泥泵与柴油机的匹配性研究

【摘要】大型绞吸式挖泥船主要用于航道整治和水利疏浚工程，其泥泵的工况较为复杂，它的工作会受到泥浆浓度的影响，有时会受到水中一些较大物质的冲击。如何保证挖泥船能快速、高效的完成工作，对设备的选择有着不同的要求。泥泵、柴油机具有各自的工作特性，相互之间具有一定的匹配规律，通过工程特点，合理进行设备配置、能充分发挥设备的效能。本文对泥泵与柴油机的匹配性进行了一定的研究。

【关键词】泥泵；柴油机；匹配性

河流疏浚工程需要大量的挖泥设备。由于各个地区的地域特点以及工程现场不用的排距、流量等对泥泵、柴油机的使用提出的要求具有一定的差异性，它们之间如何通过匹配来达到最佳使用状态，这一直是工程人员不断研究和探索的重要课题。

1泥泵的特性分析

泥泵是大型绞吸式挖泥船在疏浚工程中使用的主要机械，它在疏浚工程中起着重要作用，其性能的好坏直接影响到疏浚工程的效率。通常情况下，大型绞吸式挖泥船使用离心泵作为泥泵，它的工作原理是利用叶轮在柴油机等驱动装置的带动下旋转，产生离心力，从而使管道内的流体受到叶片的强制转动和推动，使流体压力在泥泵出口处增加，从而产生扬程，达到输送流体的目的。同时，在叶轮进口的吸入室构成局部真空而产生吸力，对流体进行连续的吸入。泥泵的轴功率会随着流量的增加而增加，泥泵在额定转速下存在一个最佳效率点，这个被称为最佳工况点。从经济角度来看，应当尽量使泥泵处于最佳工况点上运行，当泥泵处于非额定转速下工作时，流体进出叶轮时的冲击损失就会增加，通常选择高效率区并且差值小于5%为泥泵的适宜工况。泥泵的轴功率是由原动机传递给泵的功率，由于泥泵在工作时，会发生一定的水力流失、容积损失及机械摩擦损失，因此其有效功率会比轴功率更低。

1.1泥泵的主要参数

大型绞吸式挖泥船泥泵的主要参数包括流量、扬程、转速、汽蚀余量、功率和效率、泥浆的容量以及浓度、最大允许通过粒径等等。泥泵的转速对泥泵的性能会产生较大的影响，汽蚀余量能够有效的显示出泥泵的汽蚀性能的好坏，泥泵的功率包括输入功率与输出功率，输入功率是由柴油机等驱动装置输出到泥泵轴的功率，泥泵的输出功率是指浆体流过泥泵时，泥泵传递给浆体的功率。泥泵的输入功率与输出功率的差值为泥泵的损失功率。

1.2泥泵的清水特性

在实际的疏浚工程中，为了提升挖泥船泥泵的工作效率，实现最佳工况。要想达到这一目的，必须要掌握泥泵的性能特性，其中主要是需要了解泥泵各项工作参数之间的关系以及流体的密度。通常情况下泥泵的生产厂家会提供泥泵的清水特性曲线。

从上图可以看出，扬程随着流量的增加而逐渐减少，泥泵的功率随着流量的增加而增加，泥泵的效率随着流量的增加而增加，但当达到一定的限定值时，就会逐渐下降，即泥泵会有一个最佳工况点，在实际工程中，应尽量使泥泵工作在最佳工况点上。

1.2泥泵的泥浆特性

虽然厂家会提供泥泵的清水特性曲线，但在实际的疏浚工程中，泥泵输送的流体物质都是泥浆。泥浆是水与土在挖泥船绞刀作用下所形成的一种混合物质。泥浆的特性会受到图纸、土体密度、粒径、浓度以及比重等特性的影响。通常，泥泵在对泥浆进行输送时，各个工作参数之间额关系与清水特性曲线应该具有相同的性质，只会在输送的量上发生一定的变化。变化的程度会随着泥浆特性的变化而发生变化。

（1）泥浆中泥砂的粒径会对泥泵的扬程和工作效率产生较大的影响。当输送的泥浆中泥砂的粒径越小时，泥泵的扬程和工作效率越高。

（2）在相同的转速和流量下，泥泵输送泥浆的效率略低于输送清水的效率；在转速不变的情况下，流体的浓度增加，泥泵的扬程和效率会同时下降，并且扬程下降的程度要低于工作效率下降的程度。

（3）泥泵在输送泥浆时，其允许吸入的真空度将会下降。

（4）泥泵在输送泥浆时，由于泥浆的密度比清水大，在泥泵的转速和流量保持不变的情况下，泥泵需要更大的输入功率。在疏浚工程中，泥泵的输入功率会随着泥浆浓度的增加而不断增大。当泥泵输送的泥浆浓度过高时，有可能会使泥泵超负荷运行，而使泥泵遭到破坏。

（5）泥泵的叶轮的参数会对泥泵的性能产生一定的影响。在输送流体浓度保持不变的情况下，叶轮的外径越大，泥泵的性能越低。

2泥泵的选配要点

2.1泥泵选配的基本要求

通常情况下，泥泵的设计必须要兼顾疏浚市场的需要，必须要具有较大的适用范围，不会针对特定的环境进行设计。

在进行泥泵的设计时，首先要考虑泥泵的最大流量、扬程以及运行的稳定性，还要考虑经济因素，合理的选择泵体部件的材料，同时还要考虑维护管理能够方便的进行，应尽量选择不具有驼峰运行特性曲线的泥泵。

