(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

200 m3/h(電動(dòng))分體絞吸式挖泥船挖泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳猛

(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

為了滿(mǎn)足內(nèi)陸國(guó)家烏茲別克斯坦河道疏浚需要，研制開(kāi)發(fā)200 m3/h(電動(dòng))分體絞吸式挖泥船，需采用車(chē)運(yùn)船舶至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。針對(duì)該船泵艙空間狹小及船舶的運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼裝等實(shí)際問(wèn)題，對(duì)泥泵、泥泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、絞刀驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行比較選型，實(shí)船使用情況表明，該船挖泥系統(tǒng)滿(mǎn)足實(shí)際使用工況。

河道疏浚；現(xiàn)場(chǎng)拼裝；挖泥系統(tǒng)；變頻驅(qū)動(dòng)；潛水變頻電機(jī)

本船用于烏茲別克斯坦阿姆河灌溉引水渠的清淤，土質(zhì)為II-IV類(lèi)土。該船為非自航、全電動(dòng)、分體絞吸式挖泥船，船體采用拼裝式箱形結(jié)構(gòu)，以便于公路、鐵路運(yùn)輸。配有定位樁裝置、橫移裝置、絞刀架起落裝置及甲板吊等，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)艙內(nèi)泥泵。絞刀采用水下變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絞刀架起落絞車(chē)、泥泵、橫移絞車(chē)、定位樁提升絞車(chē)均采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

動(dòng)力電由岸上10 kV(或6 kV)通過(guò)電纜接入船上箱式變電站，一路輸出690 V供泥泵電機(jī)使用，一路輸出400 V供全船其他動(dòng)力和挖泥船對(duì)外供電使用。設(shè)備選型必須持久具備高可靠性和極好的可維護(hù)性，并兼具經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，同時(shí)應(yīng)充分考慮烏茲別克斯坦國(guó)家工業(yè)水平能力。

挖泥系統(tǒng)由泥泵系統(tǒng)、定位裝系統(tǒng)、絞刀系統(tǒng)、絞刀架、橫移系統(tǒng)及各個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成，采用分體拼裝的形式、運(yùn)輸為車(chē)運(yùn)，對(duì)每一個(gè)片體大小及重量均有嚴(yán)格的要求。設(shè)備選擇要在滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性的基礎(chǔ)上要嚴(yán)格控制外形尺寸及重量。泵艙空間狹小，泥泵系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)采用變頻電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)泥泵的形式，控制系統(tǒng)采用變頻控制。

1 泥泵的選擇

絞吸式挖泥船泥泵主要參數(shù)有流量Q、揚(yáng)程H、轉(zhuǎn)速n、汽蝕余量NPSH、功率P和效率η、泥漿的容重及漿體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、最大允許通過(guò)粒徑等,轉(zhuǎn)速是影響泥泵性能的一個(gè)重要因素[1]。

根據(jù)船東要求泥泵清水流量：2 000 m3/h揚(yáng)程不小于52 m，我國(guó)現(xiàn)同類(lèi)挖泥船多采用300 WN型泵(該泵的性能曲線(xiàn)見(jiàn)圖1)，此泵耐磨性好、挖泥性能優(yōu)良、汽蝕性能優(yōu)良，該泵清水流量：2 000 m3/h泵的轉(zhuǎn)速為500 r/min，轉(zhuǎn)速范圍偏低，外型體積較大不能滿(mǎn)足拼裝式船舶泵艙艙狹窄的要求。為滿(mǎn)足本船要求，在300 WN型泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提高泵的轉(zhuǎn)速，結(jié)合10極電機(jī)轉(zhuǎn)速約為590 r/min，確定泵的轉(zhuǎn)速為592 r/min。在保證流量不變的情況小泵的轉(zhuǎn)速提高、泵的葉輪直徑變小[2]，整體泵的外型尺寸變小，滿(mǎn)足安裝要求。改進(jìn)后泵的轉(zhuǎn)速為592 r/min，實(shí)測(cè)性能曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。改進(jìn)后的泵滿(mǎn)足使用需要。

