（轮机工程专业论文）绞吸式挖泥船三锚定位系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 绞吸式挖泥船通常作为适用于疏浚各类土质的一种非自航设备。近几年来， 随着国内大型围海造陆工程的出现，国内绞吸式挖泥船迅猛发展。绞吸式挖泥 船的大型化、挖深的增加以及工作环境从内河到近海挖泥的转移，使得传统钢 桩定位系统的使用已受到了严重的限制。三锚定位系统为绞吸式挖泥船的定位 方式之一，由三根弹性钢缆组成。比起“钢桩定位”方式，它更适合大挖深、 大风浪等恶劣工况，但其原理上更复杂，对技术要求更高。三锚定位系统一般 设置在船尾中部，由锚绞车、锚、钢索、定位树、固定结构组成。本文以某2 0 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船为前期研究对象，从三锚定位系统的设计、定位树装配体的三维 建模和应力分析、定位树的模态分析、定位控制系统四个方面开展了以下研究： 1 根据三锚定位系统工作原理，确定其结构形式和系统组成； 2 确定三锚定位系统外界载荷，详细分析了横向挖泥、纵向进刀、锚泊三 种工况下受力情况，找到了各工况下绞车所需拉力极大值，为后续设计 分析提供依据； 3 根据拉力极值，校核计算三锚定位系统各主要部件，最终确立了绞车、 钢丝绳、锚的参数，同时也确立了定位树的具体形式和结构尺寸草图。 4 根据草图建立定位树装配体的三维模型，借助有限元软件得到了各工况 下定位树的应力及应变云图，并在此基础上加以了分析和研究； 5 分析三锚定位系统各工况下的模态。 6 设计一种三锚定位控制系统，介绍了其原理和实现过程，给出误差范围 和可行性。 通过以上工作，实现和优化了绞吸式挖泥船三锚定位系统的设计。 关键词：绞吸式挖泥船，三锚定位系统，有限元，控制系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec n t t e rs u c t i o nd r e d g e ri san o ns e l f - p r o p e l l e dd r e d g e rg e n e r a l l yt ob es u i t a b l e f o rd r e d g i n ga l lk i n d so fs o i l r e c e n t l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yc o a s t a l p o r t , s o m el a r g e rp r o j e c t sl i k er e c l a i m i n gl a n df r o mt h es e ah a v ea p p e a r e d t h i s r e s u l t si nt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec u t t e rs u c t i o nd r e d g e ri nm yc o u n t r y a tt h e s a m et i m et h ed r e d g i n ge n v i r o n m e n tc h a n g e sf r o mi n l a n dr i v e rt oc o a s t a lw a t e r t h e t r a t i o n a l ”s p u dp o s i t i o n i n g ”b e c o m em o r ea n dm o r ed a n g e r o u s t h ec h r i s t m a s t r e e ” s y s t e mw h i c hi sm a d eo ft h r e ee l a s t i c i t ya n c h o rw i r e si so n eo ft h em e t h o d so f p o s i t i o n i n gc u t t e r s u c t i o nd r e d g e r c o m p a r e dw i t h ”s p u dp o s i t i o n i n g ”，i t sm o r e s u i t a b l ef o rt h eu n f a v o r a b l ec o n d i t i o n sl i k ed c 印w a t e ra n ds t r o n gw a v e s b u ti ti s m o r ec o m p l i c a t e di np r i n c i p l ea n dh a st om e e th i g h e rt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s “t h e c h r i s t m a st r e e s y s t e mp o s i t i o n sc o m m o n l yo i lt h es t e mo fc u t t e rs u c t i o nd r e d g e r i t i sc o m p o s e