大型3500m3/h絞吸挖泥船新海豚輪絞刀系統(tǒng)淺析

沈峰，徐而敏

（1.中港疏浚有限公司；2.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 201136）

1 概述

新海豚輪是中交上海航道局自主建造的3500m3/h絞吸挖泥船，該船的水下泥泵、絞刀等主要疏浚設(shè)備均采用了大功率的變頻驅(qū)動，可以實現(xiàn)恒功率、恒扭矩和無級調(diào)速。絞刀傳動系統(tǒng)是由變頻水下電機、安全聯(lián)軸節(jié)、絞刀齒輪箱、鼓形齒式聯(lián)軸器及絞刀軸組成的，驅(qū)動絞刀作切削運動，可以實現(xiàn)無級調(diào)速，絞刀功率為2200kW，具備挖掘巖石、珊瑚礁等功能。絞刀軸傳動軸系采用滾動軸承和浮動機械密封裝置，可有效防止泥沙進入。

2 系統(tǒng)構(gòu)成和使用情況

2．1 絞刀電機和變頻系統(tǒng)

本裝置采用西門子變頻電動機，額定功率2200kW，在75～750r/min時恒轉(zhuǎn)速，750～1000r/min時恒功率，具有短時超轉(zhuǎn)矩能力。具有抗堵轉(zhuǎn)能力強、速度響應(yīng)快、切削能力強、穩(wěn)定性高和傳動效率高的優(yōu)點。能充分利用變頻器的軟啟動功能，啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量高的要求。在公司承建的某工程中，變頻電機驅(qū)動的絞刀切削能力明顯優(yōu)于液壓馬達驅(qū)動的絞刀。該工程土質(zhì)為含有一定量的鈣化質(zhì)石塊的硬塑性黏土，具有天然重度和黏性大的特點，常規(guī)設(shè)計的絞吸船很難適應(yīng)此工況條件下施工，可對于新海豚輪的絞刀系統(tǒng)來說，在挖掘方面毫不困難。該船實際電機工作功率在200～800kW波動，瞬時功率超過1000kW，遠低于絞刀電機額定功率。而其他同類型船舶絞刀油馬達的額定功率為1280kW，卻在接近800kW時頻頻發(fā)生絞刀堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，由于受液壓系統(tǒng)耐壓要求及傳動效率所限，油馬達轉(zhuǎn)矩沒有任何超載能力，油馬達本身的最大轉(zhuǎn)矩是無法實現(xiàn)。對于電動機傳動來說，其額定轉(zhuǎn)矩一般為最大轉(zhuǎn)矩的1/2，并允許在短時間內(nèi)超轉(zhuǎn)矩工作，這對于克服絞刀堵轉(zhuǎn)具有積極的意義。因此，即使新海豚輪采用額定功率為800kW的絞刀電機，其切削能力也顯著高于同功率的油馬達且不容易發(fā)生堵轉(zhuǎn)。此外，絞刀驅(qū)動方式采用水下變頻電機驅(qū)動，很好地解決了因采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，易產(chǎn)生爆管泄露液壓油而造成環(huán)境污染問題。

2．2 安全聯(lián)軸節(jié)

新海豚輪的Safeset扭力限定聯(lián)軸器擁有一個液壓扭矩設(shè)定系統(tǒng)。通過液壓調(diào)節(jié)，可以將釋放扭力設(shè)置到要求的水平，如超過了預(yù)設(shè)的扭力，聯(lián)軸器會自動滑脫，剪管頂部會被抗剪環(huán)切斷，從而釋放出聯(lián)軸器中的油壓，整個過程的持續(xù)時間僅為幾毫秒，油壓得到釋放后，聯(lián)軸器將在軸上自由運轉(zhuǎn)。

在某工程中，疏浚土質(zhì)密實度高和黏性大，剛開始施工時，由于對工況條件的不熟悉，新海豚輪的絞刀水下電機和齒輪箱的安全聯(lián)軸器保險銷經(jīng)常發(fā)生過載剪切保護。每次動作過后，須對保險銷進行更換和扭力重新設(shè)置。安裝保險銷難點在于既保證水密又保證的施工所需的足夠扭矩。起初更換一組保險銷安裝至少需要6～7個小時，一定程度上影響了船舶施工時間利用率。通過積極與設(shè)備制造商進行溝通和技術(shù)咨詢，同時，對圖紙資料的進行分析研究，從原理上分析和尋找安裝技術(shù)要領(lǐng)并加以實施，提高了設(shè)備人員維修安裝技能，更換一組保險銷基本上只需2.5小時。同時，積極對絞刀聯(lián)軸器的過載保險銷開展國產(chǎn)配件代替進口配件工作，剛開始，加工的國產(chǎn)替代件發(fā)現(xiàn)密封面錐度和進口件不一致，尼龍環(huán)太軟等不足，經(jīng)過與供應(yīng)商溝通改進后，現(xiàn)在國產(chǎn)件已完全能代替進口件，節(jié)約了船舶維修成本。

2．3 水下齒輪箱

絞刀系統(tǒng)齒輪箱結(jié)構(gòu)為水平異心布置，齒輪箱體采用上、下剖分的焊接結(jié)構(gòu)，輸入軸端通過安全聯(lián)軸器與電動機輸出軸聯(lián)接；輸入軸通過多級齒輪帶動輸出軸；輸出軸通過與絞刀傳動軸系聯(lián)接驅(qū)動絞刀。所有齒輪均采用滲碳淬火磨齒加工工藝，材料均為采用合金鋼。輸入軸軸承均采用進口SKF調(diào)心滾子軸承，其余采用巴氏合金滑動軸承。

