梁劍平

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

現(xiàn)代耙吸式挖泥船性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

梁劍平

（江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

本文以耙吸式挖泥船為例，在分析耙吸挖泥船能耗指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出將節(jié)能減排理念應(yīng)用到耙吸挖泥船性能優(yōu)化設(shè)計(jì)中，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

耙吸式挖泥船；能耗；性能優(yōu)化

耙吸式挖泥船是通過(guò)放置于船體兩舷或尾部的耙頭吸入泥漿，邊吸泥、邊航行的一種作業(yè)模式。具有機(jī)動(dòng)靈活、效率高、抗風(fēng)浪力強(qiáng)，既可以挖硬土，也能夠挖掘水下的軟土，耙吸式挖泥船集各種挖泥設(shè)備于一體，適合沿海港口、航道以及寬闊江面和船舶錨地作業(yè)。但，我國(guó)目前所擁有的自航耙吸式挖泥船的實(shí)際施工效率水平不高，與使用要求還存在一定差距。

1 影響耙吸式挖泥船能耗指標(biāo)

1.1 耙吸式挖泥船作業(yè)流程

耙吸式挖泥船進(jìn)入到施工作業(yè)后，船舶航速會(huì)降低到作業(yè)速度后開始在預(yù)定作業(yè)區(qū)域下耙疏浚，先是由泥泵將疏浚河道物輸送到船舶的船艙里面，等泥艙裝滿后，土塊以及較粗的顆粒泥砂會(huì)先行沉淀下來(lái)，一些細(xì)小的顆粒泥砂會(huì)從船舶中設(shè)置的溢流筒溢流排出船艙，待經(jīng)過(guò)一定溢流時(shí)間后，提起耙并提高船舶的航速航行，當(dāng)船舶航行到預(yù)定的拋泥區(qū)域時(shí)，將船舶航速降低到停船狀態(tài)，然后將泥門打開開始拋泥，之后再將船舶航速提速航行到施工區(qū)，繼續(xù)準(zhǔn)備下耙施工。

1.2 耙吸式挖泥船能耗影響因素分析

（1）艙容系數(shù)。艙容系數(shù)是衡量泥艙艙容與船舶主尺度之間的關(guān)系，泥艙作為耙吸式挖泥船中最主要的艙，長(zhǎng)度一般為船舶長(zhǎng)度的一半左右，泥艙的艙容系數(shù)作為一艘耙吸船的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，泥艙容積系數(shù)大通常表示船舶的主尺度相對(duì)較小，這一種耙吸式挖泥船的造價(jià)較低，也較為經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，隨著耙吸式挖泥船艙容系數(shù)不斷增大，反映出現(xiàn)代中小型的耙吸挖泥船船型更為優(yōu)化，船體整個(gè)布局更為緊湊，航行時(shí)受到的水體阻力小，油耗低，投資費(fèi)用也更為經(jīng)濟(jì)。

（2）載重系數(shù)。耙吸挖泥船的載重系數(shù)是耙吸船裝載能力的重要參考指標(biāo)。從新一代挖泥船的用途和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，裝載系數(shù)(泥艙的設(shè)計(jì)比重）不斷增大。裝載量和艙容是反映耙吸船裝載能力的兩個(gè)主要指標(biāo)。相同載重量的耙吸船，載重系數(shù)越大意味著船舶自身質(zhì)量越輕，后期航行過(guò)程中的油耗就會(huì)較低，節(jié)約建造成本。設(shè)計(jì)時(shí)泥艙較短或較窄會(huì)增高泥沙頂面，增大裝載系數(shù)。

（3）溢流損失。耙吸式挖泥船裝艙施工的生產(chǎn)效率的高低既取決于裝艙容量，也取決于挖泥的循環(huán)周期長(zhǎng)短。因此，耙吸式挖泥船裝艙的溢流時(shí)間長(zhǎng)短不能單純以最大裝艙量來(lái)衡量，否則還有可能會(huì)降低生產(chǎn)效率。船載土方量與循環(huán)周期之間的比值達(dá)到最大時(shí)，反映的是在單位時(shí)間里船載土方量最大，表示此事的裝載溢流時(shí)間為最佳溢流時(shí)間，即，裝艙溢流時(shí)間短，單位時(shí)間內(nèi)裝載船數(shù)多，反之，裝艙溢流時(shí)間長(zhǎng)，表示單位時(shí)間內(nèi)裝載船數(shù)少。最佳的裝艙溢流時(shí)間是在單位時(shí)間里，船載土方量與船數(shù)的乘積達(dá)到最大時(shí)，所載的土方量對(duì)應(yīng)的裝載溢流時(shí)間。相同的艙容在相同的有效裝艙時(shí)間里，溢流損失越少說(shuō)明裝艙效率越高，能源浪費(fèi)就會(huì)少。泥沙特性、泥艙設(shè)計(jì)形狀等都是影響溢流損失的重要因素。減少溢流損失不僅能提升裝載效率，還能有效降低對(duì)作業(yè)周邊的水體污染。

