戴雪良，章慶生

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

隨著世界各國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源需求的不斷增加，陸地礦產(chǎn)資源因大量開采而逐漸枯竭，這樣不僅影響世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還導(dǎo)致人類生存環(huán)境的惡化，所以開采海洋資源就成了人類首選的目標(biāo)。

目前海底世界已被人類認(rèn)為是未來(lái)最大的潛在戰(zhàn)略資源基地，引起世界各國(guó)競(jìng)相開展相關(guān)研究。近海砂礦是一種在近海海底條件下經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)變化而形成的具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦砂資源，現(xiàn)已勘探出包括金紅石、金鈦鐵礦、鋯石、磁鐵礦在內(nèi)的多達(dá)數(shù)十種，對(duì)航天工業(yè)及核工業(yè)有重要意義，其價(jià)值僅次于海底石油和天然氣。世界上已有眾多國(guó)家或地區(qū)對(duì)近海砂礦進(jìn)行勘探和開采。水下礦砂通常有2種挖掘系統(tǒng)，即干挖式和濕挖式。干挖式主要是采用抓斗、鏟斗、鏈斗等直接挖取，濕挖式是通過(guò)斗輪、絞刀、泥泵、管道等。

由于采出的原礦通過(guò)500 m的水上浮管輸送到后面的選礦船上進(jìn)行選礦是一個(gè)連續(xù)的作業(yè)過(guò)程，選礦船要求采礦船的產(chǎn)量盡可能均勻，因此本文重點(diǎn)研究了具有浪浪補(bǔ)償功能的斗輪式采礦船設(shè)計(jì)。

1 主要參數(shù)選擇

本文研究的采礦船根據(jù)排水量大小以及穩(wěn)性、浮態(tài)等要素，最終選取最佳船長(zhǎng)、型寬、型深。主要參數(shù)如下：

船長(zhǎng)35.2 m ,型寬8.30 m，型深2.70 m，設(shè)計(jì)吃水1.65 m，最大挖深(斗輪架與水平夾角45°)14.0 m，排距500 m，排高5 m，臺(tái)車行程3.5 m，泥泵清水排量4 300 m3/h，排水量約426 t，航區(qū)沿海。

該船挖深約為10 m，最大挖深限定為14 m。這就需要艏部設(shè)置10 m的開槽，以便于橋架的起落和挖掘機(jī)構(gòu)的維修；艉部根據(jù)設(shè)定臺(tái)車行程大小來(lái)確定開槽長(zhǎng)度，中間根據(jù)機(jī)艙設(shè)備及甲板艙室布置來(lái)確定。

2 總體布置和簡(jiǎn)介

主甲板以下的主船體從艉至艏依次布置壓載水艙、空艙、燃油艙、機(jī)艙、空艙、壓載水艙等。本船設(shè)4只燃油艙，貯油量約為55 t，可滿足連續(xù)180 h施工需求；設(shè)5.5 m3的清水艙，滿足作業(yè)人員的日用。

主甲板以上中部設(shè)有機(jī)艙棚、衛(wèi)生間、CO2室、船員休息艙室、操縱室。

艉部設(shè)有定位樁系統(tǒng)：設(shè)置1根主定位樁和1根輔定位樁。定位樁直徑均為Φ630 mm×18.5 m。副定位樁設(shè)在左舷船體的尾部，主定位樁臺(tái)車船體尾部的開槽內(nèi)。主定位樁臺(tái)車帶有波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，使得主定位樁作業(yè)時(shí)不易折斷。主定位樁臺(tái)車的工作行程為3.5 m?？刂贫ㄎ粯渡档捻斏透讖綖?80 mm，通過(guò)撥出樁箍插銷，定位樁可通過(guò)倒樁裝置倒下。

