劉洪寶，喬朝起，竇勇

（1.中交一航局安裝工程有限公司機電設(shè)計咨詢分公司，天津 300457；2.中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

深中通道連接珠江東西岸，是為承接粵港澳大灣區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移打造的交通大動脈。該工程的海底沉管隧道長約6.8 km，是世界首次使用的雙向八車道超寬鋼殼混凝土沉管隧道。在海底隧道施工建設(shè)中，沉管基礎(chǔ)整平及沉管安放就位后的鎖定回填是必不可少的施工工藝，碎石整平船是用于鋪設(shè)沉管管節(jié)基床和整平作業(yè)的核心裝備，供料鎖固船則負(fù)責(zé)給整平船進(jìn)行整平作業(yè)的石料供料及沉管安放后的碎石回填鎖固工作。

1 功能概述

“一航津供1”供料鎖固船（見圖1）是中交一航局為深中通道量身定制的施工型工程船舶，船長84.6 m，型寬35 m，型深6 m，吃水3.9 m。船上設(shè)計一套輸送機輸送系統(tǒng)，能夠滿足石料輸送與石料回填2種作業(yè)工況的需求，輸送及一般回填時能力可達(dá)800 m3/h，鎖定回填時能力可達(dá)400 m3/h。其中石料輸送功能配合整平船使用，實現(xiàn)為整平船連續(xù)供料功能[1]。

回填作業(yè)可獨立完成，回填給料溜管工作行程分別為42 m、15 m，能夠完成最寬56 m沉管的雙側(cè)鎖定回填和一般回填施工工藝作業(yè)。

圖1 供料鎖固船外形圖Fig.1 Outline drawing of feeding and locking ship

2 工藝設(shè)計

工藝系統(tǒng)由艙底8臺裝有振動給料機的給料漏斗，6條皮帶輸送機，1臺可俯仰的旋轉(zhuǎn)給料輸送機及2套可行走可提升溜管系統(tǒng)組成，工藝流程圖見圖2。圖中VF為振動給料機，T1/T2/T3/T4為轉(zhuǎn)接平臺，BC1～BC7為皮帶輸送機，其中BC7為旋轉(zhuǎn)給料輸送機，CT1/CT2為溜管臺車。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process flow chart

系統(tǒng)通過輸送機系統(tǒng)轉(zhuǎn)接可實現(xiàn)兩種功能，一種用于向整平船供應(yīng)石料，由輸送機BC1、BC2、BC3、BC4和旋轉(zhuǎn)給料輸送機BC7組成。一種用于沉管鎖定和回填，由BC1、BC2、BC3、BC4、BC5、BC6輸送機和對應(yīng)的卸料小車、溜管臺車CT1、CT2組成。

輸送機BC1、BC2、BC3為共用輸送機。BC1是接料輸送機，石料倉石料通過8個漏斗和振動給料機VF向1號輸送機BC1供料。BC2為轉(zhuǎn)向及提升輸送機，其上布置有皮帶秤，可對輸送石料進(jìn)行計量。BC3為3級提升輸送機，其尾部設(shè)電液三通，通過電液三通的開閉控制，實現(xiàn)分別向供料輸送機BC4、BC7或回填輸送機BC5、BC6供料，供料和回填不同時工作。BC4為4級提升輸送機，負(fù)責(zé)將石料輸送至旋轉(zhuǎn)給料輸送機BC7。BC7為5級提升輸送機，該輸送機將石料輸送給整平船，完成供料任務(wù)。BC5、BC6為帶有移動卸料小車的平面輸送機，實現(xiàn)向溜管臺車供料，負(fù)責(zé)完成回填、鎖定工作。

石料輸送工藝由振動給料機VF、輸送機BC1、BC2、BC3、BC4號和旋轉(zhuǎn)給料帶式輸送機BC7組成。工藝流程為：艙內(nèi)石料→振動給料機VF→1號輸送機（BC1）→2號輸送機（BC2）→3號輸送機（BC3）→4號輸送機（BC4）→旋轉(zhuǎn)給料輸送機（BC7）→整平船輸送系統(tǒng)。

