某非自航抓斗挖泥船動力配置方案優(yōu)化

袁小軍 劉亞新 簡思齊 朱紅生 裴晗

摘? ? 要：傳統(tǒng)非自航抓斗挖泥船抓斗裝置的動力多采用渦輪增壓柴油機，通過機械傳動驅(qū)動抓斗進行挖泥、卸泥作業(yè)。在作業(yè)中，常常存在柴油機轉(zhuǎn)速、動力波動不穩(wěn)定或不足等問題，以致出現(xiàn)柴油機冒黑煙、抓斗閉合無力等現(xiàn)象。本文通過對挖泥機抓斗的工作模式與增壓柴油機工作特性的匹配性進行對比分析，提出抓斗動力配置的優(yōu)化方案，減少其動力柴油機長期冒黑煙等異常問題。

關(guān)鍵詞：非自航挖泥船；抓斗作業(yè)；動力配置

中圖分類號：U664.12? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

Optimization of Power Arrangement Concept for

Non-Self-Propelled Grab Dredger

YUAN Xiaojun，? LIU Yaxin，? JIAN Siqi，? ZHU Hongsheng，? PEI Han

（ Guangzhou Jiaguang Ship Design Co.， Ltd.， Guangzhou 511450 ）

Abstract： The grab arrangement of traditional non-self-propelled dredgers is power supplied by turbocharged diesel engine， and via mechanical transmission to drive the grab for carrying out the dredging & dumping operations. During operation， usually，there exist some problems such as the unstable speed of the diesel engine， the unbalanced or insufficient power transmission， resulting in the occurrence of smoking from diesel engine and abnormal closing of grab. By studying and analyzing the compatibility between the working mode of dredger grab and the working characteristics of turbocharged diesel engine， this paper puts forward the optimized scheme of grab power configuration， and solves the abnormal problems such as black smoking from diesel engine.

Key words： non-self-propelled dredger;? grab operation;? power arrangement

1? ? 前言

隨著疏浚行業(yè)發(fā)展，抓斗挖泥船的應(yīng)用及其挖掘能力不斷提升。目前，抓斗式挖泥機（以下簡稱“抓斗”）的抓挖容積從2立方/次已提升到40立方/次。抓斗容積越來越大，配置相應(yīng)的柴油機功率也由數(shù)百千瓦提高到了數(shù)千千瓦，預(yù)計還有繼續(xù)提升的趨勢。

對于傳統(tǒng)抓斗挖泥船，其抓斗動力配置通常采用“柴油機+機械傳動”形式，其與選配液壓傳動等其他方式對比，這種方式具有結(jié)構(gòu)相對簡單、經(jīng)濟性好、操作及維修簡便等優(yōu)點。但如抓斗容積較大，柴油機功率大的船舶，采用傳統(tǒng)的機械傳動方式輸出動力，柴油機常常會出現(xiàn)增壓器喘震、排氣冒黑煙現(xiàn)象，以及在抓斗滿載負荷工況需要柴油機加力時轉(zhuǎn)速波動幅度大且恢復(fù)正常速度難等異?，F(xiàn)象，并且所配的柴油機功率越大，這種工作狀況表現(xiàn)越嚴重，甚至?xí)霈F(xiàn)控制失效等問題。本文基于上述問題，對其進行分析，提出可行解決方案。

2? ? 挖泥作業(yè)

本抓斗挖泥船在指定點施工水域進行挖泥作業(yè)，其基本工作模式是控制抓斗反復(fù)作業(yè)。其作業(yè)程序：

下降 → 抓泥 → 提升 → 轉(zhuǎn)向1 → 卸泥 → 轉(zhuǎn)向2 → 再下降。

在抓斗進行挖泥作業(yè)時，控制每個動作的基本要求是做到位置準(zhǔn)確、收放有力、高低適度。船東往往有經(jīng)濟性、工作效率的需求，希望抓斗容盡量大，且盡可能各動作及轉(zhuǎn)換速度快、作業(yè)效率高（如每次抓泥量飽滿）等。

通常，小型抓斗挖泥作業(yè)是由柴油機輸出動力驅(qū)動斗繩絞車來控制抓斗完成，如圖1所示。從圖1可見，控制點2（抓斗閉合）和控制點3（抓斗提升）是抓斗作業(yè)流程中的兩個關(guān)鍵控制點。抓斗作業(yè)的工況狀態(tài)主要取決于這兩個關(guān)鍵點的控制效果，控制效果主要取決于抓斗動力配置方案。動力配置方案主要包括柴油機選型、動力傳動方式的選配、抓斗控制系統(tǒng)的設(shè)計等。

3? ? 常見異?，F(xiàn)象

該型船抓斗作業(yè)時，柴油機經(jīng)減速機驅(qū)動絞車收閉合斗繩，在抓斗破土?xí)r及滿斗提升加速的瞬間，其動力柴油機增壓器常常出現(xiàn)不同程度的喘震，并伴有相應(yīng)程度的排氣冒黑煙等現(xiàn)象。在抓斗作業(yè)時，常出現(xiàn)異常狀況如下：

