袁小軍 劉亞新 簡(jiǎn)思齊 朱紅生 裴晗

摘? ? 要：傳統(tǒng)非自航抓斗挖泥船抓斗裝置的動(dòng)力多采用渦輪增壓柴油機(jī)，通過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)抓斗進(jìn)行挖泥、卸泥作業(yè)。在作業(yè)中，常常存在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、動(dòng)力波動(dòng)不穩(wěn)定或不足等問題，以致出現(xiàn)柴油機(jī)冒黑煙、抓斗閉合無(wú)力等現(xiàn)象。本文通過對(duì)挖泥機(jī)抓斗的工作模式與增壓柴油機(jī)工作特性的匹配性進(jìn)行對(duì)比分析，提出抓斗動(dòng)力配置的優(yōu)化方案，減少其動(dòng)力柴油機(jī)長(zhǎng)期冒黑煙等異常問題。

關(guān)鍵詞：非自航挖泥船；抓斗作業(yè)；動(dòng)力配置

中圖分類號(hào)：U664.12? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Optimization of Power Arrangement Concept for

Non-Self-Propelled Grab Dredger

YUAN Xiaojun，? LIU Yaxin，? JIAN Siqi，? ZHU Hongsheng，? PEI Han

（ Guangzhou Jiaguang Ship Design Co.， Ltd.， Guangzhou 511450 ）

Abstract： The grab arrangement of traditional non-self-propelled dredgers is power supplied by turbocharged diesel engine， and via mechanical transmission to drive the grab for carrying out the dredging & dumping operations. During operation， usually，there exist some problems such as the unstable speed of the diesel engine， the unbalanced or insufficient power transmission， resulting in the occurrence of smoking from diesel engine and abnormal closing of grab. By studying and analyzing the compatibility between the working mode of dredger grab and the working characteristics of turbocharged diesel engine， this paper puts forward the optimized scheme of grab power configuration， and solves the abnormal problems such as black smoking from diesel engine.

Key words： non-self-propelled dredger;? grab operation;? power arrangement

1? ? 前言

隨著疏浚行業(yè)發(fā)展，抓斗挖泥船的應(yīng)用及其挖掘能力不斷提升。目前，抓斗式挖泥機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“抓斗”）的抓挖容積從2立方/次已提升到40立方/次。抓斗容積越來(lái)越大，配置相應(yīng)的柴油機(jī)功率也由數(shù)百千瓦提高到了數(shù)千千瓦，預(yù)計(jì)還有繼續(xù)提升的趨勢(shì)。

對(duì)于傳統(tǒng)抓斗挖泥船，其抓斗動(dòng)力配置通常采用“柴油機(jī)+機(jī)械傳動(dòng)”形式，其與選配液壓傳動(dòng)等其他方式對(duì)比，這種方式具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、操作及維修簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但如抓斗容積較大，柴油機(jī)功率大的船舶，采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式輸出動(dòng)力，柴油機(jī)常常會(huì)出現(xiàn)增壓器喘震、排氣冒黑煙現(xiàn)象，以及在抓斗滿載負(fù)荷工況需要柴油機(jī)加力時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度大且恢復(fù)正常速度難等異常現(xiàn)象，并且所配的柴油機(jī)功率越大，這種工作狀況表現(xiàn)越嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)控制失效等問題。本文基于上述問題，對(duì)其進(jìn)行分析，提出可行解決方案。

2? ? 挖泥作業(yè)

本抓斗挖泥船在指定點(diǎn)施工水域進(jìn)行挖泥作業(yè)，其基本工作模式是控制抓斗反復(fù)作業(yè)。其作業(yè)程序：

下降 → 抓泥 → 提升 → 轉(zhuǎn)向1 → 卸泥 → 轉(zhuǎn)向2 → 再下降。

在抓斗進(jìn)行挖泥作業(yè)時(shí)，控制每個(gè)動(dòng)作的基本要求是做到位置準(zhǔn)確、收放有力、高低適度。船東往往有經(jīng)濟(jì)性、工作效率的需求，希望抓斗容盡量大，且盡可能各動(dòng)作及轉(zhuǎn)換速度快、作業(yè)效率高（如每次抓泥量飽滿）等。

