２００９年ｌ２月 第６期 船 舶 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００９ ＮＯ．６ ＳＨＩＰ＆ＢＯＡＴ ［船舶舾装／特种装置］ 浅述大型绞吸船定位移船倒桩装置设计 丁 勇 王振螂 （七Ｏ八研究所 上海２０００１１） ［关键词］大型绞吸挖泥船；定位移船倒桩装置；工作原理；关键技术及特点 ［摘要］大型绞吸挖泥船在重大疏浚工程中具有举足轻重的作用，而新型定位移船倒桩装置是大型绞吸挖泥 船的主要设备，国内首次设计既是攻关重点，又是关键所在。通过阐述新型定位移船倒桩装置的结构组成，工作原 理以及关键技术和特点，对其设计作介绍以供参考。 ［中图分类号］Ｕ６７４．３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００１—９８５５（２００９）０６—００５０—０５ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｏｖｉｎｇ ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｓｃｒｅｗ ｄｒｅｄｇｅｒ Ｄｉｎｇ Ｙｏｎｇ Ｗａｎｇ Ｚｈｅｎｌａｎｇ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ ｓｃｒｅｗ ｄｒｅｄｇｅｒ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｏｖｉｎｇ ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ；ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｆｌｅａｔｕＩ．ｅｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｃｒｅｗ ｄｒｅｄｇｅｒ ｉｓ ｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｄｒｅｄｇｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｗｈｉｌｅ ａｓ ｍａｉｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ ｓｃｒｅｗ ｄｒｅｄｇｅｒ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｔｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ， ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｍｏｖｉｎｇ ｒｅｖｅｒｓｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． 连续设计建造了多艘同类型绞吸挖泥船，在以上的 ０ 引 言 近年来，随着我国重大工程和港口的建设，疏浚 疏浚工程中发挥着主力军的作用，为我国的疏浚事 业作出了巨大贡献。 工程量大面广，挖泥船的需求量大幅上升。我国沿 着海岸线从南到北，有广东湛江航道整治、上海洋山 深水港建设、长江口深水航道治理、天津滨海新区航 １绞吸挖泥船的概况 绞吸挖泥船是水力式挖泥船中较普遍的一种，是 道拓宽、渤海湾曹妃甸围海造田等重大建设项目的 疏浚需要大型绞吸挖泥船，但是这大型绞吸挖泥船 目前世界上使用较广泛的挖泥船。他不仅具备其他 类型挖泥船的优点，还能够将挖掘、输送、排出和处理 新型定位移船倒桩装置不仅对于七。八研究所，就 连国内也从未设计过。作为大型绞吸挖泥船的主要 设备，其既是设计的攻关重点，也是设计合同能否签 定的关键所在。 泥浆等疏浚工序一次完成，且在施工中连续作业。 绞吸挖泥船起源于美国，１８８４年在加利福尼亚 的奥克兰港首次被使用，至今已有１００多年的历史。 