“天鲲号”自航绞吸船核心技术应用研究

“天鲲号”自航绞吸船核心技术应用研究

王健，孔凡震

（中交天津航道局有限公司，天津 300451）

摘 要：论文介绍了国内自主设计的5 000 kW绞刀功率自航绞吸船——“天鲲号”的性能概况，分别对总体布置、动力系统配置、柔性钢桩台车定位系统、智能化集成控制系统和三缆定位系统等核心关键技术应用研究进行了阐述。通过对本船核心关键技术的研发，实现了多种核心关键技术的最佳匹配组合，对提高我国大型疏浚船舶设计技术的总体水平将起到促进作用，对今后研发设计同类型船舶有一定借鉴意义。

关键词：自航绞吸船；柔性钢桩台车；集成控制系统；三缆定位系统

0 引言

近十多年来，海上疏浚和填筑工程的规模越来越大，疏浚市场对疏浚设备的效率、成本和节能减排的要求越来越高，疏浚企业对大型疏浚设备的需求也越来越迫切，绞吸船正迅速向大型高效化、智能自动化和绿色环保方向快速发展。世界各大疏浚公司为占领疏浚市场，都在致力于研制开发新一代的大型挖泥船，并在这些挖泥船上竞先采用新材料、新技术、新工艺、新设备。大型自航绞吸船的设计建造和挖泥船关键设备的研制已成为国际疏浚行业竞争能力的标志，甚至代表了一个国家的装备制造业总体水平。因此，研发与国外先进技术水平相当、具有自主知识产权的大型绞吸船是在当前国际疏浚市场激烈竞争形势下的一项紧迫使命。

1 性能简介

“天鲲号”自航绞吸船为我国自主研发的一款绿色环保、高效智能的重型自航绞吸挖泥船。全船采用全电力驱动形式，船体艉部设置带有波浪补偿的桥架，艏部设置柔性钢桩台车及三缆定位系统，机舱、泥泵舱设于船体舯部，上甲板上设置带有气动减振装置的5层甲板室，定员45人。船舶主要参数：总长约140.0 m，型宽27.8 m，型深9.0 m，设计吃水6.5 m，吸/排管径1 000/1 000 mm，挖深范围6.5～35 m，满载排水量17 000 t，设计航速12 kn，装机总功率25 842 kW。

本船配置1台水下泵，2台舱内泥泵，可实现单泵、二泵、三泵等多种组合工作模式，也可通过装驳装置实现单水下泵装驳作业，最大排拒15 000 m。配置通用、黏土、挖岩及重型挖岩等4种类型的绞刀，绞刀电机功率2×3 300 kW，适用于挖掘淤泥、黏土、密实砂质土、砾石、强风化岩以及单侧抗压强度45 MPa的中弱风化岩，标准疏浚能力6 000 m3/h。

2 总体布置

2.1 桥架布置

对于自航绞吸船的设计，首先考虑绞刀桥架设在艏或艉。目前世界上自航绞吸船桥架布置主要有3种方案[1]（见表1）。

这3种方案在实船上均有运用，通过“天鲸号”的使用经验并综合分析，桥架布置于船尾的方案在船型、浮态、快速性、结构强度和航行视线等方面均有优势。目前已建成实船统计中采用该方案的船型占68.8%，也从客观上证明该方案相对更优。

表1 自航绞吸船桥架布置方案
Table 1 Bridge layout scheme of the self-propelled cutter suction dredger

2.2 桥架传动轴系及耳轴形式

2.2.1 绞刀传动形式

近些年来国内外对环保和节能方面有越来越高的要求，采用电力驱动的绞刀传动系统是绞吸船现在以及未来的发展方向。

电力驱动的绞刀传动系统又分为短轴和长轴驱动形式。短轴传动系统是由电动机通过安全联轴器、齿轮箱、鼓形齿联轴器、绞刀短轴驱动绞刀。由于在水下工作，因此需对电动机采取密封措施，这要求电动机的绝缘性能要好。长轴形式的传动系统是由1台或2台电动机通过高弹联轴器、离合器、齿轮箱及绞刀长轴驱动绞刀。此种形式电机一般安装在桥架艉部上方的密闭舱室内。