通常，小型抓斗挖泥作業(yè)是由柴油機(jī)輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)斗繩絞車來(lái)控制抓斗完成，如圖1所示。從圖1可見，控制點(diǎn)2（抓斗閉合）和控制點(diǎn)3（抓斗提升）是抓斗作業(yè)流程中的兩個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。抓斗作業(yè)的工況狀態(tài)主要取決于這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的控制效果，控制效果主要取決于抓斗動(dòng)力配置方案。動(dòng)力配置方案主要包括柴油機(jī)選型、動(dòng)力傳動(dòng)方式的選配、抓斗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。

3? ? 常見異?，F(xiàn)象

該型船抓斗作業(yè)時(shí)，柴油機(jī)經(jīng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車收閉合斗繩，在抓斗破土?xí)r及滿斗提升加速的瞬間，其動(dòng)力柴油機(jī)增壓器常常出現(xiàn)不同程度的喘震，并伴有相應(yīng)程度的排氣冒黑煙等現(xiàn)象。在抓斗作業(yè)時(shí)，常出現(xiàn)異常狀況如下：

1）柴油機(jī)轉(zhuǎn)速明顯下降，性能好的柴油機(jī)還能自動(dòng)調(diào)速恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速，而一些性能差的柴油機(jī)，重載時(shí)其轉(zhuǎn)速無(wú)法恢復(fù)到正常狀態(tài)；

2）設(shè)計(jì)時(shí)即使配備足夠功率余量的抓斗柴油機(jī)，但在抓斗作業(yè)中，往往會(huì)突遇實(shí)際瞬間使用功率比柴油機(jī)額定功率大而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降明顯、排氣冒黑煙現(xiàn)象；

3）柴油機(jī)在高增壓比的運(yùn)行中，當(dāng)抓斗滿負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降且無(wú)法提升，調(diào)速器不起作用，增壓器出現(xiàn)喘振，引起控制抓斗的絞車力量不足，待抓斗負(fù)荷大額減輕后，柴油機(jī)工作狀態(tài)才能恢復(fù)正常。

4? ? ?原因分析

在設(shè)計(jì)時(shí)，所選柴油機(jī)額定功率已遠(yuǎn)超抓斗需用設(shè)計(jì)功率，理論上柴油機(jī)應(yīng)當(dāng)有足夠的匹配余量來(lái)驅(qū)動(dòng)抓斗，但在抓斗作業(yè)時(shí)，還是出現(xiàn)了上述各種異常狀況。因此，從柴油機(jī)的選型、動(dòng)力傳動(dòng)方式、抓斗控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行研究分析，查找原因。

4.1? ?柴油機(jī)選型

按使用特性，柴油機(jī)通常適用于：主機(jī)型（功率隨轉(zhuǎn)速變化）、發(fā)電機(jī)型（轉(zhuǎn)速恒定）、泵機(jī)型（在轉(zhuǎn)速小幅度變化區(qū)間能輸出恒扭矩）等幾種型式。用于驅(qū)動(dòng)抓斗的柴油機(jī)特性通常按適用發(fā)電機(jī)的類型選配。

柴油機(jī)增壓器工作特性會(huì)直接影響抓斗突加負(fù)載時(shí)的作業(yè)能力。柴油機(jī)增壓器工作狀況的變化及對(duì)應(yīng)的影響程度分析見下表1所示，本文舉例某機(jī)型柴油機(jī)增壓壓力對(duì)額定功率的影響程度見表2所示。

對(duì)于缸徑和缸數(shù)相同的增壓柴油機(jī)型，采用提高進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣量以及增加噴油量通?？商岣卟裼蜋C(jī)發(fā)出的額定功率，而部分柴油機(jī)型通過提高柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速來(lái)增加額定功率。選用渦輪增壓柴油機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)者往往認(rèn)為柴油機(jī)額定功率大則承受重載的能力就大，所以誤以為選用功率大的機(jī)型就可解決問題，而忽視了增壓器型號(hào)和柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速匹配性，因其對(duì)突加負(fù)載的承受能力是有影響的。此外，還忽視了渦輪增壓柴油機(jī)對(duì)突加負(fù)載的時(shí)間和突加負(fù)載的增加量是有嚴(yán)格限制的。

