开底式抛石船的改装设计

2020-07-09赵明林张伟利

中国修船 2020年3期

赵明林，张伟利

(天津滨海博泰海事工程技术有限公司，天津 300456)

随着各种水上大型交通设施及水利设施的建设，对水下基础的防护要求会越来越高，通常需要对水底泥面进行抛石、抛袋或铺排等措施进行防护，以保持河床的稳定性，本文介绍的一型新开发的开底式抛石船，这种船型能满足浅水急流区石块抛填的施工需要，克服了原施工工艺船侧自由抛水底石块均匀度低的缺点，既提高了工作效率又能节省施工材料。

1 船舶设计的基本要求

由于本船是为了满足某大桥河床防护施工需要而专门设计开发的新船型，在原有的定位船的基础上增加抛石浮箱模块，抛石舱、底门、挖掘机过驳跳板等全部集成在新加模块上，抛石底门控制专用绞车安装在原定位船甲板上，新加模块在国内整体建造调试完成，整体运输至国外施工现场进行水上拼装，这样既节约成本又提高了整体改造进度，整船改造的设计基础如下。

1)作业条件。施工最大水深，20 m；波高,≤1.0 m；最大流速,≤2 m/s；作业环境温度，0 ～45 ℃；石料最大质量，≤800 kg；抛石平均厚度，80 cm；抛石精度，±30 cm。

2)气象条件。蒲氏6级风情况下能正常作业，蒲氏8级风施工地点抛锚避风。

3)作业要求。四舱同时作业单次抛投约60 t，每小时抛石量不小于500 t。

4)执行规范。船舶的改造设计满足CCS《钢制内河船舶建造规范》，中华人民共和国海事局《内河船舶法定检验技术规则》。

2 船型设备的基本布置

本船由非自航工作驳船船型改造而成，原船为浮箱拼装船，其船长36.0 m，型宽7.2 m，型深2.2 m,设计吃水0.7 m;改装后船长为36.0 m,型宽11.7 m,型深2.2 m,设计吃水0.9 m。

改造后的船仍采用6缆水上定位，艏艉端各设3台定位锚机，工作时艏艉各斜向“八”字抛出2口锚，沿船舶纵向各抛1口锚，由于帕德玛河水流较急，一般本船工作时沿水流方向纵向布置，4口“八”字形可控制船舶的横向移动定位，艏艉纵向锚可实现船舶的纵向定位及移动，船舷的右舷为新加装的抛石模块，模块上设4个抛石舱，每个石舱的尺寸为5 050×1 600×1 000,单舱装载石料约15 t，石舱的底部为一个单侧开启的底门，通过特殊设计绞车的牵引能实现自由落体打开，抛石后缓慢闭合，为防止石块装填和抛落时损坏底门牵引索，设计时特意将牵引索与底门连接的部分选用足够强度的锚链并加隔舱保护，图1为改造方案布置示意图，图2为改造后的实船图。

主要改造工作是在原有水上定位船的右舷加装抛石模块，原船结构及布置不做重大修改。由于要求抛石舱的底门打开要迅速，考虑到开门时水阻力的影响，所以设计时尽可能将底门抬高，方案最终将底门的上平面与模块的主甲板平齐，这样在底门完全打开时只有门缘少量入水，水阻力影响甚微，石舱用舱口围板设置在主甲板平面以上，图3为抛石舱的横剖面示意图。

图1 改造后抛石船布置示意图

如图3所示，底门的一侧通过铰链与模块船体连接在一起，另一侧两端与开门专用绞车的2个同步绳卷筒连接，底门整体将石舱的底部封闭，为防止底门在装载石块时砸伤，设计时特意将底门的面板加厚，同时上面铺设50 mm的硬木板，底门完全打开时整个石舱就变成一个无底的方框，石舱内积的石料整体自由落体抛下，由于舱口围板和船体的约束，舱内石块脱离船体时仍呈现矩形体，脱离船体后在水阻力的作用下石块会有一定的分散飘移，但整体分散范围可控，通过模型试验，水深15.0 m时,石舱堆积1.0 m厚的石块整舱自由抛落后,水底会形成0.8 m厚的比较均匀的抛石层。