艏部設(shè)有斗輪采礦系統(tǒng)和橫移錨的起拋錨桿系統(tǒng)，斗輪采礦臂架安裝在船首部的開槽內(nèi)，斗輪采礦臂架總長(zhǎng)18.5 m。在船首駕駛室前主甲板上，安裝1臺(tái)150 kN橋架液壓絞車，通過(guò)斗輪采礦臂架下滑輪組和船首門架上的上滑輪組牽引斗輪采礦臂架繞鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)不同深度的采礦。斗輪采礦臂架下放45°時(shí)，最大挖深為14 m。斗輪采礦臂架前端裝有采礦斗輪裝置，采礦斗輪裝置參數(shù)為：直徑Φ3.2 m，額定功率250 kW，額定轉(zhuǎn)速0～18 r/min，橋架絞車兩側(cè)設(shè)置2臺(tái)150 kN型橫移液壓絞車。橫移絞車采用上出繩，鋼絲繩通過(guò)設(shè)在斗輪采礦臂架前部的擺動(dòng)橫移滑輪，至采礦船兩側(cè)前端的橫移錨。2臺(tái)橫移絞車一收一放，可使采礦船繞艉部主定位樁實(shí)現(xiàn)左右扇形采礦。本船首部左右舷各設(shè)1套拋錨裝置。該裝置主要由吊錨桿、吊錨桿承座、開口滑車、導(dǎo)向滑輪、起錨絞車等組成。吊錨桿長(zhǎng)度為15.5 m，舷外側(cè)最大跨距為12 m，吊錨桿在舷側(cè)可前后擺動(dòng)，進(jìn)行起拋錨。起拋錨由拉力為60 kN的液壓起錨絞車控制，繩速約0～20 m/min。采礦船布置示意見圖1。

圖1 采礦船布置圖

3 船體性能

本船入級(jí)法國(guó)BV船級(jí)社，掛斐濟(jì)國(guó)旗，嚴(yán)格按照BV和斐濟(jì)的規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)。本船作為非自航船，航行主要是靠其他船舶拖航，阻力大小對(duì)拖航速度不敏感，故船體型線采用箱型，便于船廠施工。采礦船在6級(jí)以下風(fēng)浪下作業(yè)，穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

4 主要設(shè)備配置

(1)采礦泵驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)參數(shù)：型號(hào)CAT 3512C，型式V型12缸 4沖程柴油機(jī)，缸徑170 mm，行程215 mm，功率1 350 kW，轉(zhuǎn)速1 600 r/min；電啟動(dòng)。

(2)液壓/發(fā)電驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)參數(shù)：型號(hào)CAT C18，型式直列 4沖程柴油機(jī)，缸徑145 mm，行程183 mm，功率465 kW，轉(zhuǎn)速1 800 r/min；電啟動(dòng)。

(3)泥泵裝置參數(shù)：型號(hào)HK-HE 3HD 131-22-50，型式泵齒輪箱組合，清水流量4 300 m3/h，揚(yáng)程65 m。

(4)斗輪裝置參數(shù)：斗輪直徑Φ3 200 mm，轉(zhuǎn)速(12-15.4-18) r/min，斗輪軸功率250 kW。

5 波浪補(bǔ)償臺(tái)車定位樁系統(tǒng)研制

5.1 帶波浪補(bǔ)償臺(tái)車定位樁的作用

臺(tái)車定位裝置系統(tǒng)是保障采礦作業(yè)船連續(xù)作業(yè)不可缺少的裝備。隨著礦區(qū)作業(yè)海域水深不斷增加，海況越來(lái)越復(fù)雜，波浪涌對(duì)斗輪采礦船的影響越來(lái)越大，在這種情況下無(wú)波浪補(bǔ)償臺(tái)車定位裝置已不能滿足復(fù)雜海況下平臺(tái)作業(yè)要求。為提高平臺(tái)對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)能力、作業(yè)效率，確保平臺(tái)作業(yè)安全，需要在臺(tái)車定位裝置上增設(shè)波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，以減小風(fēng)、浪、涌引起的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)臺(tái)車定位樁系統(tǒng)的作用力。

