双速齿轮箱在耙吸挖泥船上的运用分析

饶广龙，王乐，刘学勤，胡敏芝

(中国船舶工业集团有限公司第七O八研究所，上海 200011)

耙吸式挖泥船与普通航行船舶不同，工况复杂多变，根据挖泥任务，通常可分为四个阶段[1-2]，见表1。

表1 挖泥船典型工况分布

目前，耙吸式挖泥船常见动力配置有机械推进和电力推进，而对于大型挖泥船常采用单机功率较大的机械推进方式。主机由于需要带发电机，转速须保持稳定以满足船上电网频率稳定。为了适应复杂多变的工况，常采用减速齿轮箱带可调螺旋桨的方式[3]。在配置单速比齿轮箱的设计方案中，因全速自由航行(逆流)时的推进功率最大，故往往以该工况作为螺旋桨的设计工况点，这样设计将导致只能保证该工况的螺旋桨推进效率较高，而对于其他需要较大范围调节螺距以匹配航速的工况，则无法保证螺旋桨效率。由表1可以看出，顺流航行、低速挖泥工况和抽舱排岸工况的时间占比达到66%，若在这段时间中，螺旋桨都无法在一个较高效率的状态下工作，则将浪费主机的功率，严重影响挖泥船的经济性能。为此，考虑双速齿轮箱的运用[4]，兼顾各工况下的螺旋桨效率，减少主机功率损失。

1 双速齿轮箱的特点

双速齿轮箱与单速比齿轮箱结构的不同之处在于，增加了1根中间轴以布置第2对减速齿轮组[5]。可分为双离合器型式和三离合器型式。

3离合器双速齿轮箱传动原理见图1、2。

图1 3离合器双速齿轮箱低速模式

图2 3离合器双速齿轮箱高速模式

相较于单速比齿轮箱，双速齿轮箱增加了1根中间轴和1对减速齿轮组。该齿轮组的布置可根据用户需求在一定范围内布置，将影响齿轮箱高度或宽度方向上的外形尺寸，而长度方向尺寸不受影响，因此可在不影响轴系布置的情况下，将双速齿轮箱布置在原单速比齿轮箱的位置。

2 双速齿轮箱应用节能原理

针对挖泥船低速工况和高速工况，通过双速齿轮箱，使得螺旋桨对应2个不同转速，而这2组转速-航速组合可匹配到相近的桨叶螺距比，保证在设计螺旋桨工况点时，可兼顾到两种不同航速工况时的螺旋桨效率。

以某13 800 m3型挖泥船为例。

该船配置2台9 120 kW恒转速柴油机，柴油机自由端驱动轴带发电机,飞轮端接双速齿轮箱。根据设计情况，齿轮箱2个转速分别为126和101 r/min，见图3。

图3 某型挖泥船动力配置情况

2.1 沿海作业工况对比

以对地航行速度13 kn、较快水流4 kn、较慢水流2.5 kn、抛泥区距离30 n mile为假设前提对126 r/min高速档和101 r/min低速档的功率等进行对比分析。

由图4可见，在挖泥工况推进齿轮箱低转速档比高转速档节约功率；而自由航行工况，在船舶航速小于14 kn时，低转速档时的螺旋桨消耗功率小于高转速档所需功率，低转速档的优势在13～14 kn之间到达临界点，超过该临界航速的自由航行工况则推荐选用高转速档。

图4 沿海作业126、101 r/min推进特性曲线对比

在几个作业环节下，主机功率消耗差值及柴油机的耗油差值见表2。以10 d施工天数作为1个考核周期，低速档转速选择101 r/min时，在沿海施工的油耗对比见表3、4。

表2 沿海126、101 r/min不同转速功率节约及油耗对比

表3 沿海正常水流采用126、101 r/min双速齿轮箱10 d作业油耗分析

2.2 长江下游作业工况对比分析

长江下游施工作业根据洪水季作业、枯水季作业工况进行分析，每种工况细分成挖泥、卸泥、逆流航行、顺流航行等多个作业环节进行比较，以对地航行速度11 kn、洪水季水流4 kn、枯水季水流1.5 kn、抛泥区距离30 n mile、采用抽舱排岸为假设前提对126 r/min高速档和101 r/min低速档的功率等进行对比分析。

表4 沿海较慢水流采用126、101 r/min双速齿轮箱10 d作业油耗分析

由图5可见，在挖泥工况，推进齿轮箱低转速档比高转速档节约功率；而在自由航行工况，当船舶航速小于14 kn时，低转速档时的螺旋桨消耗功率小于高转速档所需功率，低转速档的优势在13～14 kn之间到达临界点，超过该临界航速的自由航行工况则推荐选用高转速档。

图5 长江下游作业126、101 r/min推进特性对比

在几个作业环节下，选用101 r/min低转速档与126 r/min高转速档进行对比，主机功率消耗差值及柴油机的耗油差值如表5。

表5 长江下游126～101 r/min转速对比节约功率的作业环节明细表

以10 d施工天数作为一个考核周期，低速档转速选择101 r/min时，在长江下游施工的油耗对比见表6、7。

表6 长江下游洪水季采用126、101 r/min双速齿轮箱10 d作业油耗分析

表7 长江下游枯水季采用126、101 r/min双速齿轮箱10 d作业油耗分析

3 双速齿轮箱节能效果实船对比分析

在某13 800 m3自航耙吸挖泥船海试过程中，进行双速齿轮箱的节能效果对比，见表8。

由表8可见，在相同装载情况下，低航速时，低速档比高速档更节省功率，节省值约2%～6%；随着航速增加，二者差距变小；螺旋桨轴总功率约12 000 kW(即单轴约6 000 kW)为高低速档切换点。

表8 某13 800 m3挖泥船双速齿轮箱运行数据对比(海试)

在相同装载情况下，低航速时，低速档比高速档更节省油耗，节省值约1%～5%；随着航速增加，二者差距变小；航速14.2 kn附近为高低速档切换点，此时对应的螺旋桨轴总功率约为10 000 kW。

结合以上分析，建议将高低速档切换点设置在单轴5 000～6 000 kW，当单桨轴功率较高时，建议使用高速档；当单桨轴功率较低时，建议使用低速档。

为进一步验证双速齿轮箱的节能效果，在某13 800 m3耙吸挖泥船于湛江龙腾航道内施工运营中，分别采用高速档和低速档各运行2周(通航限制，航道内航行速度不能超过14 kn)，对比总油耗、万m3油耗及每小时油耗，见表9。

表9 某13 800 m3挖泥船双速齿轮箱运行数据对比(湛江运营)

从表9可见，采用低速档可以有效降低油耗，万m3油耗降低了约13.4%，每小时油耗降低约11.8%。因此在这种情况下，采用低速档进行施工是具有良好的节能效果的。

4 结论

采用双速齿轮箱的配置，在挖泥、泥门卸泥、抽舱排岸和顺流航行等桨轴功率较低的工况下，采用101 r/min低转速档推进；在逆流高速航行等桨轴功率较高的工况下，采用126 r/min高转速档推进，可节省较多的主机功率；高低档位的切换点约在单桨轴功率5 000～6 000 kW之间。同时，由于在部分工况下螺旋桨转速降低，有利于减缓桨叶的磨损，对延长桨叶寿命有重大帮助。

对于工况、航速变化较大的耙吸式挖泥船，双速齿轮箱的运用具有理念先进、技术可行的特点，可为船舶带来不俗的节能效果，值得广泛推广与运用。