40米铺排船技术论证报告

1、40 米 铺 排 船 建 造 投 资 项 目技术论证报告二0 一三年九月40m 铺排船建造技术论证报告据经营信息 ,长江中下游及沿海航道已确认有大量铺排工程。以我局现 有工程 305、渝工排 1、长雁 2 铺排船的生产能力将无法满足工程施工需要， 且渝工排 1、工程 305 的有效铺排宽度已无法满足现在的施工工艺要求， 确需至少增添一艘 40m 铺排船以确保工程的按期完成。同时也为长江航道 铺排工程走向沿海市场作好必要的设备准备，增添 40m 铺排船尤显必要和 紧迫。长江重庆航道工程局成立了专题小组多次进行技术方案论证，结合 我局原有铺排船的使用情况及成功经验，进一步优化了本船的设计任务书 和

2、技术设计方案。一建造需求及用途 随着航道整治市场的发展需要，根据目前工程信息，长江航道和沿 海都有大量铺排工程。以我局现有工程 305 、渝工排 1、长雁 2 铺排船 的生产能力远远不能满足工程施工需要。工程 305 是于 2001 年在原旧 300T 工程驳基础上经过改建而成的铺排船， 船体结构及其设备已严重老 化，施工效率也很低，有效铺排宽度为 16m 。渝工排 1 于 2003 年出厂， 有效铺排宽度为22m，此两艘船舶已不能满足现在40 m铺排工艺要求。 长雁 2（40 m 铺排船）在长江航道多处比较分散的工地需要、 铺排方量大、 工期紧等情况下，也已经不能满足铺排施工任务的需要。同时

3、沿海铺排 工程也较多，确需增添能适应内河及沿海航道的铺排船以确保工程的按 期完成。同时也为长江航道铺排工程开拓沿海市场打好必要的市场基础， 因此，新建一艘 40 m 铺排船就显得很有必要，同时需要缩短建造周期。二、工况条件及船舶参数概述长江中下游航道河面宽阔，水流平缓，多砂质浅滩，河床变化频繁， 遇到枯水季节，一些著名的浅水河道（中游的碾子湾、界牌，下游的张家 洲、白茆沙等）容易发生水浅碍航现象。在对长江中下游大规模航道整治 工程中，大量地使用了软体排处理基础技术，也就是将带混凝土连锁块或 沙肋土工布（又称软体排）固底。从已完成的长江界牌、中游道人矶、下 游的太子矶航道整治工程看，已多次经受住

4、洪水的考验而安然无恙，对固 定航道效果显著。目前，长江中下游类似的浅险自然航道还有很多，国家 加大了对长江中下游航道整治力度，为适应长江中下游航道整治工程的需 要，满足航道整治中对软质基础（沙质等）河床构筑物的要求。同时为拓 展本船作业范围和能力，适应沿海工程需要，提出了 40m 软体铺排船设计 方案和设计任务书。本船为钢质非自航工程船， 主要用于沿海及长江 A、B 级航区水域软基 础（沙质等）河床上护坡、护底软体排铺设施工作业，可铺设土工布砼块 软体排或砼联锁块软体排。本船设计为非自航箱形结构，主船体内设两道 纵通舱壁，船体为双底、单甲板结构，双层底及甲板采用纵骨架式结构， 单底部份采用横骨

5、架式结构，作业区下每隔四个肋位设置横向桁架，并设 置 4 道纵向桁架，以满足本船作业、调遣、避风等工况下的结构强度及稳 性。船体艏、艉设计为雪撬型，以减少船舶调遣航行过程中的水阻力,减少拖轮的燃料油消耗，节约成本。本船铺设软体排作业主要在甲板上进行， 以功能区分，主甲板上分为三大区域：艉锚泊（含甲板室）区、软体排制 作及铺设作业区、艏锚泊区。主尺度及主要参数总长72.50m型宽20.00m型深3.70m设计吃水1.80m船舶定员18人作业环境施工区域长江软质基础（沙质等）河床作业水深1.5 20.0m流速0.0 2.5m/s气象条件蒲氏 6 级风以下作业，蒲氏 8 级风以下调遣作业参数软体排宽

