絞吸式挖泥船橫移系統(tǒng)加速施工

肖博，孫守勝

（中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461）

0 引言

絞吸式挖泥船在施工時(shí)會(huì)面對(duì)各種土質(zhì)，理論上，在恒功率情況下，土質(zhì)較硬時(shí)，橫移阻力大而橫移速度慢；土質(zhì)較軟時(shí)，橫移阻力小而橫移速度快。針對(duì)橫移系統(tǒng)，不同型號(hào)的絞吸船都根據(jù)自身的施工目的，設(shè)定了橫移系統(tǒng)的速度區(qū)間及相對(duì)應(yīng)土質(zhì)，在此速度下，橫移系統(tǒng)處在安全工作區(qū)間，同時(shí)挖泥船的效率也最高。

實(shí)際施工時(shí)，絞吸船需要面對(duì)各種土質(zhì)情況。在土質(zhì)較軟時(shí)，需要提升橫移速度，以提高單位時(shí)間的產(chǎn)量。

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

以國(guó)內(nèi)某型絞吸船為例，該型絞吸船主要是針對(duì)挖巖而設(shè)計(jì)的。橫移系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定也主要針對(duì)硬巖類(lèi)土質(zhì)。當(dāng)挖掘較軟的土質(zhì)時(shí)，由于橫移系統(tǒng)的速度限制，降低了施工效率。而當(dāng)挖掘較硬的土質(zhì)，需要單正刀或反刀施工時(shí)，也由于橫移系統(tǒng)的速度限制，無(wú)法在非切削行程內(nèi)迅速回位。

本文針對(duì)該船橫移加速施工時(shí)面臨的上述問(wèn)題，提出了計(jì)算絞吸船橫移系統(tǒng)拉力的一整套計(jì)算方法，對(duì)橫移絞車(chē)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加速能力進(jìn)行驗(yàn)算。

1 加速對(duì)橫移絞車(chē)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能校核

該船設(shè)定的橫移加速約18 m/min，對(duì)應(yīng)現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r/min，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)可提速至1200r/min，在此轉(zhuǎn)速下的橫移速度約27m/min。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)在800~1 200 r/min工作段為恒功率區(qū)，其橫移拉力要降至75 t，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，可以確定75 t橫移拉力能夠滿足一般土質(zhì)施工要求。所以，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在數(shù)值上滿足提速要求。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)如表1。

表1 橫移電機(jī)性能參數(shù)Table1 Performanceparametersof swing motor

1.2 絞車(chē)性能校核

該船橫移絞車(chē)的基本性能參數(shù)如表2。

表2 橫移絞車(chē)性能參數(shù)Table 2 Performanceparametersof swing winch

由表2可知，絞車(chē)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(jī)和絞車(chē)在參數(shù)上滿足加速要求后，還需要進(jìn)一步計(jì)算兩個(gè)問(wèn)題，分別是橫移絞車(chē)的壽命和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器制動(dòng)單元能否滿足提速要求。

2 加速對(duì)橫移絞車(chē)壽命的影響

加速會(huì)降低橫移絞車(chē)的預(yù)期設(shè)計(jì)壽命，絞車(chē)的前后工況對(duì)比如表3。

表3 橫移絞車(chē)工況Table 3 Operating condition of swing winch

在提速工況下，經(jīng)過(guò)絞車(chē)廠商可靠性驗(yàn)算的預(yù)期壽命為29 249 h，可見(jiàn)，該壽命值能夠滿足全船壽命要求。

3 加速對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)性能的要求

絞吸船橫移系統(tǒng)在工作時(shí)，左右2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要頻繁啟停，并且，橫移往復(fù)運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)不是由機(jī)械制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而主要依靠2個(gè)電機(jī)的交替工作來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。

當(dāng)其中1臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始充當(dāng)能耗制動(dòng)器，用以牽制全船橫移運(yùn)動(dòng)時(shí)，在橫移的減速階段，它實(shí)際上是1臺(tái)發(fā)電機(jī)，制動(dòng)能量的大部分都轉(zhuǎn)化為電能反饋到了變頻器中。變頻器的制動(dòng)電路用以承擔(dān)反饋能量，防止直流母線電壓過(guò)高而擊穿功率元件[2]。變頻器制動(dòng)單元原理如圖1所示。

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

當(dāng)橫移速度由現(xiàn)在的18 m/min提至27 m/min后，制動(dòng)的慣性載荷會(huì)相應(yīng)增大，電機(jī)需要回饋的制動(dòng)能量也會(huì)增大，有可能超出制動(dòng)單元工作范圍，造成安全隱患。因此，評(píng)估提速后電機(jī)的工作性能如何，主要是核算電機(jī)制動(dòng)單元是否滿足提速要求。

為了核算電機(jī)制動(dòng)單元[3]，需要明確制動(dòng)時(shí)間和工作間隔，其次要計(jì)算橫移系統(tǒng)的制動(dòng)阻力矩。

1）制動(dòng)時(shí)間和工作間隔

制動(dòng)時(shí)間是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工工況和操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)該絞吸船橫移制動(dòng)時(shí)間應(yīng)控制在8 s以?xún)?nèi)，橫移周期約為15 min，這便是制動(dòng)單元的工作循環(huán)周期。

2） 制動(dòng)阻力矩

橫移系統(tǒng)的制動(dòng)阻力矩需計(jì)算絞車(chē)輸出端的慣性載荷和傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性載荷兩方面。

