耙吸挖泥船雙速齒輪箱的應用優勢

于南洋，董堰川，葉兵

（長江重慶航道工程局，重慶 400011）

在水利建設、環境保護、河道治理、填海造地等領域，疏浚船應用十分廣泛，尤其是小型疏浚船靈活方便，初期投資少，可操作性強，在淺窄河道中應用更廣。常見的疏浚船型有泥駁、吹泥船、挖泥船等，其中絞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船最為常見，隨著設計及建造技術的不斷升級，耙吸式挖泥船在結構及工效方面不斷改進優化，目前基本能自行完成全過程作業。然而，當前中小型耙吸挖泥船普遍存在動力系統利用率不高、能耗大、運營成本高等問題，在動力裝置配置方面也缺少對相關方案的綜合評判。本文以3000m3耙吸挖泥船為例，對雙速齒輪箱作為耙吸挖泥船動力裝置的可行性與應用優勢展開分析，為中小型耙吸挖泥船的推廣應用提供借鑒參考。

1 雙速齒輪箱運行原理

普通船舶航行過程中工況基本穩定，螺旋槳負荷變化也不大，重載線和輕載線均位于螺旋槳最佳推進特性線附近。而其他船舶，如拖網漁船、拖船及挖泥船等，自由航行和拖航過程中負荷差異大，柴油機扭矩轉速降低，螺旋槳推力也大大減小，輸出能力無法滿足拖航工況要求；同時，因螺旋槳進速系數減小，運行效率也隨之降低。對于這種情況，在進行推進裝置設計時，合理選擇螺旋槳設計工況，保證船-機-槳三者達到最佳配合狀態[1]，存在較大難度。

耙吸挖泥船面臨復雜多變的工況，根據挖泥疏浚任務，耙吸挖泥船主要面臨在卸泥點至挖泥點間全速順流航行、低速挖泥裝艙、在挖泥點至卸泥點間全速逆流航行、抽艙排岸等工況，各工況的持續時間依次為2h、1h、2h 和1h。當前，耙吸挖泥船主要有機械推力和電力兩種動力配置，在機械推力下主機必須附帶發電機，且轉速必須穩定，故一般采取減速齒輪箱+可調螺旋槳設計。在單速比齒輪箱方案下，耙吸挖泥船全速逆流航行時推進功率最大，故根據該工況所設計出的螺旋槳推進效率較高，但對于其余工況，必須大幅度調節螺距以匹配航行速度，螺旋槳效率也就無法保證。根據各工況持續時間，耙吸挖泥船全速逆流航行之外的工況運行時間在總時間中占比高達66%[2]，在如此長的時段內螺旋槳均無法處于高效率運行狀態，既會造成主機功率浪費，又不利于耙吸挖泥船經濟性能的提升。故本文主要研究雙速齒輪箱的應用，以兼顧不同工況下螺旋槳效率，避免主機功率浪費，提升挖泥船經濟性能。

根據三離合器雙速齒輪箱低速及高速運行的傳動原理，與單速齒輪箱相比，雙速齒輪箱中增加了一根中間軸和一對減速齒輪組，齒輪組的布置會對齒輪箱高度和寬度等外形尺寸造成一定影響，但長度并不受影響。為不影響軸系布置，可將雙速齒輪箱設置在原單速齒輪箱處。

2 雙速齒輪箱節能原理

在安裝雙速齒輪箱后耙吸挖泥船在低速和高速兩種運行工況下，螺旋槳必然對應兩種不同轉速，根據轉速與航速的組合確定出相近的漿葉螺距比，以便在螺旋槳工況點分析時，兼顧不同航速的螺旋槳效率[3]。

為展開雙速齒輪箱節能原理分析，在3000m3耙吸挖泥船配置2 臺恒定轉速柴油機，發電機設置在柴油機自由端驅動軸，柴油機飛輪端接雙速齒輪箱；齒輪箱分別在螺旋槳轉動速度為101r/min 和126r/min 情況下運行；螺旋槳直徑4600mm，最大功率8800kW。