圖1 300 WN型泵性能

圖2 改進(jìn)后泵性能曲線(xiàn)

2 電機(jī)的選擇

200 m3/h全電動(dòng)的挖泥船，因其作業(yè)工況的需要，泥泵、絞車(chē)、絞刀等設(shè)備都需要采用電機(jī)調(diào)速技術(shù)。目前，在全電動(dòng)的挖泥船上，電機(jī)調(diào)速有三速電機(jī)和變頻電機(jī)兩種調(diào)速方式。

2.1 200 m3/h挖泥船挖泥設(shè)備驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介

1)絞刀安裝在吸泥管口處，由安裝在絞刀架上端的電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)，或直接由水下電機(jī)驅(qū)動(dòng)。而運(yùn)用交流變頻傳動(dòng)取代液力傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)各種絞車(chē)是目前世界和中國(guó)船舶甲板機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主流和發(fā)展趨勢(shì)[3]。本船絞刀采用水下變頻電機(jī)功率定為110 kW，此功率是按變頻電機(jī)來(lái)定的。若采用三速電機(jī)，功率則為120 kW。變頻電機(jī)節(jié)能環(huán)保的效果明顯。

2)橫移絞車(chē)主要是收攬、放纜、聯(lián)合作業(yè)三種動(dòng)作方式，完成左橫移、右橫移、左右聯(lián)動(dòng)等動(dòng)作[4]。橫移絞車(chē)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其工作性能得到完美保證，右橫移挖泥時(shí)，右橫移絞車(chē)在可變繩索下收纜時(shí)，左橫移絞車(chē)必須保證在可調(diào)張緊力下同步放纜，當(dāng)遇到挖不動(dòng)的硬土，或自左向右的特大風(fēng)時(shí)，左絞車(chē)應(yīng)能隨機(jī)制動(dòng)，而防止“滾刀”故障。(即由于右橫移絞車(chē)鋼纜松馳，絞刀滾刀運(yùn)行，會(huì)造成絞刀將右橫移鋼纜纏住被切斷的故障)顯然一般交流電機(jī)不具備以上特殊功能。

3)泥泵采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

(1)200 m3/h挖泥船泥泵若不采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則無(wú)法用三速電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。三速電機(jī)不適合于泥泵長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行要求，也不滿(mǎn)足泥泵排距離在100～1 000 m的各種輸遠(yuǎn)下正常工作。故一般采用交流電機(jī)+液力偶合器來(lái)驅(qū)動(dòng)泥泵。

液力偶合器傳動(dòng)，屬于液力傳動(dòng)范疇。但烏方已明確表示不希望中方提供“液壓”挖泥設(shè)備，而要用“純電動(dòng)”方案。

(2)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵，可在10%～100%轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無(wú)極變速，可適應(yīng)離心式泥泵排距在100～1 000 m的各種輸遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)短排距，低能耗。采用變頻電機(jī)后，電機(jī)功率為630 kW。

2.2 變頻電機(jī)與三速電機(jī)的比較

1)在運(yùn)行實(shí)踐中三速電機(jī)只能實(shí)現(xiàn)高、中、低3檔調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，在如風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等對(duì)壓力和流量控制有要求的應(yīng)用中，三速電機(jī)顯然不能充分滿(mǎn)足控制要求，此時(shí)變頻控制電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速優(yōu)勢(shì)就顯而易見(jiàn)了。

2)在生產(chǎn)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的優(yōu)劣對(duì)生產(chǎn)的影響很大，這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流一般為額定電流的4～7倍。對(duì)于大功率的電動(dòng)機(jī)，強(qiáng)大的啟動(dòng)電流會(huì)造成較大的線(xiàn)路電壓降落，引起電網(wǎng)電壓的降低，不僅影響其他用電設(shè)備的正常工作，而且對(duì)動(dòng)力變壓器也會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊。使用變頻控制，電機(jī)在額定電流下啟動(dòng)，而且啟動(dòng)電流平滑，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)也可保護(hù)電機(jī)，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命[5]。

