的设备越来越多，同时也要承载越来越大的作用力，桁架式和管筒式结构逐渐不能满足使用要求。现在主流绞吸挖泥船所用的桥架一般为各种板材和型钢组成的钢质焊接箱型壳体结构，在左右两侧各设有一个边箱，边箱之间利用顶部和底部的横梁连接成为横向框架。在桥架的顶部设有一定数量的开孔，以利于泥管的进出和泥泵等设备的吊入、安装。桥架尾端设有和船体连接的桥架耳轴，首端的形状逐渐收缩，以方便安装绞刀头。安装在船体上的桥架起桥绞车，其钢丝绳通过门架和桥架上的滑轮，可以使桥架围绕耳轴旋转，完成升降任务，见图1。其中状态1为船舶调遣时桥架的固定状态，状态2为最浅挖深时桥架的状态，状态3为最大挖深时桥架的状态。

桥架上安装有大量的设备，主要有绞刀头及其驱动系统、传动系统、水下泵及其驱动系统、传动系统、横移绞车及横移钢丝绳、横移滑轮、泥管及大量的电缆、管路，需要通盘考虑，进行布置。

挖深是衡量绞吸挖泥船的一个重要指标，这决定了其可以施工的极限工况，也决定了桥架的长度，同时也决定了台车定位系统的钢桩长度。目前，绞吸式挖泥船最大挖深能够达到25~35 m之间，最小挖深则和船体的吃水有着极大的关系。对于船体的总布置而言，桥架的最大挖深是确定船长的重要因素之一，它和对应的桥架倾斜角直接影响船首开槽长度。同时，由于桥架内部设有水下泵，桥架顶部安装有2台体积较大的横移绞车等，这些都要求桥架有足够的宽度。而桥架的宽度则直接影响船首开槽宽度。可见，在船体设计初期的主尺度确定阶段，即应充分考虑桥架尺度对总体布置的影响。

绞刀头在挖泥尤其是挖岩工作时，桥架受到很强的反震力，容易将绞刀头弹起，导致其不能正常工作，此时需要桥架具有足够的重量，将绞刀头压入泥或岩石，天鲸号绞吸挖泥船在挖掘岩石时，为了使桥架具有足够的重量，特别在桥架上配置了约880 kN重的压铁[6]。

3 绞刀驱动方式

根据绞刀的驱动动力源的不同，可分为液压马达驱动和电力驱动。在目前的设计中，电力驱动已经成为主要趋势。电力驱动涉及到的设备有电机、传动轴、齿轮箱等，根据这些设备的差异，可以分为长轴驱动和短轴驱动。

图2 长轴驱动桥架系统Fig.2 Bridge ladder system drived by long axis

长轴驱动是指绞刀的电机安装在桥架末端，这样，即使在桥架旋转至最大角度、达到最大挖深时，绞刀电机仍处于水线以上，但是，如此一来，电机与安装在桥架首端的绞刀头之间便形成很长的距离，它们之间需要通过绞刀齿轮箱、绞刀轴中间轴承以及很长的绞刀传动轴连接在一起。一般大型的绞吸挖泥船，其桥架长度至少在50 m左右，这样便给设备之间的准确定位以及传动轴的强度等都提出了很高的要求。上海交通大学船舶与海洋设计研究所为天津航道局设计的“天麒号”、“天麟号”均为长轴驱动，驱动绞刀的2台电动机总功率达2 000 kW，电动机和绞刀齿轮箱安装在耳轴附近的桥架顶部，采用多个水润滑的滑动轴承座支持刚性长轴驱动，绞刀齿轮箱内设置双向止推滑动轴承，该船绞刀电机与绞刀头之间的距离约为45 m[7]，见图2。与之相对照，短轴驱动方式中，绞刀电机与绞刀头之间的距离相对较短，在挖泥工作时，绞刀电机及其齿轮箱等一般均处于水线以下。这种驱动模式中，水下电机及齿轮箱等都需要达到一定的防水要求。自航绞吸挖泥船“天鲸号”采用的是短轴驱动方式。图3所示为非自航绞吸挖泥船“长狮10”的桥架系统图，该图中绞刀电机与绞刀头之间的距离约为19.5 m。

