馮永軍，陳新權(quán)，丁金鴻，楊啟

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

1 概述

目前，絞吸挖泥船在航道維護(hù)、圍海造地及碼頭建設(shè)等工程中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。對于絞吸挖泥船而言，安裝有絞刀頭、水下泵、泥管、橫移滑輪等一系列設(shè)備的橋架是施工設(shè)備系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)[2]，它對整個絞吸挖泥船的主尺度以及整體布局有著重要的影響。本文從橋架的絞刀驅(qū)動方式、傳統(tǒng)耳軸的種類及安裝位置、新型耳軸等方面將目前疏浚行業(yè)中主流絞吸挖泥船常用的各種橋架作一描述和比較。

2 橋架形式

絞吸挖泥船的主船體平面一般縱向外形呈H形，即其首端、尾端分別設(shè)有開槽，一端開槽安裝有用于定位的鋼樁臺車系統(tǒng)，另一端開槽安裝有裝備了絞刀頭的橋架系統(tǒng)。在施工過程中，將橋架放下，使絞刀頭下放到待挖航道的底部。在鋼樁臺車、左右橫移絞車鋼絲繩等的共同作用下，使橋架及絞刀頭在一定范圍內(nèi)做循環(huán)弧形運(yùn)動，從而完成施工任務(wù)[3-4]。

絞吸挖泥船的發(fā)展經(jīng)歷了一個從小型到大型再到超大型的過程[5]。早期小型絞吸挖泥船所用的橋架是桁架式結(jié)構(gòu)，泥管布置在橋架內(nèi)部。“福閩六號”的橋架即為此種方式。

小型挖泥船經(jīng)常使用的還有一種管筒式橋架，即整個橋架是一個長筒形結(jié)構(gòu)，一端裝有橫移滑輪和絞刀頭，另一端以鉸接的形式和船體連接在一起。泥管一般不是布置在橋架內(nèi)部，而是布置在橋架外部的下方。海貍號系列絞吸挖泥船Beaver 300的橋架即為此種形式。

一般說來，桁架式橋架與管筒式橋架主要應(yīng)用于在湖泊、內(nèi)河施工的疏浚船舶上，這些挖泥船的尺度不大，絞刀的功率和泥管的直徑都較小，橋架上不安裝水下泵。

圖1 橋架系統(tǒng)Fig.1 Bridgeladder system

隨著絞吸挖泥船的發(fā)展，橋架上需要布置的設(shè)備越來越多，同時也要承載越來越大的作用力，桁架式和管筒式結(jié)構(gòu)逐漸不能滿足使用要求?，F(xiàn)在主流絞吸挖泥船所用的橋架一般為各種板材和型鋼組成的鋼質(zhì)焊接箱型殼體結(jié)構(gòu)，在左右兩側(cè)各設(shè)有一個邊箱，邊箱之間利用頂部和底部的橫梁連接成為橫向框架。在橋架的頂部設(shè)有一定數(shù)量的開孔，以利于泥管的進(jìn)出和泥泵等設(shè)備的吊入、安裝。橋架尾端設(shè)有和船體連接的橋架耳軸，首端的形狀逐漸收縮，以方便安裝絞刀頭。安裝在船體上的橋架起橋絞車，其鋼絲繩通過門架和橋架上的滑輪，可以使橋架圍繞耳軸旋轉(zhuǎn)，完成升降任務(wù)，見圖1。其中狀態(tài)1為船舶調(diào)遣時橋架的固定狀態(tài)，狀態(tài)2為最淺挖深時橋架的狀態(tài)，狀態(tài)3為最大挖深時橋架的狀態(tài)。

橋架上安裝有大量的設(shè)備，主要有絞刀頭及其驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、水下泵及其驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、橫移絞車及橫移鋼絲繩、橫移滑輪、泥管及大量的電纜、管路，需要通盤考慮，進(jìn)行布置。

挖深是衡量絞吸挖泥船的一個重要指標(biāo)，這決定了其可以施工的極限工況，也決定了橋架的長度，同時也決定了臺車定位系統(tǒng)的鋼樁長度。目前，絞吸式挖泥船最大挖深能夠達(dá)到25~35 m之間，最小挖深則和船體的吃水有著極大的關(guān)系。對于船體的總布置而言，橋架的最大挖深是確定船長的重要因素之一，它和對應(yīng)的橋架傾斜角直接影響船首開槽長度。同時，由于橋架內(nèi)部設(shè)有水下泵，橋架頂部安裝有2臺體積較大的橫移絞車等，這些都要求橋架有足夠的寬度。而橋架的寬度則直接影響船首開槽寬度?？梢?，在船體設(shè)計(jì)初期的主尺度確定階段，即應(yīng)充分考慮橋架尺度對總體布置的影響。

