李海民
(河北省水利工程局,石家莊050021)
山東省南四湖屬淮河流域沂沭泗水系,是南陽(yáng)、獨(dú)山、昭陽(yáng)、微山等4個(gè)串聯(lián)湖泊的總稱,是我國(guó)第六大淡水湖,流域面積3.17萬(wàn)km2。形狀狹長(zhǎng),南北—東西走向,南北長(zhǎng)125km,東西寬5~25km,最窄處僅5km,一般湖底高程32.09m。
沂沭泗河洪水東調(diào)南下工程是淮河治理的重要組成部分,是國(guó)家的重點(diǎn)水利工程,也是南水北調(diào)東線主要組成部分。
本期南四湖湖內(nèi)淺槽工程按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工,主要完成淺槽四2+800~5+800段共3.0km湖內(nèi)疏浚開挖、圍堰修筑、圍堰基底及取土區(qū)表層清淤等項(xiàng)目。設(shè)計(jì)湖內(nèi)挖槽寬800m,開挖底高程30.79m,平均挖深1.51m,排距3.3~4.0km,湖內(nèi)開挖土方量370.93萬(wàn)m3,開挖底高程以上疏浚范圍內(nèi)土層主要為粉質(zhì)黏土和黏土,淺槽三含少量粉土,上部有30cm左右浮泥,因此所需施工設(shè)備為1000m3絞吸式(斗輪式)挖泥船,該設(shè)備的效率將直接影響到該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益,還關(guān)系到施工安全及能否按期完工。
該項(xiàng)目2標(biāo)段的施工合同價(jià)為3195.46萬(wàn)元。
“通??!碧?hào)挖泥船主要組成有:水下挖掘機(jī)具斗輪、艙內(nèi)泥漿泵、水下泥泵、臺(tái)車定位樁和輔助定位樁、3臺(tái)甲板絞車及船體。船體總長(zhǎng)61.28m,船長(zhǎng)48.95m,船寬12.20m,型深3.2m,空載吃水1.545m,滿載吃水1.85m。該船設(shè)計(jì)挖深20m,設(shè)計(jì)最大排距4000m,刀架總長(zhǎng)26m,斗輪直徑3.5m,設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速27r/min,斗輪動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用3臺(tái)液壓馬達(dá),總功率270kW。
挖泥船工作時(shí),安裝在吸泥管入口處的旋轉(zhuǎn)式斗輪在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn),不斷地切割和挖掘水下土層,形成泥沙和水的混合體后,經(jīng)水下泵從吸泥管的吸入口抽吸,至安置在機(jī)艙內(nèi)的離心式泥漿泵中,最后將較高濃度的泥漿通過管道輸送到排泥場(chǎng)。斗輪式挖泥船工作時(shí),將主定位樁對(duì)準(zhǔn)挖槽中心線下樁,作為橫挖的擺動(dòng)中心和船體前移—進(jìn)刀或者后移—退刀的支柱。隨后在開挖斷面的邊線處進(jìn)刀,在每個(gè)挖泥位置,挖泥船依靠拋在挖泥區(qū)兩側(cè)的邊錨,通過設(shè)置在甲板上的絞車收放纜繩,實(shí)現(xiàn)挖泥船船首的左右擺動(dòng),從而完成一個(gè)扇形開挖面。當(dāng)每挖完一個(gè)段面后,設(shè)置在船艙內(nèi)的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)臺(tái)車液壓缸頂推臺(tái)車定位樁,而使船體向前移動(dòng)一段距離,實(shí)現(xiàn)了開挖工作面的前移。當(dāng)臺(tái)車液壓缸行程走完后(本船行程4.5m),進(jìn)行換樁,放下船尾副定位樁,提升臺(tái)車定位樁使之脫離土層,隨后驅(qū)動(dòng)臺(tái)車液壓缸使臺(tái)車定位樁收回復(fù)位,再落下臺(tái)車上的定位樁,提升副樁脫離土層,至此,完成了一個(gè)挖泥循環(huán)進(jìn)程。然后重復(fù)此過程直至完成疏浚工程任務(wù)。
經(jīng)調(diào)查國(guó)內(nèi)使用的挖泥船一般采用單臺(tái)艙內(nèi)泵形式,為艙內(nèi)泵吸排式,不進(jìn)行水下泵的設(shè)計(jì)和安裝。目前在國(guó)內(nèi)疏浚行業(yè),斗輪式(絞吸式)挖泥船是其行業(yè)的主要設(shè)備之一,電軸系統(tǒng)及雙泵串聯(lián)技術(shù)的研究和應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中、類似復(fù)雜環(huán)境的工程中還未見成功實(shí)例的報(bào)道。
在挖泥船研究制作過程中,重點(diǎn)探討如何提高泥漿濃度和挖泥船的綜合效益上,因此對(duì)傳統(tǒng)制造進(jìn)行創(chuàng)新,將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處位置,采用水下泵與艙內(nèi)泵串聯(lián)輸送結(jié)構(gòu),兩泵同時(shí)工作,艙內(nèi)泵起排送作用,水下泵負(fù)責(zé)抽送泥漿,大大提高了泥泵吸入泥漿的濃度。
經(jīng)與同類挖泥船效益綜合計(jì)算比較,可節(jié)約成本資金680萬(wàn)元以上,社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。
電機(jī)短軸傳動(dòng)機(jī)械效率較之液壓傳動(dòng)效率可由70%提高到95%以上,進(jìn)一步提高了挖泥產(chǎn)量和效益。
疏浚開挖單方油耗量降低36%,確保設(shè)備的施工能力,保質(zhì)量、保工期完成施工任務(wù)。