1）柴油機轉(zhuǎn)速明顯下降，性能好的柴油機還能自動調(diào)速恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速，而一些性能差的柴油機，重載時其轉(zhuǎn)速無法恢復(fù)到正常狀態(tài)；

2）設(shè)計時即使配備足夠功率余量的抓斗柴油機，但在抓斗作業(yè)中，往往會突遇實際瞬間使用功率比柴油機額定功率大而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降明顯、排氣冒黑煙現(xiàn)象；

3）柴油機在高增壓比的運行中，當(dāng)抓斗滿負荷時，柴油機轉(zhuǎn)速下降且無法提升，調(diào)速器不起作用，增壓器出現(xiàn)喘振，引起控制抓斗的絞車力量不足，待抓斗負荷大額減輕后，柴油機工作狀態(tài)才能恢復(fù)正常。

4? ? ?原因分析

在設(shè)計時，所選柴油機額定功率已遠超抓斗需用設(shè)計功率，理論上柴油機應(yīng)當(dāng)有足夠的匹配余量來驅(qū)動抓斗，但在抓斗作業(yè)時，還是出現(xiàn)了上述各種異常狀況。因此，從柴油機的選型、動力傳動方式、抓斗控制系統(tǒng)等方面進行研究分析，查找原因。

4.1? ?柴油機選型

按使用特性，柴油機通常適用于：主機型（功率隨轉(zhuǎn)速變化）、發(fā)電機型（轉(zhuǎn)速恒定）、泵機型（在轉(zhuǎn)速小幅度變化區(qū)間能輸出恒扭矩）等幾種型式。用于驅(qū)動抓斗的柴油機特性通常按適用發(fā)電機的類型選配。

柴油機增壓器工作特性會直接影響抓斗突加負載時的作業(yè)能力。柴油機增壓器工作狀況的變化及對應(yīng)的影響程度分析見下表1所示，本文舉例某機型柴油機增壓壓力對額定功率的影響程度見表2所示。

對于缸徑和缸數(shù)相同的增壓柴油機型，采用提高進氣壓力和進氣量以及增加噴油量通?？商岣卟裼蜋C發(fā)出的額定功率，而部分柴油機型通過提高柴油機的額定轉(zhuǎn)速來增加額定功率。選用渦輪增壓柴油機時，設(shè)計者往往認為柴油機額定功率大則承受重載的能力就大，所以誤以為選用功率大的機型就可解決問題，而忽視了增壓器型號和柴油機額定轉(zhuǎn)速匹配性，因其對突加負載的承受能力是有影響的。此外，還忽視了渦輪增壓柴油機對突加負載的時間和突加負載的增加量是有嚴格限制的。

當(dāng)增壓柴油機處于空載額定轉(zhuǎn)速時，其輸出功率極?。ㄔ鰤浩鞴┙o柴油機氣缸的新鮮空氣很少），增壓壓力很低（接近非增壓狀態(tài)）；當(dāng)設(shè)備突加負荷時，如果采用逐步緩慢加載，調(diào)速器能正常穩(wěn)定柴油機的速度，柴油機可以逐步提高發(fā)出功率，保持正常工作狀態(tài)；如果瞬間加載較大負荷，使得柴油機在較短時間內(nèi)來不及大幅提高功率，如柴油機負載瞬時過重，這時需要增壓器快速達到相應(yīng)的工況點，并加大供油量來強制提升柴油機的輸出功率以應(yīng)對突加負載，如柴油機的工作特性難以滿足這種需求，將會導(dǎo)致工作失效，柴油機轉(zhuǎn)速不僅恢復(fù)不了原來的轉(zhuǎn)速，反而大幅下降，進氣量更少，油量大，柴油機燃燒更不充分。

渦輪增壓柴油機在正常工況下，依據(jù)其調(diào)速特性，通過調(diào)速器將轉(zhuǎn)速調(diào)回至正常值需要一定時間，如作業(yè)時遇到負荷突變，將可能無法快速恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速，而出現(xiàn)伴隨有渦輪增壓器喘振的現(xiàn)象。這主要是由于增壓器后端供給各氣缸的新鮮空氣壓力出現(xiàn)波動，各氣缸進入的空氣量不穩(wěn)定，入氣量過少的原因。此外，柴油機高功率工況的供給油量加大，燃燒就不充分，于是就產(chǎn)生長時間排氣冒黑煙現(xiàn)象。

經(jīng)上述分析，建議采用渦輪增壓柴油機作為抓斗動力配置的船舶，對抓斗每次加載負荷的時間和加載增量采用限制，要求分段逐漸增量地進行加載作業(yè)，不要從空載瞬間加至滿載。此外，采用渦輪增壓提高柴油機功率來滿足其動力需求的方案，可能無法解決抓斗突加負載其冒煙、掉轉(zhuǎn)速的問題，還可能導(dǎo)致抓斗突加負載作業(yè)工況異常的問題。