3)三速電機(jī)定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接線(xiàn)復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，維修困難。變頻電機(jī)定子采用單繞組結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維修。

4)挖泥船的泥泵要求長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，變頻電機(jī)不同于三速電機(jī)的特殊設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足泥泵的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行要求。

5)對(duì)于船舶而言，設(shè)備占用空間大小是一個(gè)很重要的考慮因素，變頻電機(jī)比較小的外形尺寸更適合應(yīng)用與在挖泥船上面。

6)三速電機(jī)的出頭較多，并要換接開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致運(yùn)行性能較差，容易出故障。變頻電機(jī)直接與變頻器連接，中間沒(méi)有連接其他的電氣切換設(shè)備，故障率低。

7)變頻電機(jī)比三速電機(jī)能做到更好的節(jié)能。變頻電機(jī)能夠平滑調(diào)速，節(jié)能效果明顯。[6]三速電機(jī)只能進(jìn)行間斷調(diào)節(jié)，不能平滑調(diào)速，不適應(yīng)用戶(hù)節(jié)能的需要。

2.3 變頻控制的優(yōu)點(diǎn)

1)無(wú)極、無(wú)觸點(diǎn)、高精度(0.01 Hz)、高可靠性。

2)啟動(dòng)電流小(電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流不超過(guò)額定電流1.1倍)。

3)高效率、高功率因數(shù)。

4)具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)及通信接口，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

5)可方便地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制，且保護(hù)功能完善。

6)使用壽命長(zhǎng)，故障率低，變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)維護(hù)量小，維護(hù)量小。

7)節(jié)電率高。

2.4 變頻器的工作原理及特點(diǎn)

變頻器的工作原理是把交流電通過(guò)整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件(GTO、GTR或IGBT)組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。上述變換可簡(jiǎn)化為AC-DC-AC(交-直-交)變頻方式。利用變頻器可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑的增速或減速，基本保持異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，具有效率高、范圍寬、精度高且能無(wú)級(jí)變速的特點(diǎn)，適用于泵和風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

變頻器的結(jié)構(gòu)主要有主電路和控制電路構(gòu)成。主電路由整流器、平波回路、逆變器、制動(dòng)回路等構(gòu)成?？刂齐娐酚蛇\(yùn)算電路、電壓電流檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、I/O輸入輸出電路、速度檢測(cè)電路、保護(hù)電路等構(gòu)成?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)過(guò)流、欠壓、過(guò)熱、過(guò)載等保護(hù)功能。

2.5 價(jià)格優(yōu)勢(shì)

100 kW以下變頻裝置和電機(jī)價(jià)格與一船三速交流電機(jī)和軟啟動(dòng)相差不大。挖泥船的使用壽命長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)(50年)，進(jìn)入21世紀(jì)后變頻裝置使用越益廣泛，而傳統(tǒng)的三速電機(jī)日益邊緣化，其維修服務(wù)與費(fèi)用日益增高，而變頻裝置將更加實(shí)惠。

2.6 200 m3/h變頻控制系統(tǒng)的維護(hù)

挖泥船變頻控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PLC模塊構(gòu)成，變頻器每一相的IGBT和直流電容組成一個(gè)模塊，共3個(gè)模塊，維護(hù)方便。

1)PLC控制柜的維護(hù)。PLC控制柜主要有PLC控制模塊、斷路器、熔斷器、中間繼電器、等元器件構(gòu)成。柜體里面沒(méi)有復(fù)雜的電子電路，一旦出現(xiàn)故障，維修及更換電氣元器件方便。

2)變頻器的維護(hù)。變頻器主要有整流部分、逆變部分和控制部分組成。各部分電路高度集成模塊化，若變頻器出現(xiàn)故障需要更換，很方便。

3)變頻器的操作面板。操作面板有修改參數(shù)和監(jiān)控、記錄變頻器狀態(tài)的功能。

修改參數(shù)功能能夠?qū)﹄姍C(jī)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行參數(shù)化控制，達(dá)到最佳的控制效果。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，使用變頻器的監(jiān)控功能可以讀取電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障記錄，從中找出故障點(diǎn)，為現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)帶來(lái)極大的方便。