（4）方型系數(shù)（Cb）。方形系數(shù)反映的是挖泥船體水線以下肥瘦程度的一個(gè)重要參數(shù)，方形系數(shù)增大，船體就更加肥大，船體的阻力就會(huì)增大，推進(jìn)功力需要提升，船舶運(yùn)行時(shí)船行波增大，船體附加吃水量增大，也增加了阻力。但在同等排水量的船舶方形系數(shù)增大，船舶的主尺度就會(huì)減小，空船的質(zhì)量就會(huì)減輕，就能提升船舶的運(yùn)作能力，提高作業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于耙吸式挖泥船的方型系數(shù)Cb取值范圍在0.78～0.85之間。

式子中：

△=排水量（m3）

B=船體主體寬度（m）

L=船體垂直線間的長(zhǎng)度（m）

T=吃水（m）

（5）負(fù)載。耙吸式挖泥船的周期運(yùn)砂量取決于其有用負(fù)載能力或有效載荷（MN）和最大泥艙容積（m3）有效的載荷是耙吸式挖泥船在最大允許吃水條件下能裝艙的需付費(fèi)載荷。有效的載荷是：挖泥船滿載時(shí)的重量-船體空載時(shí)的重量。當(dāng)耙吸式挖泥船航行一段時(shí)間時(shí)，載荷的增加會(huì)導(dǎo)致船重增加，消耗更多的船舶能源。因此，保持船舶的有效載荷不變對(duì)減少能耗具有積極的現(xiàn)實(shí)意義：清洗泥艙，減少剩余載荷。載荷是由固定載重決定，淤泥較松軟的土壤，最大泥艙容積等于載重容積。

2 優(yōu)化耙吸式挖泥船性能對(duì)策

2.1 節(jié)能型耙吸式挖泥船設(shè)計(jì)思路

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將泥艙設(shè)在船中位置，機(jī)泵艙放在泥艙之后，而高壓沖水泵艙則設(shè)置在泥艙前。且在船中區(qū)域宜采用縱骨架式設(shè)計(jì)，并盡可能的向船的首尾部延伸，船的首尾部區(qū)域應(yīng)選擇橫骨架式。由于泥艙區(qū)頻繁承受因裝卸泥作業(yè)而產(chǎn)生的交變載荷作用，因此，對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性要求越來(lái)越高，提高泥艙的可靠性成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一項(xiàng)重要參考方面，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。泥艙肋板以及泥門形式對(duì)泥艙區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大影響，國(guó)際上常用到的泥門形式是箱形和錐形，肋板形式主要有平板和箱形兩大類。泥艙縱向艙壁設(shè)計(jì)主要有垂線式和折線式兩種，其中，垂線式艙壁設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但不能最大化利用艙容，應(yīng)注意盡量減少對(duì)泥艙區(qū)干涉。折線式能夠最大限度提升艙容，也能有效提升主甲板空間利用效率，但不足之處是施工難度較大。

（2）合理選擇主尺度。主尺度是反映船舶總體性能的重要參數(shù)，主尺度的選擇是船舶設(shè)計(jì)早期重點(diǎn)考慮的因素。耙吸式船舶的設(shè)計(jì)要充分分析和論證L/B、B/d、Cb、載泥量系數(shù)、菱形系數(shù)等各種尺度方案，確定最佳主尺度設(shè)計(jì)方案，確保吃水、航速、艙容系數(shù)等衡量耙吸式船舶主要性能指標(biāo)符合最優(yōu)的設(shè)計(jì)要求，減少建材的應(yīng)用，最大化提升船舶的應(yīng)用效率。船寬吃水比應(yīng)考慮減小吃水以提升船舶作業(yè)的適應(yīng)性。泥艙容積系數(shù)是一艘耙吸船的經(jīng)濟(jì)系數(shù)，較大的泥船容積系數(shù)意味著船舶主尺度相對(duì)較小，造價(jià)較低，較為經(jīng)濟(jì)。