图3 短轴驱动桥架系统Fig.3 Bridgeladder system drived by short axis

4 桥架耳轴

桥架耳轴是桥架与船体连接的关键部件，其一端承载桥架的重量等，另一端则坐落在船体的耳轴支撑座上。早期的小型绞吸挖泥船上的小型桥架，与船体采取相对简单的铰接形式。

随着绞刀功率的不断增加及桥架重量的增大等，桥架耳轴也有了不同的形式。由于桥架在左右两侧设有两个边箱，所以一艘绞吸挖泥船在左右两舷各设有1个耳轴。桥架上对应耳轴开孔部分，一般利用边箱结构加工成耳轴套管形式。船体上相应也要制作耳轴的支撑结构，即耳轴支撑座。现在主流绞吸挖泥船上采用的耳轴主要有两种形式，第一种如图4，一般桥架耳轴安装在主甲板船体之上。而对于重型绞吸挖泥船，则多采取图5所示形式，桥架耳轴垂向位置低于主甲板，即耳轴安装在主甲板之下船体内。这两种形式各有优缺点。第一种形式，由于桥架耳轴支撑座整体均位于主甲板之上，制作起来比较简单，安装以及检修均比较便利。而第二种形式，由于桥架耳轴支撑座整体位于船体内部，制造难度相对较大，耳轴的安装、检修、拆装均有一定的难度。从受力角度看，第一种形式耳轴支撑座只有下部与船体连接，而第二种形式中整个耳轴支撑座均与主船体相连接，其受力较第一种为佳。

图4 第一种桥架耳轴安装位置Fig.4 Installation location of thefirst trunnion of bridgeladder system

图5 第二种桥架耳轴安装位置Fig.5 Installation location of the second trunnion of bridge ladder system

由于施工环境的不同，一些绞吸挖泥船除了设有桥架与船体连接所必需的桥架耳轴外，还设有一些其他形式的耳轴。

4.1 高低耳轴

某些绞吸挖泥船，在挖深方面有比较特殊的要求，即在最小挖深比较浅，而在最大挖深比较深，单独1个耳轴很难满足使用要求。设计者因此采取了高低耳轴的方案。从理论角度讲，可以有两种处理方式：1）桥架上在高低不同的位置上设置2个耳轴孔，船体上则只设1个耳轴安装位置，这样可以通过更换桥架上的耳轴孔来改变桥架相对于船体的位置。2）桥架上只设有一个耳轴孔，船体上则在高低不同的位置上设有2个耳轴支撑座。这样可以通过更换船体上的耳轴支撑座来改变桥架相对于船体的位置。但是，在实际应用中可以看到，第一种方案实施起来比较困难，因为桥架上一般都装有水下泵和泥管，而泥管在桥架的旋转点即桥架耳轴处设有一定长度的橡胶软管，如果桥架上有2个耳轴孔，那么或者在该2处位置设置泥管与橡胶软管，或者在使用过程中相应更换泥管与橡胶软管。这从桥架系统的布置与施工操作的角度看都不方便、不现实。这种处理方法也会给桥架的结构及布置造成极大的困扰。目前常用第二种方案，船体上有2个桥架耳轴安装位置，并配备与之相应的泥管。其中一个耳轴安装位置比较高，在浅挖深时在此处安装耳轴；另一个安装位置比较低，在深挖深时在此处安装耳轴。

4.2 维修耳轴

在某些绞吸挖泥船中，桥架耳轴的安装位置较低，桥架耳轴系统无论是桥架部分还是在船体上的支撑座部分均处于主甲板以下，给桥架耳轴的检查、维修带来极大不便。为了解决这一问题，在桥架系统设计中，引入了维修耳轴的概念。

在正常工作状态下，桥架系统只安装桥架耳轴，完成桥架尾端与船体的连接。此时，桥架维修耳轴处于拆除状态。只有在需要维修桥架耳轴时，才安装桥架维修耳轴，这样，在拆除桥架耳轴后，桥架绞车放出连接桥架的钢丝绳，桥架在自重作用下可绕桥架维修耳轴旋转，使桥架耳轴端（即桥架尾端）上升，直至露出主甲板，为维修、养护桥架耳轴提供便利。见图6。