双速比齿轮箱在自航耙吸式挖泥船上的应用.pdf

第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期：；修回日期：基金项目：交通运输部标准项目（）作者简介：桑勇（），男，江苏南京人，高级工程师，主要从事疏浚项目、疏浚设备的管理工作。：（），双速比齿轮箱在自航耙吸式挖泥船上的应用桑勇，华小云，张春（长江航道工程局有限责任公司，武汉 ）摘要：耙吸式挖泥船在作业过程中存在自由航行及挖泥作业两个基本的典型工况，而其螺旋桨通常按照自由航行工况设计，导致在挖泥作业工况下螺旋桨推进效率低下，针对此问题，文章提出将双速比齿轮箱应用于耙吸式挖泥船上的方案，并结合长鲸 轮论证该方案的可行性，同时对其实际作业工况及螺旋桨特性进行详尽分析，确定出不同工况下的螺旋桨转速。实船验证表明：双速比齿轮箱的应用可以使挖泥船螺旋桨在不同工况下获得所需转速，有效降低了主机功率损失，提高了船舶推进效率，为船舶带来良好的环保及经济效益。关键词：耙吸式挖泥船；工况；双速比齿轮箱；螺旋桨特性；推进效率中图分类号：文献标识码：文章编号：（）疏浚工程广泛应用于港口、航道、水利设施建设，疏浚船舶作为疏浚作业主要承载物，在疏浚工程中扮演着极为重要的角色 。其中耙吸式挖泥船凭借其机动性高、适用范围广等优点得到了广泛的应用 。耙吸式挖泥船作为多工况工程船舶，其推进性能需同时满足挖泥作业和自由航行两种工况下的高效性与稳定性 。随着市场经济和水运疏浚行业不断发展，疏浚设备不断更新，绿色疏浚的环保意识逐渐增强、疏浚管理水平不断提高 ，疏浚工程定额不断完善 ，疏浚成本控制成为重要利润增长点，降低疏浚船舶成本成为重要的研究方向 ，推进工程船舶施工效率为人们所重视。目前，耙吸挖泥船的螺旋桨驱动方式主要有三种：一是直接驱动，即泥泵和螺旋桨都由独立的柴油机直接驱动；二是复合驱动，常见的有“一拖二”或“一拖三”，即主机一端驱动螺旋桨，另一端驱动轴带发电机或舱内泥泵；三是电机驱动，即由主发电机组发电，通过船舶电站控制变频电机驱动螺旋桨。为了满足耙吸挖泥船各种工况的需求，不同驱动方式会采取相应的解决方式。在直接驱动的耙吸挖泥船中，由于柴油机只驱动螺旋桨，船舶可以通过降低主机转速来降低主机输出功率，使主机保持在额定工作范围内 ，但是随着船舶自动化程度的不断提升，直接驱动在挖泥船的应用越来越少。在复合驱动的耙吸式挖泥船中，为满足船上电网的频率稳定，主柴油机须维持额定的转速，因此采用复合驱动的耙吸式挖泥船通常会配备调距桨来实现不同工况下的航速要求，由于其结构简单，功能齐全而被广泛应用，但是复合驱动的船舶通常以自由航行工况来设计螺旋桨，同时兼顾挖泥作业工况，只通过调节桨角来降低航速，会导致在挖泥作业时螺旋桨效率偏低，推进功率浪费严重。在电机驱动的耙吸式挖泥船中，船舶电站可以根据不同工况通过电机调节螺旋桨转速。由于该种方式初期投资成本较高，目前只有少数耙吸式挖泥船在应用。长鲸 轮的解决方案是在复合驱动方式的基础上增加了双速比齿轮箱，作为国内首艘应用“双速齿轮箱 可调桨”方案的耙吸式挖泥船，设计理念主要是在自由航行、作业工况下通过螺旋桨在两个不同转速下匹配到相近的桨叶螺距比，确保螺旋桨在两个工况下都能达到较高的推进效率。船用双速比齿轮箱是一种能够使航行工况差别较大的船舶可以充分利用主机功率的传动装置 ，目前已经在拖轮、渔船等船舶上得到了广泛应用。