两种传动形式的优缺点比较见表2。

重型绞吸船除挖掘松软的砂土，还需考虑挖掘岩石的能力。绞刀齿在挖掘岩石时并不像挖掘沙和黏土时那样贯入其中，而是通过反复接触，使岩石突然丧失抗拉强度后破碎成小块或大块，起决定性作用的是岩石的单侧抗压强度和抗拉强度以及反映岩石质量的一些参数，如岩石质量指标、层理和成因等。绞吸船在切削岩石时绞刀齿反复刮划岩石使其剥落，在此过程中产生反复出现峰值和迅速下降的切削力（见图1），这样就形成了一个比较低的平均切削负荷。峰值力必须由绞刀驱动装置所吸收，因此需要储备超过额定设计值比较大的扭矩和功率。

表2 绞刀传动轴系类型比较
Table 2 Comparison of cutter drive shaft types

内容 优点 缺点 经济性 应用长轴重量整体分布均匀，对结构强度影响小，可利用轴的自然扭转来吸收峰值负荷轴系安装要求高，结构复杂采用水上电机和齿轮箱，重量轻，投资成本低应用较多短轴结构紧凑、重量集中在桥架前端，对挖岩有利重量集中在桥架前端，对起重设备和结构强度影响较大，浮态变化大采用水下电机和齿轮箱，设备重量重，设备比较昂贵应用较少

图1 挖掘岩石时绞刀负荷的变化示意图
Fig.1 Change of cutter load when excavating rocks

本船采用的重型桥架，配备了具有挖岩能力的绞刀，基于上述分析结果，绞刀传动系统采用电机长轴驱动绞刀形式更为合理。

2.2.2 水下泥泵传动系统

采用电机驱动水下泥泵的传动形式是绞吸挖泥船现在以及未来的发展方向，尤其是随着挖泥船向大型化、大挖深的方向发展，其优越性更加凸显。电机驱动轴系按布置形式分为水下电机直接驱动形式和密封舱电机驱动形式。

采用密封舱室电机驱动形式（见图2），电机的位置可以尽量靠近水下泵，轴系的长度可相对缩短，所以传动系统的轴系校中安装相对简单，传递效率较高。由于传动距离比较短，所以桥架的变形对轴系影响也相应减小，另外在相对密封的环境中也不会产生污染外部环境水域的问题。而水下电机直接驱动形式投资的成本很高，在最低挖深施工时安全性差。

图2 密封舱电机驱动形式示意图
Fig.2 Types of electric drive in sealed cabin

综上分析，本船选用了密封舱电机驱动形式。

2.2.3 桥架耳轴安装形式

桥架耳轴的形式按布置位置分为在船体主甲板以上和船体主甲板以下两种形式。耳轴设置在船体主甲板上时，耳轴密封、检查和维修方便，建造也比较方便，但最大挖深会受到限制，一般只能达到25～27 m，同时也有可能会增加船体的振动。

如果增加挖深，就需要将耳轴设置在船体主甲板以下。目前世界上大型自航绞吸挖泥船的耳轴都是设置在船体主甲板下。

为了增强作业适应能力，除了尽可能增加最大挖深外还需考虑满足最小挖深的指标，设置高、低两对耳轴可有效解决上述问题。这样的设计也能在保证绞刀架刚度的前提下，不至于使桥架过重，这对降低挖泥船的建造成本非常有利。

基于上述分析，结合绞刀大挖深、大功率的特点，本船采用了上下双耳轴形式（见图3）。通过切换铰点调整桥架位置，可满足6.5～35 m挖深范围内的施工需要。

图3 桥架设置双耳轴铰点布置示意图
Fig.3 Hinge points of double trunnions in ladder bridge

3 动力系统配置

随着绞吸船的装机功率大型化发展趋势，采用全电力驱动的形式越来越受到疏浚企业的青睐。根据统计，欧洲近几年设计建造的超大型绞吸挖泥船大功率负载无一例外地采用电力驱动。

大型绞吸挖泥船的动力系统配置主要分3种类型：常规推进混合驱动形式、电力推进混合驱动形式、全电驱形式。根据本船大功率设备数量、功率参数（见表3）和作业特点，从整船装机功率、柴油机数量、设备的安装布置、动力系统设计等方面对上述三种动力系统方案进行对比分析，全电驱形式整船的装机数量为5台，装机功率为25 842 kW，相比前两种混合驱动形式的装机数量为7台，装机功率为27 108 kW，全电驱形式装船柴油机数量少了2台，装机总功率降低了4.7%。

表3 本船大功率设备
Table 3 High power equipment of the ship

驱动设备 数量 功率/kW绞刀 2 3 300水下泵 1 5 000舱内泵 2 6 000横移绞车 2 700起桥绞车 2 700推进电机 2 4 000侧推电机 1 550