（3）優(yōu)化線型設(shè)計(jì)。改善淺水性能是耙吸挖泥船線型研究的重點(diǎn)，其與船舶的航速、適航性、穩(wěn)性以及裝載力都有密切關(guān)系。選擇長(zhǎng)球首型設(shè)計(jì)，減少耙吸挖泥船在淺水作業(yè)時(shí)的興波阻力，減小因艏部線型的變化來(lái)消除前肩，使船舶浮心前移。加裝艉部附體，選擇雙尾鰭型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠使流向螺旋槳的水流產(chǎn)生預(yù)旋，提高了螺旋槳的效率。導(dǎo)流鰭設(shè)計(jì)能夠有效改善尾流，防止船舶尾部出現(xiàn)漩渦。應(yīng)用導(dǎo)管漿，減小螺旋槳直徑，提升耙吸挖泥船的螺旋槳效率。目前，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中“球鼻艏+雙尾鰭+導(dǎo)流鰭”和“球鼻艏+V型艉+導(dǎo)流鰭”線型設(shè)計(jì)與應(yīng)用節(jié)能效果良好。

2.2 優(yōu)化船體設(shè)計(jì)

耙吸式挖泥船對(duì)舯斷面上的剖面模數(shù)進(jìn)一步降低，載荷相對(duì)集中，要求具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，以及承受較大的彎矩和剪力。現(xiàn)實(shí)中，應(yīng)用有限元計(jì)算法，優(yōu)化結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)，減輕空船質(zhì)量設(shè)計(jì)具有很好的實(shí)際應(yīng)用效果，常用到的是借鑒成熟的油船艙段有限元分析法，結(jié)合耙吸式挖泥船特點(diǎn)，選取泥艙段再分別向首尾延伸約10米建模。此外，采用位勢(shì)流計(jì)算流動(dòng)體動(dòng)力學(xué)的CFD代碼，進(jìn)行迭代計(jì)算能夠達(dá)到優(yōu)化新造船舶船艏和船艉。

2.3 優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耙吸式挖泥船螺旋槳與泥泵消耗功率高峰錯(cuò)開，在作業(yè)時(shí)處于停航或航速較低狀態(tài)，泥泵消耗功率大，螺旋槳功率消耗小，航行時(shí)泥泵作業(yè)停止，大部分功率消耗于螺旋槳。因此，主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)泥泵、電力驅(qū)動(dòng)泥泵以及泥泵單獨(dú)驅(qū)動(dòng)等要根據(jù)不同動(dòng)力布置做好優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)改進(jìn)船舶設(shè)備，合理配置設(shè)備，充分利用船舶主機(jī)功率，降低總裝機(jī)功率，提升能源利用效率。主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)泥泵型，應(yīng)將泵艙緊貼機(jī)艙布置在艉部。電力驅(qū)動(dòng)泥泵型和泥漿單獨(dú)驅(qū)動(dòng)型，由于能量多次轉(zhuǎn)化易損失功率，此種布置方式較少用到。但隨著能量轉(zhuǎn)化研究的深入，電力驅(qū)動(dòng)泥泵成為發(fā)展和研究的一個(gè)重點(diǎn)。

2.4 疏浚設(shè)備優(yōu)化

疏浚設(shè)備優(yōu)化主要包括耙頭、入土裝置、泥泵等，其中，耙頭優(yōu)化主要采取增加耙頭自重、挖掘機(jī)具接觸面（擋板、耙頭格柵等）采用耐磨材料，增強(qiáng)耙頭碾壓能力，降低設(shè)備磨損。耙齒等入土裝置要根據(jù)不同的挖掘物選擇不同的形狀，如鑿齒和尖齒入土能力強(qiáng)、面積集中，適宜挖掘巖石類。此外，巖石類要以尖齒耙齒為主，采取間隔式布置，減少應(yīng)用數(shù)量；松軟巖石則增加相應(yīng)數(shù)量，提高挖掘產(chǎn)量。此外，優(yōu)化操作工藝，例如對(duì)地壓力、對(duì)地角度、挖泥船航速和耙頭清理等也能有效提升應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著疏浚行業(yè)的快速發(fā)展，研究耙吸式挖泥船的節(jié)能減排工作能夠在同樣的投入基礎(chǔ)上產(chǎn)生更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，需要在實(shí)際工作中牢固樹立節(jié)能減排理念，并將該理念應(yīng)用到船舶的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和管理的全過(guò)程，產(chǎn)生更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]候曉明，朱榮，黃偉明.現(xiàn)代耙吸挖泥船節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J]水運(yùn)工程，2013（1）：39-44

[2]王忠復(fù)，沈志平，張?zhí)?大型耙吸挖泥船船型初探[J]船舶，2001（4）:17-24

U615.35

A

1006—7973（2017）10-0035-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.10.015