李海民

（河北省水利工程局，石家莊050021）

1 工程概況

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(kāi)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(kāi)挖底高程30.79m，平均挖深1.51m，排距3.3～4.0km，湖內(nèi)開(kāi)挖土方量370.93萬(wàn)m3，開(kāi)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。

2 “通海?！碧?hào)挖泥船工作原理

“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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)程直至完成疏浚工程任務(wù)。

3 “通?？！碧?hào)挖泥船創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(jiàn)成功實(shí)例的報(bào)道。

在挖泥船研究制作過(guò)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(kāi)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)。

3.1 電軸系統(tǒng)

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(guò)控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)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(lái)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(lái)實(shí)施的。

3.2 雙泵串聯(lián)技術(shù)

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(guò)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。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)制造“通?？！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。

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［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］.