摘要：现代疏浚工程的快速发展，对挖泥船的要求越来越高。绞吸式挖泥船作为应用最广泛的船舶之一，具有良好的疏浚效率和环境适用性。本文通过对疏浚作业过程中的影响施工效率的因素，并对其进行探讨，进一步简要介绍绞吸式挖泥船吸扬系统的动态特征，探讨优化绞吸式挖泥船的工作环境的系统评价方法，提出相应的匹配模型，实现吸扬系统动态匹配优化及评价目标，以期为绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化及评价领域或同行提供可借鉴的意义。
关键词：绞吸式挖泥船；吸扬系统；动态匹配；优化评价
1、引言
绞吸式挖泥船在疏浚工程领域起着非常重要的作用，其能够实现土质的挖掘、沙水混合、泥浆运输等功能，并且施工效率高。绞吸式挖泥船逐渐成为最常用的疏浚设备，广泛应用于沿海地区的吹填、内陆河流的维护和海洋资源的开发等领域。而吸扬系统作为绞吸式挖泥船的重要的核心系统，配置的离心泵能量消耗巨大，在能量损耗上具有非常大的节约空间。对于吸扬系统的研究，分析其关键设备与疏浚土质的动态变化关系，并以此为基础进行匹配优化，能够有效地降低能耗，同时降低工程作业成本，通过优化施工方案，还能提升挖泥船的作业能力。实际的疏浚工程施工环境较为复杂，而吸扬系统的动态特性也不断变化。因此，对疏浚工程中的泥沙特性对吸扬系统的影响，研究吸扬系统的功率和传输特性等，进而达到绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化。因此，对现代疏浚工程机理的研究，提出评价的标准，最终实现吸扬系统动态匹配优化与评价体系。
2、绞吸式挖泥船施工效率影响因素
绞吸式挖泥船的施工效率通常可以用公式进行计算，不包括施工停止时间，其中W表示施工生产率，Q表示泥浆的平均流量，P表示泥浆浓度，D表示排泥管直径，V表示泥浆的流速。
绞吸式挖泥船施工效率受到设备功率、泥浆的浓度和流速等影响，而其中泥浆的浓度与绞刀功率有着直接的关系。因此，施工效率的关键在于泥泵和绞刀的设备功能以及两者的协调作业。
首先，提高绞刀的功率在面对不同的施工环境时，都能产生足够的切削力来挖掘土质。当绞刀的功率过小时，对于硬度高的土质，难以提供足够高浓度的泥浆，从而降低了挖泥船的施工效率；其次，泥泵的功率直接影响到泥浆的平均流速和扬程，这也极大地影响了绞吸式挖泥船的整体施工效率；另外，绞吸式挖泥船的工作挖深也会影响施工效率，绞刀在作业时下放的深度需要保持在一定合理的范围。当下放深度超过设备的最大允许深度时，挖泥船将无法工作。相反，绞刀下放较低时，绞刀切削土质的效率明显降低，泥浆浓度也明显减小，导致设备施工效率不佳。最后，泥层的厚度也会影响施工效率。泥层的厚度与绞刀工作有着密切的关系，绞刀的工作面的高度也随着土质的种类的变化而变化，只有泥层具有足够的厚度，才能保证绞刀实现最佳效率运转。
3、绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化
吸扬系统作为重要的核心部件，需要利用绞刀对土壤进行切削、土壤在吸入管中与水混合形成固液两相、泥泵将泥浆通过负压作用吸入、泥浆最后通过加压作用输送至排泥区域。吸扬系统在实际的施工环境中，是一个复杂的动态输送系统。为达到对绞吸式挖泥船吸扬系统的能量消耗进行优化，则需要建立相应的吸扬系统模型并进行动态匹配优化。绞吸式挖泥船吸扬系统的能量主要用于将泥浆中的水分从开挖区域输送至抛泥区、泥浆在传输过程中损耗、泥泵的机械能量损失以及部分动力设备的能量消耗。吸扬系统的优化主要是对能量损耗进行匹配优化，可以将其分为两部分进行细分，包括泵机设备的能量损耗优化和泥浆输送管线的能量损失优化。
3.1 泥泵机组的匹配优化
在绞吸式挖泥船吸扬系统具体的作业中，首先将泵机的功率保持在正常范围内，尽可能避免泵机出现过载现象。当泵机严重过载时，其输出功率也会迅速降低并对吸扬系统的匹配特性产生严重的破坏。吸扬系统的整体性能受泥泵泵机和排泥管线的影响，实际的泵机模型可用以下公式表示：
