泥泵與柴油機的匹配性研究

【摘要】大型絞吸式挖泥船主要用于航道整治和水利疏浚工程，其泥泵的工況較為復雜，它的工作會受到泥漿濃度的影響，有時會受到水中一些較大物質的沖擊。如何保證挖泥船能快速、高效的完成工作，對設備的選擇有著不同的要求。泥泵、柴油機具有各自的工作特性，相互之間具有一定的匹配規律，通過工程特點，合理進行設備配置、能充分發揮設備的效能。本文對泥泵與柴油機的匹配性進行了一定的研究。

【關鍵詞】泥泵；柴油機；匹配性

河流疏浚工程需要大量的挖泥設備。由于各個地區的地域特點以及工程現場不用的排距、流量等對泥泵、柴油機的使用提出的要求具有一定的差異性，它們之間如何通過匹配來達到最佳使用狀態，這一直是工程人員不斷研究和探索的重要課題。

1泥泵的特性分析

泥泵是大型絞吸式挖泥船在疏浚工程中使用的主要機械，它在疏浚工程中起著重要作用，其性能的好壞直接影響到疏浚工程的效率。通常情況下，大型絞吸式挖泥船使用離心泵作為泥泵，它的工作原理是利用葉輪在柴油機等驅動裝置的帶動下旋轉，產生離心力，從而使管道內的流體受到葉片的強制轉動和推動，使流體壓力在泥泵出口處增加，從而產生揚程，達到輸送流體的目的。同時，在葉輪進口的吸入室構成局部真空而產生吸力，對流體進行連續的吸入。泥泵的軸功率會隨著流量的增加而增加，泥泵在額定轉速下存在一個最佳效率點，這個被稱為最佳工況點。從經濟角度來看，應當盡量使泥泵處于最佳工況點上運行，當泥泵處于非額定轉速下工作時，流體進出葉輪時的沖擊損失就會增加，通常選擇高效率區并且差值小于5%為泥泵的適宜工況。泥泵的軸功率是由原動機傳遞給泵的功率，由于泥泵在工作時，會發生一定的水力流失、容積損失及機械摩擦損失，因此其有效功率會比軸功率更低。

1.1泥泵的主要參數

大型絞吸式挖泥船泥泵的主要參數包括流量、揚程、轉速、汽蝕余量、功率和效率、泥漿的容量以及濃度、最大允許通過粒徑等等。泥泵的轉速對泥泵的性能會產生較大的影響，汽蝕余量能夠有效的顯示出泥泵的汽蝕性能的好壞，泥泵的功率包括輸入功率與輸出功率，輸入功率是由柴油機等驅動裝置輸出到泥泵軸的功率，泥泵的輸出功率是指漿體流過泥泵時，泥泵傳遞給漿體的功率。泥泵的輸入功率與輸出功率的差值為泥泵的損失功率。

1.2泥泵的清水特性

在實際的疏浚工程中，為了提升挖泥船泥泵的工作效率，實現最佳工況。要想達到這一目的，必須要掌握泥泵的性能特性，其中主要是需要了解泥泵各項工作參數之間的關系以及流體的密度。通常情況下泥泵的生產廠家會提供泥泵的清水特性曲線。

從上圖可以看出，揚程隨著流量的增加而逐漸減少，泥泵的功率隨著流量的增加而增加，泥泵的效率隨著流量的增加而增加，但當達到一定的限定值時，就會逐漸下降，即泥泵會有一個最佳工況點，在實際工程中，應盡量使泥泵工作在最佳工況點上。

1.2泥泵的泥漿特性

雖然廠家會提供泥泵的清水特性曲線，但在實際的疏浚工程中，泥泵輸送的流體物質都是泥漿。泥漿是水與土在挖泥船絞刀作用下所形成的一種混合物質。泥漿的特性會受到圖紙、土體密度、粒徑、濃度以及比重等特性的影響。通常，泥泵在對泥漿進行輸送時，各個工作參數之間額關系與清水特性曲線應該具有相同的性質，只會在輸送的量上發生一定的變化。變化的程度會隨著泥漿特性的變化而發生變化。

