绞吸式和耙吸式挖泥船

第三章绞吸式挖泥船

图3-1 目前世界上最大的绞吸式挖泥船―Mashhour‖号

3.1 概述

一、应用领域

绞吸式挖泥船被广泛应用于港口、航道疏浚及吹填工程。绞吸式挖泥船从挖泥到排泥场的距离一般小于耙吸式挖泥船。使用绞吸式挖泥船的最大优势是能获得准确的挖掘轮廓。

绞吸式挖泥船基本适合挖掘各种类型的土壤，当然这也决定于切削功率的配置。绞吸式挖泥船类型和尺寸范围很广，绞刀头功率最小可为20KW，最大可达约4000KW。但挖泥深度一般较有限，最大挖深为25～30 m，最小挖泥深度通常取决于船体（平底船）的吃水深度。

绞吸式挖泥船属静态挖泥船。至少有两套对挖掘过程非常重要的锚缆系统。但锚缆却为其它船舶航行带来障碍。某些大型绞吸式挖泥船为减少被―绊住‖的危险而安装了推进器系统；推进器系统可用于帮助绞吸式挖泥船离开挖掘区域，当然也可帮助绞吸式挖泥船从一工作点

移动到另一工作点。

小中型绞吸式挖泥船可制造为可拆卸式的。这种方式较适合由公路到内陆区域而无水路时的运输，如，为公路铺沙层、为建筑工程公司挖掘沙子和砾石等。

安装了波浪补偿器的绞吸式挖泥船可在有波浪的开放水域施工，较之耙吸式挖泥船其局限性是显而易见的。

图3-2 Simon Stevin号自航式绞吸挖泥船图3-3 船体可升

降式绞吸挖泥船

二、历史

绞吸式挖泥船起源于美国。1884年第一艘绞吸式挖泥船在美国加利福尼亚州西部港市奥克兰使用。这艘绞吸式挖泥船装有液压绞刀头并被用于疏浚泥沙和岩石。其输泥管直径为500 mm，泥泵叶片直径为1.8 m。其设计的主要缺点是绞刀头易被堵塞。在19世纪末20世

纪初，绞吸式挖泥船得到了发展。

如，1896年Beta 号绞吸式挖泥船是为美国芝加哥疏浚公司建造。这艘挖泥船吃水1.95 m，横梁长12 m，在当时是最大的绞吸式挖泥船。Beta 号具有两个独立的泥泵并配有直径为850 mm的吸泥管，每个吸泥管分为三段直径为500 mm的管子。在每个管口处垂直安装了一个直径为1500 mm的绞刀头。绞刀头转数为12 r/min，如图3-4。

图3-4 Beta号绞吸式挖泥船平面布局图

此挖泥船在密西西比河上工作2年后，绞刀头被换成水激器。当时此方法在绞吸式挖泥船设计中常被使用。绞吸式挖泥船在美国疏浚行业成为主力军，就如同当时的链斗式挖泥船在欧洲的角色一样。三、特征

绞吸式挖泥船的特性是：她属于静态挖泥船，安装绞刀头/绞刀作为挖掘工具，使泥土在切削后被吸入。在吸泥过程中，绞吸式挖泥船是以定位桩为中心通过固定在侧边绞盘上的锚缆按圆弧形旋转，如图3-7所示。绞吸式挖泥船非常易于与吸扬式挖泥船区分，因后者是没有定位桩系统的（但某些绞吸式挖泥船工作时是由缆绳定位的，而不是定位桩定位）。

图3-5 ―RAM‖号绞吸式挖泥船布局图

绞刀支臂悬挂在支臂支架上，绞刀头、驱动器和吸泥管都置于其上。对于中小型绞吸式挖泥船，一般采用A型支架，而对于大型绞吸式挖泥船，一般支架较重。因部分切削力需由平底船及定位桩平衡，所以绞吸式挖泥船的平底型船体比其它静止型挖泥船较重。挖掘的泥水混合物由水力式吸泥管输送到排泥场。但也有某些绞吸式挖泥船配套有驳船卸泥系统。绞吸式挖泥船安装一个或多个泥泵，其中一个放置