其中Hpump表示泵机的扬程，Cw表示泥浆重量百分比浓度，Ss表示泥浆的比重，Q为泥泵流量，dw为泥沙颗粒粒径，Dpump为叶轮外半径，Ppi表示泥泵的输送压差。
因此，根据泵机的模型分析可以了解泥泵的实际工作特性，由调速器和满油量工作范围两部分组成。在调速范围内，使得泵机的工作速度相对稳定，泵机的转速与负荷有着直接的关系，负荷的增高会是转速下降。而当流量减小时，吸扬系统的扬程会产生相应的升高。当实际施工的工况点接近泵机的额定功率，泥泵则需要更大的输出功率来驱动扭矩。
3.2 泥泵与输泥管线的匹配优化
吸扬系统的输泥管线由吸泥管线和排泥管线所组成，而具体作业时泥浆在管线中的流型主要包括准匀质流、非匀质悬浮液、含有滑动床的悬浮液和定床跳跃等类型。这四种流型各有特点，准匀质流对能量的损耗大以及严重磨损管线；非匀质悬浮液在管线内部会产生较大的阻力，进而影响其输送，改变其流型为含有滑动床的悬浮液和定床跳跃两种流型，这两种流型在参数选择不当时，会造成管道的严重堵塞。吸扬系统的输送泥浆的效率与管道内的流型具有明显的联系：对于准匀质流，输送阻力随着流速的增加而增加，但是在非匀质悬浮液区域，随着流速的下降，输送阻力发生下凹，并且会产生极值点，此时对应的就是泵机与输泥管线之间的匹配优化点，流速为最佳临界流速。在泥泵与输泥管线的能量损耗方面，需要对泥浆与管壁的摩擦能量损失、颗粒的状态维持能量的损耗以及相互之间的摩擦能量损失。这需要进一步的对输泥管线参数与泵机进行研究设定，寻找最佳匹配优化方案。
4、绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配评价
在绞吸式挖泥船吸扬系统中，对泥沙的切削和输送是最核心的功能，其匹配优化评价来源于对泥浆形成过程的匹配优化与泥浆输送管线的匹配优化。在泥浆形成过程中，需要优先考虑的是降低设备出现故障的频率，保证作业期间泵机的性能是决定吸扬系统的整体效率。绞刀良好的切削性能，保证了泥沙的供给并在提高了泥浆在整个流体的比重。其次，尽可能减少设备的磨损，科学合理控制泥浆的流速是保障设备磨损率较低的手段。最后，减少泥沙的泄漏量，泥沙在绞刀外围而被甩出重以及挖泥船的移动导致泥沙在绞刀内部泄漏重新降到水下，使得设备的能量损耗增加。在泥浆输送管线的匹配优化中，首先可以通过调节泥浆流速来达到降低比能耗的目的。将泥浆的流速合理控制在临界流速，使得系统的能耗和沿线能量损耗都达到最小。另外，在达到吸扬系统其它的设备条件的前提下，保证泵机的匹配性能，从而达到降低能耗的目的。因此，对绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配优化，实现绞吸式挖泥船的能量空竹与优化，保障了整个系统的工作效率。
5、结论
绞吸式挖泥船吸扬系统是一项工况复杂的系统，其影响因素涉及很多，而设备内部的关键数据相互匹配十分重要，有利于实现挖泥船生产率的提高。本文通过对绞吸式挖泥船吸扬系统的影响因素进行分析，并建立相应的绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配与评价模型，进一步分析其匹配途径，深入挖掘相关的设备参数的协调关系，从而实现给设备之间的良好运转，保证吸扬系统的整体功效，以便于为绞吸式挖泥船吸扬系统动态匹配和评价领域提供可借鉴的意义。
参考文献
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论文作者:陈跃宏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/23
标签：挖泥船论文; 泥浆论文; 系统论文; 绞刀论文; 管线论文; 流速论文; 能量论文; 《基层建设》2019年第4期论文;