馬曉晶，魏富龍

(上海振華重工(集團)股份有限公司,上海 200126)

大型抓斗式疏浚工程船抓斗比較與適用性分析

馬曉晶，魏富龍

(上海振華重工(集團)股份有限公司,上海 200126)

針對大型抓斗挖泥船的抓斗選型問題，分析電液抓斗和機械抓斗兩種疏浚抓斗的特點及大型抓斗研發(fā)的技術(shù)難點，從最大斗容、結(jié)構(gòu)和機構(gòu)特點、控制、成本及維護性對兩種抓斗進行綜合性比較，認為大方量尤其是百方級以上的抓斗挖泥船電液主動抓斗更具適用性和可行性。

抓斗式疏浚工程船，機械抓斗；電動液壓抓斗

抓斗式挖泥船在疏浚工程中應用廣泛，現(xiàn)有的抓斗船所使用的以機械重力式抓斗為主，隨著設(shè)計、生產(chǎn)水平的提高，對抓斗船生產(chǎn)能力、適應土質(zhì)及挖泥效率等要求也相應越來越高，重力機械式抓斗逐漸無法滿足使用需求。近年來大型抓斗式疏浚工程船開始受到關(guān)注，生產(chǎn)、使用單位競相研發(fā)，一方面在向抓斗機的國產(chǎn)化努力，另一方面也嘗試在斗容、挖深等方面有所突破，以提高現(xiàn)有抓斗機的挖掘能力[1-2]。針對200 m3大型抓斗式疏浚船的抓斗選型問題，分析大型電動液壓抓斗和機械重力抓斗的關(guān)鍵技術(shù)、經(jīng)濟性及可行性，對兩種抓斗進行綜合適用性比較，為大型抓斗挖泥船的抓斗選型提供參考。

1 兩種抓斗的特點及大型化技術(shù)難點

1.1 機械重力抓斗的特點

機械抓斗技術(shù)成熟，純機械結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造簡單，可靠性高且制造成本低，便于維修。

抓斗挖泥船所用機械抓斗多為兩瓣蚌殼式，通過開閉繩抽繩和自重實現(xiàn)開閉斗動作，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 機械重力式抓斗結(jié)構(gòu)示意

機械抓斗的起升鋼絲繩分支持繩和開閉繩兩組。支持繩組與抓斗斗體為剛性連接，開閉繩組纏繞在滑輪組上。

1.2 大型疏浚機械抓斗技術(shù)難點

機械抓斗受其開閉斗形式的影響，斗容受到很大限制。根據(jù)目前配套件水平及抓開閉繩抽繩倍率等綜合因素計算，抓斗能達到的最大重量380 t(含物料重量，鋼絲繩安全系數(shù)4.05)，按照容重比3(滿足大多數(shù)作業(yè)土質(zhì))計算，抓斗最大斗容為80 m3[3-5]。

大斗容機械抓斗的另一個技術(shù)瓶頸就是開閉斗的控制。由于起重量大、鋼絲繩數(shù)多，為保證抓斗完全閉合只能采用速度控制方案，即采用開閉繩和支持繩保持一定的速度差，以保證抓斗的完全閉合，避免漏料，但無法保證鋼絲繩受力均勻。實際使用中經(jīng)常出現(xiàn)支持繩長時間受力過大使用壽命不長的情況，需經(jīng)常更換。且由于斗容增加，相應的鋼絲繩直徑增粗，給更換帶來很大不便。

從抓斗機整體設(shè)計角度分析,機械抓斗還有布置困難的缺點，斗容越大繩數(shù)越多空間布置難度越大，且需要預留抽繩長度相應卷筒長度也會加長，占用空間大。

1.3 電液主動抓斗的特點

近年來，電動液壓抓斗發(fā)展十分迅速，在煤炭、砂石、礦石、木材等各使用工況均已有規(guī)格齊全、品種繁多且性能良好的產(chǎn)品。在挖掘疏浚工程作業(yè)方面，具有操作簡單、更換方便及挖掘性能好的優(yōu)勢[6]。液壓抓斗通過液壓油缸伸縮實現(xiàn)開閉斗動作，吊點設(shè)置在抓斗結(jié)構(gòu)上部與鋼絲繩剛性連接。液壓動力系統(tǒng)布置在抓斗上部箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過水下電纜傳輸動力[7]。抓斗大小、功能不同，布置形式也有所不同。電液主動式抓斗結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 電液主動式抓斗結(jié)構(gòu)示意

1.4 大型疏浚電動液壓抓斗的優(yōu)勢

1)斗容大。由于不需要考慮開閉繩受力不均及抽繩長度、抓斗高度等問題，電液抓斗可達到的最大起重量約為690 t(含物料重量，鋼絲繩安全系數(shù)5)，按照容重比3(滿足大多數(shù)作業(yè)土質(zhì))計算，抓斗最大斗容約為200 m3。

2)挖掘性能好。抓斗在抓取物料時，抓斗的閉合運動與抓斗深入物料的運動疊加實現(xiàn)挖掘，在抓斗填充過程行將結(jié)束時，由于抓取阻力大大增加，要求抓斗傳動裝置能夠提供越來越大的閉合力。抓取阻力與顎板刃口上的閉合力之間的消長循環(huán)，對于抓斗的填充過程具有決定性的影響。機械抓斗靠抓斗自重閉合，因此最大閉合力不會超過抓斗自重與物料重量之和，而液壓抓斗閉合靠油缸控制不受抓斗自重局限且沒有開閉繩拉力對自重的向上平衡作用，更有利于抓斗深挖物料[6]。

