耙吸挖泥船自立式泥门启闭装置

夏铖，胡京招，潘旭皓，杨顺，吴腾伟*

（1.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海201208；2.中港疏浚有限公司，上海200129）

0 引言

耙吸挖泥船是一种广泛应用于海上吹填疏浚类工程的施工船舶。其上配备的主要疏浚装备有：泥泵、耙头、高压冲水泵、波浪补偿器、环保溢流筒、泥门等。其中，泥门作为水下快速卸泥的核心装置，是保证耙吸挖泥船完成自装、自卸作业的关键设备。泥门根据结构形式主要分为圆锥形泥门、平移泥门、方形泥门。圆锥形泥门的优势在于开闭过程与船体泥门框结合紧密，防泄漏性能好，且不易被卡阻变形损坏，但是开口面积较小，排泥效率较低；平移泥门又称抽屉式泥门，是早期耙吸挖泥船上使用较多的泥门类型，但是容易产生变形、密封性差、容易故障、维护困难，在近年来设计建造的耙吸挖泥船上很少应用；方形泥门包括对开式和单开式结构，打开角度和开口面积大，卸泥效率高，但卸泥时铰链区域容易挂连障碍物，关闭后引起铰链区域卡阻变形，长久使用后密封性能较差[1-4]。

随着疏浚施工水平不断提高以及舱内高压冲水系统的运用，舱容量明显增大，卸泥更加顺畅，单列泥门由于泥门个数少、泥门结构简单、施工维修便利、造价成本低等优点，逐渐受到重视。此外，随着防卡堵装置被运用于方形泥门上，方形泥门由于挂连障碍物而导致的密封性较差的问题得到改善；方形泥门凭借其本身较高的卸泥效率，逐渐被广泛运用于各类耙吸挖泥船[5-6]。

本文主要介绍了自立式泥门启闭装置的设计及性能计算方法。本文的设计充分考虑了泥门启闭装置与液压油缸的匹配，单列泥门启闭装置油缸座的安装，泥门主拉杆的导向装置的设置方法等一系列问题，提出了优化方案，通过强度校核确保所设计的泥门启闭装置满足工作要求。

1 泥门启闭装置结构设计

泥门启闭装置作为耙吸挖泥船上主要的疏浚装备之一，主要由泥门本体、泥门传动机构、泥门自立式机构、泥门导向机构、液压油缸等组成。泥门传动机构包括泥门主拉杆以及泥门下拉杆，传动机构的主要作用是控制泥门的打开和关闭。泥门自立式机构主要由泥门油缸座及斜撑管组成，通过斜撑管支撑泥门油缸座来实现整个泥门装置自立于泥舱内。泥门的导向装置由泥门导向座和导向块组成，主要作用是确保泥门主拉杆沿竖直方向运动。泥门启闭装置整体结构如图1所示。

图1 泥门启闭装置装配体三维图Fig.1 Three dimensional drawing of assembly body of the bottom door opening and closing device

1.1 自立式泥门支撑结构

船舶在海上航行过程中，受到船舶静水弯矩以及波浪诱导弯矩的影响，船体沿长度方向产生总纵弯曲，且随着泥舱装卸以及波浪波峰波谷的变化，船体不断在中垂和中拱形态下交替。对于耙吸式挖泥船，舯部为大开口泥舱，泥舱上部横梁与底部泥门相距十多米，船体的中垂和中拱变形直接引起横梁与泥门的间距相应变化。因此，对于中列式泥门装置，泥门油缸区域不适宜固定焊接在横梁上。基于此，本文在前人研究基础上，设计了三腿支撑的自立式泥门装置，避免了油缸区域与横梁的焊接固定，有效解决了波浪引起的总纵弯曲对泥门装置的影响。

本文涉及的项目中泥门装置布置在泥舱中列，对开式、大开口。这样做既能保证排泥效率又能使船体结构安全稳定。自立式机构主要由泥门油缸座和斜撑管等部件组成，如图1所示。

1.2 泥门导向装置

由于泥门装置布置于泥舱中列，距离两舷侧纵舱壁较远，拉杆导向装置无法依靠纵舱壁支撑固定。因此，常规的导向装置难以适用。本文结合导向装置使用要求，针对泥舱总布置特点，研究设计了适用于中列泥门形式的新型导向装置，如图2所示。导向装置安装于泥门油缸座下端面，整体结构简单，导向块易于拆卸，便于现场维修。

图2 泥门导向装置Fig.2 Guide device of the bottom door

2 油缸参数的确定

泥门油缸选型主要是泥门油缸拉力的确定。油缸拉力过大会导致泥门关闭后与船体限位结构挤压造成结构变形。油缸拉力过小会导致满载状态下泥门区域关闭不严密，引起泄漏。假设泥门关闭状态时受到的最大预紧力为Fmax，油缸拉力为FC，单位均为kN，油缸拉力FC应满足如下条件：

式中：Ff为泥舱满舱时由于泥门上下表面存在压差而产生的力，kN；F1为由机械限位块位置决定的橡胶密封圈压缩量所产生的反作用力，kN；C为其他外力的作用，如船体航行状态下的惯性力[7]，kN。本文采用球头型橡胶密封圈，其截面形状以及试验所得受力情况与压缩量之间的关系见图3。

图3 橡胶密封圈反作用力与压缩量的关系曲线Fig.3 Relation curve between reaction force and compression of rubber sealing ring

