任文蔚 丁 勇 鄔卡佳

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

隨著疏浚業(yè)的發(fā)展，疏浚工程不再只限于傳統(tǒng)的港口建設(shè)、航道清淤，還要面對吹填造陸、遠(yuǎn)海島建、海上油氣基建、礦產(chǎn)開采等新的疏浚任務(wù)，而絞吸挖泥船作為疏浚工程的主力船型，也在更高的作業(yè)要求下，逐漸向大尺度、大功率、遠(yuǎn)排距、大挖深的方向發(fā)展，一批性能優(yōu)良的超大型絞吸挖泥船也應(yīng)運(yùn)而生。與此同時(shí)，由于超大型絞吸挖泥船所面臨的作業(yè)、環(huán)境載荷遠(yuǎn)高于一般挖泥船，其受力問題現(xiàn)已成為制約超大型絞吸船進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙之一。［1-2］

柔性鋼樁旨在緩解定位樁作業(yè)時(shí)的受力問題，提高絞吸船在高海況下的可作業(yè)性［3］。傳統(tǒng)的絞吸挖泥船與定位樁在縱平面上呈剛性連接，即船舶作業(yè)時(shí)僅有水平面上繞定位樁作首搖擺動(dòng)的自由度，而縱向自由度受到很大制約，從而使高海況下定位樁的樁尖及船、樁的連接點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)很大應(yīng)力，容易發(fā)生受損變形甚至斷裂。柔性鋼樁是在船、樁之間的臺(tái)車系統(tǒng)上增加一套緩沖系統(tǒng)，通過釋放一定的縱向旋轉(zhuǎn)自由度來緩解定位樁的受力。目前應(yīng)用較多的有“鋼絲繩-緩沖油缸組合形式”和“緩沖油缸式”的柔性鋼樁，后者由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、柔度易于調(diào)節(jié)、對視線影響小等優(yōu)點(diǎn)，目前已應(yīng)用于多艘超大型絞吸船。本文將重點(diǎn)研究該型柔性鋼樁的工作原理及其緩沖性能的計(jì)算方法。

1 柔性鋼樁緩沖原理分析

油缸式的柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)由緩沖油缸、活塞蓄能器、高壓氮?dú)夤藿M、液壓伺服系統(tǒng)等部分構(gòu)成，該緩沖系統(tǒng)原理參見圖1。

緩沖系統(tǒng)有兩套，分別布置在絞吸挖泥船臺(tái)車系統(tǒng)兩側(cè)。從原理上說，該系統(tǒng)可分為氣、液兩個(gè)功能主體，其利用高壓氣體的柔性來為系統(tǒng)提供緩沖反力，并利用油液穩(wěn)定、流動(dòng)性強(qiáng)的性質(zhì)來傳遞、調(diào)節(jié)、監(jiān)控系統(tǒng)的壓強(qiáng)狀態(tài)。從具體結(jié)構(gòu)上說，系統(tǒng)各部件間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系和功能機(jī)制是研究并定量計(jì)算該緩沖系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。以下將依次闡述緩沖油缸、活塞緩沖蓄能器和液壓伺服系統(tǒng)這幾個(gè)緩沖系統(tǒng)主要部分的結(jié)構(gòu)及功能，以說明柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)的工作原理。

圖1 柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)原理圖

1.1 緩沖油缸

緩沖油缸是該系統(tǒng)與船體力學(xué)傳遞的先導(dǎo)裝置。它與臺(tái)車的上行走油缸串聯(lián)于同一根活塞桿上，臺(tái)車的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 臺(tái)車結(jié)構(gòu)簡圖

當(dāng)緩沖功能關(guān)閉時(shí)，活塞桿保持中位，定位樁相對船體處于豎直狀態(tài)。緩沖功能開啟后，緩沖油缸隨船體的縱向運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行伸縮補(bǔ)償，由此，船體相對于定位樁發(fā)生縱平面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。緩沖的作用使臺(tái)車運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、鋼樁受力降低。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮油液系統(tǒng)響應(yīng)的延遲效應(yīng)，保證足夠的油液流速，以使緩沖反力不慢于外載荷的相位變換速度，否則延遲的緩沖力可能會(huì)與外載荷同向，促使船舶運(yùn)動(dòng)加劇，應(yīng)力激增。［4］

本文所研究的緩沖油缸分為三個(gè)缸室，由兩個(gè)獨(dú)立的限位塊彼此隔開。前后缸在緩沖作業(yè)時(shí)彼此獨(dú)立，即當(dāng)船體受向前的沖擊載荷時(shí)，帶動(dòng)油缸外殼向前運(yùn)動(dòng)，油缸的活塞桿隨之相對向后位移，后缸受壓出油，提供向后的緩沖反力，而前缸不動(dòng)；反之亦然。中間缸室為低壓缸，其功能為通過壓差使得前后缸的限位塊在不受沖擊載荷時(shí)自動(dòng)回到中位，對緩沖力的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，參見圖3。

