耙吸挖泥船雙速齒輪箱的應(yīng)用優(yōu)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(shè)、環(huán)境保護(hù)、河道治理、填海造地等領(lǐng)域，疏浚船應(yīng)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(qiáng)，在淺窄河道中應(yīng)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(shè)計(jì)及建造技術(shù)的不斷升級，耙吸式挖泥船在結(jié)構(gòu)及工效方面不斷改進(jìn)優(yōu)化，目前基本能自行完成全過程作業(yè)。然而，當(dāng)前中小型耙吸挖泥船普遍存在動力系統(tǒng)利用率不高、能耗大、運(yùn)營成本高等問題，在動力裝置配置方面也缺少對相關(guān)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(yīng)用優(yōu)勢展開分析，為中小型耙吸挖泥船的推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 雙速齒輪箱運(yùn)行原理

普通船舶航行過程中工況基本穩(wěn)定，螺旋槳負(fù)荷變化也不大，重載線和輕載線均位于螺旋槳最佳推進(jìn)特性線附近。而其他船舶，如拖網(wǎng)漁船、拖船及挖泥船等，自由航行和拖航過程中負(fù)荷差異大，柴油機(jī)扭矩轉(zhuǎn)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(shí)，因螺旋槳進(jìn)速系數(shù)減小，運(yùn)行效率也隨之降低。對于這種情況，在進(jìn)行推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，合理選擇螺旋槳設(shè)計(jì)工況，保證船-機(jī)-槳三者達(dá)到最佳配合狀態(tài)[1]，存在較大難度。

耙吸挖泥船面臨復(fù)雜多變的工況，根據(jù)挖泥疏浚任務(wù)，耙吸挖泥船主要面臨在卸泥點(diǎn)至挖泥點(diǎn)間全速順流航行、低速挖泥裝艙、在挖泥點(diǎn)至卸泥點(diǎn)間全速逆流航行、抽艙排岸等工況，各工況的持續(xù)時(shí)間依次為2h、1h、2h 和1h。當(dāng)前，耙吸挖泥船主要有機(jī)械推力和電力兩種動力配置，在機(jī)械推力下主機(jī)必須附帶發(fā)電機(jī)，且轉(zhuǎn)速必須穩(wěn)定，故一般采取減速齒輪箱+可調(diào)螺旋槳設(shè)計(jì)。在單速比齒輪箱方案下，耙吸挖泥船全速逆流航行時(shí)推進(jìn)功率最大，故根據(jù)該工況所設(shè)計(jì)出的螺旋槳推進(jìn)效率較高，但對于其余工況，必須大幅度調(diào)節(jié)螺距以匹配航行速度，螺旋槳效率也就無法保證。根據(jù)各工況持續(xù)時(shí)間，耙吸挖泥船全速逆流航行之外的工況運(yùn)行時(shí)間在總時(shí)間中占比高達(dá)66%[2]，在如此長的時(shí)段內(nèi)螺旋槳均無法處于高效率運(yùn)行狀態(tài)，既會造成主機(jī)功率浪費(fèi)，又不利于耙吸挖泥船經(jīng)濟(jì)性能的提升。故本文主要研究雙速齒輪箱的應(yīng)用，以兼顧不同工況下螺旋槳效率，避免主機(jī)功率浪費(fèi)，提升挖泥船經(jīng)濟(jì)性能。

根據(jù)三離合器雙速齒輪箱低速及高速運(yùn)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(shè)置在原單速齒輪箱處。

2 雙速齒輪箱節(jié)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(yùn)行工況下，螺旋槳必然對應(yīng)兩種不同轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)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(diǎn)分析時(shí)，兼顧不同航速的螺旋槳效率[3]。

為展開雙速齒輪箱節(jié)能原理分析，在3000m3耙吸挖泥船配置2 臺恒定轉(zhuǎn)速柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)設(shè)置在柴油機(jī)自由端驅(qū)動軸，柴油機(jī)飛輪端接雙速齒輪箱；齒輪箱分別在螺旋槳轉(zhuǎn)動速度為101r/min 和126r/min 情況下運(yùn)行；螺旋槳直徑4600mm，最大功率8800kW。

2.1 沿海作業(yè)