在绞刀支臂上。自航绞吸式挖泥船的推进器装置既可置于挖泥船前部靠近绞刀头处，也可置于其后部靠近定位桩处。

四、工作方式

在绞吸式挖泥船绞刀支臂放入水中后，泥泵开始工作，绞刀头开始旋转。然后支臂向下转动直到绞刀头接触河床，或直到其达到最大挖深处。挖泥船绕定位桩的初始运动是通过放松右舷锚缆、拉紧左舷锚缆完成的。这些锚缆由靠近绞刀头的滑轮与甲板上的绞盘(靠近挖泥一侧的绞盘)连接。放松绞盘保证两边缆绳的准确张力，这在挖掘坚硬岩石时尤为重要。

1.绞刀头的旋转方向相对于其横移运动的方向有时相同，有时相

反。在第一种情况下，绞刀头作用在土壤上的反作用力带动船体运动，因此其横移作用力要小于第二种情况。当绞刀头运动方向与挖泥船横移方向一致时，保证锚缆的预紧力是非常重要的。如果绞刀头作用力推进挖泥船移动快于绞盘拉拽速度时，拉拽绞盘的缆绳将被绞刀头卷起并剪断，这是非常危险的；

2.锚的位置对挖泥船所需横移力影响大。绞刀头到边缆的距离越

近，所需的横移力越小；

3.横移力也受外界自然条件的影响，如风、水流及波浪等。

当然，绞刀支臂沿弧形摆动一次绞刀支臂，挖泥厚度由绞刀头直径及土壤类型决定。当一次摆动后没有达到所需的挖泥深度，绞刀支臂将被放下更深，且绞刀支臂将向相反的方向摆动。

如前所述，绞吸式挖泥船是以定位桩/ 工作桩为固定支点做圆弧形摆动。大多数绞吸式挖泥船的定位桩放置在可移动钢桩台车上。另一只桩为辅助桩，置于中心线外，一般置于船尾右舷一侧。

钢桩台车利用液压缸可移动4-6 m的距离。因为钢桩立于河床上，通过向船艉方向推动钢桩台车即可推动绞吸式挖泥船向前移动。绞刀头的尺寸和土壤硬度决定了钢桩台车移动的步长。钢桩台车每移动一步，在每次沿弧形摆动末端放低绞刀支臂，绞刀可切削一层或多层土壤。

图3-6 步长和切层

支臂每向前一步，绞刀头以定位桩为中心绘出一个同心圆弧，其半径随步长的增加而增加，如图3-7所示。

如果钢桩台车液压缸已移到尽头，则必须要移动钢桩了。在步进前，绞刀头移到切削中心线上，放下辅助桩，抬起工作桩，向前移动钢桩台车。然后再次放下工作桩，抬起辅助桩。挖泥船就又可以开始工作了。步进后的第一次切削不是一个同心圆弧。

图3-7 绞吸式挖泥船工作方式

3.2 设计

设计绞吸式挖泥船时，重要的设计参数包括：

1.生产量

2.挖泥深度

3.影响挖泥船尺寸的工作条件

4.土壤类型

5.输泥距离

如前所述，绞吸式挖泥船适用于挖掘各种类型的土壤，从粘土到坚硬岩石。土壤类型对绞吸式挖泥船的设计和建造有很大影响。当挖掘岩石时会产生相当大的反作用力，这些力由绞刀头产生，通过绞刀支臂和侧边绞盘传到陆地，或由平底船和定位桩克服。绞吸式挖泥船的设计也由所需的切削功率决定。

一、生产量

如同其他类型的挖泥船，生产量由市场需求及根据具体的工程项目可使用的挖泥船决定。因许多绞吸式挖泥船要在使用年限中挖掘各类土壤，挖泥船的设计参数设定就必须得考虑其必须能够挖掘的土壤类型。一艘设计用来挖掘岩石的绞吸式挖泥船也应能挖掘沙，但一艘设计用来挖沙的绞吸式挖泥船则不能挖掘岩石。另外，沙型绞吸式挖泥船比岩石型的绞吸式挖泥船更便宜。换句话说，绞吸式挖泥船的生产量与能挖掘的土壤硬度有关。例如，10 Mpa岩石型绞吸式挖泥船的生产量是100 m3/hr。生产量的单位被定义为m3/星期，/小时或/秒是很重要的。时间单位选择的越小，生产量的值越大。（因此长期平均生产量较小）。

