马晓晶，魏富龙

(上海振华重工(集团)股份有限公司,上海 200126)

大型抓斗式疏浚工程船抓斗比较与适用性分析

马晓晶，魏富龙

(上海振华重工(集团)股份有限公司,上海 200126)

针对大型抓斗挖泥船的抓斗选型问题，分析电液抓斗和机械抓斗两种疏浚抓斗的特点及大型抓斗研发的技术难点，从最大斗容、结构和机构特点、控制、成本及维护性对两种抓斗进行综合性比较，认为大方量尤其是百方级以上的抓斗挖泥船电液主动抓斗更具适用性和可行性。

抓斗式疏浚工程船，机械抓斗；电动液压抓斗

抓斗式挖泥船在疏浚工程中应用广泛，现有的抓斗船所使用的以机械重力式抓斗为主，随着设计、生产水平的提高，对抓斗船生产能力、适应土质及挖泥效率等要求也相应越来越高，重力机械式抓斗逐渐无法满足使用需求。近年来大型抓斗式疏浚工程船开始受到关注，生产、使用单位竞相研发，一方面在向抓斗机的国产化努力，另一方面也尝试在斗容、挖深等方面有所突破，以提高现有抓斗机的挖掘能力[1-2]。针对200 m3大型抓斗式疏浚船的抓斗选型问题，分析大型电动液压抓斗和机械重力抓斗的关键技术、经济性及可行性，对两种抓斗进行综合适用性比较，为大型抓斗挖泥船的抓斗选型提供参考。

1 两种抓斗的特点及大型化技术难点

1.1 机械重力抓斗的特点

机械抓斗技术成熟，纯机械结构连接构造简单，可靠性高且制造成本低，便于维修。

抓斗挖泥船所用机械抓斗多为两瓣蚌壳式，通过开闭绳抽绳和自重实现开闭斗动作，其结构见图1。

图1 机械重力式抓斗结构示意

机械抓斗的起升钢丝绳分支持绳和开闭绳两组。支持绳组与抓斗斗体为刚性连接，开闭绳组缠绕在滑轮组上。

1.2 大型疏浚机械抓斗技术难点

机械抓斗受其开闭斗形式的影响，斗容受到很大限制。根据目前配套件水平及抓开闭绳抽绳倍率等综合因素计算，抓斗能达到的最大重量380 t(含物料重量，钢丝绳安全系数4.05)，按照容重比3(满足大多数作业土质)计算，抓斗最大斗容为80 m3[3-5]。

大斗容机械抓斗的另一个技术瓶颈就是开闭斗的控制。由于起重量大、钢丝绳数多，为保证抓斗完全闭合只能采用速度控制方案，即采用开闭绳和支持绳保持一定的速度差，以保证抓斗的完全闭合，避免漏料，但无法保证钢丝绳受力均匀。实际使用中经常出现支持绳长时间受力过大使用寿命不长的情况，需经常更换。且由于斗容增加，相应的钢丝绳直径增粗，给更换带来很大不便。

从抓斗机整体设计角度分析,机械抓斗还有布置困难的缺点，斗容越大绳数越多空间布置难度越大，且需要预留抽绳长度相应卷筒长度也会加长，占用空间大。

1.3 电液主动抓斗的特点

近年来，电动液压抓斗发展十分迅速，在煤炭、砂石、矿石、木材等各使用工况均已有规格齐全、品种繁多且性能良好的产品。在挖掘疏浚工程作业方面，具有操作简单、更换方便及挖掘性能好的优势[6]。液压抓斗通过液压油缸伸缩实现开闭斗动作，吊点设置在抓斗结构上部与钢丝绳刚性连接。液压动力系统布置在抓斗上部箱体结构内，通过水下电缆传输动力[7]。抓斗大小、功能不同，布置形式也有所不同。电液主动式抓斗结构见图2。

图2 电液主动式抓斗结构示意

1.4 大型疏浚电动液压抓斗的优势

1)斗容大。由于不需要考虑开闭绳受力不均及抽绳长度、抓斗高度等问题，电液抓斗可达到的最大起重量约为690 t(含物料重量，钢丝绳安全系数5)，按照容重比3(满足大多数作业土质)计算，抓斗最大斗容约为200 m3。

2)挖掘性能好。抓斗在抓取物料时，抓斗的闭合运动与抓斗深入物料的运动叠加实现挖掘，在抓斗填充过程行将结束时，由于抓取阻力大大增加，要求抓斗传动装置能够提供越来越大的闭合力。抓取阻力与颚板刃口上的闭合力之间的消长循环，对于抓斗的填充过程具有决定性的影响。机械抓斗靠抓斗自重闭合，因此最大闭合力不会超过抓斗自重与物料重量之和，而液压抓斗闭合靠油缸控制不受抓斗自重局限且没有开闭绳拉力对自重的向上平衡作用，更有利于抓斗深挖物料[6]。