（1）泥漿中泥砂的粒徑會對泥泵的揚程和工作效率產生較大的影響。當輸送的泥漿中泥砂的粒徑越小時，泥泵的揚程和工作效率越高。

（2）在相同的轉速和流量下，泥泵輸送泥漿的效率略低于輸送清水的效率；在轉速不變的情況下，流體的濃度增加，泥泵的揚程和效率會同時下降，并且揚程下降的程度要低于工作效率下降的程度。

（3）泥泵在輸送泥漿時，其允許吸入的真空度將會下降。

（4）泥泵在輸送泥漿時，由于泥漿的密度比清水大，在泥泵的轉速和流量保持不變的情況下，泥泵需要更大的輸入功率。在疏浚工程中，泥泵的輸入功率會隨著泥漿濃度的增加而不斷增大。當泥泵輸送的泥漿濃度過高時，有可能會使泥泵超負荷運行，而使泥泵遭到破壞。

（5）泥泵的葉輪的參數會對泥泵的性能產生一定的影響。在輸送流體濃度保持不變的情況下，葉輪的外徑越大，泥泵的性能越低。

2泥泵的選配要點

2.1泥泵選配的基本要求

通常情況下，泥泵的設計必須要兼顧疏浚市場的需要，必須要具有較大的適用范圍，不會針對特定的環境進行設計。

在進行泥泵的設計時，首先要考慮泥泵的最大流量、揚程以及運行的穩定性，還要考慮經濟因素，合理的選擇泵體部件的材料，同時還要考慮維護管理能夠方便的進行，應盡量選擇不具有駝峰運行特性曲線的泥泵。

隨著疏浚市場的發展，其對挖泥設備的要求越來越高，泥泵工作時的吸入阻力、真空也不斷提高，這對泥泵的工作效率產生了較大的影響，泥泵發生氣蝕的幾率也不斷增高。尤其當挖泥深度達到20m以上時，上述情況會表現的更加明顯。而采用水下泵可以有效改善上述情況，水下泵安裝的位置越低，吸收的阻力以及真空就會越小，這可以明顯降低工作過程中的損失，提高工作效率。水下泵的安裝可以有效的增加挖泥深度，提高輸送泥沙的能力，通過與船內泥泵的配合使用，能夠改善泥土的吸入量，擴大泥泵的使用范圍，減低對原動機功率的損耗。

在施工過程中，泥泵的流量和壓頭如果超過了實際需要，就有可能造成原動機超負荷運行。對于短排距，雖然可以通過在管頭安裝噴頭對流量進行限制，但是這會對管道的節流能留造成影響，造成比不必要的浪費。通過切割泥泵葉輪的外徑來改變泥泵的特性參數，可以擴大泥泵的使用范圍，為了避免在對葉輪切割后對泵的效率影響過大，葉輪允許的切割量隨其比轉數不同而不同。對低、中比轉數的葉輪要作等外徑切削，對高轉數的葉輪外徑要作斜向車削，使葉片靠前處的外徑大于靠后蓋板處的外徑，平均外徑必須符合車削量的要求。

2.2多泵串聯

當排距增加時，管線的阻力也會不斷加大，單一的泥泵無法滿足施工的要求，這時就需要多泵串聯工作。在進行多泵串聯工作時，每一臺泥泵都必須保持一致，最好能選擇相同型號的泥泵進行串聯，如果不能選擇相同型號的泥泵，也必須要選擇性能相近的。對于性能相近的泥泵進行串聯時，其流量必須要相等。理論壓頭也要等于串聯的地綠泵的壓頭之和，但實際上，壓頭要偏小。如果進行多泵串聯時，選用不同性能的泥泵就有可能使其中一臺或幾臺泥泵超負荷運行，而其它的泥泵則沒有滿載，這樣就不能對所有泥泵的功率進行充分利用。在進行多泵串聯工作時，壓力較大的區域可能會使泥泵承受超出上限的機械應力和負荷，并使泥泵的原件出現不同程度的磨損，最終使泥泵提前損壞，增加工程成本。

