【工学论文】浅析船舶推进器装置的使用与管理

 摘要：为了提高船舶的操纵性，满足船舶狭水道低速航行及靠离码头等各种机动工况的需要，船舶侧向推进器 (sidethruster)装置在各种类型的船舶上得到了广泛的应用，如现代大型海洋运输船舶、港内作业船舶、海洋工程船舶、海洋石油服务船(三用船)的靠离平台作业，采用单手柄操纵方式(ioystiek)，即用一个手柄就能综合操纵电动舵、桨和侧推器，能方便地操作;动力定位系统(dynamiC p0Sitioningsystem，Dp)，使船舶定位在预先设定的位置。相对而言，由于平时船舶侧推装置使用时间较短，管理上易产生疏忽大意，导致各种故障的发生。因此根据本人长期从事对船舶侧推装置使用与管理的实践经验，提出如下探讨。
关键词：船舶；侧推器；使用与管理
1 船舶推进器
船舶推进器是船舶上提供推力的工具，它的作用是将船舶动力装置提供的动力转换成推力，推进船舶。推动船舶前进的机构。它是把自然力、人力或机械能转换成船舶推力的能量转换器。推进器按作用方式可分为主动式和反应式两类。靠人力或风力驱船前进的纤、帆（见帆船）等为主动式，桨、橹、明轮、喷水推进器、螺旋桨等为反应式。现代运输船舶大多采用反应式推进器，应用最广的是螺旋桨。
在19世纪30年代，瑞典的前任军官约翰•爱立信和英国工程师弗兰西斯•佩蒂特•史密斯两人都设计过用螺旋桨推进的船。他们从古希腊人那儿得到启发。古希腊人使用阿基米德螺旋，即一种"瓶塞钻"状装置来提水。佩蒂特•史密斯的试验是成功的，他建造了一艘有木制螺旋桨的船，螺旋桨的一部分突然折断了。奇怪的是，这个木制螺旋桨变短了，船反而走得更快了。这说明变短的木制螺旋桨推进效率高度。
布鲁内尔工程师受到启发，在他设计、建造的"大不列颠号"上使用了螺旋桨推进器。这艘螺旋桨推进的轮船在1845年第一次横渡了大西洋。螺旋桨推进器在船舶上广泛采用。
船舶螺旋桨是一种水螺旋桨，其原理是螺旋桨旋转时，桨叶不断把大量水向后推去，在桨叶上产生一向前的力，即推进力。螺旋桨桨叶像一小段机翼，桨叶上的水动力在前进方向的分力构成拉力，即船舶推进力。
在普通螺旋桨的基础上，为了改善性能，更好地适应各种航行条件和充分利用主机功率，发展了以下几种特种螺旋桨。①可调螺距螺旋桨：简称调距桨，可按需要调节螺距，充分发挥主机功率;提高推进效率,船倒退时可不改变主机旋转方向。螺距是通过机械或液力操纵桨毂中的机构转动各桨叶来调节的。调距桨对于桨叶负荷变化的适应性较好，在拖船和渔船上应用较多。对于一般运输船舶，可使船-机-桨处于良好的匹配状态。但调距桨的毂径比普通螺旋桨的大得多，叶根的截面厚而窄，在正常操作条件下，其效率要比普通螺旋桨低，而且价格昂贵，维修保养复杂。②导管螺旋桨：在普通螺旋桨外缘加装一机翼形截面的圆形导管而成。此导管又称柯氏导管。导管与船体固接的称固定导管，导管被连接在转动的舵杆上兼起舵叶作用的称可转导管。导管可提高螺旋桨的推进效率，这是因为导管内部流速高、压力低,导管内外的压力差在管壁上形成了附加推力;导管和螺旋桨叶间的间隙很小,限制了桨叶尖的绕流损失;导管可以减少螺旋桨后的尾流收缩，使能量损失减少。但导管螺旋桨的倒车性能较差。固定导管螺旋桨使船舶回转直径增大，可转导管能改善船的回转性能。导管螺旋桨多用于推船。③串列螺旋桨：将两个或三个普通螺旋桨装于同一轴上，以相同速度同向转动。当螺旋桨直径受限制时，它可加大桨叶面积，吸收较大功率，对减振或避免空泡有利。串列螺旋桨重量较大，桨轴伸出较长，增加了布置及安装上的困难，应用较少。④对转螺旋桨：将两个普通螺旋桨一前一后分别装于同心的内外两轴上，以等速反方向旋转。因可减小尾流旋转损失，效率比单桨略高，但其轴系构造复杂，大船上还未应用。⑤直叶推进器：由4～8片垂直的桨叶组成。直叶推进器上部呈圆盘形，桨叶沿圆盘周缘均匀安装，圆盘底与船壳板齐平相接，圆盘转动时，叶片除绕主轴转动外，还绕本身的垂直轴系摆动，从而产生不同方向的推力，所以可使船在原地回转，不必用舵转向，船倒退时也不必改变主机转向。但因机构复杂，价格昂贵，桨叶易损坏，仅用于少数港务船或对操纵性能有特殊要求的船上。
2 船舶侧推器装置的分类
按侧推器安装在船舶上的位置分:侧推器安装在船脂，称为舶侧推(bowthruster)。侧推器安装在船娓，称为舰侧推(sternthruster)。按侧推器数目分:一个侧推器，大多数在船舷;两个侧推器，一脆一娓或船循两个;三个侧推器，船舷两个，船娓一个;四个侧推器，两脆两娓。按侧推器驱动方式分:电驱动式侧推器 (eleetriemotor)。柴油机驱动式侧推器(dieslengine) 按螺旋桨螺距是否可变分:螺距固定的，称为定距桨侧推器螺距可变的，称为变距桨侧推器现代船舶的侧推器多数是可调螺旋桨，操作灵活，左右方向的改变及横移力大小的调整只需改变桨叶的螺距角即可。本文以螺距桨是否可变和驱动方式这两个分类特点来讨论侧推器。主要讨论电驱动定距侧推器和电驱动变距侧推器。而柴油机驱动式侧推器在此不作讨