當(dāng)增壓柴油機(jī)處于空載額定轉(zhuǎn)速時(shí)，其輸出功率極小（增壓器供給柴油機(jī)氣缸的新鮮空氣很少），增壓壓力很低（接近非增壓狀態(tài)）；當(dāng)設(shè)備突加負(fù)荷時(shí)，如果采用逐步緩慢加載，調(diào)速器能正常穩(wěn)定柴油機(jī)的速度，柴油機(jī)可以逐步提高發(fā)出功率，保持正常工作狀態(tài)；如果瞬間加載較大負(fù)荷，使得柴油機(jī)在較短時(shí)間內(nèi)來(lái)不及大幅提高功率，如柴油機(jī)負(fù)載瞬時(shí)過重，這時(shí)需要增壓器快速達(dá)到相應(yīng)的工況點(diǎn)，并加大供油量來(lái)強(qiáng)制提升柴油機(jī)的輸出功率以應(yīng)對(duì)突加負(fù)載，如柴油機(jī)的工作特性難以滿足這種需求，將會(huì)導(dǎo)致工作失效，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不僅恢復(fù)不了原來(lái)的轉(zhuǎn)速，反而大幅下降，進(jìn)氣量更少，油量大，柴油機(jī)燃燒更不充分。

渦輪增壓柴油機(jī)在正常工況下，依據(jù)其調(diào)速特性，通過調(diào)速器將轉(zhuǎn)速調(diào)回至正常值需要一定時(shí)間，如作業(yè)時(shí)遇到負(fù)荷突變，將可能無(wú)法快速恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速，而出現(xiàn)伴隨有渦輪增壓器喘振的現(xiàn)象。這主要是由于增壓器后端供給各氣缸的新鮮空氣壓力出現(xiàn)波動(dòng)，各氣缸進(jìn)入的空氣量不穩(wěn)定，入氣量過少的原因。此外，柴油機(jī)高功率工況的供給油量加大，燃燒就不充分，于是就產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間排氣冒黑煙現(xiàn)象。

經(jīng)上述分析，建議采用渦輪增壓柴油機(jī)作為抓斗動(dòng)力配置的船舶，對(duì)抓斗每次加載負(fù)荷的時(shí)間和加載增量采用限制，要求分段逐漸增量地進(jìn)行加載作業(yè)，不要從空載瞬間加至滿載。此外，采用渦輪增壓提高柴油機(jī)功率來(lái)滿足其動(dòng)力需求的方案，可能無(wú)法解決抓斗突加負(fù)載其冒煙、掉轉(zhuǎn)速的問題，還可能導(dǎo)致抓斗突加負(fù)載作業(yè)工況異常的問題。

4.2? ? 動(dòng)力傳動(dòng)方式與控制系統(tǒng)

4.2.1? 動(dòng)力傳動(dòng)方式

通常，非自航抓斗挖泥船的抓斗動(dòng)力傳動(dòng)方式有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)三種，各種方式的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)如下表3。

傳統(tǒng)抓斗挖泥船多采用“增壓柴油機(jī)+機(jī)械傳動(dòng)”的動(dòng)力傳動(dòng)方式。其特點(diǎn)是固定速比，往往難以滿足抓斗頻繁進(jìn)行突加突卸載荷轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)速變化的工況需求。

本船各種工況數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

4.2.2? 控制系統(tǒng)

如圖1所示，控制點(diǎn)2抓斗挖泥閉合和控制點(diǎn)3抓斗滿載提升兩個(gè)動(dòng)作瞬間，絞車均需要以最大扭矩運(yùn)行設(shè)備才會(huì)正常工作。抓斗在做這兩個(gè)動(dòng)作的瞬間，均需柴油機(jī)輸出瞬間大扭矩。

基于該船抓斗的機(jī)械傳動(dòng)控制系統(tǒng)沒有變速控制功能，其柴油機(jī)工況為：

1）當(dāng)柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，絞車亦處于高轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)。如果在此時(shí)瞬間驅(qū)動(dòng)抓斗，抓斗將由靜態(tài)突變?yōu)榧铀偕仙隣顟B(tài)，這時(shí)柴油機(jī)需增加額外扭矩給絞車；