do f a n c h o rw i n c h 、a n c h o r 、s t e e lc a b l e 、p o s i t i o n i n gt r e e 、f i x e ds t r u c t u r e t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e so n eo f2 0 0 0 m 3 hc u t t e rs u c t i o nd r e d g e r sa sm ye a r l i e rs t u d y o b j c c li nt h r e ea s p e c t s ：t h ed e s i g no f t h ec h r i s t m a st r e e s y s t e m 、m a k i n gt h e 3 一dm o d e la n ds t r e s sa n a l y s i so f t h ep o s i t i o n i n gt r e e 、p o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m ，i m a k et h es t u d ya sf o l l o w s ： 1 a s c e r t a i n e dw h o s es t r u c r l r ef o r ma n ds y s t e mc o m p o s i t i o na c c o r d i n gt o “t h ec h r i s t m a st r e e ”s y s t e mo p e r a t i n gp r i n c i p l e 2 a s c e r t a i n e d “t h ec h r i s t m a st r e e ”s y s t e me x t e r n a ll o a d ；h a v i n ga n a l y s e d d e t a i l e d l yi t sf o r c eu n d e rt h r e ek i n d so fw o r k i n gc o n d i t i o n s ：d r e d g i n g t r a n s v e r s e l y 、a d v a n c el o n g i t u d i n a l l ya n da n c h o rm o o r i n g ；h a v i n gf o u n d e x t r e m e l yl a r g ev a l u et h a tw i n c hp u l l i n gf o r c en e e d su n d e re v e r yw o r k i n g c o n d i t i o n ，p r o v i d e da b a s i sf o rt h ef o l l o w - u pd e s i g na n da n a l y s i s 3 b a s i n go np u l l i n gf o r c ee x t r e m a l ，c h e c k e dm a i nc o m p o n e n ti nc h r i s t m a s t r e es y s t e m ；a s c e r t a i n e dt h ep a r a m e t e ro f w i n c h ，s t e e lc a b l e ， a n c h o r ； e s t a b l i s h e dd e t a i l e ds t r u c t u r ef o r ma n dd r a w i n go f t h ep o s i t i o n i n gt r e e 4 m a d ew h o s e3 - dm o d e la c c o r d i n gt ot h ed r a w i n go f t h ep o s i t i o n i n gt r e e ； h a v i n gg o tt h et r e e 。ss t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tc l o u da t l a su n d e re v e r y 武汉理工大学硕士学位论文 w o r k i n gc o n d i t i o nb yt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e 5 m a k em o d ea n a l y s i so f “1 1 艳c h r i s t m a st r e e ”s y s t e mu n d e rt h r e ek i n d so f w o r k i n gc o n d i t i o n s 6 d e s i g n e do n ek i n d so f “t h ec h r i s t m a st r e e ”c o n t r o ls y s t e m i n t r o d u c e d w h o s ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o np r o c e s s ，g a v e e r r o rr a n g ea n df e a s i b i l i t y a l la b o v ew o r k sh a v er e a l i z e da n do p t i m i z e d “n l ec h r i s t m a s t r e e ”s y s t e m d e s i g ni nt h eo u tc o u n t r y sc u t t e rs u c t i o nd r e d g e r k e yw o r d s ：t h ec u t t e rs u c t i o nd r e d g e r , “t h ec h r i s t m a st r e e ”s y s t e m ，t h ef i n i t e e l e m e n t , c o n t r o ls y s t e m l i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名；蔓坌e t 期：竺：2 ：! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：埤导师签名：堡型日 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 近些年来，随着国内经济的稳步增长，国内港口，尤其是区域性重点港口 发展势头迅猛，相继新建、改建、扩建大泊位、集装箱泊位、深水航道。 “十 五”期间沿海港口将新增深水泊位1 6 4 个，改造深水泊位4 5 个，新增吞吐能力 3 4 亿吨以上，新增集装箱吞吐能力1 9 4 0 万箱，到2 0 1 5 年深水泊位达到8 2 0 个， 总吞吐能力达到1 7 亿吨以上；长江1 3 航道整治工程达到一1 2 5 米水深。 北方沿海及渤海湾地区多以挖入式结合陆域回填的形式兴建港口，将港池、 航道开挖与码头后方回填有机的结合起来，收到事半功倍的效果，既可加快港 口建设速度又可节省港口建设投资。而绞吸式挖泥船多采用这种兼挖吹为一体 的施工工艺m 嘲。 以下为部分港口的具体疏浚情况： 1 大连港：土质为碎石夹杂粘土，吹填。 2 天津新港：土质为淤泥、粘土、粉土，吹填。 3 天津临海工业区：土质为淤泥、粘土，吹填。 4 营口港：土质为砂、粘土、淤泥，吹填。( 另有计划的马仙人岛3 0 万吨 原油码头工程) 5 锦州港：土质为粘土( 3 6 级土) ，吹填。 6 曹妃甸：土质为砂，吹填。 7 烟台港：土质为亚粘土，吹填。 8 日照港：土质为亚粘土、粗砾沙，吹填。 9 深圳大铲湾：土质为粘土、砂及部分风化岩，吹填。 1 0 长江口：土质为淤泥、砂，吹填。 总之，从近几年来看，吹填工程量巨大。一方面，现有的小型绞吸式挖泥 船的挖深为1 8 m ，已不能用于潮差较大的l o 万吨级港口疏浚工程，对于1 5 万 吨级港口的疏浚工程则完全不能使用；另一方面，随着挖深的加大，土质随之 变硬，还有一些新开港口具有的特种土质，导致国内现有绝大部分绞吸式挖泥 船难以适应。因此最近大中型绞吸式挖泥船在我国悄然兴起咖州。 武汉理工大学硕士学位论文 随着绞吸式挖泥船的大型化、挖深的增加以及工作环境从内河到近海挖泥的 转移，传统钢桩定位系统的使用已受n t 严重的限制。三锚定位系统由三根弹 性缆绳组成，在抗风浪方面大大优于刚性定位的钢桩定位系统，近期在部分大 中型绞吸式挖泥船上受到了亲睐。建立和优化三锚定位系统设计方法，对我国 绞吸式挖泥船的大型化和疏浚行业有着非常特殊的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 绞吸式挖泥船国内外研究现状 绞吸式挖泥船源于美国并在全世界获得了极其广泛的应用。1 8 8 4 年在美国 加利福利亚的粤克兰港，用一艘具有圆柱状绞刀的绞吸式挖泥船挖掘一层层的 砂石，其排泥管直径达5 0 0 m m ，泥泵直径达1 8 m 。这是全世界严格意义上的第 一艘绞吸式挖泥船，随后在1 9 世纪末2 0 世纪初迅速发展。 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，中东地区深水港的建设需要开挖大量坚硬的 土质和岩石，且疏浚区域大多在无掩护的海区，因此大中型绞吸式挖泥船在部 分发达国家得到充分发展。其中最具代表性的是自航绞吸式挖泥船“j e j d e n u l ”号“，它由荷兰i h c 公司研发设计和建造，是当时世界上外形最大和装机 功率最强的，采用计算机进行辅助计算和模拟，对安装在船上的所有系统和结 构设计进行检验，加以改进伽m 。主要体现在以下几个方面： 1 ) 对所有大型构件和重负荷区域都运用有限元法( f e m ) 进行计算。大型 构件主要包括整个绞刀桥架和定位桩台车，重负荷区域主要包括绞刀桥架的耳 轴、卧倒轴、锁定销、船体、双层底、定位桩、应急备用定位桩提升系统、船 舶舷侧等。计算结果可以为这些大型构件和重负荷区域在应力、疲劳优化方面 提供参考。 2 ) 对动态部件进行动载计算。动态部件主要包括各驱动装置，如推进轴系、 绞刀驱动轴系、泥泵驱动轴系等。