臧瑞斌等 将双速比齿轮箱应用与高原高速艇中，解决了高 年 月桑勇，等双速比齿轮箱在自航耙吸式挖泥船上的应用原高速艇低速起滑难的问题。顾宣炎 将双速比齿轮箱应用于冲砂船，选用不同的工况点进行最佳匹配计算，并通过简要分析比较，得出最优的减速比方案。综上所述，目前在耙吸挖泥船上应用双速比齿轮箱的案例较少，同时缺乏相应的应用研究，本文以长鲸轮为研究对象，在详细分析该船各作业工况的基础上进行动力优化，为双速比齿轮箱选取合适的减速比，并结合实船运行及作业情况进行验证。船舶概况长鲸轮为钢质焊接、球鼻艏、双尾鳍线型、双导管螺旋桨、双耙、双水下泵及舱内泵、泥舱舱容为 的自航耙吸式挖泥船。配备了两台单台功率 的主机，主尺度为船长 、型宽 ，型深 ，挖泥吃水 ，航速 ，最大挖深 ，适用于长江下游和长江口深水航道的维护疏浚，兼顾中国沿海港口的维护疏浚及吹填工程。论证分析由于不同的船舶配置的主机不同，作业时工况不同，对应的所需航速也不同，齿轮箱减速比的选取也各不相同，因此要根据目标船舶的具体工作情况，在各工况下对应所需求的航速和船舶配备的主机等特定条件为齿轮箱选取合适的减速比 。对于耙吸式挖泥船，应用双速比齿轮箱可以使其在挖泥作业时获得所需的较低航速，在自由航行时达到所需的较高航速，有利于提高螺旋桨的推进效率，达到节能减排的效果。双速比齿轮箱工作原理及选型双速比齿轮箱是一种简单、可靠的传动装置，配置方式如图 所示，其具有换挡变速功能，即在主机转速一定时可配置不同减速比、以供选择，从而获得不同的螺旋桨转速，即 （）式中：为主机额定转速；为挖泥船自由航行工况下的减速比，此时对应的螺旋桨转速；为挖泥船挖泥工况下的减速比，此时对应的螺旋桨转速为。图 双速比齿轮箱推进系统 根据长鲸 轮在长江口、长江内、沿海的施工工况的需求，主机厂家配备了双速比齿轮箱。如图所示，在自由航行时离合器 断开，离合器 接通，调节可调桨与高速模式配套的螺距比，实现高速挡工作模式；在挖泥作业时离合器 断开，离合器 接通，调节可调桨与低速模式配套的螺距比，实现低速挡工作模式。根据船舶工况及双速比齿轮箱的结构，选取高速挡下螺旋桨输出转速为 ，低速挡下螺旋桨输出转速为 。高速挡 低速挡图 双速比齿轮箱高速和低速模式示意图 水道港口第 卷第 期 功率分析双速比推进齿轮箱的设计理念主要是考虑在自由航行、挖泥作业工况下通过螺旋桨在两个不同转速下匹配到相近的桨叶螺距比，确保螺旋桨在两个工况下都能达到较高的推进效率。在国外已经成功应用该技术的耙吸式挖泥船案例中，同样采用了“双速比齿轮箱 可调桨”方案，螺旋桨设置了 和 两挡转速，按照常规设计思路，选用 的单速比齿轮箱配备可调桨的方案作为对比。如表 所示，在 挖泥航速时，单速比齿轮箱方案使得螺旋桨的转速只能维持在 ，此时螺旋桨效率为 ，螺旋桨推进功率需 ；而采用双速比齿轮箱后，螺旋桨效率为 ，螺旋桨所需的推进功率为 ，节约了 。同样在 自由航行工况下，可以节约功率 。表 耙吸式挖泥船不同工况下所需功率和螺旋桨转速关系 工况桨转速（）推进功率 主机负荷率伴流推理减额船速 理想螺旋桨效率理想敞水推力 船体阻力 叶梢速度（）可抵消耙头阻力 偏离设计螺距损失挖泥作业 自由航行 注：桨直径为 ；为螺距与桨直径之比；轴系效率为 。图 可调桨零螺距时吸收功率与螺旋桨转速关系 耙吸式挖泥船在抽舱排岸或艏喷工况下，螺旋桨与主机不脱排，但以零螺距运转。图 为案例船舶使用单速比齿轮箱与双速比齿轮箱时可调桨在零螺距工况下所吸收的功率和螺旋桨转速的关系图。