絞車(chē)輸出端慣性載荷應(yīng)計(jì)算船體慣性載荷、驅(qū)動(dòng)側(cè)電機(jī)的反拉力、風(fēng)阻、水流阻力等。根據(jù)絞車(chē)傳動(dòng)比并考慮機(jī)械效率，最終折算為電機(jī)的慣性載荷。

傳動(dòng)系統(tǒng)的慣性載荷主要指電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱及絞車(chē)等傳動(dòng)部件的慣性載荷。

4 橫移系統(tǒng)制動(dòng)阻力矩的計(jì)算

4.1 絞車(chē)輸出端制動(dòng)阻力矩

4.1.1 船體慣性載荷F1

船體慣性載荷指橫移制動(dòng)時(shí)，船體擺動(dòng)制動(dòng)的制動(dòng)力。

選取制動(dòng)側(cè)電機(jī)最不利情況計(jì)算（圖2），絞吸船在中線制動(dòng)停車(chē)，最大橫移速度27 m/min，制動(dòng)時(shí)間取8 s，主鋼樁在行程末端。

圖2 絞吸船橫移制動(dòng)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(dǎo)向輪距主鋼樁R，工作狀態(tài)的全船重量m，橫移速度V。

全船對(duì)主鋼樁的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

船體擺動(dòng)的角速度：

即船體慣性力矩：

慣性力矩計(jì)算公式：

作用于繩端的慣性力：

4.1.2 驅(qū)動(dòng)側(cè)電機(jī)反拉力F2

絞吸船施工時(shí)，為了保持橫移的穩(wěn)定性，兩側(cè)絞車(chē)都具有拉力，即使在制動(dòng)階段，驅(qū)動(dòng)側(cè)電機(jī)仍然保持一定的反拉力F2，應(yīng)該計(jì)入制動(dòng)側(cè)電機(jī)的制動(dòng)載荷中。

4.1.3 風(fēng)阻力F3

風(fēng)阻計(jì)算公式：

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

圖3 風(fēng)阻計(jì)算迎風(fēng)面積示意圖Fig.3 Windage area schematic of wind resistancecalculation

將風(fēng)阻力折算到橫移拉力上：

式中：rw為受風(fēng)部件作用點(diǎn)距主樁距離。

4.1.4 水流阻力F4

水流阻力計(jì)算公式：

式中：C為水流阻力系數(shù)；V為水流大?。籄i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(diǎn)距主樁距離。

綜上計(jì)算，總制動(dòng)力：

橫移系統(tǒng)效率損失包括絞車(chē)和橫移導(dǎo)向輪兩部分，若絞車(chē)效率為η1，橫移導(dǎo)向滑輪效率為η2，則制動(dòng)側(cè)絞車(chē)輸出端的制動(dòng)阻力矩：

電機(jī)端的制動(dòng)阻力矩：

4.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)阻力矩

電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J1

聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J2

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，齒輪箱折算到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.2（J1+J2）

式中：電機(jī)端的角速度：

則制動(dòng)阻力矩計(jì)算公式：

綜上計(jì)算，電機(jī)的總制動(dòng)阻力矩為：

5 橫移電機(jī)制動(dòng)單元的確定

電機(jī)的制動(dòng)功率為：

則應(yīng)選擇的制動(dòng)電阻阻值為：

由于橫移是一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)單個(gè)電機(jī)的制動(dòng)電阻而言，其工作為間歇性的，制動(dòng)單元的額定功率需考慮周期因素，將Pb進(jìn)行折算，制動(dòng)單元[4]的功率定義如圖4所示。

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

圖4中，Pr為連續(xù)工作時(shí)額定功率；P20代表周期90 s、制動(dòng)20 s的功率；P3代表周期90 s、制動(dòng)3 s的功率，其關(guān)系如下：

式中：O/Lfactor為電阻的過(guò)載值，根據(jù)制動(dòng)電阻工作周期而定。

根據(jù)以上流程，結(jié)合該絞吸船的實(shí)際情況可得，在水流速1.8 kn，風(fēng)速10 m/s的設(shè)計(jì)海況下，制動(dòng)電阻值R=1.36Ω，電阻額定功率Pr=387 kW。

在無(wú)風(fēng)、無(wú)水流的良好海況下，制動(dòng)電阻值R=2.142Ω，電阻額定功率Pr=250 kW。

在風(fēng)速20 m/s、水流2.5 kn的惡劣海況下，制動(dòng)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(dòng)單元的功率最大，電阻值更小，但二者相差不大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)單元的工作時(shí)間為8 s，時(shí)間間隔為15 min。結(jié)合選型樣本選取制動(dòng)電阻。選擇1 000 kW制動(dòng)單元的P150型制動(dòng)電阻，制動(dòng)電阻為1.35Ω，400 kW。該型號(hào)電阻可在500 s中工作120 s時(shí)消耗能量1 000 kW，而連續(xù)工作時(shí)該值為420 kW，滿足了提速后的制動(dòng)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)橫移系統(tǒng)提速的可行性，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和橫移絞車(chē)的影響進(jìn)行了論證，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)單元進(jìn)行了重點(diǎn)核算，給出了需要更改的制動(dòng)電阻的參數(shù)值。

基于上述計(jì)算流程，可以確定該型絞吸船可以在改進(jìn)制動(dòng)單元的前提下，提高橫移速度，從而提高全船的生產(chǎn)率。

值得說(shuō)明的是加快絞吸船的橫移速度還需對(duì)控制系統(tǒng)做相應(yīng)的變更，如疏浚系統(tǒng)速度給定、速度保護(hù)和變頻系統(tǒng)執(zhí)行控制參數(shù)等，同時(shí)還應(yīng)將電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋到疏浚系統(tǒng)進(jìn)行控制和顯示。