通过对它们进行扭振计算，一方面了解振动 对结构的影响，另一方面了解疲劳的破坏作用和振动噪声的激励源。根据这些 计算结果，对各个结构的设计详图进行改进，降低住舱内的噪音水平和环境噪 音水平。 3 ) 对动态过程进行动态模拟。其一是绞刀作业动态模拟。模拟的结果用作 扭转、疲劳和应力计算的输入数据。其二是定位桩下落过程动态模拟。此过程 2 武汉理工大学硕士学位论文 较复杂。定位桩悬挂在提升钢索上下落，然后利用提升绞车上的制动器通过提 升钢索控制其自由下落。当定位桩撞击地面后钢索会形成一定的松弛量，由波 浪补偿器的液压缸收起来补偿其松弛量。进行这样一项多参数模拟可以使人们 深入了解定位桩的动态过程，最后根据模拟结果优化控制系统。 4 ) 对船体性能进行流体力学模拟研究。该研究可以预测挖泥船在海况下的 性能，对于获得设计条件和了解船舶运动对疏浚作业连续性的影响尤其重要。 船体的形状是疏浚要求和造船学之间的折衷产物：为在狭窄的航道内开挖边坡， 要求船体较短；为将水流导向螺旋桨，要求船体具有流畅的线型；同时还应有 足够的浮力来补偿绞刀桥架的重量。为对该自航绞吸式挖泥船的船体形状和推 进器的布置进行优化，需进行流体动力学( c f d ) 计算，然后根据计算建立有效 船模，通过模型试验反复验证。 近几年来，我国挖泥船建造行业迎来了蓬勃发展的大好时光，国企民企齐 头并进。挖泥船的建造无论在数量上、性能上，还是在高科技含量和质量上都 有了新的飞跃。疏浚设备的开发、研制也上了新的台阶。大中型绞吸式挖泥船 从2 0 0 4 年至今已建的和在建的共有十几艘，全部都采用了国际先进技术一水 下泵、舱内泵串联接力，大大提高了挖泥的施工效率。但就目前国内的现状而言， 我国还停留在模仿探索阶段。关键设备研发手段和试验技术条件欠缺，主要通 过配置大功率、重结构以期获得强能力、高产量。国外先进公司的设计思路主 要是通过对实际挖泥过程的技术特性研究来改善挖泥船设计，高效节能地实施 挖泥和输送，而我国相关方面研究起步较晚，试验条件有限，与国外还有很大 差距。 1 2 。2 三锚定位系统国内外研究现状 三锚定位系统在国外称为圣诞树系统，主要由定位尾锚、绞车，定位树等 组成。锚缆通过滑轮集结到挖泥船下面，然后呈一定角度抛开。该系统基于这 样一个事实：通过三个固定点到某一点的距离确定这个点的位置【9 l f 。 绞吸式挖泥船较发达的国家，很早就在大中型绞吸式挖泥船上配有三锚定 位系统，4 律航2 1 5 ”就是典型的代表，见图1 ，以下是这条船的具体参数： 船型：绞吸式挖泥船 总长：1 1 3 0 1m 型宽：1 9 0 0m 武汉理工大学硕士学位论文 型深：5 8 0m 满载吃水：4 2 9m 公称生产率：2 5 0 0m 3 h 挖深：6 3 0m 吸管直径：8 0 0 咖 排管直径：8 0 0 咖 排距：5 0 0 - 4 5 0 0m 总装机功率：1 0 8 0 5k w 绞刀头功率：1 5 0 0k w 定位方式：定位桩台车、三锚定位图卜1 津航2 1 5 出厂日期：1 9 8 5 年 建造厂：日本i h i 由以上参数可知：早在8 0 年代日本就已经拥有成熟的三锚定位系统，并在 大型绞吸式挖泥船上实施。 由表1 可知，我国近两年建造的大中型绞吸式挖泥船中也有很多配有国产 三锚定位系统，但基本上都是模仿“津航2 1 5 ”，在其测量基础上进彳亍放大和缩 小，处于探索阶段，还没有建立完善的设计指导理论和方法。 表1 - 12 0 0 4 2 0 0 5 年国内建造大中型绞吸挖泥船统计m 】 序船东产量设计建造日期定位疏浚 号单位( m 3 h )单位 单位 ( 年月) 方式设备 1上海航道局 3 5 0 0 七0 八研究所南通港闸 0 5 定位桩台车 全国产 2南海龙湾 3 0 0 0 荷兰i i l c广州文冲 0 3 0 4定位桩台车 全进口 3 上海多菱 3 0 0 0上海交大南通港闸 0 5 三锚定位 全国产 4舟山浩驷3 0 0 0上海星字福建4 8 0 7 0 5 8 三锚定位 全国产 5舟山3 0 0 0上海星宇舟山秀山0 5 三锚定位全国产 6南通海宏3 0 0 0上海交大南通亚华 0 5 三锚定位全国产 7 舟山远东 3 0 0 0 上海交大 南通港闸0 5 兰锚定位全国产 8 舟山海红 3 0 0 0 上海宏冠 台州宏冠0 5 定位桩台车全国产 9 浙江温岭 2 0 0 0 上海宏冠温岭松门 0 4 0 5 三锚定位 全国产 1 0 上海航道局 2 0 0 0 上海交大 南通港闸0 5 三锚定位 全国产 1 1 丹东航道局1 5 0 0七0 八研究所 0 4 0 5 定位桩台车全国产 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本论文主要研究内容 本文基于2 0 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船，建立三锚定位系统的近海力学模型，结 合美国m s c 公司有限元计算软件分析平台m s c n a s t r a n 对三锚定位系统的关键 部件定位树结构进行分析计算，结合绞吸式挖泥船的施工原理，提出合理的三锚 定位系统定点控制方案，实现整个系统的优化设计。