图2 改造后实船图

图3 抛石舱横剖面示意图

堆

整船抛石工作时，使用DGPS定位在抛石地点，运送石料的驳船靠泊在本船的右舷，在驳船上使用反铲式挖掘机向石舱内装填石料，当石舱装填到要求高度后，绞车液压刹车迅速打开，整舱石料抛落。当一艘运输驳船的石料抛完后，即将离开时，可将安装在抛石船上的挖掘机过驳跳板搭接在运货驳船上，挖掘机直接开到抛石船的挖掘机停车平台上，升起跳板，驳船驶离，待第二条运输驳船靠泊完成后，放下跳板，挖掘机直接开到驳船上继续进行石料装填作业。

挖掘机跳板布置示意图见图4。

图4 挖掘机跳板布置示意图

3 特种绞车的设计

要实现抛石舱底门的迅速开启，在抛石后缓慢关闭，同时在装填石料时底门还要承担近15 t的负荷，这种绞车的功能是非常特殊的，设计起来也比较困难，而且结构复杂，本文重点介绍此项目的特种绞车。图5为特种绞车结构示意图。

绞车由电动机、减速机、内涨式摩擦离合器、液压带式制动器、释放行程限位装置(齿轮/棘爪机构)、带绳槽的双卷筒、液压动力系统、整体叉头十字节万向轴等组成，卷筒上安装弹簧压绳装置以防止快速释放时跳绳，并提供底门闭门限位信号接口，除卷筒和连接轴外，装置集成在一个公共底座上。

绞车的设计参数为：额定负载，2×20 kN；支持负载,2×120 kN；钢丝绳直径,24 mm；卷筒绳速,≥4 m/min (共一层)；出绳方向,上出绳；容绳量,2×10 m；电机,YZ132-6-H，3.7 kW；每条船上的4台绞车共用1个控制箱，既能单动也能联动，同时还有遥控功能。

本绞车由于2卷筒的位置分别对应于1个抛石舱底门两侧的连接耳板，所以间距很大，设计间距约5.2 m,考虑到船上安装的精度及平整度要求，在每个卷筒的两侧各设有1个强轴承架，这样每个卷筒就能独立安装了，不必和绞车本体安装在1个公共底座上，为弥补轴线上的误差，2个卷筒的动力输入轴上均安装有2套叉头十字节。

绞车按照以下顺序工作。

1)内涨式摩擦离合器和液压带式制动器均刹车闭合，抛石舱底门关闭，此时可向石舱内装填石块，待石块装填到要求高度时，操纵抛石按钮内涨式摩擦离合器先行打开，程序延时1～2 s后，液压带式制动器迅速打开，两卷筒在底门的带动下同轴无阻力释放，石舱中石块自由落体抛落。

2)底门开启后，经过适当的延时后(延时时间可调整)，液压带式制动器动作，限制卷筒的过度释放，由于液压带式制动器工作特性，刹车的过程比较平缓，不会造成太大的冲击，如液压带式制动器作用不及时，则备用装置齿轮/棘爪机构开始作用，在棘爪机构上安装弹簧装置，及时缓解刹车冲击力，卷筒上的钢丝绳压绳装置保障钢丝绳正常缠绕，不会因为绞车的突然制动而发生跳绳现象。

3)液压带式制动器将滚筒轴刹住后，操纵闭门按钮使液压离合齿轮箱闭合，并打开液压带式制动器，绞车将底门关闭。

4)底门完全关闭后，触发船体上安装的限位开关，给绞车发送信号，液压带式制动器动作，将卷筒轴刹死，同时停止绞车电机。