由于航道疏浚和圍海建廠工程的需求加大，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的絞吸式挖泥船正朝著大型化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，大型化絞吸式挖泥船為港口建設(shè)、海洋開發(fā)發(fā)揮了巨大作用。絞吸式挖泥船是一種系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量高的海上施工設(shè)備，其中臺(tái)車定位系統(tǒng)是大型絞吸式挖泥船的關(guān)鍵系統(tǒng)。
因此，定位樁臺(tái)車系統(tǒng)的研究越來越受到人們的重視。
通過國(guó)內(nèi)的專利技術(shù)來看，絞吸式挖泥船定位樁系統(tǒng)呈以下發(fā)展趨勢(shì)：
1.克服軌道變形
上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院的蔣如宏等人設(shè)計(jì)了3500m3/h絞吸式挖泥船的臺(tái)車系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，介紹了大型絞吸式挖泥船臺(tái)車定位裝置的系統(tǒng)原理及組成，其中關(guān)于行走子系統(tǒng)：由行走油缸、前行走輪及輪架、后行走輪組及輪架、前后水平導(dǎo)向輪等部件組成。行走油缸是臺(tái)車前后移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源。前端兩只行走輪可以分別繞中間軸微轉(zhuǎn)，后端左右各兩只行走輪可以分別繞一個(gè)軸前后方向微轉(zhuǎn)，六只行走輪構(gòu)成一個(gè)自平衡系統(tǒng)，在左右軌道稍有變形的情況下不會(huì)發(fā)生自鎖現(xiàn)象。但上述臺(tái)車系統(tǒng)一般適用于風(fēng)浪較小的施工條件，此時(shí)軌道變形較小，臺(tái)車系統(tǒng)可以微調(diào)行走輪輪心高度以適應(yīng)軌道變形；但是在比較惡劣的施工條件下，臺(tái)車系統(tǒng)受到的外力急劇加大，軌道變形也隨之增大，上述臺(tái)車系統(tǒng)便不能適應(yīng)，嚴(yán)重者可造成損壞。
何炎平等人提出一種絞吸式挖泥船雙軛架式重型鋼樁臺(tái)車，既可以使兩行走軛架可繞平衡梁轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以抵制軌道變形，又可以使兩行走軛架可繞墻架轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以抵制軌道縱向變形。
船體1、鋼樁2、臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)3、軌道4、平衡梁5、墻架轉(zhuǎn)軸6、滾輪轉(zhuǎn)軸7、行走滾輪8、緩沖裝置9、平衡梁轉(zhuǎn)軸10、滾輪墻架11、##行走軛架12、第二行走軛架13、行走油缸14
圖1 絞吸式挖泥船雙軛架式重型鋼樁臺(tái)車的示意圖
圖1是絞吸式挖泥船雙軛架式重型鋼樁臺(tái)車的示意圖，包括船體、鋼樁、行走油缸、軌道、臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)、行走軛架、緩沖裝置，軌道與船體相連，行走油缸一端和臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)連接，另一端和船體連接，緩沖裝置上端和臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)連接，下端和軌道平面接觸。行走軛架與臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)連接。
其工作原理為：當(dāng)行走油缸推動(dòng)臺(tái)車在軌道上行走時(shí)，臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)與兩行走軛架通過平衡梁轉(zhuǎn)軸鉸鏈，因此，兩行走軛架可繞臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可以隨左右兩邊醉倒高度差變化自行調(diào)節(jié)兩邊行走滾輪的高度位置，以適應(yīng)軌道變形要求；同時(shí)，滾輪墻架和平衡梁通過墻架轉(zhuǎn)軸鉸鏈，從而滾輪墻架可繞墻架轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到適應(yīng)軌道縱向變形的目的。
上述絞吸式挖泥船雙軛架式重型鋼樁臺(tái)車結(jié)構(gòu)緊湊合理，承載力大，具有很強(qiáng)的軌道變形適應(yīng)能力。行走滾輪在行走過程中可根據(jù)軌道的情況自行調(diào)節(jié)位置，##各行走滾輪始終與軌道接觸，均勻承載，有效地延長(zhǎng)了行走滾輪的適用壽命。同時(shí)將外力均勻地傳遞給船體結(jié)構(gòu)。采用了緩沖裝置，使得##行走軛架和第二行走軛架的行走滾輪分別接觸軌道的下表面和上表面，當(dāng)外界風(fēng)浪力較大時(shí)緩沖裝置可以避免行走滾輪直接撞擊軌道，從而起到緩沖作用。適用于大型絞吸式挖泥船，使其即使在比較惡劣的施工條件下也可以進(jìn)行施工。
2.提高液壓控制系統(tǒng)的性能
目前的絞吸式挖泥船大多使用基于常規(guī)板式閥的液壓控制系統(tǒng)，存在定位樁臺(tái)車的移動(dòng)速度調(diào)節(jié)不方便，定位精度差，不能適應(yīng)大風(fēng)大浪等惡劣天氣和特殊工況等問題。魏建華[3]等人設(shè)計(jì)了一種挖泥船定位樁臺(tái)車液壓控制系統(tǒng)，使定位樁臺(tái)車的移動(dòng)速度和定位精度得到很好的控制，彌補(bǔ)了以上不足。