2.1 沿海作業

在此工況下，耙吸挖泥船航行速度13kn，正常水流速度和較慢水流速度分別為4kn 和2.5kn，與拋泥區相距30n mile。根據對沿海作業中耙吸挖泥船推進特性的比較（圖1）可以看出，雙速齒輪箱以低速運轉時比高速運轉更節約功率；當耙吸挖泥船運行速度＜14kn 時，位于低轉速檔的螺旋槳功率消耗程度明顯小于高轉速檔，且低轉速檔的螺旋槳能在航行速度位于13～14kn 之間達到臨界點，并超出相應航速下高轉速檔的螺旋槳功率消耗水平。不同作業環節下耙吸挖泥船主機功率消耗及柴油機油耗情況詳見表1。根據表中統計結果，在正常水流（4kn）順流航行、正常水流（4kn）逆流挖泥、較慢水流（2.5kn）順流航行、較慢水流（2.5kn）逆流挖泥等工況下，螺旋槳轉速為101r/min 時主機功率比螺旋槳轉速為126r/min 時節省259kW、647kW、387kW和274kW，主機油耗分別節省51kg/h、83kg/h、61kg/h、61kg/h。

圖1 沿海作業推進特性比較

表1 不同沿海作業環節主機功率消耗及油耗

2.2 江河作業

考慮到耙吸挖泥船江河作業時必須考慮豐枯水季兩種情況，每種情況下又包括挖泥、卸泥、順流航行、逆流航行等作業環節。在江河作業環境下，挖泥船航行速度11kn，豐枯水季水流速度分別為4kn 和1.5kn，與拋泥區相距30n mile，進行螺旋槳轉速分別為126r/min和101r/min 時功率的比較分析。

從圖2 中江河作業推進特性的比較可以看出，在耙吸挖泥船處于挖泥工況下，齒輪箱位于低轉速檔時比位于高轉速檔更為節省功率；而在自由航行工況下，當耙吸挖泥船運行速度＜14kn 時，低轉速檔的螺旋槳功率消耗情況明顯小于高轉速檔，且低轉速檔下螺旋槳功率水平同樣在13～14kn 時達到臨界狀態，超出該范圍后，則推薦高轉速檔。進行不同作業環節螺旋槳轉速分別為126r/min 和101r/min 時主機功率消耗及油耗情況的比較，結果詳見表2。結果表明，在洪水季（4kn）順流航行、洪水季（4kn）逆流挖泥、枯水季（1.5kn）逆流挖泥、枯水季（1.5kn）順流航行等工況下，螺旋槳轉速為101r/min 時主機功率比螺旋槳轉速為126r/min 時節省226kW、406kW、337kW 和276kW，主機油耗分別節省45kg/h、56kg/h、95kg/h、52kg/h。

圖2 江河作業推進特性比較

表2 不同江河作業環節主機功率消耗及油耗

3 雙速齒輪箱節能效果

以某型號3000m3耙吸挖泥船展開測試，根據測試結果比較雙速齒輪箱節能效果，在裝載量相同時，低航速運行工況下，螺旋槳在低速檔轉動的功率比在高速擋轉動時節省2～6%；隨著航行速度的增大，螺旋槳低速檔轉動功率與高速擋轉動功率更為接近；兩者一致時螺旋槳總功率12000kW、單軸功率為6000kW。在裝載量相同時，低航速運行工況下，螺旋槳在低速檔轉動的油耗比在高速擋轉動時節省1～5%；隨著航行速度的增大，兩者差距縮小；兩者相等時螺旋槳總功率10000kW、單軸功率為5000kW。根據以上結果，應將耙吸挖泥船螺旋槳高速和低速檔切換點控制在螺旋槳單軸功率5000～6000kW 之間，當單軸功率較高時，應調整為高速擋運行，相反則調整至低速檔運行。

為進行比較，對該型號3000m3耙吸挖泥船在長江上游瀘州航道施工過程展開測試，在螺旋槳位于高速擋和低速檔時分別運行2 周。根據所取得的總油耗、單位小時油耗、每1 萬立方米油耗等測試數據看出，當耙吸挖泥船螺旋槳在低速檔運轉時，每1 萬立方米油耗和每小時油耗分別比高速擋運轉降低了14.3%和11.9%。說明耙吸挖泥船螺旋槳在低速檔運轉時節能效果非常顯著。

4 結論

綜上所述，中小型耙吸挖泥船采用雙速齒輪箱配置后，在挖泥、順流航行及抽艙排岸等螺旋槳軸功率較低情況下應采用101r/min 的低轉速推進檔，而在逆流航行等螺旋槳軸功率較高情況下應調整為126r/min 的高轉速推進檔，從而達到節省主機功率的目的；且高低轉速檔位的切換點位于螺旋槳單軸功率5000～6000kW 之間。這種耙吸挖泥船螺旋槳轉速的降低，還可有效緩解槳葉磨損，延長螺旋槳使用壽命，有很強的應用及推廣價值。