3)鋼絲繩使用壽命長。液壓抓斗鋼絲繩與斗體為剛性連接，沒有多倍率纏繞的開閉繩裝置，鋼絲繩損耗較小且各繩受力較均勻，更換頻率小，抓斗使用效率隨之提高。

1.5 大型疏浚電液抓斗技術(shù)難點：

由于我國電動液壓抓斗的使用研制屬于剛剛起步階段，大型電液抓斗的研制主要存在以下難點。

1)制造成本高。造成高成本的原因不能僅從液壓抓斗結(jié)構(gòu)復雜考慮，因為液壓抓斗為機電液一體的系統(tǒng)，制造成本必然高于機械抓斗，讓使用單位和制造廠商望而卻步的是其隱形成本。國內(nèi)幾乎沒有生產(chǎn)制造電液疏浚抓斗的經(jīng)驗，可以說每制造一部都是首制，因此研發(fā)費用往往計入成本；另一個隱形成本既為風險投入，由于首次研制又無太多先例可循，產(chǎn)品能否達到預期的使用效果，存在一定的風險。

2)液壓元件可靠性未知。液壓系統(tǒng)是抓斗重要組成部分，在水下密閉空間中液壓元件的散熱及抗振性能是否能達到設(shè)計要求目前沒有可靠的數(shù)據(jù)支持。另外液壓元件維修保養(yǎng)要求高，維修工藝復雜。

3)水下動力傳輸電纜需定制。按照目前配套件廠商的技術(shù)水平，具備生產(chǎn)符合要求的水下電纜的只有幾家國外廠商，且需特制，訂貨周期長，成本也較高。

2 兩種抓斗比較

兩種抓斗的綜合比較見表1。

表1 兩種抓斗綜合比較表

對整船船型、機構(gòu)布置及抓斗結(jié)構(gòu)形式等各方面綜合比較表明，對于大方量尤其是百方級的抓斗挖泥船，機械重力抓斗受到自身特點局限、配套件限制及控制方案上的技術(shù)瓶頸等因素影響，無法達到使用要求。電液抓斗雖然我國相關(guān)研制、使用經(jīng)驗較少，但目前技術(shù)上并沒有無法解決的難題，且國際上已有成功先例。因此，電液抓斗在大型抓斗挖泥船上的適用性和可實現(xiàn)性遠高于機械抓斗，優(yōu)勢更為明顯[7-8]。

3 結(jié)論

1)雖然常規(guī)機械抓斗制造成本低、用戶維修及使用經(jīng)驗豐富，但是大型機械抓斗的開發(fā)研制存在很難突破的技術(shù)瓶頸。

2)電液主動抓斗斗容大、挖掘性能好且鋼絲繩使用壽命長，大型電液抓斗的開發(fā)研制雖然存在技術(shù)難點，但技術(shù)上可以實現(xiàn)突破。

3)大型疏浚抓斗尤其方量在百方級以上，電液主動式抓斗的適用性和可實現(xiàn)性遠高于機械重力式抓斗。

[1] 周銀龍.電動液壓抓斗縱論[J].港口裝卸,1997,2:34-39.

[2] 倪福生.國內(nèi)外疏浚設(shè)備發(fā)展綜述[J].海河大學常州分校學報,2014(3):1-9.

[3] 中華人民共和國交通部,JTJ/T 320-96.疏浚巖土分類標準[S].北京：人民交通出版社,1996.

[4] 劉 丹，陳新權(quán)，楊 啟.大型自航抓斗疏浚船總體設(shè)計研究[J].船舶工程，2015(3):6-9.

[5] 姚 佶.挖泥船的分類與發(fā)展研究[J].科技風,2012(4):224.

[6] 張海寧.疏浚抓斗力學特性分析及仿真實驗研究[D].武漢：武漢理工大學.2014.

[7] 鄒晟,李竹森,肖漢斌,等.抓斗挖泥船疏浚工藝研究與設(shè)計[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2014(2):139-143.

[8] 范翠玉,馮寧麒,張篤生，等.1m3全液壓抓斗挖泥船的研制[J].水運科學研究所學報,1997(2):1-9.

Comparison and Applicability Research of Dredging Grab for Large Grab Dredgers

MA Xiao-jing, WEI Fu-long

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200126, China)

The technical difficulties and characteristics of the hydraulic dredging grab and the mechanical dredging grab are analyzed. The maximum capacity, the characteristics of structure and mechanism, control, cost and maintenance of the two type of dredging grab are compared and analyzed. It can be concluded that the hydraulic dredging grab is more applicability and feasibility for a large dredger.

grab dredger; mechanical dredging grab; hydraulic dredging grab

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.039

2015-08-18

工信部項目(工信部聯(lián)裝2012539號)

馬曉晶(1981-)，女，碩士，工程師

U674.3

A

1671-7953(2015)06-0169-03

修回日期：2015-09-07

研究方向:挖泥船疏浚機械

E-mail: Maxiaojing2008@zpmc.net