当根据挖掘指定的土壤类型所需生产量已知时，则更需关注绞刀头切削产量。因为不是所有被切削的土壤都能通过吸嘴吸入，所以切削产量远大于挖泥生产量。一般溢出后仍残余20–30 %。决定绞吸式挖泥船生产量时必须考虑这个因素。

如上所述，时间单位较小时最大切削产量较高。对于绞吸式挖泥船这主要体现在工作方式上。在一次切削的中间位置时产量通常是最高的。在切削边角时，主要由绞刀支臂或钢桩台车操纵，切削产量较低甚至为0，在实践中，将导致当切削产量单位为m3/sec时的值比以m3/h为单位时的值高20 – 30%。

为提高实用性，绞吸式挖泥船设计用于挖掘岩石时，应同样适于挖掘其它类型的土壤。这意味着，被设计用来挖掘岩石的切削设备，仍需适用于挖掘其它类型的土壤。

二、挖泥深度

当设计绞吸式挖泥船时，需考虑最大和最小挖泥深度，因为这些都影响挖泥船的可用性。当挖泥深度增大，导致平底船吃水需更深，从而最小挖泥深度将增大。这样，挖泥深度增加可提高挖泥船的可用性，但同时最小挖泥深度将增大。同样，市场需求决定最佳选择。

1. 最大挖泥深度

最大挖泥深度是一个重要的设计参数。因为在绞吸式挖泥船中，平底船和定位桩将绞刀头挖掘土壤时产生的作用力传递到土壤，产生的力矩大小和挖泥深度是成比例的。因而随着挖泥深度的增大，不仅船体变得更大更宽（为了提高船体的稳定性），因此船体结构会更重。此外挖泥深度对绞刀支臂结构也有重大的影响：为了检修，绞刀支臂必须能够被抬出水面。

图3-8 最大挖泥深度与船自重的关系

从生产量的角度说，为获得所需生产量，吸泥深度决定是否需要安装水下泵。很明显，装备一个水下泵会增大支臂重量。

如果没有水下泵，吸泥管直径和泥泵功率必须增加以使挖掘的泥水混合物浓度减少，从而避免出现气蚀现象。但同时，泥水混合物浓度降低是很不经济的。

根据气蚀公式，某一限定的空气分离压和最高浓度值可决定是否需要水下泵，也可决定泥泵应放置在水下何处。当然，仍有一个经济学的问题，不论水下泵是否合适，水下泵一般都很昂贵（密封性要求）。

2. 最小挖泥深度

最小挖泥深度需根据平底船的吃水深度、冷却水进口的位置形状和绞刀支臂的结构决定。很明显即使在最小挖泥深度施工时平底船也必须有足够的底部间隙。对于大型绞吸式挖泥船这将导致船体变宽。最小挖泥深度必须比船体最大吃水至少小1m。冷却水入口的设计必须适合阻止泥土从底部进入。

图3-9 绞刀功率与平底船最大吃水的关系

当在最小挖泥深度挖泥，最小挖泥深度比船体吃水还浅时，则必须选择合适的绞刀支臂形状，否则会出现支臂被拖拽的现象。为防止拖拽现象的发生，支臂下边线和水平线之间的夹角至少应为5o，见图3-10。

