舒永東，田忠殿，陳孟澤

(南京高精船用設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

船用側(cè)向推進(jìn)器是提高船舶操作性能的重要部件，傳統(tǒng)的側(cè)向推進(jìn)器是通過固定的導(dǎo)管焊接在船體內(nèi)，其定位尺寸和槳葉中心線距輕載水線的尺寸直接影響側(cè)向推進(jìn)器的性能，且增加了整船的船體阻力，從而造成能源浪費(fèi)。特別是對于一些安裝空間有限的船只，如小型游艇、工作平臺、工程船、公務(wù)船等，使用傳統(tǒng)側(cè)向推進(jìn)器造成的損傷就更大。如何在吃水深度不足或定位尺寸不夠等特殊使用工況下既不增加了整船的船體阻力，又能提高船舶操作性能，一直是船用設(shè)備領(lǐng)域亟待解決的問題。本文介紹一種本公司新開發(fā)的船用伸縮式側(cè)向推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，從而解決這個問題。

1 傳統(tǒng)側(cè)向推進(jìn)器的安裝尺寸要求和局限性

傳統(tǒng)的側(cè)推器(圖1)焊接在船體的固定隧道內(nèi)，對槳葉中心線與輕載水線a，基線的距離b 與槳葉直徑d 的關(guān)系有著一定要求:

槳葉中心線與輕載水線(設(shè)計(jì)水線)的距離a≥(1～1.5)d;

槳葉中心線與基線的距離b≥(1～1.5)d。

當(dāng)在船舶吃水深度不足或定位尺寸不夠等特殊工況下，因各參數(shù)間關(guān)系無法滿足側(cè)推裝置推薦的布置結(jié)構(gòu)［1］，船舶的推進(jìn)效率會降低，這也正體現(xiàn)了傳統(tǒng)側(cè)推的局限性，為了彌補(bǔ)缺陷并提高側(cè)推性能，本公司研發(fā)了一種新型的伸縮式側(cè)推裝置。

圖1 傳統(tǒng)側(cè)推裝置推進(jìn)布置圖

2 新型船用伸縮式側(cè)向推進(jìn)器介紹

2.1 新型伸縮式側(cè)推裝置概述

伸縮式側(cè)推裝置主要結(jié)構(gòu)［2］包括:機(jī)械本體、潤滑系統(tǒng)、伺服液壓系統(tǒng)、原動機(jī)及控制系統(tǒng)等部件。主要通過原動機(jī)驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)速，變頻器控制轉(zhuǎn)向，電磁換向閥和伺服液壓泵站控制水下推進(jìn)部分的升降，并通過中央控制單元實(shí)現(xiàn)其控制。當(dāng)螺旋槳處于上部，可與船體的管遂一起作為傳統(tǒng)側(cè)推使用;當(dāng)螺旋槳處于下部，可360°旋轉(zhuǎn)作為臨時全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器使用。目前可廣泛應(yīng)用在油船和海洋平臺工作船。

傳動型式包括L 型傳動和Z 型傳動，如圖2 所示。

2.2 機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，船用伸縮式側(cè)向推進(jìn)器是通過下齒輪箱和圓筒體3 通過螺釘固定在支撐管9 下端。槳軸15 一端插入下齒輪箱22 并通過軸承支撐于齒輪箱22 的前后軸承座上，槳葉18 位于齒輪箱22 外;齒輪箱輸入軸17 由頂部插入齒輪箱22，其上部靠軸承實(shí)現(xiàn)軸向和徑向定位，下部通過軸承支撐于齒輪箱22 軸承座上;齒輪箱內(nèi)布置大齒輪16 和輸入軸17，實(shí)現(xiàn)減速。

兩個油缸5 與固定底座6 之間靠固定耳軸連接，固定底座6 上布置有固定支架;活塞桿端與支撐底座10 之間為帶球面軸承的固定耳環(huán);油缸5 上下部各設(shè)置一油口，換向通油實(shí)現(xiàn)油缸的伸縮;油缸5 伸展運(yùn)動時，推動支撐底座10 向上運(yùn)動，拉動下端支撐管9、圓筒體3 和齒輪箱22 等結(jié)構(gòu)向上收縮，當(dāng)支撐底座10 運(yùn)動到頂部機(jī)械止檔時，掛鉤12 掛住支撐底座10，防止推進(jìn)器自然下落;當(dāng)油缸5 需要回縮時，油缸13 推動掛鉤12，使支撐底座10 與掛鉤12 分開，可使推進(jìn)系統(tǒng)下降到需要位置。