圖3 緩沖油缸工作原理

1.2 活塞蓄能器

前后緩沖油缸分別與各自的活塞緩沖蓄能器相連?；钊钅芷魍ㄟ^活塞界面將系統(tǒng)的氣壓部分與液壓部分聯(lián)系起來。使用蓄能器之前，先將高壓氮?dú)夤拗械牡獨(dú)庥沙錃忾y在預(yù)充壓力p0下打入蓄能器，使整個(gè)蓄能器充滿氮?dú)?，活塞位于油液端蓋處，見圖4（a）；然后將液壓回路接入蓄能器，活塞在帶壓液體的推力下向氣體部分移動(dòng)，平衡壓強(qiáng)為p1，見圖4（b）；緩沖作業(yè)開始后，活塞隨負(fù)載的變化上下移動(dòng)，工作壓強(qiáng)為p2，見圖4（c）。設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)預(yù)估的最高和最低工作壓強(qiáng)確定合適的蓄能器容積，以確保緩沖作業(yè)時(shí)活塞不與前后端蓋相碰。［5］

1.3 液壓伺服系統(tǒng)

緩沖系統(tǒng)中的油缸、蓄能器、氮?dú)夤薏⒎潜舜酥苯舆B通，而是有一套液壓伺服系統(tǒng)將其串聯(lián)，通過各類閥件和油路布置來連接、調(diào)節(jié)、控制和監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如常見的溢流閥、節(jié)流閥、測壓測速儀、方向閥等。插裝閥是該液壓系統(tǒng)中較重要的閥件，可在油路中產(chǎn)生背壓。其作用效果相當(dāng)于阻尼，以平緩油液流速，抵抗油路中壓力突變。實(shí)際作業(yè)時(shí)，液壓系統(tǒng)的油液流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜又難于模擬，且數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明其對系統(tǒng)的靜態(tài)緩沖性能產(chǎn)生的作用并不大，故本文在柔性鋼樁緩沖性能的計(jì)算中將忽略液壓系統(tǒng)中各閥件的影響，僅考慮其連通作用，以簡化計(jì)算。

圖4 活塞蓄能器工作原理

2 柔性鋼樁緩沖性能計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

本章根據(jù)某超大型絞吸挖泥船所配備的柔性鋼樁緩沖系統(tǒng)進(jìn)行性能計(jì)算，獲得該系統(tǒng)的緩沖力、緩沖彎矩與船樁縱向相對轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，選取三個(gè)控制點(diǎn)以計(jì)算鋼樁與船體間幾何位置的變化：P點(diǎn)為上行走油缸與臺(tái)車鉸點(diǎn)；A點(diǎn)為下行走油缸與臺(tái)車鉸點(diǎn)；B點(diǎn)為上行走油缸與船體鉸點(diǎn)。

其中，由于AP、AB段分別固結(jié)于臺(tái)車（鋼樁）坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系，線段長度在緩沖過程中始終不變。由幾何條件可知，A點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心。BP段長度在運(yùn)動(dòng)過程中隨緩沖油缸的活塞位移sp而變化，

式中：sp值以活塞向前位移為正，向后位移為負(fù)。

圖5 計(jì)算控制點(diǎn)

結(jié)果表明：臺(tái)車的行程位置對緩沖力和緩沖彎矩的作用很小，在計(jì)算中可忽略。

柔性鋼樁的緩沖性能（即縱向轉(zhuǎn)角-緩沖力/緩沖彎矩關(guān)系曲線）由以下過程獲得：

（1）取緩沖油缸的活塞位移sp為計(jì)算點(diǎn)。從活塞行程內(nèi)以0.05 m為步長依次取點(diǎn)，活塞向前位移為正值，向后位移為負(fù)值。

（2）對每個(gè)sp值求取該位移下P點(diǎn)的新平衡位置P′點(diǎn)。臺(tái)車運(yùn)動(dòng)過程中，A、B兩點(diǎn)始終不動(dòng)，故分別以A、B點(diǎn)為圓心，以BP′=BP-sp以及AP′=AP為半徑作兩圓，兩圓的交點(diǎn)即P′點(diǎn)。

（3）計(jì)算船和樁之間的相對縱向轉(zhuǎn)角θhs。由控制點(diǎn)A、B、P（P′）組成的已知三角形，在緩沖前后的幾何變化中計(jì)算相對轉(zhuǎn)角θhs，見式（2）和式（3）。

（4）計(jì)算緩沖力與緩沖彎矩。根據(jù)sp值計(jì)算緩沖油缸的出油體積（L）。不考慮溢油和外部供油情況，該出油體積等于氮?dú)獠糠謮嚎s體積。根據(jù)絕熱過程中的波意耳定律，求得此時(shí)的緩沖壓強(qiáng)（bar）、緩沖力（kN）與緩沖彎矩（kN·m）。以前