6、度40.00m连续放排长度400m滑板尺度9 41m铺排作业效率750m2/h主要机电设备作业主机：二台康明斯柴油机+西门子电机，额定功率2X350KW 停泊发电机组：康明斯柴油机 +西门子电机，额定额定功率 75KW克令吊：10吨X30米一台，5吨X20米一台，二台均能每天24小时连 续工作，确保施工时间和生产率。铺排作业设备定位测量系统，船舶定位移船系统，铺排卷扬和滑板系统，控制系统。三、关键技术及技术路线本船的设计是基于对现有在长江使用的铺排船和现有改造铺排船调查 基础上进行的，须解决的主要技术难点主要有以下四个方面：1、提高铺排施工效率长江航道整治中铺排作业主要在枯水季节进行，工期紧，

7、铺排施工效 率直接关系到航道整治工程的实施进度；同时铺排作业效率也关系到施工 单位的经济效益。早期建造或改造的铺排船受到原来施工工艺要求、船舶 原有条件和改造经费的限制，作业面狭窄，作业设备手动，依靠船员经验 进行手动铺排，这些缺陷都需要在本船的设计中加以改进和重新思考。铺排作业施工的各个环节：定位、移船、土工布卷绕、砼体块捆扎、 放排均对铺排作业的单次循环时间存在制约，只有在设计中充分考虑前后 工序关系和相互交叉的可能性来制定合理的施工工艺流程、综合选择各个 机械设备作业参数，实现单次循环作业的时间最小化才能提高整体作业效 率，使铺排效率从原有船舶的 200m 2/h 提高到本船的 750m

8、 2/h 。2、提高铺排精度水下护底作业施工要求排布之间的搭接不小于 1.5m ，搭接方向与水流 方向有对应的要求，搭接量小于规定值则需要补铺，搭接量过大造成浪费， 这两种结果均会增加铺排成本，因此应将定位测量系统的定位精度进一步 提高，在此基础上提高铺排精度。3、适应大跨度的作业水深及流速区域与长江口航道整治使用的铺排船不同，本船适应的水深及流速跨度大， 水深从 1.5 米到 20.0 米，流速从 0 米到 2.5 米/秒，一方面铺排作业各个系 统的设计需要适应大水深排体重量所带来的高负荷，另一方面设计中需要 控制重负荷设备的重量乃至于全船的重量，使船舶的吃水能适应小水深施 工的要求。4、船

9、舶稳定及安全技术路线1、基于施工工艺流程的优化的设计；2、以创新的自动控制方式集成全部施工作业设备的运行，提高施工作业效 率和精度；3、以成熟技术集成的方式来降低项目技术风险，确保设计建造一次成功。四、作业原理及工艺流程根据 DGPS 采集的信号确定船舶方位及测深仪系统检测的水下断面数 据，计算机根据船舶纵横倾斜仪测量系统来修正数据，结合 DGPS 给定的 每一测深点的相对坐标，形成水下地形网络图；计算机按给定的数学模型 计算出船舶横移速度与土工布卷筒放出的软体排速度的差值和排体的横向 收缩量。中心控制站根据水深、软体排形式、船舶横移速度与土工布卷筒 放出的软体排速度的差值按编制好的程序分别向

10、四台横移绞车、土工布卷 筒的驱动机构发出运行指令，在 DGPS 的监控下船舶横移、土工布卷筒放 排，编制好的程序可以实现 05m/min控制速度主动放排、按设定长度控 制主动放排。计数卷筒可随时测出软体排放出长度，反馈至控制系统，中 心控制站计算出放排的速度作为控制系统控制放排的依据。铺排施工工艺总体流程五、关键技术的解决言号源采集设备的配备 1、本船为提高铺排精度和效率，设计总体思路就是根据现有成熟的传感设 备精确获取船舶环境变量、自身设备的运行参数，作为铺排作业自动控制 的基础。2、铺排作业时在给定坐标点的区域内进行施工，铺排精度的基础就是船舶 定位信号采集的准确性， 对于本船而言就是要确

