絞吸式挖泥船橫移系統加速施工

肖博，孫守勝

（中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300461）

0 引言

絞吸式挖泥船在施工時會面對各種土質，理論上，在恒功率情況下，土質較硬時，橫移阻力大而橫移速度慢；土質較軟時，橫移阻力小而橫移速度快。針對橫移系統，不同型號的絞吸船都根據自身的施工目的，設定了橫移系統的速度區間及相對應土質，在此速度下，橫移系統處在安全工作區間，同時挖泥船的效率也最高。

實際施工時，絞吸船需要面對各種土質情況。在土質較軟時，需要提升橫移速度，以提高單位時間的產量。

另外，絞吸船在橫移的一個周期內，有正刀和反刀之分，土質不同，正刀和反刀的切削效果也不同，在某種施工工況下，當只需要正（或反）刀施工時，就需要橫移系統在非切削行程能夠迅速回位，這也對橫移系統提出了加速要求。

以國內某型絞吸船為例，該型絞吸船主要是針對挖巖而設計的。橫移系統的參數設定也主要針對硬巖類土質。當挖掘較軟的土質時，由于橫移系統的速度限制，降低了施工效率。而當挖掘較硬的土質，需要單正刀或反刀施工時，也由于橫移系統的速度限制，無法在非切削行程內迅速回位。

本文針對該船橫移加速施工時面臨的上述問題，提出了計算絞吸船橫移系統拉力的一整套計算方法，對橫移絞車及驅動電機的加速能力進行驗算。

1 加速對橫移絞車和驅動電機的性能要求

1.1 驅動電機性能校核

該船設定的橫移加速約18 m/min，對應現有的驅動電機轉速800 r/min，而驅動電機可提速至1200r/min，在此轉速下的橫移速度約27m/min。

驅動電機在800~1 200 r/min工作段為恒功率區，其橫移拉力要降至75 t，根據現場實際，可以確定75 t橫移拉力能夠滿足一般土質施工要求。所以，驅動電機在數值上滿足提速要求。驅動電機的性能參數如表1。

表1 橫移電機性能參數Table1 Performanceparametersof swing motor

1.2 絞車性能校核

該船橫移絞車的基本性能參數如表2。

表2 橫移絞車性能參數Table 2 Performanceparametersof swing winch

由表2可知，絞車的最大輸入速度為1 800 r/min，滿足提升到1 200 r/min的要求。

電機和絞車在參數上滿足加速要求后，還需要進一步計算兩個問題，分別是橫移絞車的壽命和驅動電機的變頻器制動單元能否滿足提速要求。

2 加速對橫移絞車壽命的影響

加速會降低橫移絞車的預期設計壽命，絞車的前后工況對比如表3。

表3 橫移絞車工況Table 3 Operating condition of swing winch

在提速工況下，經過絞車廠商可靠性驗算的預期壽命為29 249 h，可見，該壽命值能夠滿足全船壽命要求。

3 加速對驅動電機制動性能的要求

絞吸船橫移系統在工作時，左右2個驅動電機需要頻繁啟停，并且，橫移往復運動的制動不是由機械制動來實現的，而主要依靠2個電機的交替工作來實現[1]。

當其中1臺驅動電機開始充當能耗制動器，用以牽制全船橫移運動時，在橫移的減速階段，它實際上是1臺發電機，制動能量的大部分都轉化為電能反饋到了變頻器中。變頻器的制動電路用以承擔反饋能量，防止直流母線電壓過高而擊穿功率元件[2]。變頻器制動單元原理如圖1所示。

圖1 變頻器制動單元原理圖Fig.1 Schematic diagram of frequency transformer braking unite

當橫移速度由現在的18 m/min提至27 m/min后，制動的慣性載荷會相應增大，電機需要回饋的制動能量也會增大，有可能超出制動單元工作范圍，造成安全隱患。因此，評估提速后電機的工作性能如何，主要是核算電機制動單元是否滿足提速要求。

為了核算電機制動單元[3]，需要明確制動時間和工作間隔，其次要計算橫移系統的制動阻力矩。

1）制動時間和工作間隔

制動時間是根據現場的施工工況和操作經驗來確定的，結合現場實際，對該絞吸船橫移制動時間應控制在8 s以內，橫移周期約為15 min，這便是制動單元的工作循環周期。

2） 制動阻力矩

橫移系統的制動阻力矩需計算絞車輸出端的慣性載荷和傳動系統的慣性載荷兩方面。

絞車輸出端慣性載荷應計算船體慣性載荷、驅動側電機的反拉力、風阻、水流阻力等。根據絞車傳動比并考慮機械效率，最終折算為電機的慣性載荷。

傳動系統的慣性載荷主要指電機、聯軸器、齒輪箱及絞車等傳動部件的慣性載荷。

4 橫移系統制動阻力矩的計算

4.1 絞車輸出端制動阻力矩

4.1.1 船體慣性載荷F1

船體慣性載荷指橫移制動時，船體擺動制動的制動力。

選取制動側電機最不利情況計算（圖2），絞吸船在中線制動停車，最大橫移速度27 m/min，制動時間取8 s，主鋼樁在行程末端。

圖2 絞吸船橫移制動示意圖Fig.2 Swing movement braking force schematic of cutter suction dredger

