電軸系統及雙泵串聯技術在“通海浚”號挖泥船中的應用

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、獨山、昭陽、微山等4個串聯湖泊的總稱，是我國第六大淡水湖，流域面積3.17萬km2。形狀狹長，南北—東西走向，南北長125km，東西寬5～25km，最窄處僅5km，一般湖底高程32.09m。

沂沭泗河洪水東調南下工程是淮河治理的重要組成部分，是國家的重點水利工程，也是南水北調東線主要組成部分。

本期南四湖湖內淺槽工程按50年一遇洪水標準進行設計施工，主要完成淺槽四2+800～5+800段共3.0km湖內疏浚開挖、圍堰修筑、圍堰基底及取土區表層清淤等項目。設計湖內挖槽寬800m，開挖底高程30.79m，平均挖深1.51m，排距3.3～4.0km，湖內開挖土方量370.93萬m3，開挖底高程以上疏浚范圍內土層主要為粉質黏土和黏土，淺槽三含少量粉土，上部有30cm左右浮泥，因此所需施工設備為1000m3絞吸式（斗輪式）挖泥船，該設備的效率將直接影響到該項目的經濟效益，還關系到施工安全及能否按期完工。

該項目2標段的施工合同價為3195.46萬元。

2 “通海浚”號挖泥船工作原理

“通海浚”號挖泥船主要組成有:水下挖掘機具斗輪、艙內泥漿泵、水下泥泵、臺車定位樁和輔助定位樁、3臺甲板絞車及船體。船體總長61.28m，船長48.95m，船寬12.20m，型深3.2m，空載吃水1.545m，滿載吃水1.85m。該船設計挖深20m，設計最大排距4000m，刀架總長26m，斗輪直徑3.5m，設計最高轉速27r/min，斗輪動力傳動系統采用3臺液壓馬達，總功率270kW。

挖泥船工作時，安裝在吸泥管入口處的旋轉式斗輪在液壓馬達的驅動下旋轉，不斷地切割和挖掘水下土層，形成泥沙和水的混合體后，經水下泵從吸泥管的吸入口抽吸，至安置在機艙內的離心式泥漿泵中，最后將較高濃度的泥漿通過管道輸送到排泥場。斗輪式挖泥船工作時，將主定位樁對準挖槽中心線下樁，作為橫挖的擺動中心和船體前移—進刀或者后移—退刀的支柱。隨后在開挖斷面的邊線處進刀，在每個挖泥位置，挖泥船依靠拋在挖泥區兩側的邊錨，通過設置在甲板上的絞車收放纜繩，實現挖泥船船首的左右擺動，從而完成一個扇形開挖面。當每挖完一個段面后，設置在船艙內的液壓系統驅動臺車液壓缸頂推臺車定位樁，而使船體向前移動一段距離，實現了開挖工作面的前移。當臺車液壓缸行程走完后（本船行程4.5m），進行換樁，放下船尾副定位樁，提升臺車定位樁使之脫離土層，隨后驅動臺車液壓缸使臺車定位樁收回復位，再落下臺車上的定位樁，提升副樁脫離土層，至此，完成了一個挖泥循環進程。然后重復此過程直至完成疏浚工程任務。

3 “通海浚”號挖泥船創新設計

經調查國內使用的挖泥船一般采用單臺艙內泵形式，為艙內泵吸排式，不進行水下泵的設計和安裝。目前在國內疏浚行業，斗輪式（絞吸式）挖泥船是其行業的主要設備之一，電軸系統及雙泵串聯技術的研究和應用，在國內外文獻中、類似復雜環境的工程中還未見成功實例的報道。

在挖泥船研究制作過程中，重點探討如何提高泥漿濃度和挖泥船的綜合效益上，因此對傳統制造進行創新，將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處位置，采用水下泵與艙內泵串聯輸送結構，兩泵同時工作，艙內泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，大大提高了泥泵吸入泥漿的濃度。

經與同類挖泥船效益綜合計算比較，可節約成本資金680萬元以上，社會效益和經濟效益顯著。

電機短軸傳動機械效率較之液壓傳動效率可由70%提高到95%以上，進一步提高了挖泥產量和效益。

疏浚開挖單方油耗量降低36%，確保設備的施工能力，保質量、保工期完成施工任務。

3.1 電軸系統

由發電機直接供電給電動機的系統稱電軸系統，電軸系統特點為發電機和電動機之間直接連接，無需斷路器及任何布線。電軸系統電動機的起動是通過控制發電機的勵磁電流來實施，組成閉環系統。電動機的調速是調發電機的原動機即柴油機的轉速來實施，發電機的頻率、電壓也隨著變化，從而改變了電動機的轉速，電動機的轉速可在70%～100%（1050～1500r/min）之間變化，電動機以恒轉矩輸出。

本船電軸系統由1臺700kW、690V發電機驅動1臺600kW、690V電動機，電動機起動后，電動機的轉速是直接調節柴油機的速度來實施的。

3.2 雙泵串聯技術

采用水下泵與艙內泵串聯輸送結構，兩泵同時工作，艙內泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，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“電動機+短軸”驅動方案

水下泥泵的驅動方式按傳動方式可分為長軸和短軸，動力裝置又可分為電動機和液壓，因此有以下幾種驅動方案可供選擇：①電動機+長軸方案，具有可靠性高、維修保養方便、技術難度小、價格適中等優點，但絞刀齒輪箱尺度過大導致增設的電動機和齒輪箱布置困難，且水下泥泵驅動軸線與絞刀中心線不平行使得維修拆裝不便；②電動機+短軸方案，若采用注油式水下電動機直接驅動，具有技術先進、傳動效率高、安裝經濟便捷等優點，但價格較高、維修技術難度大，若采用交流電動機、齒輪箱短軸驅動，其突出優點是成本低，但由于電動機在水下工作，絕緣差、易燒壞，因此可靠性較差、維修不方便；③液壓馬達驅動，具有驅動方式簡單、維修量小、成本適中的特點，但動力輸出損耗較大，減少了變壓設備和電機的使用壽命和運行效率，至今未有550kW以上大功率液壓馬達驅動水下泥泵的相關資料，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、價格及改造難度等因素，最終選定“電動機+短軸”的驅動方案。實踐證明，這種驅動形式具有可靠性高、維修保障率高等優點。

3.2.2 水下泵功率計算及選型

水下泵轉速為420min時的性能參數為：排量（清水）4000m3/h，揚程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×η齒×η齒=432/0.85×0.85×0.98×0.98=622.5kW

其中 η泵=0.85，η馬達=0.85，η齒=0.98。

水下泵柴油機型號為6210ZLC-6，額定功率735kW，額定轉速830r/min，可滿足要求。在選擇水下泵時，應對艙內泥泵和水下泥泵特性曲線進行比較，選擇合適的水下泥泵，以提高挖泥效率。

4 結語

通過設計制造“通海浚”號斗輪式挖泥船，利用電軸系統及雙泵串聯技術，將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處的位置，采用水下泵與艙內泵輸送結構，兩泵同時工作，艙內泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，提高了挖泥的泥漿濃度，加大了挖深，增加了排距，使得船體對工況適應性更強，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：中國水利水電出版社，2005.

［2］鄒國華.200m3/h絞吸式挖泥船的技術改造［J］.水運工程，2002（12）：47-49.

［3］中國水利學會，中國水力發電工程學會，機械疏浚專業委員會.工程船舶液壓傳動［R］.

［4］象山海申機電總廠.5520斗輪式挖泥船電氣原理設計［R］.

［5］JTJ319—99，疏浚工程技術規范［S］.