图3-10支臂下边线和水平线之间的夹角

如图3-11所示，为在挖掘非粘性土壤时获得更高的吸入率，绞刀头的轴线应与水平线间存在一倾斜角度。绞刀头的挖掘量由斜坡倾斜度β和绞刀支臂角θ之和(θ+β)决定。

图3-11斜坡倾斜度和绞刀支臂角之和θ+β≧90o时，吸入率达100% 三、切削宽度

绞吸式挖泥船的可用性也取决于设备的最小切削宽度，与其最大切削宽度关系不大。

图3-12 最小切削宽度

最小切削宽度取决于平底船前部与绞刀头或外侧绞盘滑轮的外表面相交的直线，如图3-12所示。为减小最小切削宽度，常对平底船前端两侧进行倒角，如图3-13所示。绞刀头在平底船前伸出越远，最小切削宽度越小。在美国和日本普遍使用这种解决办法。

图3-13 船艏倒角的平底船

图3-14 切削宽度的计算

钢桩和绞刀头间的距离决定了最大切削宽度。为确保侧边绞盘的工作效率，最大横移角度应限制在45o以内；所以最大切削宽度 B = 2L*sin(450)，L是钢桩和绞刀头间的距离。L取决于水深和钢桩位置。

从生产的角度看，需要大的切削宽度，因为切削宽度较大时，挖掘每方土壤需步进而停止工作、抛锚和其他操作所需的时间较短；但长的绞吸式挖泥船最小切削宽度较大。在这种情况下，要权衡利弊。

四、土壤类型

土壤类型对绞刀头功率、绞刀支臂的长度、平底船和钢桩的设计影响都很大。某种程度上，土壤类型也影响吸泥管和水力输泥管直径的选择。在同样的切削量/功率下，岩石型绞吸式挖泥船的生产率要低于泥沙型绞吸式挖泥船。因此，岩石型绞吸式挖泥船的输泥管直径应

较小。另外，随着泥土混合物浓度的升高，则效益更大。在相同的生产率下，通过降低泥泵的流量而增加土壤输送浓度是可能的。因为运送固体需较小的流速，这可由减小输泥管的直径达到。但必须强调，减小泥泵的流速可能导致更大的溢流量。

五、输泥距离

输泥距离与泥泵功率和是否需要驳船运泥有关。当输泥距离太大而使用水力输泥管运输不经济时需配备驳船。也有可能因妨碍航海而不必使用输泥管。绞吸式挖泥船很少装备驳船运泥。

图3-15 Marco Polo号绞吸式挖泥船

如果绞吸式挖泥船配备了水下泵，选择水下泵的功率时需考虑的因素是在驳船装载时仅此泥泵在工作。管道系统和阀门的设计也需考虑此因素。土壤颗粒尺寸和管道长度决定泥泵功率。

也可选择比使用驳船装载功率高的水下泵输泥。在卸料和输泥时可使用泥泵过剩的功率。挖泥船能提供的最大压力由水下泵的轴密封性决定。通常其最大允许值为25-30 bar。

六、挖泥装置

设计挖泥装置时需考虑如下因素：

1.绞刀头功率

2.侧边绞盘的功率

3.轴向切削力

4.垂直切削力

5.支臂绞盘功率

6.引擎

7.泥泵

8.泥泵驱动

9.水泵、

10.定位桩系统

图3-16 作用在绞吸式挖泥船上的力

1. 切削功率

切削功率由设计的切削土壤类型所需比能决定。切削比能的定义是切削每方土需消耗的功或功率，因此：

[N/m2] (3-1)

所以切削功率为：

[W]

(3-2)

当切削土壤时切削力基本不是常数，所以使用了―平均切削力‖和―最大切削力‖的概念。切削岩石的最大切削力比平均切削力大2倍。以下为可用的经验值：

岩石；取决于切削过程是塑性切削还是拉力切削

沙

粘土；取决于切削过程中土壤破碎形式(塑性型、裂缝型或碎断型)

理论切削功率计算时必须乘以这些参数。绞刀头的转速也取决于土壤类型。

切削岩石时通常使用的额定转数是30转/分钟。因为随着可被切削的岩石碎块的增加，必须的比能减少，大型绞吸式挖泥船经常选择较低的绞刀额定转数，从而导致转矩变大。减小绞刀头的直径也能使转矩变大。在这种情况下最大切削厚度减小，生产量也随之减小。