已知該船的重心位置距主鋼樁距離r，橫移導向輪距主鋼樁R，工作狀態的全船重量m，橫移速度V。

全船對主鋼樁的轉動慣量：

船體擺動的角速度：

即船體慣性力矩：

慣性力矩計算公式：

作用于繩端的慣性力：

4.1.2 驅動側電機反拉力F2

絞吸船施工時，為了保持橫移的穩定性，兩側絞車都具有拉力，即使在制動階段，驅動側電機仍然保持一定的反拉力F2，應該計入制動側電機的制動載荷中。

4.1.3 風阻力F3

風阻計算公式：

式中：C為渦流風力系數；K為風壓高度系數；β為風振系數；q為工作風壓；Ai為迎風面積，考慮船體、駕駛臺、裝駁管架、吊機、煙囪鋼樁等主要受風部件（圖3）。

圖3 風阻計算迎風面積示意圖Fig.3 Windage area schematic of wind resistancecalculation

將風阻力折算到橫移拉力上：

式中：rw為受風部件作用點距主樁距離。

4.1.4 水流阻力F4

水流阻力計算公式：

式中：C為水流阻力系數；V為水流大小；Ai為水流阻力的受力面積，考慮橋架和船體兩部分。

將水流阻力折算到橫移拉力上。

式中：ri為橋架和船體受水流作用點距主樁距離。

綜上計算，總制動力：

橫移系統效率損失包括絞車和橫移導向輪兩部分，若絞車效率為η1，橫移導向滑輪效率為η2，則制動側絞車輸出端的制動阻力矩：

電機端的制動阻力矩：

4.2 傳動系統的制動阻力矩

電機的轉動慣量：J1

聯軸器的轉動慣量：J2

根據經驗公式，齒輪箱折算到電機端的轉動慣量：0.2（J1+J2）

式中：電機端的角速度：

則制動阻力矩計算公式：

綜上計算，電機的總制動阻力矩為：

5 橫移電機制動單元的確定

電機的制動功率為：

則應選擇的制動電阻阻值為：

由于橫移是一個往復運動，對單個電機的制動電阻而言，其工作為間歇性的，制動單元的額定功率需考慮周期因素，將Pb進行折算，制動單元[4]的功率定義如圖4所示。

圖4 制動單元功率折算示意圖Fig.4 Power conversion schematic of braking unite

圖4中，Pr為連續工作時額定功率；P20代表周期90 s、制動20 s的功率；P3代表周期90 s、制動3 s的功率，其關系如下：

式中：O/Lfactor為電阻的過載值，根據制動電阻工作周期而定。

根據以上流程，結合該絞吸船的實際情況可得，在水流速1.8 kn，風速10 m/s的設計海況下，制動電阻值R=1.36Ω，電阻額定功率Pr=387 kW。

在無風、無水流的良好海況下，制動電阻值R=2.142Ω，電阻額定功率Pr=250 kW。

在風速20 m/s、水流2.5 kn的惡劣海況下，制動電阻值R=1.331Ω，電阻額定功率Pr=372.5 kW，由此可知，惡劣海況下制動單元的功率最大，電阻值更小，但二者相差不大。

根據現場實際，驅動電機的制動單元的工作時間為8 s，時間間隔為15 min。結合選型樣本選取制動電阻。選擇1 000 kW制動單元的P150型制動電阻，制動電阻為1.35Ω，400 kW。該型號電阻可在500 s中工作120 s時消耗能量1 000 kW，而連續工作時該值為420 kW，滿足了提速后的制動要求。

6 結語

本文對橫移系統提速的可行性，對驅動電機和橫移絞車的影響進行了論證，對驅動電機的制動單元進行了重點核算，給出了需要更改的制動電阻的參數值。

基于上述計算流程，可以確定該型絞吸船可以在改進制動單元的前提下，提高橫移速度，從而提高全船的生產率。

值得說明的是加快絞吸船的橫移速度還需對控制系統做相應的變更，如疏浚系統速度給定、速度保護和變頻系統執行控制參數等，同時還應將電機的實際轉速反饋到疏浚系統進行控制和顯示。