5.2 波浪補(bǔ)償原理及結(jié)構(gòu)形式

斗輪采礦船作業(yè)時(shí)通過(guò)臺(tái)車定位樁的波浪補(bǔ)償裝置的作用可降低定位樁損壞的風(fēng)險(xiǎn)。采礦船在惡劣的波浪條件下工作時(shí)，作用在主定位樁上的反作用力主要由采礦斗輪旋轉(zhuǎn)切削產(chǎn)生反作用力、橫移絞車牽引產(chǎn)生的作用力和波浪流對(duì)船體產(chǎn)生的反作用力反饋到主定位樁上。為了使采礦船在惡劣的波浪條件下可以進(jìn)行采礦作業(yè)，使用帶波浪補(bǔ)嘗臺(tái)車定位樁的采礦船可以隨著波浪繞著定位樁擺動(dòng)，以防止定位樁折斷，達(dá)到增加采礦船有效作業(yè)時(shí)間、提高作業(yè)產(chǎn)量的目的。

臺(tái)車波浪補(bǔ)償裝置包括以下3個(gè)方向的補(bǔ)償：

(1)繞橫軸擺動(dòng)和水平縱向擺動(dòng)補(bǔ)償?shù)牟ɡ搜a(bǔ)償系統(tǒng)。

(2)沿垂向方向位移補(bǔ)償?shù)牟ɡ搜a(bǔ)償系統(tǒng)。

(3)沿水平方向橫向位移補(bǔ)償?shù)牟ɡ搜a(bǔ)償系統(tǒng)，波浪補(bǔ)償采用油缸+純機(jī)械結(jié)構(gòu)組合(油缸+搖臂結(jié)構(gòu)形式)以及油缸+鋼絲繩滑輪組形式。油缸+純機(jī)械結(jié)構(gòu)組合見圖2。雙作用波浪緩沖油缸見圖3。

實(shí)際工作中，補(bǔ)償方式的選用、波浪補(bǔ)償結(jié)構(gòu)形式及補(bǔ)償原理的確定需要根據(jù)采礦作業(yè)船上的空間位置、裝置的平臺(tái)體布置、定位波浪補(bǔ)償系統(tǒng)樁的受力、作業(yè)工況等諸多因素來(lái)決定。

圖2 油缸+純機(jī)械結(jié)構(gòu)組合

根據(jù)本采礦船的實(shí)際情況，波浪補(bǔ)償采用油缸+純機(jī)械結(jié)構(gòu)組合(油缸+搖臂結(jié)構(gòu)形式)，即鋼樁在海上作業(yè)時(shí)波浪在船上產(chǎn)生的作用力會(huì)造成采礦船相對(duì)定位樁的移動(dòng)，使定位樁樁產(chǎn)生一定角度的擺動(dòng)，因而在采礦船定位樁下抱箍和定位樁入泥處產(chǎn)生很大的作業(yè)力矩。為了使采礦船能在更加惡劣的波浪海況條件下進(jìn)行采礦作業(yè)，或在延長(zhǎng)定位樁的使用壽命，定位樁臺(tái)車與船體之間采用帶液壓蓄能器和雙作用液壓油缸的進(jìn)行補(bǔ)償形式，通過(guò)蓄能器和雙作用液壓油缸在作業(yè)過(guò)程中吸收波浪流產(chǎn)生的沖擊，減小主定位樁在中線的波動(dòng)沖擊力矩。

圖3 雙作用波浪緩沖油缸

6 結(jié)語(yǔ)

本采礦船的研發(fā)成功，為我國(guó)在沿海采礦領(lǐng)域增添了新型的裝備，特別是帶波浪補(bǔ)償?shù)呐_(tái)車定位樁的使用，延長(zhǎng)了采礦船作業(yè)的窗口期，提高了作業(yè)效率。海洋礦產(chǎn)資源作為戰(zhàn)略資源，已得到世界各國(guó)的高度重視。本項(xiàng)目的實(shí)施，將大大提升疏浚工程領(lǐng)域和選礦領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和我國(guó)海洋采礦產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化能力，加速我國(guó)海工裝備產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整，創(chuàng)建具有國(guó)際影響力的自主品牌，對(duì)增強(qiáng)我國(guó)海工裝備的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的作用。