支撐管9 下端使用法蘭與下齒輪箱22 連接，支撐管內(nèi)的傳動軸上端利用一球面磙子軸承固定，下端靠齒形聯(lián)軸器19 與齒輪箱22 輸入軸17 連接，把原動機(jī)扭矩最終通過槳軸15 傳遞到槳葉18，產(chǎn)生需要的推力;在圓筒體3上布置一個連接板4，連接板4 把槳葉18 產(chǎn)生的推力通過受力軸2 傳遞到船體上;導(dǎo)向桿8 上下端通過導(dǎo)向桿基座7 與安全掛鉤基座11 和固定底座6 固定。導(dǎo)向桿8 兩端各布置一個球面關(guān)節(jié)軸承，補(bǔ)償安裝偏心量。填料箱14 實(shí)現(xiàn)支撐管9 出水處的密封，箱體內(nèi)布置幾道纖維編織盤根21 和一個合金軸瓦23;填料箱14 焊接在固定底座6 上。

2.3 伸縮式側(cè)推裝置(FPP)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

如圖4 所示，伸縮式側(cè)推控制部份包括:指令單元、中央控制箱、電力驅(qū)動單元和液壓伺服單元等。指令單元發(fā)出控制命令，反饋器將反饋信號傳給中央控制單元，中央控制單元經(jīng)比較分析輸出控制信號控制驅(qū)動單元的啟停和液壓伺服單元動作。

a)指令單元

指令單元即駕駛臺控制面板，在駕駛臺操控臺上有主控制面板，左右兩翼有輔助控制面板。在控制面板上可以遙控進(jìn)行推進(jìn)器的起、停，螺旋槳的升降，轉(zhuǎn)速的控制，操縱地點(diǎn)的轉(zhuǎn)換等功能。

圖5 為控制面板裝配圖(局部)，主控制面板上有驅(qū)動電動機(jī)起停控制開關(guān)、操縱地點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)、轉(zhuǎn)速指示器、轉(zhuǎn)速遙控手柄、螺旋槳升降按鈕、應(yīng)急控制開關(guān)等元件。輔助控制面板上則只有地點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)、遙控手柄和停止開關(guān)。

操縱地點(diǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以將控制權(quán)在開關(guān)之間轉(zhuǎn)換，主控制面板上有操縱地點(diǎn)指示燈可以指示是由哪個面板在控制。

操控手柄連接電位器，手柄帶動觸點(diǎn)滑動，手柄可以同時調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速和舵角位置。

控制面板上的“應(yīng)急控制”按鍵按下時可將控制模式轉(zhuǎn)為應(yīng)急操縱。此時按下相關(guān)應(yīng)急控制按鈕，按鍵將控制電源直接供電給比例換向閥的左推、右推控制電磁閥，可直接改變螺旋槳的升降或者舵角及轉(zhuǎn)速變化。

各控制面板的舵角和轉(zhuǎn)速指示器可以顯示PLC 輸出指示電流信號，電流信號改變指針轉(zhuǎn)動指示舵角和轉(zhuǎn)速實(shí)際值。

b)中央控制單元

中央控制單元在駕駛臺，是一個電子控制箱，主要組成是電源、PLC、系統(tǒng)調(diào)試裝置、執(zhí)行繼電器等?？偪貑卧邮罩噶詈头答佇盘枺趦?nèi)部經(jīng)過計(jì)算放大，然后輸出信號控制液壓伺服單元動作改變舵角和轉(zhuǎn)速，同時接收推進(jìn)系統(tǒng)的狀態(tài)信號，有異常時及時發(fā)出聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)視功能。

該系統(tǒng)具有電動機(jī)啟動聯(lián)鎖裝置。在推進(jìn)裝置縮回船體內(nèi)部或者在伸縮運(yùn)動過程中，無法啟動電動機(jī)和進(jìn)行舵角控制，只有推進(jìn)器裝置伸到最低止檔位置，行程開關(guān)發(fā)出信號，才能進(jìn)行相關(guān)操作。

PLC 是控制單元的核心，由電源模塊、CPU 處理器模塊、程序存儲卡、模擬量控制模塊、獨(dú)立輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊組成。電源模塊為PLC 各工作模塊供電，其上有指示燈顯示電池的工作狀態(tài)，程序存儲內(nèi)部存有推進(jìn)系統(tǒng)控制和報(bào)警程序。

c)電力驅(qū)動單元

如圖4 推進(jìn)系統(tǒng)原理圖所示，電力驅(qū)動單元由電力驅(qū)動控制箱，驅(qū)動電動機(jī)和變頻器組成，該單元為推進(jìn)裝置提供原動力。

電控箱控制電動機(jī)的啟動、停止操作，空間加熱器和風(fēng)機(jī)的開關(guān)，并反饋驅(qū)動電動機(jī)的運(yùn)行、負(fù)荷等狀態(tài)，對電動機(jī)進(jìn)行過載等其他連鎖保護(hù)，記錄電動機(jī)工作時間等。