绞吸挖泥船不同于耙吸挖泥船依靠船舶航行、 为了拿下该合同，科研设计人员借鉴国外技术， 消化吸收，提出自己的设计理念，而且一次成功，为 耙头耙吸的疏浚装舱作业，它是以船舶定位，绞刀绞 吸疏浚排岸作业。在每工作一个扇形面后，依靠定 位桩台车前进移位或锚泊横向移位，进行新的作业 船东创造了效益，赢得了船东的信任。后期该所又 ［收稿日期】２００９—０７—２９ ［作者简介］丁勇（１９７９．０２一），男，汉族，浙江人，工程师，在读工程硕士，主要从事船舶和海洋工程特种机械设计研究工作。 王振部（１９４２．０１一），男，汉族，福建人，研究员，主要从事船舶和海洋工程特种机械设计研究工作。 ５０ 浅述大型绞吸船定位移船倒桩装置设计 面疏浚。所以定位、移位、倒桩成了绞吸挖泥船的腿 吊系统和绞刀架横移系统布置在船艏，而定位移船 液压浅水倒桩装置布置在船艉，中部为居住生活区。 通常起重机设计在中部和艏部。 在此之前，我国设计的绞吸挖泥船大多是荷兰引 进的的海狸系列。较大的为１ ５００ ｎｌ ／ｈ绞吸挖泥船， 脚及船舶作业行走的工具，可见其重要性。 绞吸挖泥船为非自航式，船体结构为钢质方驳 型。船上设备除了发电机组及生活起居设备外，主 要的疏浚设备由泥泵传动系统、绞刀传动系统、龙门 架、绞刀架起吊系统、绞刀架横移系统、艉部定位移 船液压浅水倒桩装置、起重机辅助设施、吸排管系及 其采用的定位桩统称为铅笔桩，采用一只液压缸顶 升、自由落体插桩的浅水作业，定位移位小型化，人力 操作，依靠人力倒竖桩。其总体布置图外型图见图１。 液压系统等组成。绞刀传动系统、龙门架、绞刀架起 图１ １ ５００ ｍ ／ｈ绞吸挖泥船主要尺度： 总 长 船 型 型 生产量 ７８．０ ｍ ３ ５００ ｍ ／ｈ ２７ ｍ 挖 排 深 远 长 宽 深６２．３ ｍ １２．０ ｍ ４．２ ｍ ６ ０００ ｍ 设计吃水 生产量 挖 排 深 远 ２．６ ｍ １ ５００ ｍ ／ｈ １８．０ ｍ １ ５００ ｍ 而新型大型绞吸挖泥船，其明显的特征是定 位、移位、倒桩系统机构之庞大而复杂（见图２“新 海鲛”号艉部），其技术难度与以往的绞吸挖泥船 相比完全是两个不同的等级。 ３ ５００ ｍ ／ｈ绞吸挖泥船“新海蛟”主要尺度： 总 长 １１１．４０ ｍ 图２“新海鲛”艉部 ２新型定位移船倒桩装置设计简介 新型的定位移船倒桩装置主要由主桩台车装置 船 型 型 长 宽 深 ９２．４０ ｍ ２０．４０ ｍ ５．５０ ｍ 和副桩装置两部分组成。主桩台车装置设于船舶艉 部的中间开槽内，为移动体。副桩装置设置在船舶 ５ｌ 设计吃水 ３．８Ｏ ｍ ● ２００９年ｌ２月 船 舶 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００９ Ｎ０．６ 第６期 ＳＨＩＰ＆Ｂ０ＡＴ 艉部的左舷，为固定体。这两部分的机构特点都是 通过油缸作用实现定位桩的起升、下降、夹紧和倒竖 桩，其原理和操作方法相同，所不同的是主桩具有移 动平台。 装在横轨上，以保证各滚轮能均匀承载。台车平台 是该装置的运动平台，其运动依靠一只液压油缸推 拉遥控操纵来实现。 台车下平台在台车平台上一层，顶部设置２个 定位桩油缸、１个夹紧装置，夹紧装置上设置挡绳 绞吸挖泥船通过定位移船倒桩装置来实现整船 的前进、后退和定位，通过绞刀和泥泵系统实现挖泥 作业。 ２．１主桩台车装置 筒，以阻挡绕桩钢丝绳滑落到夹紧装置内卡住。倒 桩中间平台顶部设置倒桩机构转动臂、倒桩油缸支 撑座、倒桩油缸，供倒竖桩作业之用。上平台为倒竖 主桩台车装置主要由定位桩、台车平台、台车下 平台、倒桩中间平台、上平台、夹紧装置、吊具、导轨、 液压倒桩机构和钢桩门组成。（见图３） 图３ ２．１．１ 定位桩 定位桩结构是一个由不同厚度的钢板焊接构成 的筒状体，不同受力部位所使用的钢板厚度不同。 定位桩的整个外表面光顺，下端是一钢质桩尖，上部 封顶，并装有起吊眼板；桩体上还设有销孔供定位与 倒桩之用；定位桩通过吊具吊索由定位桩顶升液压 油缸升降。