11、定本船纵中轴线的位置， 在铺排移动过程中实时反馈船舶坐标，从而给控制系统纠偏提供依据。考 虑到铺排搭接的余量主要被绞车定位移船的误差所消耗，定位测量系统的 精度应在合理的价格基础上尽可能提高。通过比选最终我们采用了双频差 分 GPS 系统，由参考站（岸台） 1 套、流动台（船台） 2 套、数据链、 SKI 后处理软件包、水文测量系统软件构成，静态定位精度小于5伽。3、环境变量的第二个关键参数是水底地形参数，它的作用在于：一是滑板 下放的角度需要水深的参数，而且滑板长度 9 米，需要的是覆盖滑板长度 方向的水底地形来确保滑板下放后的安全；二是水底地形的起伏沿船宽方 向影响到到卷筒放排速度和船舶横

12、移速度的匹配，沿船长方向影响到下一 块排布的中心线确定。为实现覆盖滑板长度方向水底地形的测量，同时测 深仪应能适应小水深下的测量， 因此选择了精度为厘米级的多点 21 通道测 深仪，传感器均匀安装在作业平台的宽度范围内的船舶底舱纵中轴线的平 行线上，通过扫测河床断面曲线来确定施工预案中河床断面的曲度以及水 深数据，数据直接进入控制计算机系统，结合 DGPS 系统给定的每一测深 仪传感器的实时坐标，形成水底地形的三维数据。在铺排作业中根据预先 测量的河床断面情况，增加或减少铺排速度，确保放排精度。测深仪得到 的水深数据仅是传感器至水底的距离，因此还必须根据船舶吃水、浮态进 行修整后才能成为准确水

13、深，为此本船配备了纵横倾斜角度传感仪。它是 通过 PLC 分别采集船体横向 /纵向倾斜角度信号， 经过计算机的计算， 可以 得出船体的吃水、横倾 /纵倾数据，主要用以修正各测深点较精确的吃水值 等测量数据，从而使计算机计算出的水底地形不同剖面的横向包络线和纵 向包络线更为精确，进而可以使铺排时移船速度与铺排卷筒的速度达到良 好的匹配，也可以使水底相邻两块排体的重叠度在设定的精度范围之内。4、在环境变量测量中本船还设置了风速风向仪， 测量施工地点的风速风向， 提供船长及指挥人员安全施工的数据化依据。移船定位系统的选择及优化为满足本船铺排定位精度的要求，本船实现精确铺排的执行机构定 位移船系统是技

14、术关键之一，从运动精度要求来看，采用台板桩形式的移 船系统能够满足，但由于铺排作业不可能在已铺好的排布上下桩，因此不 能考虑，还是需要在现有的锚移船的基础上改进和优化。1、为确保船舶在预案所规定的中心线上按误差要求移动，本船采取的是六 锚定位方式，四台布置在船舶的左右舷的横移绞车横向定位，同时将原 4 台横移绞车的拉力由 200KN 提高为 300KN 以增加船舶稳定性，艏艉主缆 绞车限制船舶的纵向移动；2、从航道工程施工的实际特点出发，设置单台主缆绞车，不能适应大宽度 铺排，需要进行首锚移锚，制约铺排效率的进一步提高，本船在艏艉各配 备两台 300KN 主缆绞车，可交替轮换作业进行不间断施工

15、；3、鉴于现有改造的铺排船采用的常规锚，容易走锚，影响铺排效率和 精度，本船配备大抓力的海军锚和相应锚链。4、为精确确定定位锚的位置以控制四台移船绞车的移动偏差在误差允许范围内，本船配置手持式 DGPS 在抛锚时采集每台绞车对应的定位锚的 坐标信息，再输入控制系统。5、为了施工时不碍航，本船一舷设两套水下出缆器，根据需要可在水下13.5m范围内出缆，船舶施工时可不禁航，不影响其他船舶航行。铺排卷扬系统的解决方案铺排卷扬系统是为土工布的卷绕以及软体排稳定下放而设置的一套驱 动控制系统，承担着储存排布、控制放排的任务，土工布有着最大的承载 能力，为确保安全应对排体的受力设定安全报警装置，因此本船在