4.2? ? 動力傳動方式與控制系統(tǒng)

4.2.1? 動力傳動方式

通常，非自航抓斗挖泥船的抓斗動力傳動方式有機械傳動、液壓傳動、電力傳動三種，各種方式的工作原理及優(yōu)缺點如下表3。

傳統(tǒng)抓斗挖泥船多采用“增壓柴油機+機械傳動”的動力傳動方式。其特點是固定速比，往往難以滿足抓斗頻繁進行突加突卸載荷轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)速變化的工況需求。

本船各種工況數(shù)據(jù)對比如表4所示。

4.2.2? 控制系統(tǒng)

如圖1所示，控制點2抓斗挖泥閉合和控制點3抓斗滿載提升兩個動作瞬間，絞車均需要以最大扭矩運行設(shè)備才會正常工作。抓斗在做這兩個動作的瞬間，均需柴油機輸出瞬間大扭矩。

基于該船抓斗的機械傳動控制系統(tǒng)沒有變速控制功能，其柴油機工況為：

1）當(dāng)柴油機高轉(zhuǎn)速時，絞車亦處于高轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)。如果在此時瞬間驅(qū)動抓斗，抓斗將由靜態(tài)突變?yōu)榧铀偕仙隣顟B(tài)，這時柴油機需增加額外扭矩給絞車；

2）當(dāng)抓斗空載時，柴油機處于輕負荷狀態(tài)，為小功率、高轉(zhuǎn)速、低扭矩的運行工況。

由于無變速控制，在突加速時很容易引起柴油機扭矩不足問題。為此，抓斗控制系統(tǒng)宜設(shè)有自動變速功能。

5? ? 解決方案

動力傳動及控制方式優(yōu)化，傳統(tǒng)的機械傳動方式優(yōu)化為電力傳動方式。各絞車配置變頻電機驅(qū)動，即采用柴油發(fā)電機組輸出動力電源，分別提供給各絞車變頻電機，作為抓斗作業(yè)動力，即采用表3的電力傳動方式，可以解決“渦輪增壓柴油機+機械傳動”無法調(diào)速的問題。其控制原理如下：

1）當(dāng)絞車需要以最大的扭矩工作時，絞車轉(zhuǎn)動的速度就會放慢，閉合斗繩和滿斗提斗的操作時間可由機械傳動的10 s改由變頻電機驅(qū)動的20 s，甚至是30 s來完成，放緩絞車動作就可減小載泥抓斗的運動加速度，從而減少絞車的額外扭矩，在其它動作時間不變的條件下，不會對抓斗的作業(yè)效率造成太大的影響；

2）通過變頻器控制，可將驅(qū)動速度調(diào)低。速度下降，扭矩不變，功率就隨之下降，如此，發(fā)電機組的輸出功率便處于額定狀態(tài)內(nèi)。

采用“柴油發(fā)電機組+變頻電機”方式，雖然電力效率會折損約15%，但通過變頻器控制變頻電機的轉(zhuǎn)速，可在低轉(zhuǎn)速下保持恒扭矩的工作狀態(tài)，在低負荷下又可保持高轉(zhuǎn)速運行。因此，在低頻低功率下（瞬時總功率不大），柴油發(fā)電機組應(yīng)對突加負荷仍能保持良好的工作狀態(tài)。變頻電機輸出特性如下圖2所示。

根據(jù)該特性進行優(yōu)化，采用變頻電機傳動獲得的功率、轉(zhuǎn)速與扭矩的數(shù)據(jù)如表5所示。變頻電機在50 Hz以下可保持電機恒扭矩工作，為此，無需擔(dān)心功率是否足夠問題，只要其核實其扭矩是否滿足要求，即可保障抓斗正常工作。

目前，碼頭上顆?；蚍蹱钌⒇洿笮托敦涀ザ贰⒑Ｉ掀鹬卮按笮秃Ｉ献ザ沸敦洿?，通常多采用電力傳動方式。隨著高壓變頻電機和變頻器技術(shù)的日益成熟，變頻器采購成本降低，將有更多的抓斗挖泥船采用變頻電機驅(qū)動的電力驅(qū)動模式。

6? ? 結(jié)束語

非自航抓斗挖泥船是疏竣行業(yè)的一種工程船型，其關(guān)鍵設(shè)備之一是抓斗的動力配置及控制系統(tǒng)。如抓斗動力采用電力傳動方式，可有效減少傳統(tǒng)機械傳動式存在的突加、突卸負荷所出現(xiàn)各種異常現(xiàn)象。為此，建議新型大型抓斗挖泥船的抓斗動力配置采用電力傳動方式方案為宜。

作者簡介：袁小軍（1978- ），男，助理工程師。主要從事船舶設(shè)計與制造工作。

劉亞新（1981- ），男，助理工程師。主要從事船舶與海洋工程，項目監(jiān)造及船舶物質(zhì)設(shè)備系統(tǒng)研究工作。

收稿日期：2023-01-13