大型3500m3/h绞吸挖泥船新海豚轮绞刀系统浅析

沈峰，徐而敏

（1.中港疏浚有限公司；2.上海交通建设总承包有限公司，上海 201136）

1 概述

新海豚轮是中交上海航道局自主建造的3500m3/h绞吸挖泥船，该船的水下泥泵、绞刀等主要疏浚设备均采用了大功率的变频驱动，可以实现恒功率、恒扭矩和无级调速。绞刀传动系统是由变频水下电机、安全联轴节、绞刀齿轮箱、鼓形齿式联轴器及绞刀轴组成的，驱动绞刀作切削运动，可以实现无级调速，绞刀功率为2200kW，具备挖掘岩石、珊瑚礁等功能。绞刀轴传动轴系采用滚动轴承和浮动机械密封装置，可有效防止泥沙进入。

2 系统构成和使用情况

2．1 绞刀电机和变频系统

本装置采用西门子变频电动机，额定功率2200kW，在75～750r/min时恒转速，750～1000r/min时恒功率，具有短时超转矩能力。具有抗堵转能力强、速度响应快、切削能力强、稳定性高和传动效率高的优点。能充分利用变频器的软启动功能，启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量高的要求。在公司承建的某工程中，变频电机驱动的绞刀切削能力明显优于液压马达驱动的绞刀。该工程土质为含有一定量的钙化质石块的硬塑性黏土，具有天然重度和黏性大的特点，常规设计的绞吸船很难适应此工况条件下施工，可对于新海豚轮的绞刀系统来说，在挖掘方面毫不困难。该船实际电机工作功率在200～800kW波动，瞬时功率超过1000kW，远低于绞刀电机额定功率。而其他同类型船舶绞刀油马达的额定功率为1280kW，却在接近800kW时频频发生绞刀堵转现象，由于受液压系统耐压要求及传动效率所限，油马达转矩没有任何超载能力，油马达本身的最大转矩是无法实现。对于电动机传动来说，其额定转矩一般为最大转矩的1/2，并允许在短时间内超转矩工作，这对于克服绞刀堵转具有积极的意义。因此，即使新海豚轮采用额定功率为800kW的绞刀电机，其切削能力也显著高于同功率的油马达且不容易发生堵转。此外，绞刀驱动方式采用水下变频电机驱动，很好地解决了因采用液压系统驱动，易产生爆管泄露液压油而造成环境污染问题。

2．2 安全联轴节

新海豚轮的Safeset扭力限定联轴器拥有一个液压扭矩设定系统。通过液压调节，可以将释放扭力设置到要求的水平，如超过了预设的扭力，联轴器会自动滑脱，剪管顶部会被抗剪环切断，从而释放出联轴器中的油压，整个过程的持续时间仅为几毫秒，油压得到释放后，联轴器将在轴上自由运转。

在某工程中，疏浚土质密实度高和黏性大，刚开始施工时，由于对工况条件的不熟悉，新海豚轮的绞刀水下电机和齿轮箱的安全联轴器保险销经常发生过载剪切保护。每次动作过后，须对保险销进行更换和扭力重新设置。安装保险销难点在于既保证水密又保证的施工所需的足够扭矩。起初更换一组保险销安装至少需要6～7个小时，一定程度上影响了船舶施工时间利用率。通过积极与设备制造商进行沟通和技术咨询，同时，对图纸资料的进行分析研究，从原理上分析和寻找安装技术要领并加以实施，提高了设备人员维修安装技能，更换一组保险销基本上只需2.5小时。同时，积极对绞刀联轴器的过载保险销开展国产配件代替进口配件工作，刚开始，加工的国产替代件发现密封面锥度和进口件不一致，尼龙环太软等不足，经过与供应商沟通改进后，现在国产件已完全能代替进口件，节约了船舶维修成本。

2．3 水下齿轮箱

绞刀系统齿轮箱结构为水平异心布置，齿轮箱体采用上、下剖分的焊接结构，输入轴端通过安全联轴器与电动机输出轴联接；输入轴通过多级齿轮带动输出轴；输出轴通过与绞刀传动轴系联接驱动绞刀。所有齿轮均采用渗碳淬火磨齿加工工艺，材料均为采用合金钢。输入轴轴承均采用进口SKF调心滚子轴承，其余采用巴氏合金滑动轴承。