16、卷筒机 构的导梁轴承处设置了应力传感器，经计算机处理后可发出超限报警。同 时，排布的下放速度作为控制系统的两个主参数之一，需要采取有效的手 段进行测量排布的线速度，由于主卷筒卷绕排布，直径在不断变化，不能 采取角速度的测量，最终设计上采取了导梁上设置计数辊筒的方式，提供 了控制系统的关键参数。考虑本船的定位移船系统均为液压驱动，可以在 统一的液压动力源基础上实现节约投资的目的，铺排卷扬系统采用了液压 驱动方案。由以下几个部分组成：1 ）、卷扬驱动卷筒部分；卷扬驱动卷筒部分由液压柱塞变量马达通过内行星齿轮减速箱及联轴 器驱动卷筒工作卷绕土工布并可以主动控制放排速度，土工布带为多层卷 绕，可一次缠

17、绕土工布至 200 300m 的长度， 土工布通过工作土工布与卷 筒联接，工作土工布一端固定在卷筒的特定的固定点，另一端与土工布的 相应承载点相联，工作土工布长度由放排水域的深度决定，以便确保最后 一节排布能有序放在河床上。2）、导梁及记数装置部分；导梁装置组成部分：固定支承座T固定导向导梁T压力传感器T固定支承座。记数装置组成部分：张紧弹簧T杠杆系统T压紧轮T记数编码器导梁主要用于改变土工布的出筒方向和土工布进入压梁时与船甲板斜 面一致，并使土工布在负载放排时土工布在导梁上产生一定的摩擦力矩， 减小驱动卷筒的受力，以便更有效的控制负重排的稳定下放，达到更好的 铺排效果。记数装置主要用于精确测

18、量所放土工布的长度和土工布的进出速度， 以便更好的调整移船绞车的速度，使移船速度接近或低于放排速度，达到 放排速度与移船速度的最佳配合作业，更好的控制铺排质量。 3）、压梁及其驱动机构部分。压梁及驱动机构主要作用在于接换排和保证卷空布排时卷绕有序。压 梁结构为变截面等强度梁以有效控制变形，压紧部分为齿式木结构，可有 效地增大摩擦系数，达到将负载排压住所需的足够摩擦力，可安全可靠的 压紧排布。压梁驱动机构采用液压驱动装置，由液压油缸伸缩来提升与下 放，在左右两油缸前加一台分流马达。理论上油缸是一种无内泄漏的马达， 因此，压梁的同步精度等同于分流马达的分流精度，而油缸的安装方式和 压梁的钢性同步又

19、可以消除掉分流马达造成的微小的累积误差。 大跨度的作业水深及流速问题的解决为满足在水深20.0m，流速2.5m/s作业区域施工，本船配9 M1m滑 板，滑板上设深水导槽排头牵引装置，以减弱或抵消大水深、大流速下流 体对软排体的影响。在船舶舯部配有两台 250KN 单卷筒滑板提升绞车，可 将布置在船舯的滑板收取、放下以满足不同水深区域的要求；在大流速、 风速进行铺排作业时，滑板端部的排头挡板无法完全阻止排头的滑移，容 易造成铺排中心线的偏差，本船在排头挡板位置加装了排头牵引装置，可 较好的解决大流速、风速下铺排施工时的排头串动问题。自动控制系统的实现 本船的设计的总体构思和技术目标的实现就在于自

20、控系统的构思的合 理和最终与实际工程结合的可行，本船铺排共有三种作业方式：机旁控制、 远程集中控制和自控联动控制，整个系统由 DGPS 定位系统、 PLC 控制网 络、上位监控系统及工程测量系统构成。1、液压控制系统作为成熟的技术，确保在各种定位、跟踪、监视设备 的提示下，在集控台实现铺排作业的集中控制，在机旁实现铺排作业的手 动控制。并且配合自动化控制系统按照其要求提供相应的数据和接口，实 现工控机与 PLC 主站的双向通讯，完成铺排作业的自动控制。2、在液压控制系统的基础上，本船进一步实现了自动控制铺排作业。 仅仅集中控制的实现并不能改变铺排精度和效率的现状，只有通过自动控 制整合环境参数和设备功能，将依赖于船长和施工人员的经验的大量设备 控制交由计算机完成，实时根据环境变量来改变设备运行参数，在实际施 工中，受水流