泥泵與柴油機(jī)的匹配性研究

【摘要】大型絞吸式挖泥船主要用于航道整治和水利疏浚工程，其泥泵的工況較為復(fù)雜，它的工作會受到泥漿濃度的影響，有時會受到水中一些較大物質(zhì)的沖擊。如何保證挖泥船能快速、高效的完成工作，對設(shè)備的選擇有著不同的要求。泥泵、柴油機(jī)具有各自的工作特性，相互之間具有一定的匹配規(guī)律，通過工程特點(diǎn)，合理進(jìn)行設(shè)備配置、能充分發(fā)揮設(shè)備的效能。本文對泥泵與柴油機(jī)的匹配性進(jìn)行了一定的研究。

【關(guān)鍵詞】泥泵；柴油機(jī)；匹配性

河流疏浚工程需要大量的挖泥設(shè)備。由于各個地區(qū)的地域特點(diǎn)以及工程現(xiàn)場不用的排距、流量等對泥泵、柴油機(jī)的使用提出的要求具有一定的差異性，它們之間如何通過匹配來達(dá)到最佳使用狀態(tài)，這一直是工程人員不斷研究和探索的重要課題。

1泥泵的特性分析

泥泵是大型絞吸式挖泥船在疏浚工程中使用的主要機(jī)械，它在疏浚工程中起著重要作用，其性能的好壞直接影響到疏浚工程的效率。通常情況下，大型絞吸式挖泥船使用離心泵作為泥泵，它的工作原理是利用葉輪在柴油機(jī)等驅(qū)動裝置的帶動下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力，從而使管道內(nèi)的流體受到葉片的強(qiáng)制轉(zhuǎn)動和推動，使流體壓力在泥泵出口處增加，從而產(chǎn)生揚(yáng)程，達(dá)到輸送流體的目的。同時，在葉輪進(jìn)口的吸入室構(gòu)成局部真空而產(chǎn)生吸力，對流體進(jìn)行連續(xù)的吸入。泥泵的軸功率會隨著流量的增加而增加，泥泵在額定轉(zhuǎn)速下存在一個最佳效率點(diǎn)，這個被稱為最佳工況點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)角度來看，應(yīng)當(dāng)盡量使泥泵處于最佳工況點(diǎn)上運(yùn)行，當(dāng)泥泵處于非額定轉(zhuǎn)速下工作時，流體進(jìn)出葉輪時的沖擊損失就會增加，通常選擇高效率區(qū)并且差值小于5%為泥泵的適宜工況。泥泵的軸功率是由原動機(jī)傳遞給泵的功率，由于泥泵在工作時，會發(fā)生一定的水力流失、容積損失及機(jī)械摩擦損失，因此其有效功率會比軸功率更低。

1.1泥泵的主要參數(shù)

大型絞吸式挖泥船泥泵的主要參數(shù)包括流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速、汽蝕余量、功率和效率、泥漿的容量以及濃度、最大允許通過粒徑等等。泥泵的轉(zhuǎn)速對泥泵的性能會產(chǎn)生較大的影響，汽蝕余量能夠有效的顯示出泥泵的汽蝕性能的好壞，泥泵的功率包括輸入功率與輸出功率，輸入功率是由柴油機(jī)等驅(qū)動裝置輸出到泥泵軸的功率，泥泵的輸出功率是指漿體流過泥泵時，泥泵傳遞給漿體的功率。泥泵的輸入功率與輸出功率的差值為泥泵的損失功率。

1.2泥泵的清水特性

在實(shí)際的疏浚工程中，為了提升挖泥船泥泵的工作效率，實(shí)現(xiàn)最佳工況。要想達(dá)到這一目的，必須要掌握泥泵的性能特性，其中主要是需要了解泥泵各項(xiàng)工作參數(shù)之間的關(guān)系以及流體的密度。通常情況下泥泵的生產(chǎn)廠家會提供泥泵的清水特性曲線。

從上圖可以看出，揚(yáng)程隨著流量的增加而逐漸減少，泥泵的功率隨著流量的增加而增加，泥泵的效率隨著流量的增加而增加，但當(dāng)達(dá)到一定的限定值時，就會逐漸下降，即泥泵會有一個最佳工況點(diǎn)，在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量使泥泵工作在最佳工況點(diǎn)上。

1.2泥泵的泥漿特性

雖然廠家會提供泥泵的清水特性曲線，但在實(shí)際的疏浚工程中，泥泵輸送的流體物質(zhì)都是泥漿。泥漿是水與土在挖泥船絞刀作用下所形成的一種混合物質(zhì)。泥漿的特性會受到圖紙、土體密度、粒徑、濃度以及比重等特性的影響。通常，泥泵在對泥漿進(jìn)行輸送時，各個工作參數(shù)之間額關(guān)系與清水特性曲線應(yīng)該具有相同的性質(zhì)，只會在輸送的量上發(fā)生一定的變化。變化的程度會隨著泥漿特性的變化而發(fā)生變化。