絞刀頭在挖泥尤其是挖巖工作時，橋架受到很強(qiáng)的反震力，容易將絞刀頭彈起，導(dǎo)致其不能正常工作，此時需要橋架具有足夠的重量，將絞刀頭壓入泥或巖石，天鯨號絞吸挖泥船在挖掘巖石時，為了使橋架具有足夠的重量，特別在橋架上配置了約880 kN重的壓鐵[6]。

3 絞刀驅(qū)動方式

根據(jù)絞刀的驅(qū)動動力源的不同，可分為液壓馬達(dá)驅(qū)動和電力驅(qū)動。在目前的設(shè)計(jì)中，電力驅(qū)動已經(jīng)成為主要趨勢。電力驅(qū)動涉及到的設(shè)備有電機(jī)、傳動軸、齒輪箱等，根據(jù)這些設(shè)備的差異，可以分為長軸驅(qū)動和短軸驅(qū)動。

圖2 長軸驅(qū)動橋架系統(tǒng)Fig.2 Bridge ladder system drived by long axis

長軸驅(qū)動是指絞刀的電機(jī)安裝在橋架末端，這樣，即使在橋架旋轉(zhuǎn)至最大角度、達(dá)到最大挖深時，絞刀電機(jī)仍處于水線以上，但是，如此一來，電機(jī)與安裝在橋架首端的絞刀頭之間便形成很長的距離，它們之間需要通過絞刀齒輪箱、絞刀軸中間軸承以及很長的絞刀傳動軸連接在一起。一般大型的絞吸挖泥船，其橋架長度至少在50 m左右，這樣便給設(shè)備之間的準(zhǔn)確定位以及傳動軸的強(qiáng)度等都提出了很高的要求。上海交通大學(xué)船舶與海洋設(shè)計(jì)研究所為天津航道局設(shè)計(jì)的“天麒號”、“天麟號”均為長軸驅(qū)動，驅(qū)動絞刀的2臺電動機(jī)總功率達(dá)2 000 kW，電動機(jī)和絞刀齒輪箱安裝在耳軸附近的橋架頂部，采用多個水潤滑的滑動軸承座支持剛性長軸驅(qū)動，絞刀齒輪箱內(nèi)設(shè)置雙向止推滑動軸承，該船絞刀電機(jī)與絞刀頭之間的距離約為45 m[7]，見圖2。與之相對照，短軸驅(qū)動方式中，絞刀電機(jī)與絞刀頭之間的距離相對較短，在挖泥工作時，絞刀電機(jī)及其齒輪箱等一般均處于水線以下。這種驅(qū)動模式中，水下電機(jī)及齒輪箱等都需要達(dá)到一定的防水要求。自航絞吸挖泥船“天鯨號”采用的是短軸驅(qū)動方式。圖3所示為非自航絞吸挖泥船“長獅10”的橋架系統(tǒng)圖，該圖中絞刀電機(jī)與絞刀頭之間的距離約為19.5 m。

圖3 短軸驅(qū)動橋架系統(tǒng)Fig.3 Bridgeladder system drived by short axis

4 橋架耳軸

橋架耳軸是橋架與船體連接的關(guān)鍵部件，其一端承載橋架的重量等，另一端則坐落在船體的耳軸支撐座上。早期的小型絞吸挖泥船上的小型橋架，與船體采取相對簡單的鉸接形式。

隨著絞刀功率的不斷增加及橋架重量的增大等，橋架耳軸也有了不同的形式。由于橋架在左右兩側(cè)設(shè)有兩個邊箱，所以一艘絞吸挖泥船在左右兩舷各設(shè)有1個耳軸。橋架上對應(yīng)耳軸開孔部分，一般利用邊箱結(jié)構(gòu)加工成耳軸套管形式。船體上相應(yīng)也要制作耳軸的支撐結(jié)構(gòu)，即耳軸支撐座?，F(xiàn)在主流絞吸挖泥船上采用的耳軸主要有兩種形式，第一種如圖4，一般橋架耳軸安裝在主甲板船體之上。而對于重型絞吸挖泥船，則多采取圖5所示形式，橋架耳軸垂向位置低于主甲板，即耳軸安裝在主甲板之下船體內(nèi)。這兩種形式各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一種形式，由于橋架耳軸支撐座整體均位于主甲板之上，制作起來比較簡單，安裝以及檢修均比較便利。而第二種形式，由于橋架耳軸支撐座整體位于船體內(nèi)部，制造難度相對較大，耳軸的安裝、檢修、拆裝均有一定的難度。從受力角度看，第一種形式耳軸支撐座只有下部與船體連接，而第二種形式中整個耳軸支撐座均與主船體相連接，其受力較第一種為佳。

圖4 第一種橋架耳軸安裝位置Fig.4 Installation location of thefirst trunnion of bridgeladder system

圖5 第二種橋架耳軸安裝位置Fig.5 Installation location of the second trunnion of bridge ladder system