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章绞吸式挖泥船及三锚定位系统介绍 2 1 绞吸式挖泥船简介 绞吸式挖泥船是目前世界上应用最广泛的一种水力式挖泥船。它不但可以 承担开河筑港、填土造陆、开挖码头、船坞、疏浚航道、抽水抗旱、吹淤改良 土壤及开挖渠道等项工作，而且能够开挖除岩石以外的任何土质o ”。它效率高、 成本低，在疏浚业广泛应用。其工作由下列三道工序组成： 1 ) 将需要排除的泥土与水底分开； 2 ) 提升被分开的泥土； 3 ) 将泥土排至所需地点。 为完成上述工作，挖泥船必须配有各种设备，三锚定位系统就是其中之一。 2 22 0 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船主要设备及其工作原理 2 2 1 绞吸式挖泥船的基本构成 绞吸式挖泥船的基本结构是由船体、桥架、绞刀、绞刀马达、动力设备( 发 动机) 、横移绞车、泥泵、定位装置( 钢桩或三锚) 、吸排泥管等构成m ) 。见图 2 1 ，绞吸式挖泥船简图。 图2 - 1 绞吸式挖泥船简图 6 武汉理工大学硕士学位论文 而实际中由于绞吸式挖泥船大小的不同，总体布置及相配套的设备也有很 大差异，图2 2 是笔者研究的三锚定位系统的母型船- - 2 0 0 0 m 3 l l 绞吸式挖泥船， 该船为非自航、整体式、单甲板、钢质方驳体、经济型绞吸式挖泥船。机泵舱 位于主甲板以下，船首设有开槽，开槽长2 5 8 m 。作业区域主要为沿海水域以及 港湾，主要挖掘土质为淤泥、沙质土、中细砂等。 其施工条件如下： 一最大浪高和周期 1 0 m5 秒 一最大水流2 节 一最大风速 蒲式6 级( 最大1 3 8 m s ) 一环境温度最大4 0 * ( 2 最小一1 5 c 一海水温度最大3 2 最小o 。c 一相对湿度3 5 时9 0 施工期间锚泊时在下列条件下应是安全的： 一风速蒲式9 级( 最大2 4 4 m s ) 一最大浪高和周期 1 8 n l6 秒 其具体参数如下： 船型：绞吸式挖泥船 总长：7 3 2 0 i l l 型宽：1 5 0 0 皿 型深：4 8 0i n 满载吃水：3 0m 公称生产率：2 0 0 0 一h 挖深：6 2 5m 吸管直径：7 5 0 啪 排管直径：7 5 0 咖 最大排距：3 0 0 0m 绞刀头功率：7 5 0 k w 定位方式：三锚定位 7 勘簿瞄一斗慊虱廿嗨高弗抖 困n_2。o。m311溉渴冉商箭器 辫 ，裁 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 绞吸式挖泥船的主要设备及功能 1 ) 绞刀总成绞刀是绞吸式挖泥船的主要挖掘设备，安装于绞刀架的 最前端。它主要由绞刀轮毂、刀臂和绞刀片组成。用绞刀轴与绞刀原动机相连 接。施工中靠绞刀原动机驱动绞刀的旋转来实现水下挖掘，被绞松或被切削下 来的疏浚物与水混合后形成泥浆，在大气压的作用下，通过绞刀腔内的吸泥口 进入泥泵。所以绞吸式挖泥船的施工作业首先是由绞刀来完成的。 2 ) 桥架绞刀桥架通常为一箱形钢结构件，它可以在一个垂直于水平 面的平面中做上下运动。在绞刀桥梁上除了安装绞刀外，还装有吸泥管、绞刀 动力设备( 绞刀电机或液压马达) 、水下泵( 早年的绞吸挖泥船一般不安装水下 泵) 、水下泵动力设备( 水下泵电机或液压马达) 、齿轮箱等。桥梁有两个最重 要的作用，其一是满足安装上述设备所需强度的要求，其二是满足挖掘所需重 量要求。 3 ) 绞车系统绞车系统主要包括绞刀桥架起桥绞车和左右横移绞车。 利用起桥绞车可以改变绞刀的切削深度，以获得适当的切削负荷、吸入浓度和 吸入真空度，并在挖泥船不工作时将绞刀吊离水面。横挖时，利用其中的一台 绞车收缆而另一台放缆的联合动作，可使绞刀绕定位装置做左向或右向的摆动， 以获得作业面的规定宽度。 4 ) 定位装置定位装置又可称为定位系统，是绞吸式挖泥船的主要生 产设备之一。它与绞车锚缆系统一起实现挖泥操作的准确定位、绞刀及船体的 横移和前移，保证挖泥操作按设计要求进行。定位作用的好坏直接关系到施工 作业能否正常进行，当然定位精度的高低还与操作人员控制定位系统的技术水 平密不可分。目前，常用的定位装置主要有钢桩定位系统和三锚定位系统。 5 ) 泥泵昵泵是绞吸式挖泥船的主要设备。绞吸式挖泥船使用的泥泵 都是单级、单吸、悬臂式离心泵，它在原动机的驱动下，通过叶轮在泵壳内旋 转将原动机的机械能变成浆体能量，在大气压的作用下完成吸入和排出浆体的 作业。泥泵与离心式水泵的主要区别在于结构强度大、通过性能好、过流部件 的抗磨性能强和转速低等。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 绞吸式挖泥船工作程序 绞吸式挖泥船一般采用沿挖槽来回移动的横挖法【i 们，挖土时将绞刀桥架固 定在锚上，绞刀从前主锚定位点沿斜圆弧型自挖槽一边移向另边。比如说从 左边开始移向右边，到达右边后，挖泥船沿静主索向前移动一定距离，然后重 新回到左边，在途中挖去宽度大约等于前移距的泥土带。在左边挖泥船重新向 前移动，然后沿新的横挖带移向右边。 在以上的挖泥过程中，每一个挖泥工作周期里，各挖泥设备的动作程序如下： 1 ) 完成挖掘的动作程序一以定位装置为固定点，绞刀绕其固定点摆动， 且始终按一个方向连续旋转。