柴油机模型与绞吸挖泥船泥泵的优化匹配

柴油机模型与绞吸挖泥船泥泵的优化匹配

陈志坚刘家军李宝祥

天津港航工程有限公司天津300450

摘要：为提高挖泥船疏浚装置的经济效益与工作可靠性，根据疏浚施工的约束条件建立了限制疏浚参数范围的数学模型，从而确定出泥浆浓度、流量、流速以及泥泵功率的极限范围，得到疏浚施工的高效安全工作区域；从分析泥泵与柴油机的特性着手，根据建立的约束条件数学模型进一步探讨泥泵一柴油机功率的合理匹配，可以发挥疏浚机的综合功能，实现良好的施工效果。

关键词：挖泥船；泥泵；柴油机；约束条件

0引言

当前国内外一些高校及科研单位侧重分析了泥泵特性和柴油机特性，然而未能根据疏浚施工的约束条件来匹配泥泵与柴油机。一般疏浚施工区域地貌复杂，土质多变，泥泵与驱动柴油机之间较难匹配，导致挖泥船效率较低，泵送成本升高，严重时将影响挖泥船的安全运行。介于此种情况，建立了较为完整的约束条件数学模型，通过分析泥泵特性、柴油机特性，对泥浆泵和柴油机进行合理优化匹配。

1约束条件数学模型的构建

泥泵及驱动柴油机受到多方面参数的影响，可根据以下约束条件来确定疏浚高效安全工作区域：

1）泥浆密度

泥浆的最大限制密度为：

⑴

⑵

为最大泥浆密度；为吸泥管口至水面的垂直距离；为吸泥管口至泥泵中心线的垂直距离；为系数；为吸口阻力系数；为吸泥管沿程阻力系数；吸泥管当量长度；吸泥管内径。[1]

2）泥浆流量

泥浆流量极大值：

⑶

为最大输送泥浆流量；为天然土的密度；清水密度；为泥浆密度；m、n和q是与施工土质有关的系数。

3）泥泵功率

随着泥浆密度、流量和扬程的增大，所需的泥泵功率也将变大，但泥泵功率小于驱动柴油机的额定功率，即：

⑷

式中为泥泵功率；为泥泵扬程；为柴油机额定功率；为传动轴机械效率。[2]

4）管路流速

当土质颗粒平均粒径低于0.55mm时，泥浆临界流速：

⑸

为泥浆临界流速；为泥浆体积浓度；为土质颗粒平均粒径；为排泥管内径。

当土质颗粒平均粒径高于0.55mm时，泥浆临界流速：

⑹

为土质颗粒在静水中的沉降速度。

实用临界流速为经济流速，其计算公式为：

⑺

为实用临界流速；为实用临界流速系数。

土质颗粒在管道输送时的沉降速度为：

⑻

式中为固体颗粒沉降速度。[3]

5）泥浆管道汽蚀速度

泥泵不发生汽蚀的条件是：

⑼

其中：

⑽

式中：为有效汽蚀余量；为泥泵需要的汽蚀余量；为施工地点大气压力；为泥浆在施工温度下的汽化压力；为清水密度；为吸泥管扬程损失。

⑾

式中：为吸泥管附件阻力系数。

6）疏浚作业安全高效工作区域的确定

根据对上述疏浚施工边界约束条件的分析，建立了下列方程组，由此可以确定疏浚施工的安全高效区域。

⑿

2.泥泵—柴油机性能匹配计算

挖泥船泥泵一般通过柴油机进行驱动，泥泵与柴油机之间的匹配情况直接决定了疏浚产能及能耗。在对泥泵与柴油机开展优化匹配时，需要将绞吸船额定方量作为基础，并结合现场施工的排距，以此来得到泥泵额定流量及扬程，最终得到对应的泥泵输入功率。泥泵轴输入功率即可作为泥泵与柴油机优化匹配的重要因素。在对泥泵与柴油机功率进行优化匹配时，一方面研究柴油机额定功率能够被泥泵吸收，另一方面也需存有部分功率余量，避免泥浆浓度或流量突然过大而导致柴油机发生过载。

首先，以疏浚施工的约束条件为依据得到泥泵最大输入功率：

⒀

式中，为泥泵最大输入功率；为泥泵最佳扬程，即泥泵在图2中点B位置时对应的泥泵扬程。

根据公式（15）得到泥泵最大轴输入功率，进而计算得到相对应的柴油机额定功率：

⒁

式中，为柴油机额定功率；为所选变速齿轮箱的机械效率；为匹配安全系数，一般在1.0～1.4内选值。

3.结论

（1）疏浚作业条件复杂多变、影响参数众多，根据疏浚施工的约束条件合理选择高效安全工作区域，可以协调各设备之间的匹配，充分发挥疏浚机械的联合功能，取得良好的施工效果。

（2）将相关参数设定在高效安全区域内，能够避免驱动柴油机经常出现过载、泥泵喘振、泥泵阻塞等情况，从而实现高效节能的目的。

（3）泥泵与柴油机优化匹配时，既能够使柴油机的装机功率充分利用，又需有一定的功率余量，避免泥浆浓度或流量突然激增时导致柴油机出现过载。

参考文献：

[1]范世东，刘正林，朱汉华.疏浚作业优化模型研究及系统实现[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2002，26（2）：151-153.

[2]闭治跃，王庆丰，唐建中.疏浚泥浆管道输送系统的节能机理及控制策略[J].浙江大学学报：工学版，2009，43（2）：387-393.

[3]熊庭，杨文，邓勇，刘建伟，曹福，李善奇.绞吸挖泥船泥浆管道输送模型构建[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2015，39（2）：254-258.