随着疏浚市场的发展，其对挖泥设备的要求越来越高，泥泵工作时的吸入阻力、真空也不断提高，这对泥泵的工作效率产生了较大的影响，泥泵发生气蚀的几率也不断增高。尤其当挖泥深度达到20m以上时，上述情况会表现的更加明显。而采用水下泵可以有效改善上述情况，水下泵安装的位置越低，吸收的阻力以及真空就会越小，这可以明显降低工作过程中的损失，提高工作效率。水下泵的安装可以有效的增加挖泥深度，提高输送泥沙的能力，通过与船内泥泵的配合使用，能够改善泥土的吸入量，扩大泥泵的使用范围，减低对原动机功率的损耗。

在施工过程中，泥泵的流量和压头如果超过了实际需要，就有可能造成原动机超负荷运行。对于短排距，虽然可以通过在管头安装喷头对流量进行限制，但是这会对管道的节流能留造成影响，造成比不必要的浪费。通过切割泥泵叶轮的外径来改变泥泵的特性参数，可以扩大泥泵的使用范围，为了避免在对叶轮切割后对泵的效率影响过大，叶轮允许的切割量随其比转数不同而不同。对低、中比转数的叶轮要作等外径切削，对高转数的叶轮外径要作斜向车削，使叶片靠前处的外径大于靠后盖板处的外径，平均外径必须符合车削量的要求。

2.2多泵串联

当排距增加时，管线的阻力也会不断加大，单一的泥泵无法满足施工的要求，这时就需要多泵串联工作。在进行多泵串联工作时，每一台泥泵都必须保持一致，最好能选择相同型号的泥泵进行串联，如果不能选择相同型号的泥泵，也必须要选择性能相近的。对于性能相近的泥泵进行串联时，其流量必须要相等。理论压头也要等于串联的地绿泵的压头之和，但实际上，压头要偏小。如果进行多泵串联时，选用不同性能的泥泵就有可能使其中一台或几台泥泵超负荷运行，而其它的泥泵则没有满载，这样就不能对所有泥泵的功率进行充分利用。在进行多泵串联工作时，压力较大的区域可能会使泥泵承受超出上限的机械应力和负荷，并使泥泵的原件出现不同程度的磨损，最终使泥泵提前损坏，增加工程成本。

2.3串联接力泵工况

对于排距较远的工况，最佳的施工方案是将多个油泵串联安装在输泥管道中形成接力泵。泥泵与串联泵之间必须保持一定的距离。在进行接力泵的安装时，要保证每一台油泵的兼容性，主要从泥泵的特性、输泥管的连接等方面来考虑。接力泵应选择进口压力1kg/cm2左右的地方进行安装。通常情况下，排距不会始终固定在一个位置，而是需要根据工程的需要而不断进行调整。接力泵的安装位置一般会选择最小排距，以便与接力泵的安装。如果选择的接力泵过小，就会增加船舱内的阻力，影响疏浚工程的效率。如果接力泵过大，它就会成为一台吸入泵，会对工程的作业安全造成一定的影响。

3柴油机的匹配特性

大型绞吸式挖泥船的泥泵不论用哪种类型驱动，他们都会由于受到船舶电站容量的限制而按照柴油机的工作特性进行设计的。要根据实际需要选择合适的才有机会型号、规格参数及齿轮减速系统，柴油机的额定转速和额定扭矩要符合实际施工的需要。在难以找到适合的柴油机的情况下，要为柴油机的性能及泥泵的效率找一个平衡点以使其达到最佳状态。柴油机、泥泵以及泥沙之间存在着机械连接，同时还存在相互作用。从能量学来看，它们之间组成了一个能量转换系统。随着泥泵工作状态的变化，柴油机与其配合所能产生的效率也会发生一定的变化。为了保证柴油机能够经济、高效、稳定的进行长期的工作，就必须要对它的功率和转速做出一定的限制，延长其使用寿命。

柴油机如果超负荷运行，则有可能冒黑烟，容易导致拉缸等严重后果。如果超过了其等扭矩的限制，曲轴所承受的负荷超过了其限定值，容易导致曲轴发生扭伤或断裂。如果负荷过小，就容易导致各缸供油不稳定，影响柴油机使用的稳定性。柴油机在不同负荷下的转速如果超过限定的正常工作范围，就会影响柴油机的安全性，同时还会降低其工作效率。同样，如果转速低于限定值，高压油泵压力就会因为降低过多而导致油头雾化不良，燃烧不正常，影响柴油机使用的稳定性。柴油机在匹配泥泵长期连续安全运转的允许功率和转速由限制特性，规定转速其对应的调速特定，最小负荷速度特性，最低工作稳定转速所限制，其工作方位也会受到一定的限制。

4柴油机、泥泵在不同工况下的匹配

在疏浚工程中，泥泵的工况点会由于泥沙种类、流量等因素的变化而发生变化。当泥沙的流速低于柴油机额定最大功率的限定值时，泥泵的转速会处于一个恒定的状态，泥泵所需要的带动功率也低于柴油机的最大输出功率；当泥沙的流速等于这个限定值时，就需要柴油机达到额定的最大输出功率；当泥沙流速高于这个限定值时，柴油机就需要抄负荷运行才能够为泥泵提供足够的动力支持，此时的压头将下降。因此，受到柴油机的限制特性以及流体的影响，泥泵的实际工作范围比理论值更小。

5总结

在泥泵及柴油机的设计中，要结合泥泵与柴油机的各自特性以及相互之间的影响，确保泥泵与柴油机的工作状态达到最佳，从而提高挖泥装置的效率、经济型和稳定性。随着疏浚工程中排距、土质、浓度的不断变化，要及时结合实际工况对泥泵的工作范围进行调整以防柴油机处于超负荷运行，从而有效的提高泥泵的效率，保证泥泵能长期高效的运行。

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