200 m3/h(電動)分體絞吸式挖泥船挖泥系統設計

(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮江 212009)

200 m3/h(電動)分體絞吸式挖泥船挖泥系統設計

吳猛

(江蘇海藝船舶科技有限公司，江蘇 鎮江 212009)

為了滿足內陸國家烏茲別克斯坦河道疏浚需要，研制開發200 m3/h(電動)分體絞吸式挖泥船，需采用車運船舶至現場進行拼裝。針對該船泵艙空間狹小及船舶的運輸、現場拼裝等實際問題，對泥泵、泥泵驅動系統、絞刀驅動系統進行比較選型，實船使用情況表明，該船挖泥系統滿足實際使用工況。

河道疏浚；現場拼裝；挖泥系統；變頻驅動；潛水變頻電機

本船用于烏茲別克斯坦阿姆河灌溉引水渠的清淤，土質為II-IV類土。該船為非自航、全電動、分體絞吸式挖泥船，船體采用拼裝式箱形結構，以便于公路、鐵路運輸。配有定位樁裝置、橫移裝置、絞刀架起落裝置及甲板吊等，由電機驅動艙內泥泵。絞刀采用水下變頻電機驅動，絞刀架起落絞車、泥泵、橫移絞車、定位樁提升絞車均采用變頻電機驅動。

動力電由岸上10 kV(或6 kV)通過電纜接入船上箱式變電站，一路輸出690 V供泥泵電機使用，一路輸出400 V供全船其他動力和挖泥船對外供電使用。設備選型必須持久具備高可靠性和極好的可維護性，并兼具經濟實用性，同時應充分考慮烏茲別克斯坦國家工業水平能力。

挖泥系統由泥泵系統、定位裝系統、絞刀系統、絞刀架、橫移系統及各個系統的控制系統組成，采用分體拼裝的形式、運輸為車運，對每一個片體大小及重量均有嚴格的要求。設備選擇要在滿足經濟性、實用性的基礎上要嚴格控制外形尺寸及重量。泵艙空間狹小，泥泵系統采用驅動采用變頻電機通過聯軸器直接驅動泥泵的形式，控制系統采用變頻控制。

1 泥泵的選擇

絞吸式挖泥船泥泵主要參數有流量Q、揚程H、轉速n、汽蝕余量NPSH、功率P和效率η、泥漿的容重及漿體質量分數、最大允許通過粒徑等,轉速是影響泥泵性能的一個重要因素[1]。

根據船東要求泥泵清水流量：2 000 m3/h揚程不小于52 m，我國現同類挖泥船多采用300 WN型泵(該泵的性能曲線見圖1)，此泵耐磨性好、挖泥性能優良、汽蝕性能優良，該泵清水流量：2 000 m3/h泵的轉速為500 r/min，轉速范圍偏低，外型體積較大不能滿足拼裝式船舶泵艙艙狹窄的要求。為滿足本船要求，在300 WN型泵的基礎上進行優化，提高泵的轉速，結合10極電機轉速約為590 r/min，確定泵的轉速為592 r/min。在保證流量不變的情況小泵的轉速提高、泵的葉輪直徑變小[2]，整體泵的外型尺寸變小，滿足安裝要求。改進后泵的轉速為592 r/min，實測性能曲線見圖2。改進后的泵滿足使用需要。

圖1 300 WN型泵性能

圖2 改進后泵性能曲線

2 電機的選擇

200 m3/h全電動的挖泥船，因其作業工況的需要，泥泵、絞車、絞刀等設備都需要采用電機調速技術。目前，在全電動的挖泥船上，電機調速有三速電機和變頻電機兩種調速方式。

2.1 200 m3/h挖泥船挖泥設備驅動簡介

1)絞刀安裝在吸泥管口處，由安裝在絞刀架上端的電動機通過傳動軸驅動，或直接由水下電機驅動。而運用交流變頻傳動取代液力傳動驅動各種絞車是目前世界和中國船舶甲板機械驅動技術的主流和發展趨勢[3]。本船絞刀采用水下變頻電機功率定為110 kW，此功率是按變頻電機來定的。若采用三速電機，功率則為120 kW。變頻電機節能環保的效果明顯。

2)橫移絞車主要是收攬、放纜、聯合作業三種動作方式，完成左橫移、右橫移、左右聯動等動作[4]。橫移絞車采用變頻電機驅動，其工作性能得到完美保證，右橫移挖泥時，右橫移絞車在可變繩索下收纜時，左橫移絞車必須保證在可調張緊力下同步放纜，當遇到挖不動的硬土，或自左向右的特大風時，左絞車應能隨機制動，而防止“滾刀”故障。(即由于右橫移絞車鋼纜松馳，絞刀滾刀運行，會造成絞刀將右橫移鋼纜纏住被切斷的故障)顯然一般交流電機不具備以上特殊功能。