圖2為挖泥船的示意圖，液壓控制裝置2由兩個(gè)插裝式單向閥、兩個(gè)梭閥、兩個(gè)插裝式溢流閥、電磁換向閥、兩個(gè)起鎖緊作用單向閥、比例節(jié)流閥和五個(gè)起邏輯作用的單向閥組合而成，安裝在挖泥船的船艙內(nèi)，其A、B油口通過液壓管路與定位樁臺(tái)車液壓缸1的有桿腔油口和無桿腔油口相連，液壓控制裝置2的進(jìn)油口通過液壓管路與泵站的壓力油口相連，回油口和泄漏油口與通過液壓管路與油箱相連，它能控制定位樁液壓缸實(shí)現(xiàn)挖泥船的##定位和可調(diào)的移動(dòng)速度。挖泥船進(jìn)行挖泥作業(yè)時(shí)，主定位樁3插入水底起到定位作用，輔助定位樁4懸在水中，液壓控制裝置2控制定位樁臺(tái)車液壓缸1推向主定位樁3，使挖泥船向前或向后移動(dòng)。
1--液壓缸 2--液壓控制裝置 3--主定位樁 4—輔助定位樁
圖2 絞吸式挖泥船示意圖
本挖泥船定位樁臺(tái)車系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高的先導(dǎo)控制型插裝閥系統(tǒng)，和電液比例旁路調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了##控制，運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)；除了完成正常作業(yè)工況下的##定位控制外，還能實(shí)現(xiàn)挖泥船受到不可預(yù)見外力作用下的安全保護(hù)功能。當(dāng)外力過大，可能對(duì)挖泥船的定位樁、臺(tái)車及挖泥船主體造成損壞，液壓系統(tǒng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)高壓溢流，使挖泥船朝外力減小的方向緩慢移動(dòng)，直至外力減小到正常狀態(tài)；系統(tǒng)的安全閥能自動(dòng)排除不可預(yù)見外力的顛覆干擾，##定位精度和作業(yè)安全，操作方便。
3.開發(fā)多功能組合系統(tǒng)
鋼樁臺(tái)車定位系統(tǒng)是現(xiàn)代絞吸挖泥船常用的一種定位裝置。該定位系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，投資高，維護(hù)保養(yǎng)難度大，在淤泥質(zhì)土的工況下，鋼樁易入泥過深，造成起鋼樁困難，同時(shí)該定位系統(tǒng)不適用于深水水域的施工。三纜定位也是目前絞吸挖泥船比較成熟的一種定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)為柔性定位，較適合于在深水水域?qū)崿F(xiàn)船舶定位，但其定位精度低，船舶易漂移，該系統(tǒng)較適合挖掘軟質(zhì)土，挖掘較硬土質(zhì)時(shí)，船舶晃動(dòng)加劇，加大挖掘操縱難度;同時(shí)由于需要將三口錨展布，占用水域大，且對(duì)水深有一定要求，施工干擾大。因此，利用鋼樁定位精度高，施工中船舶不易移位，施工中船舶前移、橫擺靈活等特點(diǎn)，與三纜定位系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)也是絞吸船定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。
1--三纜柱，2--鋼樁，3--右邊纜，4--橫移錨，5--橫移錨纜，
6--挖泥頭，7--挖泥船，8--絞車，9--臺(tái)車，10--左邊纜。
圖3.絞吸挖泥船單鋼樁臺(tái)車與三纜組合定位系統(tǒng)示意圖
圖3為絞吸挖泥船單鋼樁臺(tái)車與三纜組合定位系統(tǒng)[4]，其單鋼樁臺(tái)車9和三纜定位機(jī)構(gòu)組合成挖泥船7定位系統(tǒng)，單鋼樁臺(tái)車9設(shè)有一個(gè)單鋼樁2，裝配有三根定位纜，每一根定位纜設(shè)置有收放動(dòng)力絞車8，定位纜配合裝有定位錨。三根定位纜為尾纜、左邊纜10和右邊纜3。定位纜經(jīng)定位導(dǎo)纜筒一端連接收放定位纜絞車8，另一端連接定位錨。
本絞吸挖泥船組合定位系統(tǒng)采用“雙錨四纜單樁”工藝進(jìn)行施工。該施工工藝綜合了鋼樁臺(tái)車定位和三纜定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了這兩種定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)?！半p錨四纜單樁”施工工藝的要點(diǎn)就是在施工中僅依靠單鋼樁臺(tái)車和通過三纜柱1的二根定位邊纜，將左右邊纜與左右橫移錨4相連。橫移錨4經(jīng)橫移錨纜5連接挖泥頭6。該施工工藝是以鋼樁為中心進(jìn)行船舶的橫擺挖泥，通過鋼樁臺(tái)車的推移實(shí)現(xiàn)進(jìn)船。在起鋼樁收臺(tái)車時(shí)，依靠收緊三纜定位系統(tǒng)左右邊纜和橫移纜固定船位，在收纜過程中絞刀停轉(zhuǎn)并著地。由于無需設(shè)置輔鋼樁，這樣就減少了鋼樁定位船舶的下輔鋼樁和起輔鋼樁的過程。收緊、放開左右邊纜和橫移纜所占用的時(shí)間很短，而且這個(gè)過程還可以與起放鋼樁過程同時(shí)完成(三纜定位系統(tǒng)與鋼樁定位系統(tǒng)是兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng))。這樣在施工過程中能節(jié)省大量的非挖泥時(shí)間，能大大的提高有效挖泥時(shí)間，從而提高生產(chǎn)率。同時(shí)，由于設(shè)有鋼樁臺(tái)車，船舶定位精度高，施工中不易移位；由于左右邊纜直接與橫移錨相連，占用水域也相對(duì)較小，移錨、移船、駐位操作簡(jiǎn)便。
因此，本系統(tǒng)同時(shí)具備了鋼樁臺(tái)車定位和三纜定位的特點(diǎn)。具有船舶定位精度高，前移、橫擺靈活；設(shè)備投資少,便于維護(hù)；占用水域相對(duì)較小；同時(shí)在施工過程中能大大提高有效挖泥時(shí)間,作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)。