大型3500m3/h絞吸挖泥船新海豚輪絞刀系統淺析

沈峰，徐而敏

（1.中港疏浚有限公司；2.上海交通建設總承包有限公司，上海 201136）

1 概述

新海豚輪是中交上海航道局自主建造的3500m3/h絞吸挖泥船，該船的水下泥泵、絞刀等主要疏浚設備均采用了大功率的變頻驅動，可以實現恒功率、恒扭矩和無級調速。絞刀傳動系統是由變頻水下電機、安全聯軸節、絞刀齒輪箱、鼓形齒式聯軸器及絞刀軸組成的，驅動絞刀作切削運動，可以實現無級調速，絞刀功率為2200kW，具備挖掘巖石、珊瑚礁等功能。絞刀軸傳動軸系采用滾動軸承和浮動機械密封裝置，可有效防止泥沙進入。

2 系統構成和使用情況

2．1 絞刀電機和變頻系統

本裝置采用西門子變頻電動機，額定功率2200kW，在75～750r/min時恒轉速，750～1000r/min時恒功率，具有短時超轉矩能力。具有抗堵轉能力強、速度響應快、切削能力強、穩定性高和傳動效率高的優點。能充分利用變頻器的軟啟動功能，啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量高的要求。在公司承建的某工程中，變頻電機驅動的絞刀切削能力明顯優于液壓馬達驅動的絞刀。該工程土質為含有一定量的鈣化質石塊的硬塑性黏土，具有天然重度和黏性大的特點，常規設計的絞吸船很難適應此工況條件下施工，可對于新海豚輪的絞刀系統來說，在挖掘方面毫不困難。該船實際電機工作功率在200～800kW波動，瞬時功率超過1000kW，遠低于絞刀電機額定功率。而其他同類型船舶絞刀油馬達的額定功率為1280kW，卻在接近800kW時頻頻發生絞刀堵轉現象，由于受液壓系統耐壓要求及傳動效率所限，油馬達轉矩沒有任何超載能力，油馬達本身的最大轉矩是無法實現。對于電動機傳動來說，其額定轉矩一般為最大轉矩的1/2，并允許在短時間內超轉矩工作，這對于克服絞刀堵轉具有積極的意義。因此，即使新海豚輪采用額定功率為800kW的絞刀電機，其切削能力也顯著高于同功率的油馬達且不容易發生堵轉。此外，絞刀驅動方式采用水下變頻電機驅動，很好地解決了因采用液壓系統驅動，易產生爆管泄露液壓油而造成環境污染問題。

2．2 安全聯軸節

新海豚輪的Safeset扭力限定聯軸器擁有一個液壓扭矩設定系統。通過液壓調節，可以將釋放扭力設置到要求的水平，如超過了預設的扭力，聯軸器會自動滑脫，剪管頂部會被抗剪環切斷，從而釋放出聯軸器中的油壓，整個過程的持續時間僅為幾毫秒，油壓得到釋放后，聯軸器將在軸上自由運轉。

在某工程中，疏浚土質密實度高和黏性大，剛開始施工時，由于對工況條件的不熟悉，新海豚輪的絞刀水下電機和齒輪箱的安全聯軸器保險銷經常發生過載剪切保護。每次動作過后，須對保險銷進行更換和扭力重新設置。安裝保險銷難點在于既保證水密又保證的施工所需的足夠扭矩。起初更換一組保險銷安裝至少需要6～7個小時，一定程度上影響了船舶施工時間利用率。通過積極與設備制造商進行溝通和技術咨詢，同時，對圖紙資料的進行分析研究，從原理上分析和尋找安裝技術要領并加以實施，提高了設備人員維修安裝技能，更換一組保險銷基本上只需2.5小時。同時，積極對絞刀聯軸器的過載保險銷開展國產配件代替進口配件工作，剛開始，加工的國產替代件發現密封面錐度和進口件不一致，尼龍環太軟等不足，經過與供應商溝通改進后，現在國產件已完全能代替進口件，節約了船舶維修成本。

2．3 水下齒輪箱

絞刀系統齒輪箱結構為水平異心布置，齒輪箱體采用上、下剖分的焊接結構，輸入軸端通過安全聯軸器與電動機輸出軸聯接；輸入軸通過多級齒輪帶動輸出軸；輸出軸通過與絞刀傳動軸系聯接驅動絞刀。所有齒輪均采用滲碳淬火磨齒加工工藝，材料均為采用合金鋼。輸入軸軸承均采用進口SKF調心滾子軸承，其余采用巴氏合金滑動軸承。