综上，本船采用了全电驱形式，配置3台主发电机组，容量7 680 kW，6 600 V；另配置1台辅发电机组，容量1 000 kW，400 V；另配置1台应急兼停泊发电机组，容量580 kW，400 V。

4 柔性钢桩台车定位系统

4.1 系统布置

钢桩台车定位系统的总体布置是该系统设计中的首要关键，根据台车的使用要求，首先对台车的主要功能参数进行了分析，确定了钢桩台车定位系统总体布置方案。钢桩台车定位系统从底至顶共分为4层平台[2]（见图4）：第1层平台布置下抱箍结构和下横向限位装置，第2层平台布置下行走油缸，第2层平台和第3层平台之间布置平衡梁结构、滑移系统和拖航垂向支撑结构，第3层平台布置上横向限位装置和液压阀组，第3层平台和第4层平台之间布置上行走油缸、钢桩夹具、可转动的上抱箍结构及转动轴和倒桩油缸下铰链，第4层平台布置提升夹具、提升滑轮组和起升油缸。

4.2 台车缓冲装置

图4 钢桩台车定位系统总体布置（竖直状态）
Fig.4 General layout of spud carrier system(vertical)

台车定位系统的缓冲装置[3]通常采用钢丝绳柔性缓冲系统或油缸缓冲系统两种类型，其作用原理基本一致，即钢桩在海上作业时波浪在船上产生的弯矩会造成船舶相对钢桩的运动，使钢桩产生一定程度的摇摆，进而在下钢箍和钢桩入泥处之间形成很大的力矩，为了使船舶能在更加恶劣的海况下工作，或在相同工况下延长钢桩的使用寿命，钢桩与船体之间的连接采用由绳索串联带蓄能器液压油缸的形式或是带蓄能器液压油缸的形式，旨在大波浪环境工作过程中吸收冲击能量，减小主钢桩在中线面内的波动力矩峰值。

钢丝绳柔性缓冲系统[4]的特点是各个缓冲部件所需承受的力与冲击相对较小，对油缸与液压系统的要求较低。但是也存在系统相对复杂，例如钢丝绳形变，台车初状态的调整，钢丝绳与油缸缓冲工作时之间的匹配等容易出现不可控的问题。

采用油缸式缓冲系统的特点是组成相对简单，只要外载荷估算准确，油缸的各个部件能承受相应的外载冲击，并设计有足够的安保措施，则整个系统可起到更可靠与更精确的缓冲效果。但是对产品部件的加工、系统控制程序的编程有着更高的要求。由于该系统竖倒桩时间短，施工效率高，经反复论证，本船最终采用了此种形式。

4.3 钢桩起升油缸对航行视线干涉的解决方案

本船航行时，2根钢桩可通过倾倒油缸系统倾倒平放在甲板上。但钢桩两侧的提升油缸，却造成了从驾驶位置所见海面视域两侧提升油缸盲视区之间的可视扇形区域不能满足SOLAS公约第Ⅴ章航行安全第22条驾驶室可视范围1.2中关于在盲视区之间的可视扇形区域应至少为5°的要求。经反复论证研究，主辅钢桩起升装置采用液压缸驱动的整体倾倒方式，一是主、辅钢桩起升装置增加液压缸驱动的整体倾倒结构；二是增设起升装置整体倾倒在钢桩上的马鞍形固定架；三是倾倒控制旋钮设置在现场的钢桩控制台上。通过上述措施消除了驾驶室对航行视线的影响。

5 智能化集成控制系统

5.1 泥泵自动控制（APC）

目的是在吹填工况下，以设定的泥浆流速为主要的控制输入，以泥泵间的压力、末级泵的排出压力为限制条件，充分考虑动力设备的机械传动性能，实时合理调节各个泥泵的转速，使泥浆流速维持在某个设定的流速区间内。

自动泥泵控制逻辑框图见图5。

图5 自动泥泵控制逻辑框图
Fig.5 Logic diagram of automatic dredge pump control

船舶施工操作人员根据施工土质、排距等施工参数，给定期望的泥浆流速范围值，根据泥泵、管线等施工设备的具体情况设定泥泵间的允许压力值范围、末级泵的排出压力值范围等限制条件，自动泥泵控制程序将通过改变变频电机的转速，实时调节泥泵的转速，将泥浆管路内的流速控制在给定的期望流速范围内，同时保证满足各限制条件和设备的机械性能。