回填流程由 BC1、BC2、BC3、BC4、BC5、BC6皮帶式輸送機、卸料小車、溜管臺車CT1、CT2系統(tǒng)組成。工藝流程分一般回填和鎖定回填兩種。

一般回填作業(yè)：艙內(nèi)石料→振動給料機→1號輸送機（BC1）→2號輸送機（BC2）→3號輸送機（BC3）→6號輸送機（BC6）→卸料小車→2號溜管臺車（CT2）。

鎖定回填作業(yè)：艙內(nèi)石料→振動給料機→1號輸送機（BC1）→2號輸送機（BC2）→3號輸送機（BC3）→5號輸送機（BC5）/6號輸送機（BC6）→對應(yīng)犁式卸料小車/卸料小車→溜管臺車CT1/CT2。

3 主要系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

物料特性：2～8 cm石子，含水率2%，容重1.7 t/m3，安息角25°。輸送機參數(shù)：帶寬1 200 mm，帶速 1.6 m/s；供料及一般回填工況輸送能力：800 m3/h；鎖定回填輸送能力：400 m3/h；總裝機功率：275.5 kW[2]。振動給料機：單臺300 m3/h，功率7.5 kW。旋轉(zhuǎn)輸送機：輸送能力800 m3/h，回轉(zhuǎn)角度-90°～120°，俯仰角度 0°～14°。溜管臺車：行走速度0～10 m/min；1號溜管臺車工作行程15 m，2號溜管工作行程42 m；溜管長度滿足水線下最大長度25 m，兩溜管最大中心距76 m。卸料小車：1號卸料車卸料能力400 m3/h，2號卸料車卸料能力800 m3/h。

上述工藝設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)給料輸送機、卸料小車、溜管臺車系統(tǒng)是實現(xiàn)整套系統(tǒng)設(shè)計功能的關(guān)鍵組成，以下從應(yīng)用需求、功能設(shè)計及設(shè)備選型進(jìn)行闡述。

3.2 旋轉(zhuǎn)給料輸送機

旋轉(zhuǎn)給料輸送機負(fù)責(zé)實現(xiàn)從船右舷或船艏側(cè)穩(wěn)定地向整平船輸送石料功能，其給料口在船舶滿載狀態(tài)水線以上最大高度應(yīng)不小于18.0 m。

旋轉(zhuǎn)給料輸送機主要由旋轉(zhuǎn)臂架、BC7帶式輸送機、回轉(zhuǎn)平臺、門座筒體、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰機構(gòu)、俯仰液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及臂架擱置架等組成。

旋轉(zhuǎn)帶式輸送機為滿足給料高度的需求，確定俯仰上仰角度為14°，船體吃水線以上可滿足18 m高的給料要求；回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用大軸承形式，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能的同時，相比較回轉(zhuǎn)臺車方式，最大限度地節(jié)約空間。俯仰系統(tǒng)采用液壓缸作為俯仰動力源，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的回轉(zhuǎn)立柱、卷揚機的組合方式，使得整套俯仰系統(tǒng)動作控制更精確，實現(xiàn)無級調(diào)速；液壓缸對臂架提供支撐力，緊急情況下也可保持臂架不墜落；同時液壓系統(tǒng)采用雙缸配置，即便一缸失效，另一缸也能滿足臂架正常使用要求。

3.3 卸料小車

卸料小車布置在對應(yīng)輸送機上，負(fù)責(zé)向溜管臺車系統(tǒng)供料，對應(yīng)溜管臺車與其同時移動。受限于船長84.6 m船體設(shè)計要求和T3轉(zhuǎn)接平臺的中間分料三通溜管尺寸要求，采用2臺常規(guī)的卸料小車配置不能實現(xiàn)功能需求。

本工程在充分研究施工工藝的基礎(chǔ)上，確定選擇采用2種卸料形式，一種是尾車形式卸料小車；一種是帶行走輪的犁式卸料小車。尾車形式卸料小車輸送能力大，結(jié)構(gòu)形式基本固定，有成熟設(shè)計，可以長期穩(wěn)定運行。缺點是本體尺寸大，需要占用較多的工作行程，減少了有效作業(yè)行程；犁式卸料小車是在犁式卸料器的基礎(chǔ)上通過增設(shè)行走輪使其適應(yīng)“一航津供1”1號溜管臺車行程15 m的工況需求，它的優(yōu)點是本體占用空間小，可最大程度地增大工作行程，缺點是通過能力有限，一般對應(yīng)輸送機設(shè)計帶速不大于2.5 m/s[3]，且對犁頭耐磨襯板要求高，物料沖擊易造成耐磨襯板經(jīng)常更換。

