某非自航抓斗挖泥船動力配置方案優化

袁小軍 劉亞新 簡思齊 朱紅生 裴晗

摘? ? 要：傳統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，通過機械傳動驅動抓斗進行挖泥、卸泥作業。在作業中，常常存在柴油機轉速、動力波動不穩定或不足等問題，以致出現柴油機冒黑煙、抓斗閉合無力等現象。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化方案，減少其動力柴油機長期冒黑煙等異常問題。

關鍵詞：非自航挖泥船；抓斗作業；動力配置

中圖分類號：U664.12? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

隨著疏浚行業發展，抓斗挖泥船的應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，配置相應的柴油機功率也由數百千瓦提高到了數千千瓦，預計還有繼續提升的趨勢。

對于傳統抓斗挖泥船，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，這種方式具有結構相對簡單、經濟性好、操作及維修簡便等優點。但如抓斗容積較大，柴油機功率大的船舶，采用傳統的機械傳動方式輸出動力，柴油機常常會出現增壓器喘震、排氣冒黑煙現象，以及在抓斗滿載負荷工況需要柴油機加力時轉速波動幅度大且恢復正常速度難等異常現象，并且所配的柴油機功率越大，這種工作狀況表現越嚴重，甚至會出現控制失效等問題。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

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

下降 → 抓泥 → 提升 → 轉向1 → 卸泥 → 轉向2 → 再下降。

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

通常，小型抓斗挖泥作業是由柴油機輸出動力驅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）是抓斗作業流程中的兩個關鍵控制點。抓斗作業的工況狀態主要取決于這兩個關鍵點的控制效果，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、抓斗控制系統的設計等。

3? ? 常見異常現象

該型船抓斗作業時，柴油機經減速機驅動絞車收閉合斗繩，在抓斗破土時及滿斗提升加速的瞬間，其動力柴油機增壓器常常出現不同程度的喘震，并伴有相應程度的排氣冒黑煙等現象。在抓斗作業時，常出現異常狀況如下：

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

2）設計時即使配備足夠功率余量的抓斗柴油機，但在抓斗作業中，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轉速下降明顯、排氣冒黑煙現象；

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

4? ? ?原因分析

在設計時，所選柴油機額定功率已遠超抓斗需用設計功率，理論上柴油機應當有足夠的匹配余量來驅動抓斗，但在抓斗作業時，還是出現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（功率隨轉速變化）、發電機型（轉速恒定）、泵機型（在轉速小幅度變化區間能輸出恒扭矩）等幾種型式。用于驅動抓斗的柴油機特性通常按適用發電機的類型選配。

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能力。柴油機增壓器工作狀況的變化及對應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常可提高柴油機發出的額定功率，而部分柴油機型通過提高柴油機的額定轉速來增加額定功率。選用渦輪增壓柴油機時，設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。

當增壓柴油機處于空載額定轉速時，其輸出功率極小（增壓器供給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）；當設備突加負荷時，如果采用逐步緩慢加載，調速器能正常穩定柴油機的速度，柴油機可以逐步提高發出功率，保持正常工作狀態；如果瞬間加載較大負荷，使得柴油機在較短時間內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，將會導致工作失效，柴油機轉速不僅恢復不了原來的轉速，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，依據其調速特性，通過調速器將轉速調回至正常值需要一定時間，如作業時遇到負荷突變，將可能無法快速恢復到正常轉速，而出現伴隨有渦輪增壓器喘振的現象。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波動，各氣缸進入的空氣量不穩定，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，于是就產生長時間排氣冒黑煙現象。

經上述分析，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，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、掉轉速的問題，還可能導致抓斗突加負載作業工況異常的問題。

4.2? ? 動力傳動方式與控制系統

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缺點如下表3。

傳統抓斗挖泥船多采用“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換和轉速變化的工況需求。

本船各種工況數據對比如表4所示。

4.2.2? 控制系統

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沒有變速控制功能，其柴油機工況為：

1）當柴油機高轉速時，絞車亦處于高轉速運行狀態。如果在此時瞬間驅動抓斗，抓斗將由靜態突變為加速上升狀態，這時柴油機需增加額外扭矩給絞車；

2）當抓斗空載時，柴油機處于輕負荷狀態，為小功率、高轉速、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，抓斗控制系統宜設有自動變速功能。

5? ? 解決方案

動力傳動及控制方式優化，傳統的機械傳動方式優化為電力傳動方式。各絞車配置變頻電機驅動，即采用柴油發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”無法調速的問題。其控制原理如下：

1）當絞車需要以最大的扭矩工作時，絞車轉動的速度就會放慢，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，不會對抓斗的作業效率造成太大的影響；

2）通過變頻器控制，可將驅動速度調低。速度下降，扭矩不變，功率就隨之下降，如此，發電機組的輸出功率便處于額定狀態內。

采用“柴油發電機組+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速，可在低轉速下保持恒扭矩的工作狀態，在低負荷下又可保持高轉速運行。因此，在低頻低功率下（瞬時總功率不大），柴油發電機組應對突加負荷仍能保持良好的工作狀態。變頻電機輸出特性如下圖2所示。

根據該特性進行優化，采用變頻電機傳動獲得的功率、轉速與扭矩的數據如表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，碼頭上顆粒或粉狀散貨大型卸貨抓斗、海上起重船及大型海上抓斗卸貨船，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動的電力驅動模式。

6? ? 結束語

非自航抓斗挖泥船是疏竣行業的一種工程船型，其關鍵設備之一是抓斗的動力配置及控制系統。如抓斗動力采用電力傳動方式，可有效減少傳統機械傳動式存在的突加、突卸負荷所出現各種異常現象。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，項目監造及船舶物質設備系統研究工作。

收稿日期：2023-01-13