2）當(dāng)抓斗空載時(shí)，柴油機(jī)處于輕負(fù)荷狀態(tài)，為小功率、高轉(zhuǎn)速、低扭矩的運(yùn)行工況。

由于無(wú)變速控制，在突加速時(shí)很容易引起柴油機(jī)扭矩不足問題。為此，抓斗控制系統(tǒng)宜設(shè)有自動(dòng)變速功能。

5? ? 解決方案

動(dòng)力傳動(dòng)及控制方式優(yōu)化，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式優(yōu)化為電力傳動(dòng)方式。各絞車配置變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即采用柴油發(fā)電機(jī)組輸出動(dòng)力電源，分別提供給各絞車變頻電機(jī)，作為抓斗作業(yè)動(dòng)力，即采用表3的電力傳動(dòng)方式，可以解決“渦輪增壓柴油機(jī)+機(jī)械傳動(dòng)”無(wú)法調(diào)速的問題。其控制原理如下：

1）當(dāng)絞車需要以最大的扭矩工作時(shí)，絞車轉(zhuǎn)動(dòng)的速度就會(huì)放慢，閉合斗繩和滿斗提斗的操作時(shí)間可由機(jī)械傳動(dòng)的10 s改由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的20 s，甚至是30 s來(lái)完成，放緩絞車動(dòng)作就可減小載泥抓斗的運(yùn)動(dòng)加速度，從而減少絞車的額外扭矩，在其它動(dòng)作時(shí)間不變的條件下，不會(huì)對(duì)抓斗的作業(yè)效率造成太大的影響；

2）通過變頻器控制，可將驅(qū)動(dòng)速度調(diào)低。速度下降，扭矩不變，功率就隨之下降，如此，發(fā)電機(jī)組的輸出功率便處于額定狀態(tài)內(nèi)。

采用“柴油發(fā)電機(jī)組+變頻電機(jī)”方式，雖然電力效率會(huì)折損約15%，但通過變頻器控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可在低轉(zhuǎn)速下保持恒扭矩的工作狀態(tài)，在低負(fù)荷下又可保持高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。因此，在低頻低功率下（瞬時(shí)總功率不大），柴油發(fā)電機(jī)組應(yīng)對(duì)突加負(fù)荷仍能保持良好的工作狀態(tài)。變頻電機(jī)輸出特性如下圖2所示。

根據(jù)該特性進(jìn)行優(yōu)化，采用變頻電機(jī)傳動(dòng)獲得的功率、轉(zhuǎn)速與扭矩的數(shù)據(jù)如表5所示。變頻電機(jī)在50 Hz以下可保持電機(jī)恒扭矩工作，為此，無(wú)需擔(dān)心功率是否足夠問題，只要其核實(shí)其扭矩是否滿足要求，即可保障抓斗正常工作。

目前，碼頭上顆?；蚍蹱钌⒇洿笮托敦涀ザ?、海上起重船及大型海上抓斗卸貨船，通常多采用電力傳動(dòng)方式。隨著高壓變頻電機(jī)和變頻器技術(shù)的日益成熟，變頻器采購(gòu)成本降低，將有更多的抓斗挖泥船采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)模式。

6? ? 結(jié)束語(yǔ)

非自航抓斗挖泥船是疏竣行業(yè)的一種工程船型，其關(guān)鍵設(shè)備之一是抓斗的動(dòng)力配置及控制系統(tǒng)。如抓斗動(dòng)力采用電力傳動(dòng)方式，可有效減少傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)式存在的突加、突卸負(fù)荷所出現(xiàn)各種異?，F(xiàn)象。為此，建議新型大型抓斗挖泥船的抓斗動(dòng)力配置采用電力傳動(dòng)方式方案為宜。

作者簡(jiǎn)介：袁小軍（1978- ），男，助理工程師。主要從事船舶設(shè)計(jì)與制造工作。

劉亞新（1981- ），男，助理工程師。主要從事船舶與海洋工程，項(xiàng)目監(jiān)造及船舶物質(zhì)設(shè)備系統(tǒng)研究工作。

收稿日期：2023-01-13