根據(jù)犁式卸料器優(yōu)缺點，結(jié)合應(yīng)用工況，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上做了如下改進(jìn)：配置行走驅(qū)動裝置使其具有行走功能；為減小石料對卸料小車?yán)珙^的沖擊力，提高耐磨襯板的使用壽命，通過EDEM模擬物料運動軌跡，對犁板采用了特殊曲線設(shè)計；為適應(yīng)給料溜管的升降調(diào)整，犁式卸料小車溜槽設(shè)計有動態(tài)伸縮功能；為實現(xiàn)物料平緩轉(zhuǎn)載，增加了膠帶展平功能。行走犁式卸料小車，設(shè)計帶速為1.0 m/s，主要由犁頭、導(dǎo)流板、展平臺托輥組、行走機構(gòu)、車架、溜管、翻轉(zhuǎn)斗、推桿等組成，可將石料由5號輸送機卸載至1號溜管臺車的回填溜管中，實現(xiàn)對沉管鎖定回填作業(yè)。

3.4 回填溜管系統(tǒng)

回填溜管系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成海底隧道沉管的回填工作，根據(jù)施工工藝，鎖定回填時需要在沉管兩側(cè)同時投放石料，一般回填時在沉管正上方投放石料[4]；回填作業(yè)時可調(diào)整石料投放高度，以避免拋料過高石料被海浪沖擊散開造成浪費。

回填溜管（見圖3）系統(tǒng)主要由溜管臺車、回填溜管、溜管提升裝置、防風(fēng)裝置、電纜拖鏈系統(tǒng)等組成，安裝在船左舷，溜管直徑φ1 200 mm×16 mm，單根溜管總長度32.3 m，水線以下長度25 m；2根溜管工作行程分別為42 m和15 m。

圖3 回填溜管Fig.3 Backfill chute

溜管臺車設(shè)計輪壓7 500 kg，采用電機減速機制動器于一體的三合一驅(qū)動形式，單臺電機功率7.5 kW，行走采用柱銷形式，通過變頻驅(qū)動實現(xiàn)無極調(diào)速；溜管升降通過卷揚升降機構(gòu)來實現(xiàn)，卷揚機功率15 kW，提升速度4 cm/s；溜管共設(shè)5個工位，每個工位間隔5 m。

4 電控系統(tǒng)設(shè)計

供料鎖固控制系統(tǒng)采用基于PLC自動控制技術(shù)[5]，由HMI人機接口界面、PLC控制系統(tǒng)和現(xiàn)場檢測監(jiān)控傳感器和執(zhí)行機構(gòu)組成?？刂颇Ｊ絒6]分為中控室遙控和機旁控制2種，正常工作模式下，由中控室完成對系統(tǒng)所有設(shè)備操作，維修調(diào)試可通過設(shè)置在單臺設(shè)備旁的機側(cè)操作箱進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)拓?fù)鋱D見圖4。

系統(tǒng)總用電負(fù)荷299.5 kW[7]，振動給料機、溜管臺車行走、旋轉(zhuǎn)帶式輸送機回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用變頻控制方式，輸送機采用液力耦合器軟啟動方式。同時，根據(jù)船上的作業(yè)特點，驅(qū)動電動機、電纜等采用船用級別[8]。

5 結(jié)語

“一航津供1”供料鎖固船供料鎖固系統(tǒng)已于2019年6月18日完成系統(tǒng)空載聯(lián)動試驗，目前已拖運至深中通道施工現(xiàn)場。項目從設(shè)計、采購、施工、試車調(diào)試過程中遇到問題和解決方案，為工程船舶的施工管理系統(tǒng)設(shè)計和自動化水平提高積累了經(jīng)驗，為后續(xù)船機系統(tǒng)新建、改造和系統(tǒng)升級提供了借鑒。