由图可知在螺旋桨转速 时，单速比齿轮箱螺旋桨零螺距吸收功率为 ；而采用双速比齿轮箱后的螺旋桨以低速挡 运转时螺旋桨零螺距吸收功率为 ，两者相差了 。基于类似船型的情况和双速比齿轮箱的结构，假设长鲸 轮齿轮箱高速挡效率为 ，低速挡效率为 ，齿轮箱设置了 及 两种转速，图为本船采用双速比齿轮箱时模拟在长江口、长江内及沿海作业时的功率差值曲线图（挖泥作业和自由航行）。由图 可知在同一种施工环境下，不同作业方式下在满足航速要求的同时，合理选择齿轮箱挡位能有效节约螺旋桨的吸收功率，由表 和表 可知在长江口作业环境下，低水流挖泥、顺流航行和开泥门抛泥等作业环节选用低速挡更有优势；在长江内和沿海作业环境下，顺流航行、挖泥装舱和抽舱排岸等作业环节选用低速挡更有优势，反之则选择高速挡更有优势。综上所述，采用双速比齿轮箱后耙吸式挖泥船在各施工环境下都能够节省一定功率，使螺旋桨推进效率得到有效提升。长江口挖泥作业和自由航行 长江内挖泥作业和自由航行 沿海挖泥作业和自由航行图 不同施工环境螺旋桨功率图 经济性分析长鲸轮为一艘用于长江下游 深水航道维护疏浚的自航耙吸式挖泥船，其主要工作场景包括长江口施工、长江内施工及沿海施工 种工作环境。为方便对比，设置了如表 所示的工况边界条件，结合该船设计情况，对每个工作环境的主要指标进行分析。年 月桑勇，等双速比齿轮箱在自航耙吸式挖泥船上的应用表 典型工况参数 参数长江口施工高水流低水流长江内施工洪水季枯水季沿海施工正常水流 较慢水流水流速度 对地挖泥航速 挖泥航速 运距 疏浚土质中细砂中细砂中细砂卸泥方式抛泥抛泥抽舱抽舱抛泥抛泥卸泥时间 对地航行速度 单程航行时间 逆流对水航行速度 顺流对水航行速度 挖泥花费时间 每个挖泥周期花费总时 表 不同施工环境挖泥时间 参数长江口作业 长江内作业 沿海作业挖泥装舱作业时间 逆流航行作业时间 抽舱 卸泥作业时间 顺流航行作业时间 完整工作周期时间 累计挖泥次数 假设施工天数为 ，单个挖泥周期内各工作环节所需时间和 内累计完成的挖泥次数如表 所示。采用双速比齿轮箱后主机在各工作环节中所节省油耗可由下式计算得到 （）式中：为主机油耗率；为主机功率；为主机单位时间油耗。假设燃油单价按 万元 计，则在整个施工周期内各施工环境下的节约情况如表 所示。可以看出，采用双速比齿轮箱后，在 的施工周期内，船舶在长江口高水流及低水流作业、长江内洪水季及枯水季作业、沿海正常水流及较慢水流作业过程中可分别节约 万元、万元、万元、万元、万元、万元。长鲸 轮于 年 月完工交船，成功应用了双速比齿轮箱，经核算双速比齿轮箱的初期总投资约增加 万元，取各施工环境下的节约费用的平均值每天约 万元计算，长鲸 轮每年参与项目施工约 个月，预计 左右可以收回所增加的投资成本，经济效益较好。实船情况长江口工地属于感潮河口，河道流速高，流向规律明显。在长江口维护疏浚时耙吸式挖泥船多采用装舱溢流法挖泥装舱以提高装舱土方量，当疏浚满舱后，驶往设定的抛泥区卸泥，一次处理完毕 。结合现场情况，长鲸 轮在长江口工地采用“挖（溢流）运抛”施工方案，在施工过程中采取了高低速挡切换组合使用和全天高速挡施工两种方式。但是由于长江口施工区段调整频繁，运距变化大，难以控制多重边界条件，难以选取长期稳定的施工数据。因此选取了挖泥区段?运距?天气情况?潮流情况较为接近的施工数据进行对比分析，通过表 可知，相同挖泥时间下，合理利用潮流采取高低速挡组合的施工方式节约燃油 ，燃油节约率约 。