200 m3/h(电动)分体绞吸式挖泥船挖泥系统设计

(江苏海艺船舶科技有限公司，江苏 镇江 212009)

200 m3/h(电动)分体绞吸式挖泥船挖泥系统设计

吴猛

(江苏海艺船舶科技有限公司，江苏 镇江 212009)

为了满足内陆国家乌兹别克斯坦河道疏浚需要，研制开发200 m3/h(电动)分体绞吸式挖泥船，需采用车运船舶至现场进行拼装。针对该船泵舱空间狭小及船舶的运输、现场拼装等实际问题，对泥泵、泥泵驱动系统、绞刀驱动系统进行比较选型，实船使用情况表明，该船挖泥系统满足实际使用工况。

河道疏浚；现场拼装；挖泥系统；变频驱动；潜水变频电机

本船用于乌兹别克斯坦阿姆河灌溉引水渠的清淤，土质为II-IV类土。该船为非自航、全电动、分体绞吸式挖泥船，船体采用拼装式箱形结构，以便于公路、铁路运输。配有定位桩装置、横移装置、绞刀架起落装置及甲板吊等，由电机驱动舱内泥泵。绞刀采用水下变频电机驱动，绞刀架起落绞车、泥泵、横移绞车、定位桩提升绞车均采用变频电机驱动。

动力电由岸上10 kV(或6 kV)通过电缆接入船上箱式变电站，一路输出690 V供泥泵电机使用，一路输出400 V供全船其他动力和挖泥船对外供电使用。设备选型必须持久具备高可靠性和极好的可维护性，并兼具经济实用性，同时应充分考虑乌兹别克斯坦国家工业水平能力。

挖泥系统由泥泵系统、定位装系统、绞刀系统、绞刀架、横移系统及各个系统的控制系统组成，采用分体拼装的形式、运输为车运，对每一个片体大小及重量均有严格的要求。设备选择要在满足经济性、实用性的基础上要严格控制外形尺寸及重量。泵舱空间狭小，泥泵系统采用驱动采用变频电机通过联轴器直接驱动泥泵的形式，控制系统采用变频控制。

1 泥泵的选择

绞吸式挖泥船泥泵主要参数有流量Q、扬程H、转速n、汽蚀余量NPSH、功率P和效率η、泥浆的容重及浆体质量分数、最大允许通过粒径等,转速是影响泥泵性能的一个重要因素[1]。

根据船东要求泥泵清水流量：2 000 m3/h扬程不小于52 m，我国现同类挖泥船多采用300 WN型泵(该泵的性能曲线见图1)，此泵耐磨性好、挖泥性能优良、汽蚀性能优良，该泵清水流量：2 000 m3/h泵的转速为500 r/min，转速范围偏低，外型体积较大不能满足拼装式船舶泵舱舱狭窄的要求。为满足本船要求，在300 WN型泵的基础上进行优化，提高泵的转速，结合10极电机转速约为590 r/min，确定泵的转速为592 r/min。在保证流量不变的情况小泵的转速提高、泵的叶轮直径变小[2]，整体泵的外型尺寸变小，满足安装要求。改进后泵的转速为592 r/min，实测性能曲线见图2。改进后的泵满足使用需要。

图1 300 WN型泵性能

图2 改进后泵性能曲线

2 电机的选择

200 m3/h全电动的挖泥船，因其作业工况的需要，泥泵、绞车、绞刀等设备都需要采用电机调速技术。目前，在全电动的挖泥船上，电机调速有三速电机和变频电机两种调速方式。

2.1 200 m3/h挖泥船挖泥设备驱动简介

1)绞刀安装在吸泥管口处，由安装在绞刀架上端的电动机通过传动轴驱动，或直接由水下电机驱动。而运用交流变频传动取代液力传动驱动各种绞车是目前世界和中国船舶甲板机械驱动技术的主流和发展趋势[3]。本船绞刀采用水下变频电机功率定为110 kW，此功率是按变频电机来定的。若采用三速电机，功率则为120 kW。变频电机节能环保的效果明显。

2)横移绞车主要是收揽、放缆、联合作业三种动作方式，完成左横移、右横移、左右联动等动作[4]。横移绞车采用变频电机驱动，其工作性能得到完美保证，右横移挖泥时，右横移绞车在可变绳索下收缆时，左横移绞车必须保证在可调张紧力下同步放缆，当遇到挖不动的硬土，或自左向右的特大风时，左绞车应能随机制动，而防止“滚刀”故障。(即由于右横移绞车钢缆松驰，绞刀滚刀运行，会造成绞刀将右横移钢缆缠住被切断的故障)显然一般交流电机不具备以上特殊功能。

3)泥泵采用变频电机驱动。

(1)200 m3/h挖泥船泥泵若不采用变频电机驱动，则无法用三速电机来驱动。三速电机不适合于泥泵长期连续运行要求，也不满足泥泵排距离在100～1 000 m的各种输远下正常工作。故一般采用交流电机+液力偶合器来驱动泥泵。