齿轮箱为干式油底壳，在桥架箱体前端处侧面配置容量为1200L的油箱，并配置液压泵站以供齿轮箱润滑和冷却使用，油箱、液压泵站和齿轮箱形成全密封闭式循环。系统带一个电动预供油泵和齿轮箱机带油泵，电动泵、冷却器、滤器全部安装在辅助的密封箱体内。齿轮箱上安装了10只温度模拟量传感器、油压传感器和部分进水传感器等共计23只传感器。

通过施工实践，齿轮箱在运行过程中整体较为平稳，但也存在一些问题。

（1）齿轮箱装置中的对外接口（润滑油管、传感器电缆线管）太多，须做成水密结构的管子密布于齿轮箱箱体周围，存在一定的安全隐患。传感器可靠性较差，接线盒和绞刀齿轮箱之间密封易渗油等，最主要的是多股线之间的渗漏。目前，利用施工停隙时间隔期打开接线箱进行检查和清洁，同时，尝试使用各种新材料做密封试验，确保箱体密封、传感器正常使用。

（2）各辅助密闭箱体中管路的橡胶短接故障较多。辅助箱体内的橡胶接头经常爆裂，在施工期间，几乎平均每2个月要发生一次。常规换一个橡胶接头约需半小时左右，箱体内更换较为复杂，要先经过开小盖把漏入箱内的油抽出来后泵油寻找漏点，再打开大盖后更换接头，大部分位置不好，扳手没有旋转角度，拆一只螺栓要30分钟左右，装复时还要做箱体密封等工作，需要约12小时左右，影响了船舶施工时间利用率，同时，也增加了设备管理人员工作强度。通过把大部分橡胶接头改成硬性连接，确定无法更改的橡胶接头换成耐压耐油接头，故障率明显下降。

（3）绞刀传动装置中的关键设备如齿轮箱体积过于庞大，在有限的空间内合理布置难度较大，对设备维护保养带来了一些影响。

2．4 绞刀轴系

绞刀轴系设计的工作最大倾斜角为60°，可承受双向推力250t，在30m水深条件下时，还具有良好的工作性能。轴系靠近齿轮箱一端采用浮封环密封，靠近绞刀一端采用浮封环和骨架密封，并提供3路油脂对骨架密封处连续供油润滑。在平时的工作中经常检查3路油脂的出油情况，通过检查重力油柜油位和观察有无渗漏判断浮封环和各个密封件的磨损情况。根据说明书要求每500小时密封端盖加500ml左右机械油，定时取油样分析滑油质量和轴承的磨损情况等。

2．5 变频器

新海豚轮使用的是6脉冲变频器，6脉冲整流的总电流谐波理论含量大概为基波的30%，厂家通过加交流电抗器等简单措施，让谐波含量得到了有所改善，但也达到了20%左右。这样大的电流谐波含量注入电网后，导致电网电压波形严重变形，690V的电网，电压变形后的峰值能达到1200V左右，增加电机的重复峰值电压时间，破坏电机和电缆的绝缘，增加电机的铜损和铁损，降低使用寿命。因此，建议今后变频系统能使用12脉冲中压系统。目前，国内大多数中小型工程船舶的泥质绞刀使用功率均在200～800kW左右，若大型工程船所需大功率绞刀可否采用双电机形式进行驱动，则在绞刀需要较低的施工条件下，可以达到节能降耗和增加设备使用储备的目的。

3 结语

国产绞刀水下齿轮箱技术上还有不成熟的地方，在传感器、滑油系统、箱体的密封等还有待进一步改进，如荷兰IHC公司建造的大型绞吸船新海豹轮，其水下齿轮箱采用湿式油底壳，分中速区和低速区，低速区箱体内灌满油采用重力油柜形式，中速区油泵泵油喷淋设计和只有2只传感器，没有辅助箱体设备和大量的外接管路等，值得我们在今后设计中借鉴。当前国产设备使用长轴驱动的方案已经成熟，绞刀轴承箱水润滑系统技术也已经出现，它在节能和防污染方面有很大的实用价值，值得我们关注。

本文通过对我公司大型3500m3/h绞吸船新海豚轮绞刀系统在船上的应用，以及在使用过程中出现的问题作了简单阐述，并提出了一些建议，为更好地使用和管理新海豚轮的绞刀系统设备和在下个阶段建造更大型的绞吸挖泥船提供一些借鉴。