超大型绞吸式挖泥船液压技术的自主创新
作者: 发布时间:2023-02-27 17:15:45 来源: 我要评论记者:江浩
随着世界海洋经济快速发展,海上疏浚工程的规模日益宏大。无论是苏伊士运河开挖、巴拿马运河拓宽还是远海人工岛屿建设、深海油气开发、深海采矿、海上风电、海洋牧场等海洋资源的开发,都离不开超大型挖泥船。由于极大地受制于国家装备总体水平、关键技术研究水平、关键设备自主设计及建造水平等,超大型自航绞吸式挖泥船属于高技术、高难度、高附加值的特种船舶,已成为国际高端疏浚市场竞争能力的重要标志。
“天鲲号”是目前亚洲最大、世界智能化水平最高的超大型自航绞吸船。“天鲲号”全长140米,宽27.8米,总装机功率25843千瓦;最大挖深35米,设计小时挖泥量高达6000立方米,相当于每小时可将一个标准足球场挖深一米;远程输送能力达15000米,为世界之最。“天鲲号”是中国首艘从设计到建造拥有完全自主知识产权的超大型自航绞吸船,已多次在港珠澳大桥等国内外重大工程项目中展现卓越的输送能力、适应恶劣海况能力及挖掘系统能力,是中国高新技术与大型装备制造高度融合的里程碑。“天鲲号”曾荣获由中国国务院设立的国家科学技术进步奖,以表彰该项目在应用推广先进科学技术成果、完成重大科学技术工程,并创造显著社会、经济效益所做出的重大技术贡献。
2015年,中交天津航道局定位于世界先进水平的高起点,联合上海交大、中国船舶、文冲船厂等多家国内一流的疏浚科研机构与企业,成立了200多名专业人员组成的强大设计研发队伍,开展产学研一体化攻关。凭借国内领先的液压技术及多年在挖泥船方面的成熟应用经验,王航领导申诚液压成功地为“天鲲号”开发了先进的液压系统,并将柔性钢桩台车系统、波浪补偿系统、智能操控系统等液压控制技术提升至国际一流水平。
绞吸式挖泥船在海上施工时受大风浪的作用,容易造成船舶上下颠簸并产生纵向摇摆。“天鲲号”采用重达183吨的巨型钢桩插入海底作为船体精准挖泥的固定支点。由于钢桩受海浪压力会产生相当大的弯矩,该弯矩与施工载荷所产生的弯矩叠加,在大挖深时会远远超出钢桩的许用弯矩而产生断桩、跑桩等重大问题,直接影响到绞吸船和作业人员的安全。为提高挖泥船的抵抗风浪能力,“天鲲号”科研团队设计了柔性钢桩台车系统,在施工作业时对台车行走油缸进行锁定(超压时带安全保护),从而牢牢地将船体固定住。王航领导团队对柔性钢桩台车的油缸及其液压控制系统展开了专项攻关,实地调研了多艘国际最先进的挖泥船,并深入研究国内外最新的液压技术理论与设计图纸。王航指导团队使用仿真分析软件对绞吸式挖泥船钢桩台车进行三维建模,并对其行走运动过程进行仿真分析,分析主要连接点的受力、船体正浮和纵倾作业时油缸作用力的变化,钢桩在不同的压力下船体的伸缩摇摆周期等。王航领导团队开发设计PLC智能系统控制钢桩承受的弯矩始终保持在许用范围之内,以确保钢桩使用的可靠性。经过不懈的努力,王航领导团队成功地为柔性钢桩台车配置了国际领先的液压油缸及其控制系统,其技术水平已比肩甚至赶超世界先进水平。该系统使船体可适应高达3米的海浪,并能够在恶劣的海况中开启重型岩石挖掘刀头对海下岩层进行破碎作业。
为了满足不同工况的挖掘需求,“天鲲号”配置了重量高达1600吨的桥架,以承载通用、粘土、挖岩和重型挖岩等四种类型的绞刀及其电机设备。当绞刀切削的泥层为硬质土或岩石时,挖泥船起动门架的定滑轮与桥架动滑轮间的距离会随着风浪产生周期性的变化。王航指导团队对波浪补偿理论进行广泛研究,深入分析补偿油缸控制系统最新的技术成果,结合目标船体设计不断进行优化与改进设计。王航带领团队基于目标船型的特性对桥架载荷及油缸运动补偿性能进行大量的仿真和分析,确保波浪补偿系统的精度满足船体不同的响应要求。王航指导团队采用智能系统控制波浪补偿油缸伸缩收放对应的钢丝绳,使整根钢丝绳始终处于张紧状态,避免了钢丝绳在松驰、张紧转换过程中对整套系统产生破坏性冲击。王航与科研团队为开发的波浪补偿系统为世界之最,使“天鲲号”可适应高达4米的波浪,一举达到国际先进水平。
此前,国内绞吸船作业时往往需要人工操作,挖泥的效率和质量受制于个人的经验和能力,劳动强度大,产量极不稳定。国际上往往采用自动控制系统提前设定好铰刀横摆速度,但是如果区域泥沙浓度过高就会造成堵管,有些区域浓度减低会造成作业效率下降。为了提高效疏浚效率,王航广泛调研现有的控制系统的适用范围及其优缺点,并深入研究国际最先进的自动控制系统理论与方法。王航领导团队结合疏浚三维土质实时显示、潮位推算、能效管理等先进技术,研究海底风化岩、岩石、淤泥、黏土等不同土质泥沙浓度的变化。王航指导团队结合人工智能算法,采用PLC系统实时调整绞刀横摆的速度,确保在挖掘边线、边坡时,不会出现其他操控下常见的因为绞刀惯性而产生的超挖现象,从而实现无人操控自动挖泥作业的最大产能。
“天鲲号”的成功研制是中国在高技术领域取得的重要成就之一,填补了中国自主设计建造超大型自航绞吸船的空白,使中国在挖泥船研究和设计技术跻身世界前列。王航始终坚持致力于推动液压领域的高新技术研究与成果转化,在国家重大项目中不断加强尖端技术的自主创新能力,持续推动疏浚行业快速向前发展,是中国疏浚领域内当之无愧的领军人物。
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