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作者简介：李忠业(1984-)，男，工程师。主要从事船舶电气设计工作。收稿日期：2022-12-09
某23.8 m 反铲式挖泥船设计
李忠业
（南宁海河船舶技术服务有限公司，南宁  530000）
摘    要：本文介绍某23.8m 反铲斗式挖泥船的设计背景、主要性能参数、以及主要设备的功能及配置，为此类船型的设计建造提供参考。
关键词：挖泥船；设计；定位桩；反铲挖掘机
中图分类号：U674.31                                  文献标识码：A
Discussion on Design of 23.8 m Backhoe Dredger
LI Zhongye
( NanNing Haihe Ship Technology Service Co., Ltd.,  Nanning 530000 )
Abstract: This paper introduces the design background, the main performance parameters and the classification, as well as the main equipment system function and composition of 23.8m backhoe dredger. It can provide references for the design and construction of the similar backhoe dredgers in inland river .
Key words: dredger; design; spud; backhoe excavator
1    前言
航道是航运交通基础设施，为了保证航道的安全运行，需要对航道定期进行清淤疏通，确保航道的通畅。近几年来，随着我国港口的不断开发，航运管理水平的不断提升，航道的疏通、清淤工程进入了高速增长期。
挖泥船是建设、维护航道的主要机械设备，在开挖运河、保护航道安全、确保航道通畅中具有非常重要的作用。
2    挖泥船的选型
2.1  挖泥船型式
挖泥船是一种用来清理淤泥、挖掘泥沙以及碎石等水下障碍的工程船，常用于港口、航道、河道等的疏浚、开挖运河以及清除水下障碍等。挖泥船根据航行方式不同，可分为自航式挖泥船和非自航式挖泥船；按施工特性，可分为绞吸式、耙吸式、链斗式和铲斗式挖泥船等。本船计划用于航道疏浚、清淤以及开挖运河等，要求能适应不同泥质的土层，且挖掘力大、破土力强。经综合考虑，本船设计为
非自航反铲斗式挖泥船。2.2  挖泥船运输方式
本船计划作业的水域航道弯曲多、水深较浅，吃水受限；由于航道疏浚工作需要周期性的来回调遣，如采用船只拖带的水路运输方式，由于过闸，汛期等方面的原因影响，调遣时间相对较长，费用较高；而采用陆路运输的方式，则较为灵活、成本较低、运输时间也较有保障。但根据道路运输的相关条例，运输高度、宽度、长度等都受到限制。经综合分析，本船调遣作业选择道路运输的方式。为了满足陆路运输的要求，将本船设计为由2个边浮箱、1个主浮箱、3个片体连接而成的组合式结构，片体之间采用螺栓连接。2.3  挖泥船定位方式
挖泥船的主流定位方式有两种：一种是采用锚缆定位；另一种是采用钢桩定位。其中锚缆定位方式精度较低、易产生漂移、占用水域大，对航道影响大；而钢桩定位方式精度较高、占用水域小，对航道影响小。
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表1为锚缆定位和钢桩定位方式比较。
表1  锚缆定位方式和钢桩定位方式比较
由表1可知，钢桩定位方式可靠性好、占用水域
面积小、对航道影响小，具有一定的优越性，因此本船选用钢桩定位方式。
3    船舶概况
本船为钢质非自航反铲式挖泥船，属III类工程船，作业及调遣于内河A级航区；作业方式为利用铲斗挖起河道中的泥沙及石头，直接放置到其他船舶的泥舱，当挖掘机进入船舶作业区域应加压载水。
本船按中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2016）、第1次变更通告（2016）及其修改通报（2019，2021）、中华人民共和国海事局《内河船舶法定检验技术规则》（2019）、《内河避碰规则》（2003）、GB/T3221-2020《内燃机动力内河船舶系泊和航行试验大纲》等规范、标准进行设计建造。
3.1  主要参数
总长            24.0 m
垂线间长            23.8 m