根据图3所述内容可得，橡胶密封圈反作用力与压缩量之间的关系为：

式中：F为橡胶密封圈的反作用力；x为压缩量;L为橡胶密封圈的总长度。

因而公式（1）可以变形为：

式中：x1为现有泥门橡胶密封圈的压缩量。油缸的输出拉力取决于油缸的缸径、杆径以及工作压力，其公式如下所示：

式中：P为工作压力，MPa；D为活塞直径，mm；d为活塞杆直径，mm。

此外，在计算泥舱内泥浆对泥门表面的受力时，需要考虑到波浪对泥门的作用以及泥舱内泥浆对泥门上表面的作用，本文只考虑静水力和惯性力对泥门表面的作用。因而，本文中的C即代表惯性力，数值大小与加速度3个方向的分量ax、ay、az有关，ax、ay、az分别表示沿船长方向、船宽方向及重力方向的加速度分量，具体数值参考BV的《Rules for the Classification of Steel Ships》[8]。经计算，在船体处于直立状态航行时，ay=0，az远大于ax，因而本文以az作为主要因素，得到C值的大小约为163 kN。

根据上述内容，在只考虑惯性力和静水力的作用以及实船机械限位块的强度情况下，假设缸径是杆径的2倍，定义Ff=994 kN，x1=10 mm，L=16 m，P=25 MPa，Fmax=300 kN。

经过计算，得到活塞杆的直径d，其范围是：156.62 mm臆d臆172.12 mm。结合所需的油缸拉力和液压系统的压力，即可推算出油缸缸径尺寸，得到油缸的参数范围。

3 强度校核

3.1 泥门主要部件强度校核

根据现有油缸参数，对泥门本体、泥门主拉杆、泥门下拉杆进行强度校核。本文采用有限元分析软件对其强度进行系统分析。

由于泥门主拉杆及泥门下拉杆为二力杆，泥门本体为两端铰接，上下表面受海水及泥浆的作用力，所以泥门本体、泥门主拉杆、泥门下拉杆的受力情况、受力位置及约束位置如表1所示。

表1 泥门启闭装置主要零部件强度校核边界条件Table 1 Boundary conditions of main parts of bottom door opening and closing device

由表1的边界条件带入有限元软件中计算得到其强度校核结果如下。

3.1.1 泥门本体

泥门本体的强度校核计算结果如图4所示，从图中可以得到泥门的应力分布，显然泥门上表面受力较大，受力最大处位于泥门本体与机械限位块相接触的位置，最大应力为177.02 MPa，计算得到的变形量为4.33 mm。

图4 泥门本体强度校核计算结果Fig.4 Strength check calculation results of bottom door

3.1.2 泥门传动机构

泥门传动机构主要由1根泥门主拉杆和2根泥门下拉杆铰接组成，其强度校核计算结果如下。

1）泥门主拉杆大部分位置的应力都在80~100 MPa之间，两端铰接位置受力较大，最大受力位置为泥门主拉杆与油缸拉杆铰接的位置，大小为171.69 MPa，最大变形量为2.77 mm。

2）泥门下拉杆的应力分布和泥门主拉杆类似，两端的铰接位置应力较大，最大应力位置位于泥门下拉杆与泥门主拉杆铰接的位置，大小为160.25 MPa，最大变形量为0.6 mm。

本文中各零部件的许用应力约为231.15 MPa。由计算结果可以看出，泥门各部件应力均在许用应力范围内，泥门强度满足许用要求。

3.2 支撑平衡机构稳定性分析

整个支撑平衡机构受油缸支反力作用，作用在泥门油缸座法兰上端面。由于整个系统为细长杆结构，需分析支撑平衡机构压杆的稳定性[9]。

压杆稳定性是指压杆保持原有的直线平衡的状态，不发生弯曲变形的能力。压杆稳定性的计算主要分为以下3个方面：1）柔度计算；2）临界应力及临界压力计算；3）压杆的稳定计算。

首先是柔度计算，压杆的柔度计算公式：

式中：μ为长度系数；l为杆长；i为截面的惯性半径；A为截面面积；I为惯性矩。

文中3个支撑管为主要支撑零件，对其进行柔度计算得到柔度值为21.56以及22.87，远小于大柔度的临界值λlj（Q355B无缝钢管的临界柔度为102），所以本文中的支撑管为中小柔度杆。

根据上述内容对其临界应力以及临界压力进行计算，其计算公式如公式（6）所示：

式中：λ为压杆的柔度；a、b为材料常数，此处a=343，b=0.014 2；A为截面面积。

经计算得到文中3根支撑管的临界应力和临界压力分别为：

现有液压油缸的支反力为1 508 kN，3根支撑管的临界压力均远大于液压油缸传递给3根支撑管的力。从分析看出，在油缸支反力作用下，支撑机构具有足够的受压稳定性。

4 结语

本文结合上航局3 000 m3等级耙吸挖泥船建造项目，研究了中列式泥门装置的结构形式，分析了自立式支撑结构在中列泥门装置中的适用性。针对泥门在施工过程中的工况条件，分析并校核了泥门装置各部分结构的强度和稳定性，并初步总结了油缸的选型方法。

文中泥门启闭装置的设计和油缸选型方法是对泥舱中部单列泥门启闭装置的新的研究，为后续单列泥门的广泛应用和优化设计提供参考。