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(qū)相距30n mile。根據(jù)對沿海作業(yè)中耙吸挖泥船推進(jìn)特性的比較（圖1）可以看出，雙速齒輪箱以低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比高速運(yùn)轉(zhuǎn)更節(jié)約功率；當(dāng)耙吸挖泥船運(yùn)行速度＜14kn 時(shí)，位于低轉(zhuǎn)速檔的螺旋槳功率消耗程度明顯小于高轉(zhuǎn)速檔，且低轉(zhuǎn)速檔的螺旋槳能在航行速度位于13～14kn 之間達(dá)到臨界點(diǎn)，并超出相應(yīng)航速下高轉(zhuǎn)速檔的螺旋槳功率消耗水平。不同作業(yè)環(huán)節(jié)下耙吸挖泥船主機(jī)功率消耗及柴油機(jī)油耗情況詳見表1。根據(jù)表中統(tǒng)計(jì)結(jié)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(zhuǎn)速為101r/min 時(shí)主機(jī)功率比螺旋槳轉(zhuǎn)速為126r/min 時(shí)節(jié)省259kW、647kW、387kW和274kW，主機(jī)油耗分別節(jié)省51kg/h、83kg/h、61kg/h、61kg/h。

圖1 沿海作業(yè)推進(jìn)特性比較

表1 不同沿海作業(yè)環(huán)節(jié)主機(jī)功率消耗及油耗

2.2 江河作業(yè)

考慮到耙吸挖泥船江河作業(yè)時(shí)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(yè)環(huán)節(jié)。在江河作業(yè)環(huán)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(qū)相距30n mile，進(jìn)行螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為126r/min和101r/min 時(shí)功率的比較分析。

從圖2 中江河作業(yè)推進(jìn)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(zhuǎn)速檔時(shí)比位于高轉(zhuǎn)速檔更為節(jié)省功率；而在自由航行工況下，當(dāng)耙吸挖泥船運(yùn)行速度＜14kn 時(shí)，低轉(zhuǎn)速檔的螺旋槳功率消耗情況明顯小于高轉(zhuǎn)速檔，且低轉(zhuǎn)速檔下螺旋槳功率水平同樣在13～14kn 時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)，超出該范圍后，則推薦高轉(zhuǎn)速檔。進(jìn)行不同作業(yè)環(huán)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速分別為126r/min 和101r/min 時(shí)主機(jī)功率消耗及油耗情況的比較，結(jié)果詳見表2。結(jié)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(zhuǎn)速為101r/min 時(shí)主機(jī)功率比螺旋槳轉(zhuǎn)速為126r/min 時(shí)節(jié)省226kW、406kW、337kW 和276kW，主機(jī)油耗分別節(jié)省45kg/h、56kg/h、95kg/h、52kg/h。

圖2 江河作業(yè)推進(jìn)特性比較

表2 不同江河作業(yè)環(huán)節(jié)主機(jī)功率消耗及油耗

3 雙速齒輪箱節(jié)能效果

以某型號3000m3耙吸挖泥船展開測試，根據(jù)測試結(jié)果比較雙速齒輪箱節(jié)能效果，在裝載量相同時(shí)，低航速運(yùn)行工況下，螺旋槳在低速檔轉(zhuǎn)動的功率比在高速擋轉(zhuǎn)動時(shí)節(jié)省2～6%；隨著航行速度的增大，螺旋槳低速檔轉(zhuǎn)動功率與高速擋轉(zhuǎn)動功率更為接近；兩者一致時(shí)螺旋槳總功率12000kW、單軸功率為6000kW。在裝載量相同時(shí)，低航速運(yùn)行工況下，螺旋槳在低速檔轉(zhuǎn)動的油耗比在高速擋轉(zhuǎn)動時(shí)節(jié)省1～5%；隨著航行速度的增大，兩者差距縮?。粌烧呦嗟葧r(shí)螺旋槳總功率10000kW、單軸功率為5000kW。根據(jù)以上結(jié)果，應(yīng)將耙吸挖泥船螺旋槳高速和低速檔切換點(diǎn)控制在螺旋槳單軸功率5000～6000kW 之間，當(dāng)單軸功率較高時(shí)，應(yīng)調(diào)整為高速擋運(yùn)行，相反則調(diào)整至低速檔運(yùn)行。

為進(jìn)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(shí)分別運(yùn)行2 周。根據(jù)所取得的總油耗、單位小時(shí)油耗、每1 萬立方米油耗等測試數(shù)據(jù)看出，當(dāng)耙吸挖泥船螺旋槳在低速檔運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每1 萬立方米油耗和每小時(shí)油耗分別比高速擋運(yùn)轉(zhuǎn)降低了14.3%和11.9%。說明耙吸挖泥船螺旋槳在低速檔運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)節(jié)能效果非常顯著。

4 結(jié)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(yīng)采用101r/min 的低轉(zhuǎn)速推進(jìn)檔，而在逆流航行等螺旋槳軸功率較高情況下應(yīng)調(diào)整為126r/min 的高轉(zhuǎn)速推進(jìn)檔，從而達(dá)到節(jié)省主機(jī)功率的目的；且高低轉(zhuǎn)速檔位的切換點(diǎn)位于螺旋槳單軸功率5000～6000kW 之間。這種耙吸挖泥船螺旋槳轉(zhuǎn)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(qiáng)的應(yīng)用及推廣價(jià)值。