3)泥泵采用變頻電機驅動。

(1)200 m3/h挖泥船泥泵若不采用變頻電機驅動，則無法用三速電機來驅動。三速電機不適合于泥泵長期連續運行要求，也不滿足泥泵排距離在100～1 000 m的各種輸遠下正常工作。故一般采用交流電機+液力偶合器來驅動泥泵。

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

(2)變頻電機驅動泥泵，可在10%～100%轉速范圍內無極變速，可適應離心式泥泵排距在100～1 000 m的各種輸遠，實現短排距，低能耗。采用變頻電機后，電機功率為630 kW。

2.2 變頻電機與三速電機的比較

1)在運行實踐中三速電機只能實現高、中、低3檔調節，不能實現無級平滑調速，在如風機、泵類等對壓力和流量控制有要求的應用中，三速電機顯然不能充分滿足控制要求，此時變頻控制電動機的無級調速優勢就顯而易見了。

2)在生產過程中，電動機啟動性能的優劣對生產的影響很大，這是因為當電動機直接啟動時，電動機的啟動電流一般為額定電流的4～7倍。對于大功率的電動機，強大的啟動電流會造成較大的線路電壓降落，引起電網電壓的降低，不僅影響其他用電設備的正常工作，而且對動力變壓器也會產生較大的沖擊。使用變頻控制，電機在額定電流下啟動，而且啟動電流平滑，減少了啟動電流對電網的沖擊，同時也可保護電機，延長電機的使用壽命[5]。

3)三速電機定子結構復雜、接線復雜，一旦出現故障，維修困難。變頻電機定子采用單繞組結構，結構簡單，易于維修。

4)挖泥船的泥泵要求長期連續運行，變頻電機不同于三速電機的特殊設計能夠滿足泥泵的長期連續運行要求。

5)對于船舶而言，設備占用空間大小是一個很重要的考慮因素，變頻電機比較小的外形尺寸更適合應用與在挖泥船上面。

6)三速電機的出頭較多，并要換接開關，導致運行性能較差，容易出故障。變頻電機直接與變頻器連接，中間沒有連接其他的電氣切換設備，故障率低。

7)變頻電機比三速電機能做到更好的節能。變頻電機能夠平滑調速，節能效果明顯。[6]三速電機只能進行間斷調節，不能平滑調速，不適應用戶節能的需要。

2.3 變頻控制的優點

1)無極、無觸點、高精度(0.01 Hz)、高可靠性。

2)啟動電流小(電動機啟動電流不超過額定電流1.1倍)。

3)高效率、高功率因數。

4)具有工業網絡及通信接口，便于實現自動控制。

5)可方便地實現閉環自動控制，且保護功能完善。

6)使用壽命長，故障率低，變頻器采用模塊化設計維護量小，維護量小。

7)節電率高。

2.4 變頻器的工作原理及特點

變頻器的工作原理是把交流電通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件(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制(SPWM)方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅動異步電機，實現無級調速。上述變換可簡化為AC-DC-AC(交-直-交)變頻方式。利用變頻器可以根據電機負載的變化，實現自動、平滑的增速或減速，基本保持異步電機固有特性轉差率小的特點，具有效率高、范圍寬、精度高且能無級變速的特點，適用于泵和風機等設備。

變頻器的結構主要有主電路和控制電路構成。主電路由整流器、平波回路、逆變器、制動回路等構成。控制電路由運算電路、電壓電流檢測電路、驅動電路、I/O輸入輸出電路、速度檢測電路、保護電路等構成。可實現對電機過流、欠壓、過熱、過載等保護功能。

2.5 價格優勢

100 kW以下變頻裝置和電機價格與一船三速交流電機和軟啟動相差不大。挖泥船的使用壽命長達半個世紀(50年)，進入21世紀后變頻裝置使用越益廣泛，而傳統的三速電機日益邊緣化，其維修服務與費用日益增高，而變頻裝置將更加實惠。

2.6 200 m3/h變頻控制系統的維護

挖泥船變頻控制系統采用模塊化結構設計，PLC模塊構成，變頻器每一相的IGBT和直流電容組成一個模塊，共3個模塊，維護方便。

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

2)變頻器的維護。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和監控、記錄變頻器狀態的功能。

修改參數功能能夠對電機在不同的應用場合進行參數化控制，達到最佳的控制效果。當變頻器出現故障時，使用變頻器的監控功能可以讀取電機的運行數據、故障記錄，從中找出故障點，為現場維護帶來極大的方便。