型宽            11.40 m
型深                2.20 m
设计吃水                1.33 m
浮箱尺寸 长23.8 m x宽3.8 m x型深2.2 m
3.2  总体布置
为了便于调遣和节约成本，本船在长距离调遣时采用陆路运输，因此将本船设计为3个片体（2个边浮箱+1个主浮箱）连接而成的组合式结构，片体之间采用螺栓连接。
本船为单底、单壳、单甲板、横骨架式、交替肋骨结构
；主甲板下边浮箱共设6道水密横舱壁，主浮箱设5道水密横舱壁，最大船舱长为4.5 m；主甲板艉部设值班室、发电机室、蓄电池间和浴厕；艏部左舷设有手动钢索绞车和艏锚各一个；中间为挖掘机安放区域；顶棚甲板设水箱、桅杆和信号灯等。
总布置图，如图1、图2所示。
图1  总布置图（侧视）
图2  总布置图（俯视）
4    浮箱连接装置的强度计算
本船主体结构是由中部主浮箱和左右舷侧对称分布的两个边浮箱连接而成，在船体甲板和船底附近使用两组连接装置将两个边浮箱与主浮箱连接起来，每组连接装置由16颗螺栓组成，螺栓直径56 mm，如图3所示。螺栓的法兰座板，由厚度为24 mm的钢板加工而成。
本船载荷状态，主要有航行状态和作业状态两种工况。
根据规范要求，需要对各工况下组合式浮箱连接装置的强度进行计算校核，其计算应力应不大于：许用正应力  [σ]=90/K = 90 N / mm2
许用剪切应力 [τ]=50/K= 50 N / mm2
许用合成应力 [σc]=110/K = 110 N / mm2
式中： K ——材料换算系数，本船取1。
根据规范要求逐一计算航行状态和作业状态下100%油水和10%油水工况下的水平拉应力σ、剪切应力τ以及合成应力σc。根据计算结果可知，作业状态10%油水工况下浮箱连接装置所受到的水平拉应力σ、剪切应力τ以及合成应力σc均为最大，且均小于规范要求，因此本船船体浮箱连接装置的强度满足规范要求。
表1锚缆定位方式和钢桩定位方式比较项目锚缆定位钢桩定位
环境适应性可用于深水环境适用于浅水环境施工时间较快较慢
结构简单复杂
定位可靠性较差较好
占用航道面积大小
成本一般较高
图1总布置图（侧视）图2总布置图（俯视）
1总布置图（侧视）图2总布置图（俯视）1总布置图（侧视）
2总布置图（俯视）
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图3  船体浮箱连接装置示意图
5    主要系统及其配置
5.1  电力系统
目前船舶电力系统主要采用中性点接地的三线四线制和对地绝缘的三相三线制交流电。其中：（1）三相三线制电源在单相发生接地故障时仍能继续工作，供电连续性较好；缺点是照明、空调、航行无线电设备等单相220 V 电源需要通过变压器获得，成本较高；（2）中性点接地的三线四线制系统，则可以通过相线和中性线获得单相220 V 电源，与三相三线制相比，节省了变压器，从而节省了成本；缺点是一旦发生单相接地故障即构成短路，必须马上切断，供电连续性较差。
本船为非自航式工程船，对供电连续性要求相对较低，且电气设备配置相对简单，单相220 V 电源主要负载为照明系统、空调系统以及航行无线电设备等。经综合考虑，本船电力系统主电源采用中性点接地的三线四线制电源，发电机采用电启动方式。5.2  定位桩系统
挖泥船在作业时需要使用定位桩进行定位，定位桩是绞吸式、铲斗式等挖泥船实现船体定位的方形钢桩，通常由钢板焊接而成，也有采用钢板卷制成柱形的；桩尖通常设计成尖端，整体形状酷似铅笔，这有利于定位桩通过尖端插入泥土；定位桩的长度依最大挖深确定，大小依船体排水量而定。5.2.1 定位桩升降方式
挖泥船定位桩的升降方式较多，目前应用较为广泛的升降方式有三种：机械齿轮升降方式；液压环梁升降方式；液压绞车升降方式。
（1）机械齿轮升降方式
优点是倒桩容易、起升速度快、安全性能好、操作简单，适用于需要经常升降的船舶；缺点是工艺要求高、结构复杂、投资成本高；
（2）液压环梁升降方式
优点是起升能力好、工作稳定性好、具有多种安
全防护措施、安全可靠、使用简单、噪音低，多用于风电安装及海洋平台；缺点是倒桩困难，起升速度慢；
（3）液压绞车升降方式
优点是结构简单、控制容易、运行平稳连续、成本低；缺点是升降速度较慢、倒桩困难、钢丝绳、滑轮等部件容易磨损。
表2为三种定位桩升降方式比较。
表2  三种定位桩升降方式比较由表2可知，液压绞车升降方式结构简单、使用方便、造价低，具有一定的优势，虽然在起升速度和倒桩方面存在不足，但由于本船对升降速度要求不高，同时考虑到本船长途调遣少、倒桩次数少，因此经综
合考虑本船定位桩起升使用液压绞车升降方式。5.2.2  定位桩系统