3 電動(dòng)絞刀傳動(dòng)方式的選擇

本船絞刀總成由絞刀、絞刀軸裝置、變頻潛水電機(jī)及減速器裝置、絞刀驅(qū)動(dòng)裝置支架、高壓沖水出水噴管和吸泥口等組成。配備2把活絡(luò)刀齒的通用絞刀，活絡(luò)刀齒與絞刀本體通過(guò)插銷(xiāo)連接。

1)電動(dòng)絞刀的結(jié)構(gòu)。電動(dòng)絞刀總成是將河床底部的泥土破碎，通過(guò)安裝在船上的泥泵將泥漿送到排泥場(chǎng)的專(zhuān)用工具。絞刀總成由絞刀頭、絞刀軸裝置、變頻潛水電機(jī)及減速器裝置、絞刀驅(qū)動(dòng)裝置支架和高壓沖水出水噴管和吸泥口等組成。絞刀頭由五片刀片、齒與刀圈、刀箍組焊而成的皇冠式結(jié)構(gòu)。絞刀頭根據(jù)不同的土質(zhì)可以配備不同的絞刀，普通土質(zhì)絞刀配備片式齒，硬質(zhì)土壤配備活絡(luò)可拆的鑿齒式絞刀。

本船絞刀頭配備2把活絡(luò)齒的通用刀，使用插銷(xiāo)連接。絞刀軸及軸承處在充滿(mǎn)潤(rùn)滑油的空腔內(nèi)，軸的前端密封采用耐用、可靠的浮動(dòng)式密封結(jié)構(gòu)。絞刀軸的后端通過(guò)花鍵與減速器輸出軸相連，加速器的法蘭和驅(qū)動(dòng)軸承箱采用密封膠圈，保證了絞刀驅(qū)動(dòng)裝置后部的密封，絞刀軸由安裝在支架上的變頻電機(jī)通過(guò)兩級(jí)減速驅(qū)動(dòng)，電機(jī)和減速器通過(guò)聯(lián)軸器相連，電機(jī)和減速器之間通過(guò)密封管相連，保證了電機(jī)輸出軸部位和減速器輸入軸部位以及聯(lián)軸器與外界的隔離，起到了有效的密封效果，絞刀軸承選用國(guó)際知名品牌SKF系列軸承。

2)與長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)的優(yōu)越性比較。①結(jié)構(gòu)緊湊，可以整體吊裝，安裝、拆卸、維護(hù)方便；②減小了對(duì)絞刀架的強(qiáng)度和剛度的要求，減輕了絞刀架的重量；③長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)需要幾段軸通過(guò)聯(lián)軸器相連，同時(shí)每段軸都需要設(shè)置2個(gè)軸承座支承，安裝的精度難以保證，而這種結(jié)構(gòu)，避免了長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)，也節(jié)約了成本。