由發(fā)電機(jī)直接供電給電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)稱電軸系統(tǒng),電軸系統(tǒng)特點(diǎn)為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間直接連接,無(wú)需斷路器及任何布線。電軸系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是通過控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來實(shí)施,組成閉環(huán)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是調(diào)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)即柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)施,發(fā)電機(jī)的頻率、電壓也隨著變化,從而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可在70%~100%(1050~1500r/min)之間變化,電動(dòng)機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩輸出。
本船電軸系統(tǒng)由1臺(tái)700kW、690V發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺(tái)600kW、690V電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是直接調(diào)節(jié)柴油機(jī)的速度來實(shí)施的。
采用水下泵與艙內(nèi)泵串聯(lián)輸送結(jié)構(gòu),兩泵同時(shí)工作,艙內(nèi)泵起排送作用,水下泵負(fù)責(zé)抽送泥漿,大大提高了泥泵吸入泥漿的濃度。有效提高了挖泥船的工作效率。
3.2.1 水下泵采用“電動(dòng)機(jī)+短軸”驅(qū)動(dòng)方案
水下泥泵的驅(qū)動(dòng)方式按傳動(dòng)方式可分為長(zhǎng)軸和短軸,動(dòng)力裝置又可分為電動(dòng)機(jī)和液壓,因此有以下幾種驅(qū)動(dòng)方案可供選擇:①電動(dòng)機(jī)+長(zhǎng)軸方案,具有可靠性高、維修保養(yǎng)方便、技術(shù)難度小、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn),但絞刀齒輪箱尺度過大導(dǎo)致增設(shè)的電動(dòng)機(jī)和齒輪箱布置困難,且水下泥泵驅(qū)動(dòng)軸線與絞刀中心線不平行使得維修拆裝不便;②電動(dòng)機(jī)+短軸方案,若采用注油式水下電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),具有技術(shù)先進(jìn)、傳動(dòng)效率高、安裝經(jīng)濟(jì)便捷等優(yōu)點(diǎn),但價(jià)格較高、維修技術(shù)難度大,若采用交流電動(dòng)機(jī)、齒輪箱短軸驅(qū)動(dòng),其突出優(yōu)點(diǎn)是成本低,但由于電動(dòng)機(jī)在水下工作,絕緣差、易燒壞,因此可靠性較差、維修不方便;③液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),具有驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、維修量小、成本適中的特點(diǎn),但動(dòng)力輸出損耗較大,減少了變壓設(shè)備和電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行效率,至今未有550kW以上大功率液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)水下泥泵的相關(guān)資料,案例很少。
綜合以上的分析,并兼顧性能的可靠性、維修工作的難易、價(jià)格及改造難度等因素,最終選定“電動(dòng)機(jī)+短軸”的驅(qū)動(dòng)方案。實(shí)踐證明,這種驅(qū)動(dòng)形式具有可靠性高、維修保障率高等優(yōu)點(diǎn)。
3.2.2 水下泵功率計(jì)算及選型
水下泵轉(zhuǎn)速為420min時(shí)的性能參數(shù)為:排量(清水)4000m3/h,揚(yáng)程25m,H2O效率(清水)0.75。
水下泵(清水)軸功率為:
水下泵(中砂)軸功率N:
輸入功率:
N輸2=Nm/η泵×η馬達(dá)×η齒×η齒=432/0.85×0.85×0.98×0.98=622.5kW
其中 η泵=0.85,η馬達(dá)=0.85,η齒=0.98。
水下泵柴油機(jī)型號(hào)為6210ZLC-6,額定功率735kW,額定轉(zhuǎn)速830r/min,可滿足要求。在選擇水下泵時(shí),應(yīng)對(duì)艙內(nèi)泥泵和水下泥泵特性曲線進(jìn)行比較,選擇合適的水下泥泵,以提高挖泥效率。
通過設(shè)計(jì)制造“通海?!碧?hào)斗輪式挖泥船,利用電軸系統(tǒng)及雙泵串聯(lián)技術(shù),將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處的位置,采用水下泵與艙內(nèi)泵輸送結(jié)構(gòu),兩泵同時(shí)工作,艙內(nèi)泵起排送作用,水下泵負(fù)責(zé)抽送泥漿,提高了挖泥的泥漿濃度,加大了挖深,增加了排距,使得船體對(duì)工況適應(yīng)性更強(qiáng),大大提高了挖泥船的工作效率及綜合效益,值得加以研究和推廣。
[1]劉守金.絞吸式挖泥船施工與管理[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005.
[2]鄒國(guó)華.200m3/h絞吸式挖泥船的技術(shù)改造[J].水運(yùn)工程,2002(12):47-49.
[3]中國(guó)水利學(xué)會(huì),中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì),機(jī)械疏浚專業(yè)委員會(huì).工程船舶液壓傳動(dòng)[R].
[4]象山海申機(jī)電總廠.5520斗輪式挖泥船電氣原理設(shè)計(jì)[R].
[5]JTJ319—99,疏浚工程技術(shù)規(guī)范[S].