其它工作机械设备按下列程序工作： 左横移绞车收缆，右横移绞车以一定的张紧力同时松开右缆，于是绞刀 向左摆动，完成第一层泥砂的挖掘； 绞刀桥架起桥绞车松出一段缆索，使绞刀降低； 右横移绞车收缆，左横移绞车以一定的张紧力同时松开左缆，于是绞刀 向右摆动并完成第二层的挖掘； 此后，重复上面的程序再挖下层，直到l 断面深度达到规定的要求为止。 2 ) 移步的动作程宁一假定绞刀完成了一个断面的挖掘，为了在另一个断 面继续挖掘，绞刀及船体需要向前移动一步。完整的动作程序如下： 左右横移绞车暂停； 由定位装置实现船体前移一个步长； 绞刀桥架起桥绞车和右横移绞车同时收缆，而左横移绞车则以一定张 紧力松开左缆，于是绞刀绕着固定点摆至设想挖断面的起始点； 横移绞车停止，绞刀桥架起桥绞车松出段缆索，使绞刀放至挖掘点。 3 ) 移锚的动作程序绞刀挖掘了若干个垂直断面以后，横移锚将会落 在两舷较后的位置上，在横移绞车收缆时，将会产生一个较大的分力作用于船 体。因此，要根据左右横移缆的夹角及时地将锚移向两舷前侧。 若配有三锚定位系统，一般不再设抛锚杆系统。三锚定位系统的定位锸和 左右横移锚的移锚的动作通过配套的抛锚艇来实现。 若配有定位桩系统，一般设有抛锚杆系统。此时移锚的动作程序如下： 借助于横移绞车，令船体摆肉起锚的一侧，直至抛锚杆顶部滑车能够到 达锚的上方为止： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 锚机收缆将锚拔升至水面以上； 利用抛锚杆将锚摆动至前侧位置，锚机开倒车放缆，使锚慢慢放 入土中： 将锚机操纵开关置于“自由松缆”位置，使锚机缆索自由松出而 不致于妨碍船体的左右摆动。 2 3 三锚定位系统的组成 三锚定位系统又称作“圣诞树”系统i l l 。如图2 3 所示。该系统是基于三个 固定点到某一点的距离确定这个点的位置这一原理来实现的。三个固定点用锚 建立，三只锚均与挖泥船的尾部用锚缆相连。其中一只锚抛在挖泥船后面，另 外两只锚抛在挖泥船的两侧正前方约成2 0 。或3 0 。角的地方。锚缆通过定位树 和槽轮集结到挖泥船下面，垂直连接的槽轮在同一轴线上一字排开，呈反向“圣 诞树”结构，故而得名。 图2 - 3 三锚定位系统 武汉理工大学硕士学位论文 三锚定位系统设置在船尾中部，由锚绞 车、锚、钢索、定位树、固定结构组成。由 于其由三根弹性钢索组成，在抗风浪方面大 大优于刚性定位的钢桩系统，与钢桩定位系 统相比，其优点一是可用于恶劣的环境中； 二是可用于深水作业。挖泥开始前，其左右 艉边锚、艉锚与船艏横移锚交错抛开，具体 形式见图2 _ 4 。每次移锚前可前移的距离为 1 0 0 1 5 0 m ，最大2 0 0 m ，艉中缆初期约 1 5 0 之o o m ，终期长约2 5 0 - - 3 5 0 m ，艉左右边缆 初期长约2 0 0 - 一3 0 0 m 。终期长约1 5 0 2 0 0 m ， 与挖槽中心线的夹角初期约3 0 。4 5 。，终 期为6 0 。，三锚定位锚缆利用绞车拉紧，其 堵转转矩一般约为1 5 0 ，制动扭矩为2 0 0 额定转矩。 2 4 本章小结 t 。苫8 蔫 图2 - 4 三锚定位施工 本章粗略介绍了绞吸式挖泥船的基本构成，由绞吸式挖泥船工作程序的介 绍引入三锚定位系统，详细描述了三锚定位系统构成和工作原理。本章的内容 为后续几章的论述提供了相应的知识背景和前提。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章三锚定位系统设计 3 1 外界干扰力的计算 船舶三锚定位系统所受的外力有：船体水线以上部分所受的风压力、船体水 线以下部分所受的水流力、波浪力、绞刀切削反作用力、作业时横移钢索拉力。 三锚定位系统通过锚索的传递来平衡这些外力，使挖泥船围绕该定点旋转作业。 当外力大于锚所能提供的抓力时，船会沿着外力的作用方向漂移，形成“走锚” 现象，这种现象在三锚定位系统中是不允许止发生的n 町恤3 乜3 ”3 。 3 1 1 风压力的计算 作用在船体水线以上部分上的风压力为”“： q o = c e q a o 丸 其中：o o 风压力，k g f , c 风力系数，取1 2 ： g 风压，k g f m 2 ，按下式计算： g = 盖瓴 v 风速，m s ； h 受风面距水线的高度，小于1 5 m 者取1 5 m ； 以水线以上正投影面积，m z ； 艺风向影响系数，取1 2 ； 3 1 2 水流力的计算 作用在船体船体水线以下部分的水流力为【“”： q = 三p 矿2 1 2 4 e 其中： 级一水流力，k g f ； p 海水密度，取1 0 4 6 1 k g f s 2 m 4 ； 矿绞缆速度+ 潮流速度，m s ； ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 以水线以下正投影面积，m 2 ； e 阻尼系数，取1 4 ； 3 1 3 波浪力的计算 船舶在波浪作用下引起一个平均偏移，并在平均偏移的范围内作摆动运动 包括：纵荡、横荡及摇首等。使得船舶产生平均偏移的波浪力即为波浪平均漂 移力可视作定常环境力，按a p ir p 2 p 推荐的力法确定“叭1 州”1 。 