3)選用水下電機(jī)的構(gòu)造及在水上及水下應(yīng)用的可靠性。此船絞刀驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為潛水三相異步電動(dòng)機(jī)，允許潛水深度不大于30 m。電動(dòng)機(jī)采用密閉式結(jié)構(gòu)，殼體為耐腐蝕鋼板焊接而成，所有緊固件均為不銹鋼材質(zhì)。定子線(xiàn)圈、槽絕緣、浸漬漆等主要絕緣材料均選用耐溫等級(jí)為F級(jí)或H級(jí)材料，經(jīng)多次浸漆成型，確保電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全可靠。電機(jī)表面噴涂耐腐蝕表面漆，可有效延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。選用質(zhì)量可靠，品牌信譽(yù)良好的軸承，如NSK、SKF、FAG等。為防止軸電流對(duì)軸承的損害，采取軸承絕緣設(shè)計(jì)，有效消除軸電流的產(chǎn)生，保證長(zhǎng)時(shí)間的軸承使用壽命。潛水電動(dòng)機(jī)的靜密封采用高性能密封橡膠條及密封膠密封，動(dòng)密封采用可靠的機(jī)械密封或油封密封；潛水電動(dòng)機(jī)采用密封式接線(xiàn)箱，接入電纜和接頭均采用特殊有效的密封措施，防止接線(xiàn)箱內(nèi)部發(fā)生滲水故障；接線(xiàn)箱和電機(jī)內(nèi)腔密封隔離，電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔設(shè)有繞組和軸承過(guò)熱保護(hù)傳感器，電機(jī)和接線(xiàn)箱內(nèi)部設(shè)有漏水報(bào)警傳感器，進(jìn)一步保護(hù)電機(jī)在水下安全運(yùn)行。電機(jī)內(nèi)部增加特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)扇，確保在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候內(nèi)部可以循環(huán)，增強(qiáng)散熱的效果，可以非常有效地帶走電機(jī)的熱量，降低電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度，增加電機(jī)的可靠性。所以無(wú)須增加額外的噴淋降溫設(shè)備，避免了附屬設(shè)備發(fā)生故障的可能，保證設(shè)備可以順利工作。即便是出水工作，也可保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行2 h。

4)電機(jī)同絞刀連接部分的密封。電機(jī)和減速器通過(guò)聯(lián)軸器相連，電機(jī)的輸出端和減速器的輸入端都帶有法蘭，2端的法蘭與密封管的法蘭相連，同時(shí)安裝止口部位都設(shè)置了有效的密封圈，保證了電機(jī)輸出軸部位和減速器輸入軸部位以及聯(lián)軸器與外界的隔離，可實(shí)現(xiàn)有效密封。

4 結(jié)論

1)挖泥系統(tǒng)采用變頻控制能很好地解決泥泵的調(diào)速，橫移絞車(chē)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其工作性能得到完美保證，絞車(chē)在可調(diào)張緊力下同步收放纜，當(dāng)遇到挖不動(dòng)的硬土，絞車(chē)能隨機(jī)制動(dòng)，而防止“滾刀”故障。

2)適當(dāng)提高泥泵的轉(zhuǎn)速，可使泥泵體積變小，有利于分體式采用車(chē)運(yùn)的挖泥船泵艙的布置。

[1] 唐龍.絞吸式挖泥船泥泵裝置特性探討[J].中國(guó)機(jī)械,2015(8):19-20.

[2] 楊年浩.疏浚泥泵葉輪參數(shù)設(shè)計(jì)及泥泵性能預(yù)測(cè)[D].南京:河海大學(xué),2006.

[3] 楊明.絞吸式挖泥船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù),2013,33(1)：43-46.

[4] 王姣菊.某絞吸式挖泥船橫移絞車(chē)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2008,36(10)：286-287.

[5] 趙鋼.交流變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2009(33):18-18.

[6] 吳少鑫.變頻調(diào)速在水泵節(jié)能系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電機(jī)控制與應(yīng)用,2006(7)：59-61.

Design of Dredging System for the 200 m3/h Electric Fission Cutter-suction

WUMeng

(Jiangsu Haiyi Ship Science & Technology Co. Ltd., Zhenjiang Jiangsu 212009, China)

In order to meet the requirements of Uzbekistan inland river dredging and the special condition of field assembly, the 200 m3/h electric fission cutter-suction dredger was developed. Because this dredger’s pump room is narrow, the mud pump and its drive system, as well as the cutter driving system were optimized. The practical use of the fission cutter-suction proved that the dredging system satisfied the actual working condition.

river dredging; field assembly; dredging system; variable frequency drive; diving frequency conversion motor

U674.31

A

1671-7953(2017)06-0094-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.021

2017-02-20

2017-03-09

吳猛(1981—)，男，學(xué)士，工程師

研究方向：船舶動(dòng)力裝置