2.3串聯接力泵工況

對于排距較遠的工況，最佳的施工方案是將多個油泵串聯安裝在輸泥管道中形成接力泵。泥泵與串聯泵之間必須保持一定的距離。在進行接力泵的安裝時，要保證每一臺油泵的兼容性，主要從泥泵的特性、輸泥管的連接等方面來考慮。接力泵應選擇進口壓力1kg/cm2左右的地方進行安裝。通常情況下，排距不會始終固定在一個位置，而是需要根據工程的需要而不斷進行調整。接力泵的安裝位置一般會選擇最小排距，以便與接力泵的安裝。如果選擇的接力泵過小，就會增加船艙內的阻力，影響疏浚工程的效率。如果接力泵過大，它就會成為一臺吸入泵，會對工程的作業安全造成一定的影響。

3柴油機的匹配特性

大型絞吸式挖泥船的泥泵不論用哪種類型驅動，他們都會由于受到船舶電站容量的限制而按照柴油機的工作特性進行設計的。要根據實際需要選擇合適的才有機會型號、規格參數及齒輪減速系統，柴油機的額定轉速和額定扭矩要符合實際施工的需要。在難以找到適合的柴油機的情況下，要為柴油機的性能及泥泵的效率找一個平衡點以使其達到最佳狀態。柴油機、泥泵以及泥沙之間存在著機械連接，同時還存在相互作用。從能量學來看，它們之間組成了一個能量轉換系統。隨著泥泵工作狀態的變化，柴油機與其配合所能產生的效率也會發生一定的變化。為了保證柴油機能夠經濟、高效、穩定的進行長期的工作，就必須要對它的功率和轉速做出一定的限制，延長其使用壽命。

柴油機如果超負荷運行，則有可能冒黑煙，容易導致拉缸等嚴重后果。如果超過了其等扭矩的限制，曲軸所承受的負荷超過了其限定值，容易導致曲軸發生扭傷或斷裂。如果負荷過小，就容易導致各缸供油不穩定，影響柴油機使用的穩定性。柴油機在不同負荷下的轉速如果超過限定的正常工作范圍，就會影響柴油機的安全性，同時還會降低其工作效率。同樣，如果轉速低于限定值，高壓油泵壓力就會因為降低過多而導致油頭霧化不良，燃燒不正常，影響柴油機使用的穩定性。柴油機在匹配泥泵長期連續安全運轉的允許功率和轉速由限制特性，規定轉速其對應的調速特定，最小負荷速度特性，最低工作穩定轉速所限制，其工作方位也會受到一定的限制。

4柴油機、泥泵在不同工況下的匹配

在疏浚工程中，泥泵的工況點會由于泥沙種類、流量等因素的變化而發生變化。當泥沙的流速低于柴油機額定最大功率的限定值時，泥泵的轉速會處于一個恒定的狀態，泥泵所需要的帶動功率也低于柴油機的最大輸出功率；當泥沙的流速等于這個限定值時，就需要柴油機達到額定的最大輸出功率；當泥沙流速高于這個限定值時，柴油機就需要抄負荷運行才能夠為泥泵提供足夠的動力支持，此時的壓頭將下降。因此，受到柴油機的限制特性以及流體的影響，泥泵的實際工作范圍比理論值更小。

5總結

在泥泵及柴油機的設計中，要結合泥泵與柴油機的各自特性以及相互之間的影響，確保泥泵與柴油機的工作狀態達到最佳，從而提高挖泥裝置的效率、經濟型和穩定性。隨著疏浚工程中排距、土質、濃度的不斷變化，要及時結合實際工況對泥泵的工作范圍進行調整以防柴油機處于超負荷運行，從而有效的提高泥泵的效率，保證泥泵能長期高效的運行。

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