液力偶合器传动，属于液力传动范畴。但乌方已明确表示不希望中方提供“液压”挖泥设备，而要用“纯电动”方案。

(2)变频电机驱动泥泵，可在10%～100%转速范围内无极变速，可适应离心式泥泵排距在100～1 000 m的各种输远，实现短排距，低能耗。采用变频电机后，电机功率为630 kW。

2.2 变频电机与三速电机的比较

1)在运行实践中三速电机只能实现高、中、低3档调节，不能实现无级平滑调速，在如风机、泵类等对压力和流量控制有要求的应用中，三速电机显然不能充分满足控制要求，此时变频控制电动机的无级调速优势就显而易见了。

2)在生产过程中，电动机启动性能的优劣对生产的影响很大，这是因为当电动机直接启动时，电动机的启动电流一般为额定电流的4～7倍。对于大功率的电动机，强大的启动电流会造成较大的线路电压降落，引起电网电压的降低，不仅影响其他用电设备的正常工作，而且对动力变压器也会产生较大的冲击。使用变频控制，电机在额定电流下启动，而且启动电流平滑，减少了启动电流对电网的冲击，同时也可保护电机，延长电机的使用寿命[5]。

3)三速电机定子结构复杂、接线复杂，一旦出现故障，维修困难。变频电机定子采用单绕组结构，结构简单，易于维修。

4)挖泥船的泥泵要求长期连续运行，变频电机不同于三速电机的特殊设计能够满足泥泵的长期连续运行要求。

5)对于船舶而言，设备占用空间大小是一个很重要的考虑因素，变频电机比较小的外形尺寸更适合应用与在挖泥船上面。

6)三速电机的出头较多，并要换接开关，导致运行性能较差，容易出故障。变频电机直接与变频器连接，中间没有连接其他的电气切换设备，故障率低。

7)变频电机比三速电机能做到更好的节能。变频电机能够平滑调速，节能效果明显。[6]三速电机只能进行间断调节，不能平滑调速，不适应用户节能的需要。

2.3 变频控制的优点

1)无极、无触点、高精度(0.01 Hz)、高可靠性。

2)启动电流小(电动机启动电流不超过额定电流1.1倍)。

3)高效率、高功率因数。

4)具有工业网络及通信接口，便于实现自动控制。

5)可方便地实现闭环自动控制，且保护功能完善。

6)使用寿命长，故障率低，变频器采用模块化设计维护量小，维护量小。

7)节电率高。

2.4 变频器的工作原理及特点

变频器的工作原理是把交流电通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件(GTO、GTR或IGBT)组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制(SPWM)方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述变换可简化为AC-DC-AC(交-直-交)变频方式。利用变频器可以根据电机负载的变化，实现自动、平滑的增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的特点，适用于泵和风机等设备。

变频器的结构主要有主电路和控制电路构成。主电路由整流器、平波回路、逆变器、制动回路等构成。控制电路由运算电路、电压电流检测电路、驱动电路、I/O输入输出电路、速度检测电路、保护电路等构成。可实现对电机过流、欠压、过热、过载等保护功能。

2.5 价格优势

100 kW以下变频装置和电机价格与一船三速交流电机和软启动相差不大。挖泥船的使用寿命长达半个世纪(50年)，进入21世纪后变频装置使用越益广泛，而传统的三速电机日益边缘化，其维修服务与费用日益增高，而变频装置将更加实惠。

2.6 200 m3/h变频控制系统的维护

挖泥船变频控制系统采用模块化结构设计，PLC模块构成，变频器每一相的IGBT和直流电容组成一个模块，共3个模块，维护方便。

1)PLC控制柜的维护。PLC控制柜主要有PLC控制模块、断路器、熔断器、中间继电器、等元器件构成。柜体里面没有复杂的电子电路，一旦出现故障，维修及更换电气元器件方便。

2)变频器的维护。变频器主要有整流部分、逆变部分和控制部分组成。各部分电路高度集成模块化，若变频器出现故障需要更换，很方便。

3)变频器的操作面板。操作面板有修改参数和监控、记录变频器状态的功能。

修改参数功能能够对电机在不同的应用场合进行参数化控制，达到最佳的控制效果。当变频器出现故障时，使用变频器的监控功能可以读取电机的运行数据、故障记录，从中找出故障点，为现场维护带来极大的方便。

3 电动绞刀传动方式的选择

本船绞刀总成由绞刀、绞刀轴装置、变频潜水电机及减速器装置、绞刀驱动装置支架、高压冲水出水喷管和吸泥口等组成。配备2把活络刀齿的通用绞刀，活络刀齿与绞刀本体通过插销连接。

1)电动绞刀的结构。电动绞刀总成是将河床底部的泥土破碎，通过安装在船上的泥泵将泥浆送到排泥场的专用工具。绞刀总成由绞刀头、绞刀轴装置、变频潜水电机及减速器装置、绞刀驱动装置支架和高压冲水出水喷管和吸泥口等组成。绞刀头由五片刀片、齿与刀圈、刀箍组焊而成的皇冠式结构。绞刀头根据不同的土质可以配备不同的绞刀，普通土质绞刀配备片式齿，硬质土壤配备活络可拆的凿齿式绞刀。