（1）泥漿中泥砂的粒徑會對泥泵的揚(yáng)程和工作效率產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)輸送的泥漿中泥砂的粒徑越小時，泥泵的揚(yáng)程和工作效率越高。

（2）在相同的轉(zhuǎn)速和流量下，泥泵輸送泥漿的效率略低于輸送清水的效率；在轉(zhuǎn)速不變的情況下，流體的濃度增加，泥泵的揚(yáng)程和效率會同時下降，并且揚(yáng)程下降的程度要低于工作效率下降的程度。

（3）泥泵在輸送泥漿時，其允許吸入的真空度將會下降。

（4）泥泵在輸送泥漿時，由于泥漿的密度比清水大，在泥泵的轉(zhuǎn)速和流量保持不變的情況下，泥泵需要更大的輸入功率。在疏浚工程中，泥泵的輸入功率會隨著泥漿濃度的增加而不斷增大。當(dāng)泥泵輸送的泥漿濃度過高時，有可能會使泥泵超負(fù)荷運(yùn)行，而使泥泵遭到破壞。

（5）泥泵的葉輪的參數(shù)會對泥泵的性能產(chǎn)生一定的影響。在輸送流體濃度保持不變的情況下，葉輪的外徑越大，泥泵的性能越低。

2泥泵的選配要點(diǎn)

2.1泥泵選配的基本要求

通常情況下，泥泵的設(shè)計(jì)必須要兼顧疏浚市場的需要，必須要具有較大的適用范圍，不會針對特定的環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行泥泵的設(shè)計(jì)時，首先要考慮泥泵的最大流量、揚(yáng)程以及運(yùn)行的穩(wěn)定性，還要考慮經(jīng)濟(jì)因素，合理的選擇泵體部件的材料，同時還要考慮維護(hù)管理能夠方便的進(jìn)行，應(yīng)盡量選擇不具有駝峰運(yùn)行特性曲線的泥泵。

隨著疏浚市場的發(fā)展，其對挖泥設(shè)備的要求越來越高，泥泵工作時的吸入阻力、真空也不斷提高，這對泥泵的工作效率產(chǎn)生了較大的影響，泥泵發(fā)生氣蝕的幾率也不斷增高。尤其當(dāng)挖泥深度達(dá)到20m以上時，上述情況會表現(xiàn)的更加明顯。而采用水下泵可以有效改善上述情況，水下泵安裝的位置越低，吸收的阻力以及真空就會越小，這可以明顯降低工作過程中的損失，提高工作效率。水下泵的安裝可以有效的增加挖泥深度，提高輸送泥沙的能力，通過與船內(nèi)泥泵的配合使用，能夠改善泥土的吸入量，擴(kuò)大泥泵的使用范圍，減低對原動機(jī)功率的損耗。

在施工過程中，泥泵的流量和壓頭如果超過了實(shí)際需要，就有可能造成原動機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行。對于短排距，雖然可以通過在管頭安裝噴頭對流量進(jìn)行限制，但是這會對管道的節(jié)流能留造成影響，造成比不必要的浪費(fèi)。通過切割泥泵葉輪的外徑來改變泥泵的特性參數(shù)，可以擴(kuò)大泥泵的使用范圍，為了避免在對葉輪切割后對泵的效率影響過大，葉輪允許的切割量隨其比轉(zhuǎn)數(shù)不同而不同。對低、中比轉(zhuǎn)數(shù)的葉輪要作等外徑切削，對高轉(zhuǎn)數(shù)的葉輪外徑要作斜向車削，使葉片靠前處的外徑大于靠后蓋板處的外徑，平均外徑必須符合車削量的要求。

2.2多泵串聯(lián)

當(dāng)排距增加時，管線的阻力也會不斷加大，單一的泥泵無法滿足施工的要求，這時就需要多泵串聯(lián)工作。在進(jìn)行多泵串聯(lián)工作時，每一臺泥泵都必須保持一致，最好能選擇相同型號的泥泵進(jìn)行串聯(lián)，如果不能選擇相同型號的泥泵，也必須要選擇性能相近的。對于性能相近的泥泵進(jìn)行串聯(lián)時，其流量必須要相等。理論壓頭也要等于串聯(lián)的地綠泵的壓頭之和，但實(shí)際上，壓頭要偏小。如果進(jìn)行多泵串聯(lián)時，選用不同性能的泥泵就有可能使其中一臺或幾臺泥泵超負(fù)荷運(yùn)行，而其它的泥泵則沒有滿載，這樣就不能對所有泥泵的功率進(jìn)行充分利用。在進(jìn)行多泵串聯(lián)工作時，壓力較大的區(qū)域可能會使泥泵承受超出上限的機(jī)械應(yīng)力和負(fù)荷，并使泥泵的原件出現(xiàn)不同程度的磨損，最終使泥泵提前損壞，增加工程成本。