（上式中：n為體積系數(shù)，對于氮?dú)獾慕^熱變化應(yīng)取該值為 1.4［6］。）

（5）繪制θhs～Fb、Mb曲線。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

由上述參數(shù)及計(jì)算過程，可得到該船柔性鋼樁緩沖性能計(jì)算結(jié)果（見圖6）。從結(jié)果曲線中可以看出，響應(yīng)曲線呈線性特征，同一工況下的緩沖力、緩沖彎矩關(guān)于相對轉(zhuǎn)角的斜率接近于常值。緩沖力的初始值較高，船體的外力在一般海況下不易推動(dòng)油缸，而在高海況下才能推動(dòng)緩沖油缸工作。由此可知，該緩沖系統(tǒng)的針對性是提高定位樁的最大可作業(yè)海況的上限。

圖6 計(jì)算結(jié)果

系統(tǒng)提供了約10 700 kN·m的抗尾傾緩沖彎矩和約5 400 kN·m的抗首傾緩沖彎矩。此時(shí)船、樁之間的相對轉(zhuǎn)角約為3°，而定位樁自身在縱向力作用下將相對于海底插樁點(diǎn)產(chǎn)生約1°的撓度，因此船體在疏浚時(shí)允許發(fā)生的最大縱搖角約為4°，該縱搖程度小，能夠滿足疏浚精度的要求。

由同一缸室在不同水深下的性能曲線對比可知：在不同水深工況下，緩沖系統(tǒng)的性能參數(shù)差異僅在于不同的系統(tǒng)預(yù)壓，選取不同的預(yù)壓明顯改變性能曲線的初值，但對曲線的增長斜率影響不大。該柔性鋼樁的預(yù)壓設(shè)計(jì)思路為隨水深增加而減小預(yù)壓值，使鋼樁在較淺水域中呈剛性狀態(tài)，而在較深水域中柔性增強(qiáng)，以防止在較深水域的作業(yè)環(huán)境下因高海況導(dǎo)致負(fù)載過大進(jìn)而損壞鋼樁臺(tái)車系統(tǒng)。

通過對同樣深淺水域下的前、后缸性能曲線對比可知，兩者的緩沖力、緩沖彎矩差距較大，比值與前后缸的截面積比值接近。這是因?yàn)樵撔途彌_油缸必須由一個(gè)有桿腔和無桿腔構(gòu)成，受結(jié)構(gòu)和布置的局限，有桿腔的截面積比無桿腔要小，故在相同預(yù)壓作用下緩沖力、緩沖彎矩不及無桿腔，即柔性鋼樁抵抗首傾和尾傾的能力并不一樣。該系統(tǒng)選擇以前缸作為無桿腔可獲得抵抗尾傾運(yùn)動(dòng)更大的緩沖性能，這與該絞吸船船尾頂流作業(yè)的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)相適應(yīng)。

3 結(jié) 論

本文研究闡述絞吸挖泥船柔性鋼樁的工作原理，并根據(jù)某實(shí)船算例建立數(shù)學(xué)模型，對其緩沖系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）油缸式柔性鋼樁的緩沖原理從本質(zhì)上來說是通過釋放船、樁之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)來減緩鋼樁載荷的；在結(jié)構(gòu)層面上是通過緩沖油缸、活塞蓄能器、高壓氮?dú)夤藿M和液壓伺服系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)功能。由于有了船、樁間的相對轉(zhuǎn)角，樁體和船體的縱平面轉(zhuǎn)動(dòng)可以在一定程度上分離開來，定位樁繞插樁點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)程度降低，可有效減緩其樁身彎曲撓度，防止定位樁彎曲破壞。

（2）該型緩沖系統(tǒng)的性能曲線呈初值大、最值高以及線性程度高的特點(diǎn)。系統(tǒng)的緩沖重點(diǎn)是高海況下的受力問題，以提高絞吸船的可作業(yè)性上限。

（3）系統(tǒng)預(yù)壓對柔性鋼樁的性能影響顯著，預(yù)壓越高；系統(tǒng)的剛性程度越高，預(yù)壓越低則柔性程度越高。應(yīng)隨海況增高而降低系統(tǒng)的預(yù)壓值，以使鋼樁在各環(huán)境條件下的受力始終在允許范圍內(nèi)。

目前，國內(nèi)外對柔性鋼樁的工作原理、參數(shù)設(shè)計(jì)等方面的研究還比較少，國內(nèi)的研究深度較之國外還有很大差距。本文所得出的數(shù)據(jù)對柔性鋼樁的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、設(shè)備性能校核等具有一定的參考價(jià)值，可供船體和柔性鋼樁的耦合運(yùn)動(dòng)計(jì)算分析研究時(shí)參考。

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