對于定螺距槳葉電推系統(tǒng)常規(guī)一般使用變頻啟動，在啟動箱內(nèi)包含一個變頻器(其變頻范圍0～50 Hz/60 Hz)，通過對主電源頻率的控制，調(diào)節(jié)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速。啟動箱內(nèi)配置有空間加熱器和風(fēng)冷裝置，保持箱內(nèi)理想的工作環(huán)境，延長設(shè)備使用壽命和降低故障率。

如圖6 所示，當(dāng)推進(jìn)裝置重載詢問允許，螺旋槳在要求位置時，伺服液壓系統(tǒng)啟動，自動停機(jī)復(fù)位等條件滿足，連鎖開關(guān)閉合時才可以啟動電動機(jī)。

d)液壓伺服單元

圖6 電動機(jī)變頻啟動原理圖

如圖4 所示，液壓伺服單元包括伺服控制箱、液壓伺服泵站、轉(zhuǎn)舵和舵角反饋裝置、伺服油缸等部件。液壓系統(tǒng)為推進(jìn)裝置提供伺服油壓，在控制單元作用下改變定距槳的舵角，調(diào)整螺旋槳的垂直位置，并保證推進(jìn)裝置密封良好。

液壓系統(tǒng)包含:轉(zhuǎn)舵液壓單元、升降液壓單元、安全掛鉤液壓單元三部分，分別起到舵角改變，推進(jìn)裝置的提升和下降，推進(jìn)裝置下降時脫掉安全掛鉤的作用。

轉(zhuǎn)舵液壓單元包括:電磁換向閥、液壓馬達(dá)、舵角反饋裝置等，推進(jìn)裝置的轉(zhuǎn)舵功能利用換向閥改變壓力油路方向，依靠液壓馬達(dá)調(diào)整舵角，最終實(shí)現(xiàn)推力方向的改變，通過比例換向閥來切換油路實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)舵的正反轉(zhuǎn)。

升降液壓單元包含:電磁換向閥、伸縮油缸、手動換向閥等，遠(yuǎn)程控制電磁換向閥的閥芯位置，改變壓力油路方向，使壓力油分別進(jìn)入伸縮油缸的兩個油腔，油缸伸長時推動推進(jìn)器本體回收，推進(jìn)裝置縮進(jìn)船體內(nèi)部，反之推進(jìn)器伸出船體，通過液壓泵來推動兩個升降液壓缸實(shí)現(xiàn)側(cè)推本體的升降。通過電磁或手動控制使先導(dǎo)閥換向，從而控制液控主閥換向，實(shí)現(xiàn)本地控制并與遙控互鎖，來實(shí)現(xiàn)升降液壓缸的上升與下降。

安全掛鉤液壓單元包含:電磁閥和液壓油缸，推進(jìn)裝置需要伸出船體時，液壓缸伸長推動安全掛鉤，使推進(jìn)裝置與安全掛鉤脫開，在伸縮油缸的作用下下降。

3 新型船用伸縮式側(cè)向推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)

綜上所述，本新型船用伸縮式側(cè)向推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)在于:由于固定底座兩側(cè)各布置一個油缸，可以推動下齒輪箱和圓筒體上下伸縮運(yùn)動，彌補(bǔ)因船體結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致側(cè)向推進(jìn)器定位尺寸不足的問題，使得側(cè)向推進(jìn)器的推力穩(wěn)定。并能在不使用的情況下可以把側(cè)向推進(jìn)器收縮回來，使得船體線性比較完整，船體阻力小，整船主推進(jìn)效率高。

在結(jié)構(gòu)上填料箱內(nèi)選用特種纖維編織盤根，提高密封的使用壽命和密封性能;在固定底座下使用兩個受力軸分擔(dān)支撐管的彎矩，保證使用的安全性;固定底座上部通過兩個導(dǎo)向桿引導(dǎo)推進(jìn)器伸縮運(yùn)動，引導(dǎo)桿的兩端使用調(diào)心關(guān)節(jié)軸承可補(bǔ)償安裝偏差，使整個伸縮動作更加平穩(wěn)。

4 結(jié)語

通過這種新型船用伸縮式側(cè)向推進(jìn)器的開發(fā)，使得一些船舶在吃水深度不足或安裝尺寸不夠等特殊使用工況下，既能不降低整船主推進(jìn)效率，又能提高船舶操作性能，具有很好的推廣意義。目前已經(jīng)在一些船上使用。

［1］汪海翰，汪誠儀.側(cè)推器的初步設(shè)計(jì)［J］.船舶，1996(3).

［2］中國船舶工業(yè)總公司編.船舶設(shè)計(jì)使用手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.