5.2 挖泥自动控制（ACC）

该功能是绞吸船集成控制系统中的最高级功能，也是绞吸船集成控制系统中关键核心技术之一。其控制主要是指疏浚施工过程中重要设备（如横移绞车、桥架绞车、钢桩台车等）在不同的施工模式下进行的自动控制。施工模式经常使用到的模式主要分为以下3种：固定深度挖掘，即在每个台车行程内，每层设定一个固定的疏浚层深，绞刀切削完1层后，台车行程复位，再设定一个固定的疏浚深度进行切削作业，重复作业直到到达最大疏浚深度为止；剖面挖掘，即根据预先设置的某个疏浚剖面，将绞刀下放到设定深度，操作控制绞刀移动至设定的剖面边缘后停止，然后自动加大设定疏浚深度，换向后再次移动绞刀进行挖泥，如此往复，直到疏浚深度到设定剖面的底部；同轨迹挖掘，即在硬质土区域，使绞刀在执行2次摆动动作后再执行台车步进动作，其它按固定深度挖掘或剖面挖掘相同的动作方式进行施工。

在以上的疏浚设备自动控制过程中，横移绞车的自动控制受到设定的横移绞车扭矩、横移角度范围、最大允许的横移速度等因素的限制，同时在横移绞车停止和换向时，还应注意绞车减速和加速的斜坡控制，以避免对绞车造成过大的冲击。此过程中，横移绞车、桥架绞车、钢桩台车等的控制逻辑见图6。

图6 施工模式下，绞车、钢桩台车等控制逻辑图
Fig.6 Logic diagram of winch and spud carrier when working

以上的控制过程，实现了横移绞车、桥架绞车和钢桩台车在疏浚过程中的动作自动控制。为了能够获得更好的疏浚施工效率，启用自动挖泥控制功能后，还应能够自动的获得最佳的挖掘效率和疏浚效率。这就需要有绞刀转速/扭矩、横移速度/拉力、真空释放阀开度、泥泵转速等重要设备综合进行控制。

6 三缆定位系统应用研究

三缆定位系统由筒体，3台绞车，3个大抓力锚，3根锚索及导向滑轮等组成。锚索一端与绞车相连，另一端通过筒体顶部的导向滑轮进入筒体，然后再通过筒体下端的导向滑轮导出船外与大抓力锚相连。抛好锚后收紧锚索起到定位桩的作用，并可通过控制3根锚索受力移动船位[5]。

三缆定位系统应用，可在恶劣海况条件下与柔性钢桩台车定位系统形成有益补充，利用其强大的定位功能，在施工区原地抗风，提高船舶有效施工作业时间；三缆定位系统施工海况适应性较柔性钢桩台车系统有一定提高，在柔性钢桩台车系统定位无法施工情况下，继续施工；在定位区域水深过深或陷桩地质条件导致柔性钢桩台车定位系统无法使用情况下，应用三缆定位系统固定船位继续施工；该系统定位施工1个作业周期理性行程可达100～150 m，船舶连续施工作业效率高。

本船三缆定位系统的筒体设在船的艏部，横移锚索则通过设在艉桥架上的导向滑轮与横移锚连接。通过收放横移锚，使船舶绕筒体左右转动施工。

7 结语

挖泥船技术属于疏浚工程、船舶工程、机电相互融合的交叉科学技术领域[6-8]，其设计建造能力可反映出一个国家在装备制造业和船舶工业的研发水平。该船的成功研制将满足国民经济发展对疏浚业的需求，对社会进步和国家战略起到支撑作用。同时也将进一步提高我国疏浚船舶设计建造技术的总体水平，并带动国内船舶配套产业装备水平的进步，有助于中国疏浚行业提升国际竞争力，为中国成为真正意义上的疏浚强国做出贡献。

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Applied research on key technology of Tiankun self-propelled cutter suction dredger

WANG Jian,KONG Fan-zhen
（CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China）

Abstract：We introduced the performance of Tiankun,a self-propelled cutter suction dredger with cutter power of 5 000 kW, independently designed in China.We elaborated the research and application of the key technologies in this paper,such as the general layout,power system configuration,flexible spud carrier system,intelligent integrated control system,and three cable locating system.Through research and development of key technologies,we achieved the optimal combination of several key technologies,which will further improve the design level of large dredgers in China and has reference significance for research and design of similar dredgers.

Key words：self-propelled cutter suction dredger;flexible spud carrier;integrated control system;three cable positioning system

中图分类号：U662.9

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2017）01-0058-05

doi：10.7640/zggwjs201701013

收稿日期：2016-08-22

修回日期：2016-10-27

作者简介：王健（1961— ），男，河北石家庄市人，高级轮机长，副总工程师，从事挖泥船技术研究工作。E-mail：[e-mail]