齒輪箱為干式油底殼，在橋架箱體前端處側面配置容量為1200L的油箱，并配置液壓泵站以供齒輪箱潤滑和冷卻使用，油箱、液壓泵站和齒輪箱形成全密封閉式循環。系統帶一個電動預供油泵和齒輪箱機帶油泵，電動泵、冷卻器、濾器全部安裝在輔助的密封箱體內。齒輪箱上安裝了10只溫度模擬量傳感器、油壓傳感器和部分進水傳感器等共計23只傳感器。

通過施工實踐，齒輪箱在運行過程中整體較為平穩，但也存在一些問題。

（1）齒輪箱裝置中的對外接口（潤滑油管、傳感器電纜線管）太多，須做成水密結構的管子密布于齒輪箱箱體周圍，存在一定的安全隱患。傳感器可靠性較差，接線盒和絞刀齒輪箱之間密封易滲油等，最主要的是多股線之間的滲漏。目前，利用施工停隙時間隔期打開接線箱進行檢查和清潔，同時，嘗試使用各種新材料做密封試驗，確保箱體密封、傳感器正常使用。

（2）各輔助密閉箱體中管路的橡膠短接故障較多。輔助箱體內的橡膠接頭經常爆裂，在施工期間，幾乎平均每2個月要發生一次。常規換一個橡膠接頭約需半小時左右，箱體內更換較為復雜，要先經過開小蓋把漏入箱內的油抽出來后泵油尋找漏點，再打開大蓋后更換接頭，大部分位置不好，扳手沒有旋轉角度，拆一只螺栓要30分鐘左右，裝復時還要做箱體密封等工作，需要約12小時左右，影響了船舶施工時間利用率，同時，也增加了設備管理人員工作強度。通過把大部分橡膠接頭改成硬性連接，確定無法更改的橡膠接頭換成耐壓耐油接頭，故障率明顯下降。

（3）絞刀傳動裝置中的關鍵設備如齒輪箱體積過于龐大，在有限的空間內合理布置難度較大，對設備維護保養帶來了一些影響。

2．4 絞刀軸系

絞刀軸系設計的工作最大傾斜角為60°，可承受雙向推力250t，在30m水深條件下時，還具有良好的工作性能。軸系靠近齒輪箱一端采用浮封環密封，靠近絞刀一端采用浮封環和骨架密封，并提供3路油脂對骨架密封處連續供油潤滑。在平時的工作中經常檢查3路油脂的出油情況，通過檢查重力油柜油位和觀察有無滲漏判斷浮封環和各個密封件的磨損情況。根據說明書要求每500小時密封端蓋加500ml左右機械油，定時取油樣分析滑油質量和軸承的磨損情況等。

2．5 變頻器

新海豚輪使用的是6脈沖變頻器，6脈沖整流的總電流諧波理論含量大概為基波的30%，廠家通過加交流電抗器等簡單措施，讓諧波含量得到了有所改善，但也達到了20%左右。這樣大的電流諧波含量注入電網后，導致電網電壓波形嚴重變形，690V的電網，電壓變形后的峰值能達到1200V左右，增加電機的重復峰值電壓時間，破壞電機和電纜的絕緣，增加電機的銅損和鐵損，降低使用壽命。因此，建議今后變頻系統能使用12脈沖中壓系統。目前，國內大多數中小型工程船舶的泥質絞刀使用功率均在200～800kW左右，若大型工程船所需大功率絞刀可否采用雙電機形式進行驅動，則在絞刀需要較低的施工條件下，可以達到節能降耗和增加設備使用儲備的目的。

3 結語

國產絞刀水下齒輪箱技術上還有不成熟的地方，在傳感器、滑油系統、箱體的密封等還有待進一步改進，如荷蘭IHC公司建造的大型絞吸船新海豹輪，其水下齒輪箱采用濕式油底殼，分中速區和低速區，低速區箱體內灌滿油采用重力油柜形式，中速區油泵泵油噴淋設計和只有2只傳感器，沒有輔助箱體設備和大量的外接管路等，值得我們在今后設計中借鑒。當前國產設備使用長軸驅動的方案已經成熟，絞刀軸承箱水潤滑系統技術也已經出現，它在節能和防污染方面有很大的實用價值，值得我們關注。

本文通過對我公司大型3500m3/h絞吸船新海豚輪絞刀系統在船上的應用，以及在使用過程中出現的問題作了簡單闡述，并提出了一些建議，為更好地使用和管理新海豚輪的絞刀系統設備和在下個階段建造更大型的絞吸挖泥船提供一些借鑒。