由于施工環(huán)境的不同，一些絞吸挖泥船除了設(shè)有橋架與船體連接所必需的橋架耳軸外，還設(shè)有一些其他形式的耳軸。

4.1 高低耳軸

某些絞吸挖泥船，在挖深方面有比較特殊的要求，即在最小挖深比較淺，而在最大挖深比較深，單獨(dú)1個耳軸很難滿足使用要求。設(shè)計(jì)者因此采取了高低耳軸的方案。從理論角度講，可以有兩種處理方式：1）橋架上在高低不同的位置上設(shè)置2個耳軸孔，船體上則只設(shè)1個耳軸安裝位置，這樣可以通過更換橋架上的耳軸孔來改變橋架相對于船體的位置。2）橋架上只設(shè)有一個耳軸孔，船體上則在高低不同的位置上設(shè)有2個耳軸支撐座。這樣可以通過更換船體上的耳軸支撐座來改變橋架相對于船體的位置。但是，在實(shí)際應(yīng)用中可以看到，第一種方案實(shí)施起來比較困難，因?yàn)闃蚣苌弦话愣佳b有水下泵和泥管，而泥管在橋架的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)即橋架耳軸處設(shè)有一定長度的橡膠軟管，如果橋架上有2個耳軸孔，那么或者在該2處位置設(shè)置泥管與橡膠軟管，或者在使用過程中相應(yīng)更換泥管與橡膠軟管。這從橋架系統(tǒng)的布置與施工操作的角度看都不方便、不現(xiàn)實(shí)。這種處理方法也會給橋架的結(jié)構(gòu)及布置造成極大的困擾。目前常用第二種方案，船體上有2個橋架耳軸安裝位置，并配備與之相應(yīng)的泥管。其中一個耳軸安裝位置比較高，在淺挖深時在此處安裝耳軸；另一個安裝位置比較低，在深挖深時在此處安裝耳軸。

4.2 維修耳軸

在某些絞吸挖泥船中，橋架耳軸的安裝位置較低，橋架耳軸系統(tǒng)無論是橋架部分還是在船體上的支撐座部分均處于主甲板以下，給橋架耳軸的檢查、維修帶來極大不便。為了解決這一問題，在橋架系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，引入了維修耳軸的概念。

在正常工作狀態(tài)下，橋架系統(tǒng)只安裝橋架耳軸，完成橋架尾端與船體的連接。此時，橋架維修耳軸處于拆除狀態(tài)。只有在需要維修橋架耳軸時，才安裝橋架維修耳軸，這樣，在拆除橋架耳軸后，橋架絞車放出連接橋架的鋼絲繩，橋架在自重作用下可繞橋架維修耳軸旋轉(zhuǎn)，使橋架耳軸端（即橋架尾端）上升，直至露出主甲板，為維修、養(yǎng)護(hù)橋架耳軸提供便利。見圖6。

圖6 維修耳軸Fig.6 Repairing trunnion

圖7 橋架維修耳軸系統(tǒng)布置圖Fig.7 Arrangement of repairing trunnion of bridge ladder system

橋架維修耳軸系統(tǒng)可以分為兩大部分，即橋架受力構(gòu)件部分和船體受力構(gòu)件部分，見圖7。

橋架受力構(gòu)件的主要功能是與橋架維修耳軸相配合，橋架的重量通過該部分傳遞到橋架維修耳軸之上。由于涉及到橋架兩側(cè)箱體開孔，在該部分的設(shè)計(jì)過程中，既要考慮到與橋架維修耳軸配合的問題，也需要考慮橋架在挖泥過程中的受力特點(diǎn)，盡量減少開孔對橋架整體強(qiáng)度的影響。

5 結(jié)語

絞吸挖泥船的工作環(huán)境一般都比較惡劣，橋架的受力非常復(fù)雜，由于橋架從結(jié)構(gòu)上講是以耳軸為支點(diǎn)的懸臂梁，因此，如何使橋架本身、橋架耳軸以及船體上的橋架耳軸支撐座能安全、正常地工作是設(shè)計(jì)者需要認(rèn)真考慮的問題。

橋架上承載著許多不同的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動力性能需要深入地研究和探討。而這些設(shè)備的技術(shù)規(guī)格不但影響橋架形式的選取與具體的設(shè)計(jì)，其技術(shù)進(jìn)步也將影響橋架性能的提高與改善，這都需要絞吸挖泥船設(shè)計(jì)者投入精力進(jìn)行關(guān)注與研究。

在一些自航絞吸挖泥船的設(shè)計(jì)中，橋架的設(shè)計(jì)也將遇到新的問題，比如，是以船體安裝橋架的一端為船首，還是以安裝鋼樁臺車的一端為船首，便需要進(jìn)行詳細(xì)、深入的分析、論證。選擇橋架端作船首也會帶來一些新的問題，如橋架型線與船體型線如何配合，船舶航行時橋架拍擊如何處理等等，都需要設(shè)計(jì)者充分考慮。