齒輪箱為干式油底殼，在橋架箱體前端處側(cè)面配置容量為1200L的油箱，并配置液壓泵站以供齒輪箱潤滑和冷卻使用，油箱、液壓泵站和齒輪箱形成全密封閉式循環(huán)。系統(tǒng)帶一個電動預(yù)供油泵和齒輪箱機帶油泵，電動泵、冷卻器、濾器全部安裝在輔助的密封箱體內(nèi)。齒輪箱上安裝了10只溫度模擬量傳感器、油壓傳感器和部分進水傳感器等共計23只傳感器。

通過施工實踐，齒輪箱在運行過程中整體較為平穩(wěn)，但也存在一些問題。

（1）齒輪箱裝置中的對外接口（潤滑油管、傳感器電纜線管）太多，須做成水密結(jié)構(gòu)的管子密布于齒輪箱箱體周圍，存在一定的安全隱患。傳感器可靠性較差，接線盒和絞刀齒輪箱之間密封易滲油等，最主要的是多股線之間的滲漏。目前，利用施工停隙時間隔期打開接線箱進行檢查和清潔，同時，嘗試使用各種新材料做密封試驗，確保箱體密封、傳感器正常使用。

（2）各輔助密閉箱體中管路的橡膠短接故障較多。輔助箱體內(nèi)的橡膠接頭經(jīng)常爆裂，在施工期間，幾乎平均每2個月要發(fā)生一次。常規(guī)換一個橡膠接頭約需半小時左右，箱體內(nèi)更換較為復(fù)雜，要先經(jīng)過開小蓋把漏入箱內(nèi)的油抽出來后泵油尋找漏點，再打開大蓋后更換接頭，大部分位置不好，扳手沒有旋轉(zhuǎn)角度，拆一只螺栓要30分鐘左右，裝復(fù)時還要做箱體密封等工作，需要約12小時左右，影響了船舶施工時間利用率，同時，也增加了設(shè)備管理人員工作強度。通過把大部分橡膠接頭改成硬性連接，確定無法更改的橡膠接頭換成耐壓耐油接頭，故障率明顯下降。

（3）絞刀傳動裝置中的關(guān)鍵設(shè)備如齒輪箱體積過于龐大，在有限的空間內(nèi)合理布置難度較大，對設(shè)備維護保養(yǎng)帶來了一些影響。

2．4 絞刀軸系

絞刀軸系設(shè)計的工作最大傾斜角為60°，可承受雙向推力250t，在30m水深條件下時，還具有良好的工作性能。軸系靠近齒輪箱一端采用浮封環(huán)密封，靠近絞刀一端采用浮封環(huán)和骨架密封，并提供3路油脂對骨架密封處連續(xù)供油潤滑。在平時的工作中經(jīng)常檢查3路油脂的出油情況，通過檢查重力油柜油位和觀察有無滲漏判斷浮封環(huán)和各個密封件的磨損情況。根據(jù)說明書要求每500小時密封端蓋加500ml左右機械油，定時取油樣分析滑油質(zhì)量和軸承的磨損情況等。

2．5 變頻器

新海豚輪使用的是6脈沖變頻器，6脈沖整流的總電流諧波理論含量大概為基波的30%，廠家通過加交流電抗器等簡單措施，讓諧波含量得到了有所改善，但也達到了20%左右。這樣大的電流諧波含量注入電網(wǎng)后，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形嚴重變形，690V的電網(wǎng)，電壓變形后的峰值能達到1200V左右，增加電機的重復(fù)峰值電壓時間，破壞電機和電纜的絕緣，增加電機的銅損和鐵損，降低使用壽命。因此，建議今后變頻系統(tǒng)能使用12脈沖中壓系統(tǒng)。目前，國內(nèi)大多數(shù)中小型工程船舶的泥質(zhì)絞刀使用功率均在200～800kW左右，若大型工程船所需大功率絞刀可否采用雙電機形式進行驅(qū)動，則在絞刀需要較低的施工條件下，可以達到節(jié)能降耗和增加設(shè)備使用儲備的目的。

3 結(jié)語

國產(chǎn)絞刀水下齒輪箱技術(shù)上還有不成熟的地方，在傳感器、滑油系統(tǒng)、箱體的密封等還有待進一步改進，如荷蘭IHC公司建造的大型絞吸船新海豹輪，其水下齒輪箱采用濕式油底殼，分中速區(qū)和低速區(qū)，低速區(qū)箱體內(nèi)灌滿油采用重力油柜形式，中速區(qū)油泵泵油噴淋設(shè)計和只有2只傳感器，沒有輔助箱體設(shè)備和大量的外接管路等，值得我們在今后設(shè)計中借鑒。當(dāng)前國產(chǎn)設(shè)備使用長軸驅(qū)動的方案已經(jīng)成熟，絞刀軸承箱水潤滑系統(tǒng)技術(shù)也已經(jīng)出現(xiàn)，它在節(jié)能和防污染方面有很大的實用價值，值得我們關(guān)注。

本文通過對我公司大型3500m3/h絞吸船新海豚輪絞刀系統(tǒng)在船上的應(yīng)用，以及在使用過程中出現(xiàn)的問題作了簡單闡述，并提出了一些建議，為更好地使用和管理新海豚輪的絞刀系統(tǒng)設(shè)備和在下個階段建造更大型的絞吸挖泥船提供一些借鑒。