现设计的定位桩每次行程约８ ｍ，桩径 ｌ ６００ ｍｍ，圆桩长度达４３ ｍ。 ２．１．２平台 平台分为台车平台、台车下平台、倒桩中间平台 和上平台，所有平台均为全焊接钢结构。台车平台 设有６只在上下导轨间水平行走的滚轮，２只前轮 ５２ 桩时操作定位桩销轴的作业平台。 ２．１．３ 夹紧装置 每根定位桩设有一个可靠的焊接钢结构夹紧装 置，每个夹箍装置设２个夹紧油缸布置于两侧，４片 圆弧钢板供夹住定位桩之用。 ２．１．４ 吊具 吊具为２片半圆弧钢板焊接结构。上端左右各 有一吊耳，分别与２根升桩钢丝绳的一端连接，中部 与绕桩钢丝绳的两端固定，起连接升桩钢丝绳与绕 桩钢丝绳之用。吊具套在定位桩上，起升降定位桩 之用。 ２．１．５导轨 导轨为２根焊接工字粱结构，布置在倒桩中间 平台和上平台上之间。上部为喇叭开口，方便吊具 导人，用以吊具的位置，避免定位桩吊具、钢丝 绳在上下运动中产生旋转与平台发生碰撞。 ２．１．６液压倒桩机构 液压倒桩机构为定位桩竖立、倒放的工作机构。 每只定位桩均设有一套液压倒桩装置，要求安装定 位准确。该机构由转动臂、插销、倒桩油缸、倒桩油 缸支撑座和门柱等组成。两只倒桩油缸推拉转动臂 来实现水深６ ｍ的浅水倒桩。 转动臂为焊接钢结构，设置固定定位桩用的销 轴孔和搁置定位桩臂、转动支承孔，可绕底座旋转。 倒桩油缸支撑座为支撑倒桩油缸的铰点。其为 转动式结构，固定在中问平台正前方，下面与门柱相 连，均采用螺栓连接，便于安装调整及拆装。 ２．１．７钢桩门 钢桩门由两个内部相连的导向架构成，设于定位 桩台车的艉部。它是定位桩的一扇门，起桩柱的导向 作用，并满足在浅水区移船。定位桩导向门的结构设 计成封闭式的半圆弧形门，可防止江河的杂物堆积， 起导流的作用。设计时在下端与船体底部平。 ２．２副桩装置 副桩装置与主桩装置的主要区别是不设台车装 浅述大型绞吸船定位移船倒桩装置设计 置，而且下平台直接与船体焊接，故仍由定位桩、副 桩下平台、倒桩中间平台、上平台、夹紧装置、吊具、 ３．２台车移位及移船原理 台车移位主要是依靠一个双作用油缸来实现。 导轨、液压倒桩机构、钢桩门和下抱箍座等组成（见 图４）。其作用为配合主桩实现船舶前后移位的定 位、主副桩轮换插桩，犹如两条腿行走。其具体结构 其活塞杆端铰接在台车平台上，而油缸固定在船体 甲板上。当台车向船首移时，油缸有杆腔进油活塞 杆收缩，将台车拉向船艏；当台车向后移时，油缸无 这里不再赘述。 图４ ３工作原理 ３．１定位桩的升降原理 定位桩的升降由吊具的绕桩钢丝绳采用８字形 绕法束紧定位桩，而升桩钢丝绳一端固定，另一端通 过油缸顶部滑轮再与吊具连接，依靠定位桩油缸活 塞杆伸缩来实现。定位桩油缸的行程设计为４ ｍ， 一次行程可升降定位桩８ ｍ。当定位桩的升降完成 一个行程８ ｍ时，需要由夹紧装置夹紧定位桩，然 后，定位桩油缸回程，吊具钢丝绳回落；再进行第二 次的束桩，油缸顶升，定位桩再次提升，通过轮换动 作，可以控制桩的升降行程及插桩与拔桩。 当进行新一轮升降时，如上循环，以达到所需要 的升降长度。 杆腔进油，活塞杆前伸，将台车推向船艉。其与 电缆由导向链跟随台车移动，防止绕曲。 移船是由主、副桩轮换动作来实现。如果向前 移船，主桩台车应处于台车油缸收缩状态，且主桩插 入泥土、副桩收起，油缸无杆腔进油使活塞杆伸出而 将船向前推。当要继续向前推时，将副桩插入泥土， 主桩收起，主桩台车恢复原位。再将主桩插入泥土， 副桩拔起，油缸重复上述动作；如果向后移船，而主 桩台车初始位置应处于台车油缸活塞杆伸出状态， 然后主桩插入泥土，副桩拔起，油缸活塞杆腔进油， 使油缸收缩，则船向后移，重复上动作，继续向后移。 这种移船原理同常规台车移船原理相同，所不同的 是台车行走机构的设计理念不同，受力和拆装方式 不同。 本绞吸挖泥船作业，每次移位一个绞刀长度约 ２ ｍ，而台车移动的最大行程为６ ｍ，故定位一次可 实现三次绞刀移位疏浚。 ３．