由首向或尾向波浪引起的平均漂移力，纛( n ) 按下式计算： = o 1 3 c 厶, b 2 三玩( 3 4 ) 由侧向波浪引起的平均漂移力按下式计算： = g m b 2 三只2 ( 3 5 ) 其中：g 。平均波浪漂移力系数，n l m 5 ： b 船宽，m ： 工船舶水线长，m ； 见设计波高，m ： c 。阻尼系数，取i 4 ； 3 1 4 绞刀切削反作用力的计算 绞刀所切削的土质，困其性质、状态多种多样，故要确定其切削阻力和所 需功率是困难的。在知道绞刀轴功率的情况下可按以下公式计算绞刀切削反作 用力： f ：0 6 7 1 2 - 1 3 6 - r - n ( 3 6 ) ，珂 其中：f 绞刀切削反作用力，n ； 叩传动装置效率，取o 7 ； 绞刀轴功率，k w ； ，绞刀最大外径，i t i ； h 绞刀转速，r m i n ； 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 5 作业时横移钢索拉力的计算 绞吸式挖泥船为了围绕定位点横移作业，横移绞车必须具有足够的牵引力。 以整个船舶为受力分析体，所有外力对定位点力矩应保持平衡。横移钢索拉力 可按如下公式计算。”： 丁：盟生亟些篁上姒( 3 7 ) l 2 其中：r 横移钢索拉力，k 豳 q 一风压力，k 西 姨一水流力，k 啦 瓦一波浪力，k 蛳 ，绞刀切削反作用力，k 瓯 乞风压力对定位点的力臂，m ； l 水流力对定位点的力臂，m ； 厶波浪力对定位点的力臂，1 1 1 ； 厶绞刀切削反作用力对定位点的力臂，m ； 厶横移钢索拉力对定位点的力臂，m ； 3 2 载荷分析及计算 根据绞吸式挖泥船工作原理，三锚定位系统根据以下几种工况分别进行分 析。 3 2 1 横向挖泥工况 根据设计前提，取如下施工条件计算校核： 一最大浪高和周期 1 o m5 秒 一最大水流2 节 一最大风速蒲式6 级( 最大1 3 8 m s ) 一挖深 2 5m 3 2 1 1 风、流、浪由船艏方向来工况 此时受力如图3 - 1 所示，以三锚定位系统定位点为坐标原点0 ，以船舯向艏 武汉理工大学硕士学位论文 为x 轴，以定位点向左舷方向为y 轴建立二维平面坐标系。 由式( 3 1 ) 可算得风压力q = 2 8 0 2 埏f ； 由式( 3 3 ) 可算得水流力q w = 1 5 3 8 2k g f , 图3 1 挖泥作业时，风、流、浪由船艏方向来受力简图 目臣电0 ， 士厩0 。 毫支廿m 反作用力f 由式( 3 4 ) 可算得波浪力只= 1 7 9k g f , 由式( 3 6 ) 可算得绞刀切削反作用力f = 1 3 4 0 0k g f ； 根据图3 1 可知，风、流、浪由船艏来，他们对应与o 点的力臂为0 。此时 以o 点为圆心弧形挖泥，外力对o 点力矩平衡，由式( 3 7 ) 可算得横移钢索拉力r = 1 7 0 0 0 0 k g f ； 以上外力在x 方向的合力为目= q + q + e + rx c o s 6 0 6 = 2 7 0 0 0k g f , 方向 为x 轴负向。在y 方向的合力为e = r s i n 6 0 。一f = 1 3 3 0k g f , 方向为y 轴正 向。这些外力由三锚定位系统钢索拉力五、五、五合力来平衡( 图3 - 2 ) 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 瀚 图3 - 2 三锚定位系统锚索拉力简图 此时外力方向向侧后，尾部钢索松弛，受力很小，取互= o ，对o 点建立力 学平衡有： f z c o s + z c o s 口= p ， 1 乏岫口一i 咖口：z o 8 ) 解得 五= ( f x l c o s ( z - f r l s i n a ) ； ( 3 9 ) 施工过程中口【3 0 。，6 0 。】，可得互。= ( 昂c o s 6 0 。+ 耳s i n 6 0 。) 2 = 2 7 8 0 0 k g f , 为此工况下三根钢索中的最大拉力。 3 2 1 2 风、流、浪由船侧方向来工况 图3 3 挖泥作业时，风、流、浪由船侧方向来受力简图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 此时受力如图3 - 3 所示。 由式( 3 1 ) 可算得风压力q = 8 5 5 0 k g f ； 由式( 3 3 ) 可算得水流力瓯= 2 4 0 5 2k g f 由式( 3 4 ) 可算得波浪力e = 1 1 4 8k g f 由式( 3 6 ) 可算得绞刀切削反作用力f = 1 3 4 0 0k g f 由式( 3 7 ) 可算得横移钢索拉力t = 3 8 3 0 0k g f ； 以上外力在x 方向的合力为b ；r x c o s 6 0 。= 1 9 2 0 0 k g f , 方向为x 轴负向。 在y 方向的合力为毋= q + 绒+ e + f t x s i n 6 0 。= 1 4 5 0 0k g f , 方向为y 轴负 向。这些外力由三锚定位系统钢索拉力、五、五合力来平衡( 图3 2 ) 。 此时外力方向向侧后，尾部钢索松弛，受力很小，取正= o ，对o 点建立力 学平衡，由式( 3 ，8 ) 与( 3 9 ) 及施工过程中o r 【3 0 。，6 0 0 】，可得瓦一= 2 7 6 0 0 k g f ，为 此工况下三根钢索中的最大拉力。 