长鲸 轮参与了连云港港 万 级航道二期工程建设工作，参建期间该项目采用耙绞联合施工方案，即由耙吸式挖泥船将挖泥装舱后的疏浚土运输到港池指定区域抛泥，再由绞吸式挖泥船将疏浚土转吹上岸。该项目区段相对稳定，但是航道疏浚里程长，气象条件复杂，仅设单一潮位站，潮位控制精度差，水流方向没有明显规律 。长鲸 轮在连云港港项目采用“挖运抛”施工方案，由于无法掌握准确的水流规律，难以及时准确地切换高低速挡，为了方便对比，长鲸 轮采取全天高速和全天低速 种施工方式进行数据采集，并选取了天气情况和施工情况相对一致，往返抛泥区的运距也差不多时间段进行分析。如表 所示，在相同的区段且挖泥船数一致的情况下，高速挡 耗油 ，低速挡 耗油 ，合理利用低速挡节约燃油 ，燃油节约率约 。如果能准确掌握潮位数据和水流方向，理论上采用高低速组合施水道港口第 卷第 期工的方式，节油效果将进一步提高。表 经济性分析 作业环节桨转速（）主机功率 主机负荷率 单位油耗（）主机油耗（）单位时间节油（）节油总计 节约费用 万元长江口施工高水流低水流顺流航行抛泥顺流航行挖泥抛泥 长江内施工洪水季枯水季顺流航行抽舱挖泥顺流航行抽舱挖泥 沿海施工常水流较慢水流顺流航行卸泥挖泥顺流航行卸泥挖泥 表 长江口施工情况 挡位挖泥时间 航行时间 抛泥时间 让槽时间 油耗 低速挡用时 组合 高速 注：让槽是指在槽外耙管离底，双水下泵速最低（），高压冲水泵转速不变，双车维持舵效和船位。表 连云港港（沿海）施工情况 （）挡位挖泥时间 航行时间 抛泥时间 往返挖泥区次数油耗 低速 低速 高速 高速 年 月桑勇，等双速比齿轮箱在自航耙吸式挖泥船上的应用长鲸 轮出厂以后虽然有进入长江施工的记录，由于来往船只繁多，船舶避让频繁，施工区段调整频繁，暂时没有找到可以分析的施工数据，结合长江口和沿海的实际施工数据和理论分析的结果，可以初步推测长江内施工的节能效果会更好。另外，自航耙吸式挖泥船在“挖运抛”和“挖运吹”的施工周期内，航行时间会直接影响到生产效率 ，高速挡在没有航速限制的情况下平均航速要高于低速挡，有利于缩短施工周期，提高施工效率。但是部分工地考虑到航行安全会对船舶实施限速管制，比如长江口明确要求施工船舶航速不得超过 。因此，挖泥船在施工时应严格遵守施工工地对航速的相关要求，综合考虑施工效率、节能效益，适时合理地使用高低速挡才是最佳选择，不可一味追求节能而忽视生产效率，也不可一味追求生产效率而违反相关规定。综上所述，自航耙吸式挖泥船工况复杂，边界条件多，理想的实船试验条件苛刻，难以收集长期稳定的实船数据。然而从理论分析和现有实船试验的结果可知，双速比齿轮箱应用于耙吸式挖泥船能起到节能减排的效果，但是研究和应用过程中也发现，双速齿轮箱和可调桨的组合方式虽然能满足各种工况的需求，但是在实际应用中想达到最佳匹配效果比较困难，这也给实船数据采集分析带来困难，因此后续需要持续跟踪船舶施工情况，进而制定更好的施工方案，采集更有说服力的数据。双速齿轮箱在耙吸式挖泥船上的应用也需要进一步积累实船试验数据和经验，总体来说，对于多种工况的耙吸式挖泥船，合理使用高低速挡能起到节能效果。结论（）双速齿轮箱的应用，可以使耙吸式挖泥船的螺旋桨在挖泥工况下及自由航行工况下获得所需的转速。当齿轮箱切换进入挖泥工况时，挖泥船可以在保持主机转速不变的情况下降低螺旋桨转速，既可以使主机在相对高转速的情况下承受较低的扭矩提高其运行的可靠性，又可以降低功率损失，保障挖泥船的经济性。