３液压倒桩原理及步骤 本船倒桩机构可实现深、浅水倒桩，而浅水倒桩 因重心高受力大，更是对倒桩机构的考验。其倒桩 最小吃水约为６ ｍ，主副桩的倒桩机构相同，动作原 理及步骤如下： （１）起升定位桩使桩尖接近船体基线规定距离 时，夹紧油缸动作，夹紧定位桩； （２）再次将定位桩提升至规定高度，夹紧装置 也随着提升。此时倒桩油缸伸长，使转动臂竖起靠 紧定位桩，然后插销插入桩下面的定位销孔； （３）将定位桩下放，使定位桩销轴搁于转动臂 的钩爪上，此时再将上部的销轴插入桩上面的定位 孔，将桩与倒桩装置连成一体固定住定位桩； （４）定位桩升降油缸回程，拆除起升钢丝绳，夹 紧装置的及导轨。再固定桩上的设备，并保证 夹紧装置距底座有一定的距离，目的防止在倒桩过 程中，夹紧装置碰触底座； （５）打开钢桩门； （６）倒桩油缸收缩，使定位桩缓慢倾倒到水平 位置。主副桩的实船倒桩过程和搁平状态见图５、 图６。 ５３ ２００９年ｌ２月 船 舶 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００９ 第６期 ＳＨＩＰ＆Ｂ０ＡＴ Ｎ０．６ 起升机构中定位桩套装锁具为新型的吊具设 计，使得抱桩钢丝绳和起升钢丝绳的受力平衡、吊桩 平稳且拆装十分方便，减轻了船员的劳动强度。 ４．３液压夹紧机构设计 本船采用定位桩夹紧机构是通过双油缸驱动夹 紧盘来固定定位桩。在以往的设计中，固定定位桩 一般采用人工插销的方法，即在定位桩上平均打出 很多个孔，需要固定时，就在附近的孔中插入销子。 图５ 图６ ４关键技术及其特点 ４．１ 大直径定位柱结构的优化 为了保证作业的可靠性和稳定性，本船采用了 高强度钢板卷制而成的定位桩结构，直径达到 １ ６００ ｍｍ、长度达到４３ ｍ、桩重７０余吨，是当时国 内挖泥船设计最大最长的定位桩。定位桩结构在不 同受力部位采用了不同的钢板厚度，既满足不同工 况下的使用强度要求，又减轻定位桩的重量。 ４．２定位桩双油缸起升机构的应用 以前设计的起升机构大都是采用铰轴式单油缸 起升，缺点是单油缸起升定位桩会因为受力不平衡 而使定位桩发生倾斜和偏转。本次设计采用了国际 上先进的双油缸同时起升单根定位桩的机构，使得 定位桩平衡受力，不发生偏转和倾斜，整个起升过程 平稳，提高了系统的安全性和稳定性。而且油缸支 承座为球铰座，改善油缸受力强度。 ５４ 该方法的缺点是：定位桩上有很多孔，降低了桩的结 构强度；每次固定都需要人工插销，增加船员劳动强 度，降低效率；定位桩固定位置只能在销孔处，定位 的准确性较差，不能满足所有工况。 而本船采用先进的定位桩夹紧机构，很好地克 服了以往设计的种种缺陷。定位桩固定的位置可以 随时调整、随处可夹紧、无需定位，方便灵活，自动化 程度高。 ４．４实现浅水倒竖桩的理念 每只定位桩均设有一套液压倒桩装置，由２只 倒桩油缸推拉转动臂来实现，可将负重９０多吨的桩 体在浅水状态实现液压倒桩；同时，在油缸支撑座上 设计转动铰点，解决了力的良好传递，吸收钢桩水平 方向摆动力，改善油缸受力方向，保护油缸。设计中 还考虑到了机构的定位和拆装的方便性，且在转动 臂上还设计了防脱定位销机构。整套液压倒桩装置 操作简便，大大降低船员劳动强度，提高了效率，倒 桩周期大大缩短，一般在一天内完成，较绞车倒桩缩 短时间６～７倍，同时实现了在浅水区（水深在６ ｍ 处）倒竖桩，解决实际工程需求。 而以前同类型的船采用的是液压绞车钢索牵引 进行倒桩，船员操作麻烦，准备时间长，整个周期要 花一周时间，且安全性差，更重要的是不能在浅水倒 桩，很难满足浅水作业工况。 ５ 结 语 本装置现已成功安装到四条大型绞吸挖泥船上 施工作业，并在后续船的设计中继续它的使命。据 用户反应，该新型的定位移船倒桩装置设计难度大、 工艺复杂、使用性能稳定可靠、效率高，能够满足各 种工况的施工要求，性能指标完全达到设计要求，在 施工过程中无不良记录，得到了一致好评。 我们深信，随着我国国民经济的高速发展，该新 型定位移船倒桩装置的应用前景将更为广阔。一