3 2 2 纵向进刀工况 根据设计前提，取如下施工条件计算校核： 一最大浪高和周期 1 0 m5 秒 一最大水流2 节 一最大风速蒲式6 级( 最大1 3 8 m s ) 一挖深 2 5m 纵向进刀时，绞刀头吊离泥面，绞刀切削反作用力为0 ；横向作业停止，横 移钢索拉力为0 。三锚定位系统左舷绞车、右舷绞车( 绞缆速度为2 0 m s ) 同时 收缆，中阃绞车同时松缆来实现绞吸式挖泥船的进刀。只有当锚索的拉力大于 船舶外力时，才能现实船舶的前进( 进刀) ，取风、流、浪由船艏来工况校核。 此时受力如图3 4 所示。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 月，加a 寸最力0 。 最寝力f m 图3 - 4 进刀时，风、流、浪由船艏方向来受力简图 由式( 3 1 ) 9 算得风压力q = 2 8 0 2k g f i 由式( 3 f 3 ) 可算得水流力q = 2 7 0 19k g f ； 由式( 3 4 ) 可算得波浪力e = 1 7 9k g f 以上外力在x 方向的合力为以= q + q + e = 3 0 0 0 0 k g f , 方向为x 轴负向。 在y 方向的合力为墨= o 。这些外力由三锚定位系统钢索拉力正、正、五合力来 平衡( 图3 - 2 ) 。此时外力方向向后，尾部钢索松弛，受力很小，取正= o ，对o 点建立力学平衡，由式( 3 8 ) 与( 3 9 ) 及施工过程中口【3 0 0 ，6 0 0 】，可得 五一= 五。= 3 0 0 0 0k e y , 为此工况下三根钢索中的最大拉力。 3 2 3 锚泊工况 根据设计前提，施工期间锚泊时在下列条件下应是安全的： 风速蒲式9 级( 最大2 4 4 m s ) 最大浪高和周期 1 8n l 6 秒 当天气条件不允许施工时，即超过设计施工条件时，船舶应立即停止挖泥， 将绞刀吊出水面。三锚定位系统的作用就转变为抗风锚的作用，保证船舶的安 全。当风、流、浪由船艉来时，只有单一中间钢索受拉，此时最危险，作为校 核工况，受力如图3 - 5 所示。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 5 锚泊时，风、流、浪由船艉方向来受力简图 由式( 3 ，1 ) 可算得风压力q = 8 8 3 5k g f ： 由式( 3 3 ) 可算得水流力绒= 4 1 9 5k g f ； 由式( 3 4 ) 可算得波浪力瓦= 5 7 0k g f 以上外力在x 方向的合力为e = q + q + e = 1 3 6 0 0 k g f , 方向为x 轴正向。 在y 方向的合力为日卸。这些外力由三锚定位系统钢索拉力互、五、正合力来 平衡( 图3 - 2 ) 。此时外力方向向前，左舷、右舷钢索松弛，受力很小，取正= e = o ，对o 点建立力学平衡，可得l 一= 1 3 6 0 0k g f , 为此工况下三根钢索中的 最大拉力。 3 2 4 三锚定位系统钢索拉力分析 工况外力方向 正( k g f )正( k g f )五( k g f )口( o ) 由船艏来 2 6 2 3 22 7 8 0 0 o6 0 。 横向挖泥 由船侧来 2 7 6 0 0 1 0 8 2 806 0 。 纵向迸刀由船艏来3 0 0 0 0 3 0 0 0 0 。06 0 6 锚泊由船艉来 o o 1 3 6 0 0 【3 0 。，6 0 。】 注：表中带为相应工况下拉力最大值 由表3 1 可知： 1 横向挖泥时，随着角度口和外力方向的变化，钢索拉力也相应在变化， 其中五= 2 7 8 0 0k g f 为此工况钢索拉力的最大值。 2 纵向进刀时，只有五= 乃一 3 0 0 0 0k g f 才能保证任意角度口和任意方向外 力下的迸刀。 3 锚泊时，虽风浪较大，但由于绞刀架吊出水面，水下接触面积纵向投影 武汉理工大学硕士学位论文 大大减小，水流力也大大减小。此时钢索拉力最大值正= 1 3 6 0 0k g f , 远小于作 业工况。 3 3 钢索、锚及绞车的确定 3 3 1 钢索的确定 3 3 1 1 钢索直径设计 各国船舶大都规定通过计算舾装数( n ) 来确定锚泊锚索的链长和链径，从而避 免7 繁琐的悬链线方程的计算i l9 】。然而，对于许多工程船并不是简单在锚地抛 锚，而必须在规定的工地规定的海况下进行抛锚或作业。所以必须根据其受力 分析来确定锚索参数。 钢丝绳的安全系数通常取4 ，从上一节的计算结果可知，三锚定位钢索最大 水平拉力为3 0 0 0 0k g f , 所以钢丝绳的破断拉力t 应该满足： t 4 x3 0 0 0 0k g f = 1 2 0 0k n 钢丝绳规格用其外接圆的直径表示，单位是毫米。查表3 2 选用4 4 z a a 6 3 6 s w + 1 w r l 7 7 0 ，其最小破断拉力为1 2 1 0k n ，满足使用要求。 表3 - 26x 3 6 s w 结构钢丝绳性能参数( g b t 8 9 1 8 1 9 9 6 ) 钢丝绳公称抗拉强度( m p a ) n o m i n a lt e n s i l es 抽e n g t ho fm p e ( m p a ) 钢丝绳 l 直径 参考重量 1 5 7 01 6 7 01 7 7 01