（）采用双速比齿轮箱后，无论是理论研究还是实船试验，长鲸 轮在长江口、长江内及沿海施工各工况下都能够节省一定功率，具有良好的节能减排效果。（）采用双速比齿轮箱后，能够为船舶的运营节省一笔可观的费用，具有显著的经济效益。因此，对于存在多种工况的自航耙吸式挖泥船，采用双速比齿轮箱是一个合理的方案。参考文献：陈源华 疏浚船舶国产化的经验和值得注意的问题 船舶，（）：，（）：李江，李日新大型自航耙吸式挖泥船长鲸 号的轮机设计 船海工程，（）：，（）：王春晓 自航耙吸式挖泥船推进性能研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，谢孝如 新常态下长江航道绿色疏浚发展状况研究 中国水运，（）：彭旭更，胡保安 河湖疏浚底泥的固化处置技术研究进展 水道港口，（）：，（）：殷缶，梅深“十三五”长江航道将向绿色低碳转型 水道港口，（）：张笑 疏浚工程定额修订解析 水道港口，（）：，（）：周丙浩，焦鹏，马勇 耙吸式挖泥船螺旋桨水动力性能分析 水道港口，（）：，（）：黄文超，黄温?，赵新颖 双速比拖网渔船机桨网匹配动态特性研究 机电工程，（）：，（）：胡惠雅 船用双速齿轮箱的研制 舰船科学技术，（）：臧瑞斌，周剑，辛公正，等 高原高速艇半浸桨双速比齿轮箱应用分析 船海工程，（）：，水道港口第 卷第 期 ，（）：顾宣炎 两速分车箱 双速齿轮箱在新型冲砂船的应用 武汉理工大学学报，（）：，（）：赵浩程 长江口 深水航道运行期维护疏浚效率分析 水道港口，（）：，（）：廖宏刚，朱淋淋 连云港港 万吨级航道疏浚工程施工难点及控制措施 中国港湾建设，（）：，（）：程海峰，刘杰，韩露，等 长江口深水航道疏浚土“十三五”造地利用研究：疏浚吹填工艺和方案 水运工程，（）：，：，（）：，（，）：，“”，：；习近平同志 论科技自立自强 出版发行本刊从新华社获悉，中共中央党史和文献研究院编辑的习近平同志 论科技自立自强，近日由中央文献出版社出版，在全国发行。这部专题文集，收入习近平同志关于科技自立自强的重要文稿 篇，其中部分文稿是首次公开发表。科技自立自强是国家强盛之基、安全之要。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央高度重视科技创新工作，坚持把创新作为引领发展的第一动力，把科技创新摆在国家发展全局的核心位置，全面谋划科技创新工作，加快推进科技自立自强，基础研究和原始创新不断加强，一些关键核心技术实现突破，战略性新兴产业发展壮大，重大创新成果竞相涌现，我国科技事业取得历史性成就、发生历史性变革，进入创新型国家行列。习近平同志围绕推进科技自立自强发表的一系列重要论述，立足党和国家发展战略全局，把握世界大势和时代潮流，深刻阐明了科技创新在人类社会进步中的重要地位，系统阐述了推进我国科技创新的战略目标、重点任务、重大举措和基本要求，提出了一系列新思想新观点新论断新要求，对于我们深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，完善国家创新体系，加快建设科技强国，加快实现高水平科技自立自强，加快构建新发展格局，着力推动高质量发展，全面建成社会主义现代化强国，以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴，具有十分重要的指导意义。（殷缶，梅深）