2.3串聯(lián)接力泵工況

對于排距較遠(yuǎn)的工況，最佳的施工方案是將多個油泵串聯(lián)安裝在輸泥管道中形成接力泵。泥泵與串聯(lián)泵之間必須保持一定的距離。在進(jìn)行接力泵的安裝時，要保證每一臺油泵的兼容性，主要從泥泵的特性、輸泥管的連接等方面來考慮。接力泵應(yīng)選擇進(jìn)口壓力1kg/cm2左右的地方進(jìn)行安裝。通常情況下，排距不會始終固定在一個位置，而是需要根據(jù)工程的需要而不斷進(jìn)行調(diào)整。接力泵的安裝位置一般會選擇最小排距，以便與接力泵的安裝。如果選擇的接力泵過小，就會增加船艙內(nèi)的阻力，影響疏浚工程的效率。如果接力泵過大，它就會成為一臺吸入泵，會對工程的作業(yè)安全造成一定的影響。

3柴油機(jī)的匹配特性

大型絞吸式挖泥船的泥泵不論用哪種類型驅(qū)動，他們都會由于受到船舶電站容量的限制而按照柴油機(jī)的工作特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的。要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的才有機(jī)會型號、規(guī)格參數(shù)及齒輪減速系統(tǒng)，柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和額定扭矩要符合實(shí)際施工的需要。在難以找到適合的柴油機(jī)的情況下，要為柴油機(jī)的性能及泥泵的效率找一個平衡點(diǎn)以使其達(dá)到最佳狀態(tài)。柴油機(jī)、泥泵以及泥沙之間存在著機(jī)械連接，同時還存在相互作用。從能量學(xué)來看，它們之間組成了一個能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。隨著泥泵工作狀態(tài)的變化，柴油機(jī)與其配合所能產(chǎn)生的效率也會發(fā)生一定的變化。為了保證柴油機(jī)能夠經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的進(jìn)行長期的工作，就必須要對它的功率和轉(zhuǎn)速做出一定的限制，延長其使用壽命。

柴油機(jī)如果超負(fù)荷運(yùn)行，則有可能冒黑煙，容易導(dǎo)致拉缸等嚴(yán)重后果。如果超過了其等扭矩的限制，曲軸所承受的負(fù)荷超過了其限定值，容易導(dǎo)致曲軸發(fā)生扭傷或斷裂。如果負(fù)荷過小，就容易導(dǎo)致各缸供油不穩(wěn)定，影響柴油機(jī)使用的穩(wěn)定性。柴油機(jī)在不同負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速如果超過限定的正常工作范圍，就會影響柴油機(jī)的安全性，同時還會降低其工作效率。同樣，如果轉(zhuǎn)速低于限定值，高壓油泵壓力就會因?yàn)榻档瓦^多而導(dǎo)致油頭霧化不良，燃燒不正常，影響柴油機(jī)使用的穩(wěn)定性。柴油機(jī)在匹配泥泵長期連續(xù)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的允許功率和轉(zhuǎn)速由限制特性，規(guī)定轉(zhuǎn)速其對應(yīng)的調(diào)速特定，最小負(fù)荷速度特性，最低工作穩(wěn)定轉(zhuǎn)速所限制，其工作方位也會受到一定的限制。

4柴油機(jī)、泥泵在不同工況下的匹配

在疏浚工程中，泥泵的工況點(diǎn)會由于泥沙種類、流量等因素的變化而發(fā)生變化。當(dāng)泥沙的流速低于柴油機(jī)額定最大功率的限定值時，泥泵的轉(zhuǎn)速會處于一個恒定的狀態(tài)，泥泵所需要的帶動功率也低于柴油機(jī)的最大輸出功率；當(dāng)泥沙的流速等于這個限定值時，就需要柴油機(jī)達(dá)到額定的最大輸出功率；當(dāng)泥沙流速高于這個限定值時，柴油機(jī)就需要抄負(fù)荷運(yùn)行才能夠?yàn)槟啾锰峁┳銐虻膭恿χС郑藭r的壓頭將下降。因此，受到柴油機(jī)的限制特性以及流體的影響，泥泵的實(shí)際工作范圍比理論值更小。

5總結(jié)

在泥泵及柴油機(jī)的設(shè)計(jì)中，要結(jié)合泥泵與柴油機(jī)的各自特性以及相互之間的影響，確保泥泵與柴油機(jī)的工作狀態(tài)達(dá)到最佳，從而提高挖泥裝置的效率、經(jīng)濟(jì)型和穩(wěn)定性。隨著疏浚工程中排距、土質(zhì)、濃度的不斷變化，要及時結(jié)合實(shí)際工況對泥泵的工作范圍進(jìn)行調(diào)整以防柴油機(jī)處于超負(fù)荷運(yùn)行，從而有效的提高泥泵的效率，保證泥泵能長期高效的運(yùn)行。

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