本船设有3座钢质定位桩，呈三角分布在船舶四周，桩长15 m，方形结长宽800 mm x 800 mm，重约8 t/根，底部设计为尖端，便于定位桩插入泥中，顶部设限位装置，以防起升过高而倾倒；主甲板布置3台5吨液压绞车，其布置如图4所示。
图4  定位桩及液压绞车布置
定位桩系统主要由定位桩、液压绞车、滑轮组、
驱动装置等组成。定位桩下降，通常是利用自身重量
插入泥土中；定位桩起升，则通过挖掘机内部液压系统带动液压绞车，通过设置在定位桩支架上的滑轮拉起定位桩。
3船体浮箱连接装置示意图
3船体浮箱连接装置示意图
油耗低
表2三种定位桩升降方式比较
项目机械齿轮升降液压环梁升降液压绞车升降驱动方式液压马达或电动机液压油缸液压马达或电动机升降速度较快较慢较慢缓冲性能较差好较好插拔桩能力较好好一般安全性能较好好较好操控性能一般好好倒桩能力较好较差较差结构较复杂较复杂简单造价
较高
较高
低
4定位桩及液压绞定位桩系统主要由定位桩、液压绞车、滑轮
降，通常是利用自身重量插入泥土中；定位桩起
带动液压绞车，通过设置在定位桩支架上的滑
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6    液压挖掘机
本船配置一台日立ZAXIS870H 挖掘机，其液压系统与发动机配合完美，具有挖掘力强、作业半径大、操作灵活、回转速度快、油耗低、工作效率高等特点，且作业时几乎无需船体移动，大大节省了调遣费用。
挖掘机主要性能参数，见表3所示。
挖掘机系统主要包括：发动机、驾驶室、监控系
统、上部回转平台、下部行走机构及其部件、液压系统、动臂、斗杆、4.5 m 3铲斗等。其中，铲斗可以更换为破
碎锤与液压剪等附件，完成多种作业。
表3  挖掘机主要性能参数
4定位桩及液压绞车布置定位桩系统主要由定位桩、液压绞车、滑轮组、驱动装置等组成。定位桩下降，通常是利用自身重量插入泥土中；定位桩起升，则通过挖掘机内部液压系统
带动液压绞车，通过设置在定位桩支架上的滑轮拉起定位桩。
6液压挖掘机表3挖掘机主要性能参数
项目
ZX870H （BE ）BE 型动臂7.1m BE 型动杆  2.95m 最大挖掘半径
12.340m 最大挖掘半径（在地面）12.020m 最大挖掘深度
7.140m 最大挖掘深度（8平面）7.000m 最大切削高度12.010m 最大卸载高度8.130m 最小回转半径 
5.210m 最大垂直挖深  4.100m 铲斗挖掘力ISO 472kN 斗杆挖掘力ISO 394kN 铲斗容量SAE:PCSA
4.5m 7总结随着我国经济的飞速发展，港口、河道等的疏浚、清淤施工工程量逐年增长，
7    总结
随着我国经济的飞速发展，港口、河道等的疏浚、清淤施工工程量逐年增长，对挖泥船的需求也大幅增加。2022年8月，世纪工程平陆运河的开发建设，更给挖泥船的发展带来了机遇，相信随着23.8 m 反铲式挖泥船的交付使用，必将为航运业的发展添砖加瓦。
参考文献
[1]内河船舶法定检验技术规则[S].北京：中华人民共和国海事局, 2019.[2]钢质内河船舶建造规范[S].北京：中国船级社, 2016.[3]王晓刚.浅谈内河航运的发展[J].现代经济信息, 2011 (23).[4]陈亮.挖泥船在输水工程中的应用[J].水利规划与设计, 2016 (5). [5]徐本举.卵石河床急流航道铲斗(抓斗)挖泥船定位系统设计[J].船      海工程, 2016, 45 (1).
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等都严格按照规格要求执行，不放过每一个细节，最后在大家坚持不懈的努力下，完成整个火车轨道系统的安装工作（如图7所示），最终于2021年成功交付船东。
本次美—墨航线火车滚装船突破了一系列关键技术，研发并申请了多项专利技术，其载重能力和装卸
效率等各项指标均达到国际领先水平，获得了船东以
及业界的好评，入选英国皇家造船师学会2021年度杰
出船型录《SIGNIFICANT SHIPS OF 2021》。
图7  主甲板火车轨道图片
6    结束语
本文介绍了某火车滚装船火车轨道系统主要组成部分及工作原理，以及轨道系统的设计、建造工艺、精度控制等关键技术，并获得了多项专利技术。本船在总体设计、船舶靠泊固定、轨道设计及安装、火车绑扎固定等方面填补了国内空白，对于我国今后火车滚装船设计及建造具有借鉴参考作用，也积累了宝贵的经验。
参考文献
[1]佟立本.铁道概论（第七版）[M].北京：中国铁道出版社，2016.
图5压轨器
图6普通单开道岔Copyright ©博看网. All Rights Reserved.