如果绞吸式挖泥船是为挖沙而特别设计的，额定转数20转/分钟就足够了。绞刀高速旋转下，溢出量会大量增加。在挖掘淤泥和粘土时在绞刀头不被堵塞的前提下，绞刀低额定转数就足够了。

2．船艏侧边绞盘功率

三维切削力与切削功率成线性关系。因而当土壤类型和相对切削厚

度一定时，, 和均可视为常数。相对切削厚度对横移力的影响比对垂直和轴向切削力的影响大得多，因为通过绞刀头轴线时切削力水平分量的方向是变化的。

水平分力由侧绞盘传递，垂直分力由绞刀支臂重量或平底船的附加装备传递。轴向力由绞刀头的推力轴承吸收并通过钢桩传递给河床。

如果假设绞刀扭矩和水平切削分力间的关系保持恒定，那么侧绞盘功率为：

(3-3)

其中，= 切削功率[KW]

= 横移功率[KW]

= 切向力[N]

= 横移力[N]

= 转速[r/min]

= 绞刀半径[m]

= 横移速度[m/s]

(3-4)

当绞刀头半径为0.5m时，功率的关系表达式为：

(3-5)

这里假设两种绞刀头相对切削厚度相同。

这种随着绞刀头功率的减少侧绞盘功率的相对增长还表现在绞吸式挖泥船装机功率的关系上，如图3-17所示。

除了土壤类型和绞刀头转速之外，侧绞盘功率和转速也由挖泥船的主尺度和锚位决定。须注意横移功率不等于侧绞盘动力，横移速度不等于侧绞盘速度。

因此侧绞盘功率为：(3-6)

图3-17 绞刀功率与侧绞盘功率之比与绞刀功率的关系

α

图3-18挖泥船横移所须功率取决于绞刀支臂的角度α

另外，挖泥船横移所须功率也取决于绞刀支臂的角度α，见图3-18。挖泥船的横移力矩为：

(3-7)

是定位桩与工作点的距离。可为正数也可为负数，取决于绞刀头的旋转方向。因此横移功率为：

(3-8)

作用在绞刀支臂上侧绞盘滑轮处，相对带速与侧绞盘滑轮在横移方向上的速度之比等于：

(3-9)

切削岩石时最大带速是20~25 m/min。切削沙砾时为30~35 m/min。 3．绞刀头尺寸

生产量不仅受到切削功率、侧绞盘功率和速度的影响，也受绞刀头直径的影响。如侧绞盘上的力、速度和切削扭矩不是限制因素。

生产量只能通过增加切削厚度和绞刀头直径而增加。这也说明了以上提及的参数间的关系。

4．绞刀支臂绞车功率

若绞吸式挖泥船完全自动化在挖掘斜坡时是必要的，支臂绞盘速度必须与侧绞盘额定速度保持一致。如果没必要，则可选择不同的支臂绞盘速度，当支臂绞盘速度较低时，生产量会受到很大的影响。比如，绞刀刀齿必须经常更换，为此就得频繁地升起绞刀支臂。中型绞吸式挖泥船常采用的支臂绞盘速度是10 m/min。

5．驱动器

指绞刀头，侧绞盘和支臂绞盘的驱动器。可为电动驱动或液压驱动。以前支臂绞盘和侧绞盘常组合一体并使用一个驱动器，这使得同时地操纵支臂绞盘和侧绞盘不可能实现。

对于液压系统，各种驱动器能作用在同一液压油路上，因此不能同时被使用。对于最优地选择可以或不可以在同一回油路上操作是很重要的，因其影响挖泥船的生产量。

1) 绞刀头驱动器

绞刀头驱动器安装在绞刀支臂绞链（耳轴）边或靠近绞刀处。在第一种情况时，驱动器和变速箱在水上，第二种情况时它们可置于水下盒子里。如果绞刀头驱动器安装在绞链边上，因为高转矩轴必须长且重，长轴需安装几个支臂轴承。当驱动器安装在绞刀头附近时，改变绞刀头角度方向很自由，特别是在浅水中挖掘时。

选择液压或电动驱动器主要取决于平均载荷和最大载荷间的关系。