3 電動絞刀傳動方式的選擇

本船絞刀總成由絞刀、絞刀軸裝置、變頻潛水電機及減速器裝置、絞刀驅動裝置支架、高壓沖水出水噴管和吸泥口等組成。配備2把活絡刀齒的通用絞刀，活絡刀齒與絞刀本體通過插銷連接。

1)電動絞刀的結構。電動絞刀總成是將河床底部的泥土破碎，通過安裝在船上的泥泵將泥漿送到排泥場的專用工具。絞刀總成由絞刀頭、絞刀軸裝置、變頻潛水電機及減速器裝置、絞刀驅動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構。絞刀頭根據不同的土質可以配備不同的絞刀，普通土質絞刀配備片式齒，硬質土壤配備活絡可拆的鑿齒式絞刀。

本船絞刀頭配備2把活絡齒的通用刀，使用插銷連接。絞刀軸及軸承處在充滿潤滑油的空腔內，軸的前端密封采用耐用、可靠的浮動式密封結構。絞刀軸的后端通過花鍵與減速器輸出軸相連，加速器的法蘭和驅動軸承箱采用密封膠圈，保證了絞刀驅動裝置后部的密封，絞刀軸由安裝在支架上的變頻電機通過兩級減速驅動，電機和減速器通過聯軸器相連，電機和減速器之間通過密封管相連，保證了電機輸出軸部位和減速器輸入軸部位以及聯軸器與外界的隔離，起到了有效的密封效果，絞刀軸承選用國際知名品牌SKF系列軸承。

2)與長軸驅動的優越性比較。①結構緊湊，可以整體吊裝，安裝、拆卸、維護方便；②減小了對絞刀架的強度和剛度的要求，減輕了絞刀架的重量；③長軸驅動需要幾段軸通過聯軸器相連，同時每段軸都需要設置2個軸承座支承，安裝的精度難以保證，而這種結構，避免了長軸驅動的缺點，也節約了成本。

3)選用水下電機的構造及在水上及水下應用的可靠性。此船絞刀驅動電動機為潛水三相異步電動機，允許潛水深度不大于30 m。電動機采用密閉式結構，殼體為耐腐蝕鋼板焊接而成，所有緊固件均為不銹鋼材質。定子線圈、槽絕緣、浸漬漆等主要絕緣材料均選用耐溫等級為F級或H級材料，經多次浸漆成型，確保電動機運行安全可靠。電機表面噴涂耐腐蝕表面漆，可有效延長電機的使用壽命。選用質量可靠，品牌信譽良好的軸承，如NSK、SKF、FAG等。為防止軸電流對軸承的損害，采取軸承絕緣設計，有效消除軸電流的產生，保證長時間的軸承使用壽命。潛水電動機的靜密封采用高性能密封橡膠條及密封膠密封，動密封采用可靠的機械密封或油封密封；潛水電動機采用密封式接線箱，接入電纜和接頭均采用特殊有效的密封措施，防止接線箱內部發生滲水故障；接線箱和電機內腔密封隔離，電動機內腔設有繞組和軸承過熱保護傳感器，電機和接線箱內部設有漏水報警傳感器，進一步保護電機在水下安全運行。電機內部增加特殊設計的風扇，確保在電機運轉的時候內部可以循環，增強散熱的效果，可以非常有效地帶走電機的熱量，降低電機運轉時的溫度，增加電機的可靠性。所以無須增加額外的噴淋降溫設備，避免了附屬設備發生故障的可能，保證設備可以順利工作。即便是出水工作，也可保證電機穩定運行2 h。

4)電機同絞刀連接部分的密封。電機和減速器通過聯軸器相連，電機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，同時安裝止口部位都設置了有效的密封圈，保證了電機輸出軸部位和減速器輸入軸部位以及聯軸器與外界的隔離，可實現有效密封。

4 結論

1)挖泥系統采用變頻控制能很好地解決泥泵的調速，橫移絞車采用變頻電機驅動，其工作性能得到完美保證，絞車在可調張緊力下同步收放纜，當遇到挖不動的硬土，絞車能隨機制動，而防止“滾刀”故障。

2)適當提高泥泵的轉速，可使泥泵體積變小，有利于分體式采用車運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].中國機械,2015(8):19-20.

[2] 楊年浩.疏浚泥泵葉輪參數設計及泥泵性能預測[D].南京:河海大學,2006.

[3] 楊明.絞吸式挖泥船控制系統設計[J].船電技術,2013,33(1)：43-46.

[4] 王姣菊.某絞吸式挖泥船橫移絞車控制系統改造設計[J].機床與液壓,2008,36(10)：286-287.

[5] 趙鋼.交流變頻調速的優勢與應用[J].黑龍江科技信息,2009(33):18-18.

[6] 吳少鑫.變頻調速在水泵節能系統中的應用[J].電機控制與應用,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，學士，工程師

研究方向：船舶動力裝置