3)钢丝绳使用寿命长。液压抓斗钢丝绳与斗体为刚性连接，没有多倍率缠绕的开闭绳装置，钢丝绳损耗较小且各绳受力较均匀，更换频率小，抓斗使用效率随之提高。

1.5 大型疏浚电液抓斗技术难点：

由于我国电动液压抓斗的使用研制属于刚刚起步阶段，大型电液抓斗的研制主要存在以下难点。

1)制造成本高。造成高成本的原因不能仅从液压抓斗结构复杂考虑，因为液压抓斗为机电液一体的系统，制造成本必然高于机械抓斗，让使用单位和制造厂商望而却步的是其隐形成本。国内几乎没有生产制造电液疏浚抓斗的经验，可以说每制造一部都是首制，因此研发费用往往计入成本；另一个隐形成本既为风险投入，由于首次研制又无太多先例可循，产品能否达到预期的使用效果，存在一定的风险。

2)液压元件可靠性未知。液压系统是抓斗重要组成部分，在水下密闭空间中液压元件的散热及抗振性能是否能达到设计要求目前没有可靠的数据支持。另外液压元件维修保养要求高，维修工艺复杂。

3)水下动力传输电缆需定制。按照目前配套件厂商的技术水平，具备生产符合要求的水下电缆的只有几家国外厂商，且需特制，订货周期长，成本也较高。

2 两种抓斗比较

两种抓斗的综合比较见表1。

表1 两种抓斗综合比较表

对整船船型、机构布置及抓斗结构形式等各方面综合比较表明，对于大方量尤其是百方级的抓斗挖泥船，机械重力抓斗受到自身特点局限、配套件限制及控制方案上的技术瓶颈等因素影响，无法达到使用要求。电液抓斗虽然我国相关研制、使用经验较少，但目前技术上并没有无法解决的难题，且国际上已有成功先例。因此，电液抓斗在大型抓斗挖泥船上的适用性和可实现性远高于机械抓斗，优势更为明显[7-8]。

3 结论

1)虽然常规机械抓斗制造成本低、用户维修及使用经验丰富，但是大型机械抓斗的开发研制存在很难突破的技术瓶颈。

2)电液主动抓斗斗容大、挖掘性能好且钢丝绳使用寿命长，大型电液抓斗的开发研制虽然存在技术难点，但技术上可以实现突破。

3)大型疏浚抓斗尤其方量在百方级以上，电液主动式抓斗的适用性和可实现性远高于机械重力式抓斗。

[1] 周银龙.电动液压抓斗纵论[J].港口装卸,1997,2:34-39.

[2] 倪福生.国内外疏浚设备发展综述[J].海河大学常州分校学报,2014(3):1-9.

[3] 中华人民共和国交通部,JTJ/T 320-96.疏浚岩土分类标准[S].北京：人民交通出版社,1996.

[4] 刘 丹，陈新权，杨 启.大型自航抓斗疏浚船总体设计研究[J].船舶工程，2015(3):6-9.

[5] 姚 佶.挖泥船的分类与发展研究[J].科技风,2012(4):224.

[6] 张海宁.疏浚抓斗力学特性分析及仿真实验研究[D].武汉：武汉理工大学.2014.

[7] 邹晟,李竹森,肖汉斌,等.抓斗挖泥船疏浚工艺研究与设计[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2014(2):139-143.

[8] 范翠玉,冯宁麒,张笃生，等.1m3全液压抓斗挖泥船的研制[J].水运科学研究所学报,1997(2):1-9.

Comparison and Applicability Research of Dredging Grab for Large Grab Dredgers

MA Xiao-jing, WEI Fu-long

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200126, China)

The technical difficulties and characteristics of the hydraulic dredging grab and the mechanical dredging grab are analyzed. The maximum capacity, the characteristics of structure and mechanism, control, cost and maintenance of the two type of dredging grab are compared and analyzed. It can be concluded that the hydraulic dredging grab is more applicability and feasibility for a large dredger.

grab dredger; mechanical dredging grab; hydraulic dredging grab

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.039

2015-08-18

工信部项目(工信部联装2012539号)

马晓晶(1981-)，女，硕士，工程师

U674.3

A

1671-7953(2015)06-0169-03

修回日期：2015-09-07

研究方向:挖泥船疏浚机械

E-mail: Maxiaojing2008@zpmc.net