本船绞刀头配备2把活络齿的通用刀，使用插销连接。绞刀轴及轴承处在充满润滑油的空腔内，轴的前端密封采用耐用、可靠的浮动式密封结构。绞刀轴的后端通过花键与减速器输出轴相连，加速器的法兰和驱动轴承箱采用密封胶圈，保证了绞刀驱动装置后部的密封，绞刀轴由安装在支架上的变频电机通过两级减速驱动，电机和减速器通过联轴器相连，电机和减速器之间通过密封管相连，保证了电机输出轴部位和减速器输入轴部位以及联轴器与外界的隔离，起到了有效的密封效果，绞刀轴承选用国际知名品牌SKF系列轴承。

2)与长轴驱动的优越性比较。①结构紧凑，可以整体吊装，安装、拆卸、维护方便；②减小了对绞刀架的强度和刚度的要求，减轻了绞刀架的重量；③长轴驱动需要几段轴通过联轴器相连，同时每段轴都需要设置2个轴承座支承，安装的精度难以保证，而这种结构，避免了长轴驱动的缺点，也节约了成本。

3)选用水下电机的构造及在水上及水下应用的可靠性。此船绞刀驱动电动机为潜水三相异步电动机，允许潜水深度不大于30 m。电动机采用密闭式结构，壳体为耐腐蚀钢板焊接而成，所有紧固件均为不锈钢材质。定子线圈、槽绝缘、浸渍漆等主要绝缘材料均选用耐温等级为F级或H级材料，经多次浸漆成型，确保电动机运行安全可靠。电机表面喷涂耐腐蚀表面漆，可有效延长电机的使用寿命。选用质量可靠，品牌信誉良好的轴承，如NSK、SKF、FAG等。为防止轴电流对轴承的损害，采取轴承绝缘设计，有效消除轴电流的产生，保证长时间的轴承使用寿命。潜水电动机的静密封采用高性能密封橡胶条及密封胶密封，动密封采用可靠的机械密封或油封密封；潜水电动机采用密封式接线箱，接入电缆和接头均采用特殊有效的密封措施，防止接线箱内部发生渗水故障；接线箱和电机内腔密封隔离，电动机内腔设有绕组和轴承过热保护传感器，电机和接线箱内部设有漏水报警传感器，进一步保护电机在水下安全运行。电机内部增加特殊设计的风扇，确保在电机运转的时候内部可以循环，增强散热的效果，可以非常有效地带走电机的热量，降低电机运转时的温度，增加电机的可靠性。所以无须增加额外的喷淋降温设备，避免了附属设备发生故障的可能，保证设备可以顺利工作。即便是出水工作，也可保证电机稳定运行2 h。

4)电机同绞刀连接部分的密封。电机和减速器通过联轴器相连，电机的输出端和减速器的输入端都带有法兰，2端的法兰与密封管的法兰相连，同时安装止口部位都设置了有效的密封圈，保证了电机输出轴部位和减速器输入轴部位以及联轴器与外界的隔离，可实现有效密封。

4 结论

1)挖泥系统采用变频控制能很好地解决泥泵的调速，横移绞车采用变频电机驱动，其工作性能得到完美保证，绞车在可调张紧力下同步收放缆，当遇到挖不动的硬土，绞车能随机制动，而防止“滚刀”故障。

2)适当提高泥泵的转速，可使泥泵体积变小，有利于分体式采用车运的挖泥船泵舱的布置。

[1] 唐龙.绞吸式挖泥船泥泵装置特性探讨[J].中国机械,2015(8):19-20.

[2] 杨年浩.疏浚泥泵叶轮参数设计及泥泵性能预测[D].南京:河海大学,2006.

[3] 杨明.绞吸式挖泥船控制系统设计[J].船电技术,2013,33(1)：43-46.

[4] 王姣菊.某绞吸式挖泥船横移绞车控制系统改造设计[J].机床与液压,2008,36(10)：286-287.

[5] 赵钢.交流变频调速的优势与应用[J].黑龙江科技信息,2009(33):18-18.

[6] 吴少鑫.变频调速在水泵节能系统中的应用[J].电机控制与应用,2006(7)：59-61.

Design of Dredging System for the 200 m3/h Electric Fission Cutter-suction

WUMeng

(Jiangsu Haiyi Ship Science & Technology Co. Ltd., Zhenjiang Jiangsu 212009, China)

In order to meet the requirements of Uzbekistan inland river dredging and the special condition of field assembly, the 200 m3/h electric fission cutter-suction dredger was developed. Because this dredger’s pump room is narrow, the mud pump and its drive system, as well as the cutter driving system were optimized. The practical use of the fission cutter-suction proved that the dredging system satisfied the actual working condition.

river dredging; field assembly; dredging system; variable frequency drive; diving frequency conversion motor

U674.31

A

1671-7953(2017)06-0094-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.021

2017-02-20

2017-03-09

吴猛(1981—)，男，学士，工程师

研究方向：船舶动力装置