论分析。
3 工作特点及故障分析
3.1电驱动定距桨侧推器
该侧推器是由电动机通过齿轮箱传递螺旋桨动作。其特点是定螺距，正倒车有级变速。结构上较为简单，管理上方便。主要故障:
(1)运行中轴承异常声响
原因:轴承损坏:齿轮箱无油或系统中有空气。
(2)运行中突然停车
原因:电源无电或保险丝烧坏，热保护环节作用(高温保护、热保护继电器动作)。
(3)不能正倒车，不能变速
原因:刹车装置没有松开，直流调速失效(接触器，时间继电器等元件有故障)。
3.2 电驱动变距桨侧推器
该侧推器是驾驶台遥控/原地启动控制，电动机动力输出，液压变螺距。其装置由调距桨、传动轴、调距机构、液压系统，操纵系统等五个基本组成部分。
调距桨包括可转动的桨叶，桨毅和桨毅内部装设的转动桨叶的转叶机构等。调距桨的转叶机构是将来自动力油缸的往复运动转变为转动桨叶的回转运动的机构。
传动轴是由电动机(大马达)通过联轴器与立轴相连，立轴与螺旋桨轴经齿轮啮合传动。
调距机构包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞、分配压力油给伺服油缸的配油器、给桨叶定位和桨叶位置反馈的装置及其附属设备等。其主要任务是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。
伺服油缸、伺服活塞、分配压力油给伺服油缸的配油器、给桨叶定位和桨叶位置反馈的装置及其附属设备等。其主要任务是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。
操纵系统主要由操纵台、控制和指示系统组成。作用是按预先确定的控制程序来调节调距桨的螺距，以获得所要求的工况。工作特点:操作灵活，反应快，但结构复杂，管理要求相对较高。主要故障:
(1)运行中侧推螺距不能变化或不能动作。
原因:电磁阀卡阻或泄漏，安全阀起跳或泄漏，冷车时正常工作而热态时不能工作，主要由于配油阀泄漏引起的.
(2)侧推单方向动作
原因:电磁阀卡阻，反馈电位器线路破损或绝缘不良。
(3)运行中侧推突然停车
原因:负载超整定值，过载保护停车;电机高温保护停车;螺距限位凸轮动作停车;滤器脏堵，低压停车。
(4)侧推启动失败
原因:电机缺相;电源电压过低;非零螺距启动;低油压保护;启动过程中星形-----三角形转换时间继电器故障；桨叶有异物（水下有异物卡住）；侧推带载启动（长期不使用，有海洋生物在桨叶上生长）。
(5)侧推启动成功，但冷车时螺距不动作，热车时能动作。
原因:环境温度过低，没有保温，选配油种不适合周围环境温度，即粘温特性差。
(6)电动机绝缘低
原因:侧推舱室通风口有海风海水吸入，舱室排风机转向错误而变成吸风机，电机的烘潮装置失效。
4 管理上的建议
由于船舶侧推装置体积大，又是水下装置，如何正确地使用和管理，准确地判断故障点，排除故障以减少船舶停航、坞修时间，节约船舶维修成本，减少对海洋环境的污染，为保障船舶航行安全，提高运营率，定会起到重要的作用。
4.1 对于电驱动定距桨侧推器:
(1)定期进行控制箱保养;
(2)加强舱室通风:
（3）保持齿轮箱的正常液位；
（4）修理后，齿轮箱加油过程中进行放空气；
（5）保持齿轮箱呼气通畅
4.2 对于电驱动变距浆侧推器
（1）定期进行控制箱保养
(2)保持舱室通风良好;
(3)按操作程序起动侧推;
(4)定期清洗液压油滤器，清洗完毕后放空气;
(5)定期化验油样，或结合坞修更换系统油;
(6)根据区域作业环境温度，选择合适的油种;
(7)尤其在冬季，如渤海湾区域作业，应加强舱室的防冻保温工作;
(8)对于有多个侧推器的船舶，由于各工况不同，对某个长期不使用的侧推，应择时运转，防止海生物生长过多;
(9)对执行小油缸，电位器定期检查螺丝紧固;
(10)对于尸LC控制侧推器，要注意对备用电源(蓄电池)的管理工作
5 结论
本文对船舶推进器的一些基本知识进行了理论分析，对船舶侧推器的一些故障原因进行了重点分析，并提出了一些排除故障的方法和手段，对船舶推进器的管理提出了一些自己的看法，由于本人水平有限，这些看法可能存在一些疏漏，本人会在以后的工作和学习中加以改正。
参考文献
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[2]李代金.水下热动力推进系统闭环控制研究[D];西北工业大学;2006年
[3]钱程.某五体船推进系统方案设计与操纵性分析[D];上海交通大学;2007年