李勝勇，李超，王永生，諶志新*

(1.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局審圖中心；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所：上海 200092)

基于螺旋槳軸徑判斷漁船的“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象

李勝勇1，李超2，王永生2，諶志新2*

(1.農(nóng)業(yè)部漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局審圖中心；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所：上海 200092)

本研究旨在探索一種簡便易行的方法，用于初步判斷漁船是否存在“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象，且能提前判別新造船螺旋槳軸徑的選取是否私下改裝從而增加主機(jī)功率的可能性。通過研究典型主機(jī)改裝前后的標(biāo)定功率、轉(zhuǎn)速和規(guī)范對螺旋槳軸徑要求的最小值之間的關(guān)系，以及螺旋槳軸徑的實(shí)取裕量與軸系設(shè)計(jì)手冊推薦裕量之間的關(guān)系，得出軸徑的實(shí)際取值的合理性與“大機(jī)小標(biāo)”之間存在一定關(guān)聯(lián)性，從而提出通過測量螺旋槳軸徑和實(shí)船額定轉(zhuǎn)速初步判斷“大機(jī)小標(biāo)”的方法。對現(xiàn)存漁船可以先用此方法篩選，如有必要再進(jìn)行實(shí)船的功率測量，可以大量節(jié)省檢驗(yàn)成本。對于新造漁船，該方法可在審圖階段作為發(fā)現(xiàn)“大機(jī)小標(biāo)”的重要判斷指標(biāo)，控制螺旋槳軸徑裕量可以在一定程度上增加違法改裝成本，從而減少“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象，規(guī)范漁機(jī)市場,進(jìn)一步完善漁船規(guī)則規(guī)范，使得國家的雙控政策得以更好地實(shí)施。[中國漁業(yè)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)，2016,6(6):27-31]

漁船主機(jī)；測量轉(zhuǎn)速；螺旋槳軸徑；大機(jī)小標(biāo)；雙控政策

“大機(jī)小標(biāo)”是指柴油機(jī)銘牌上標(biāo)定的額定功率小于柴油機(jī)實(shí)際額定功率[1]，造成漁船主機(jī)實(shí)際額定功率與對應(yīng)的漁船功率指標(biāo)不一致。一般通過柴油機(jī)廠的數(shù)據(jù)造假和漁民對柴油機(jī)進(jìn)行私自改裝兩種途徑使得產(chǎn)品證書的功率遠(yuǎn)小于實(shí)船柴油機(jī)功率?！按髾C(jī)小標(biāo)”一方面降低了船上實(shí)際動力設(shè)備冗余度、消防或防污染設(shè)備的配備和船員應(yīng)達(dá)到的資質(zhì)，另一方面突破了本船的實(shí)際具有的雙控功率指標(biāo)，私自增大了捕撈強(qiáng)度，給生態(tài)環(huán)境造成更大的破壞，因此國家有關(guān)部門要求嚴(yán)厲打擊漁船“大機(jī)小標(biāo)”頑疾[2]，確保國家漁船控制制度和有關(guān)政策的順利實(shí)施。農(nóng)業(yè)部漁檢局于2014年12月公布了漁船用柴油機(jī)型譜[3-4]，要求新造漁船主機(jī)須從頒布的柴油機(jī)型譜中選型。但是，通過對柴油機(jī)型譜實(shí)施以后建造的漁船現(xiàn)場抽查調(diào)研的結(jié)果顯示，“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象仍然十分嚴(yán)重，并沒有很好的預(yù)防和控制措施。

漁船主機(jī)功率如何檢測一直是個(gè)難題。目前比較成熟的實(shí)船測量柴油機(jī)額定功率都是通過間接測量柴油機(jī)在額定工況下的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速來確定。測量方法通常有3種，一是測量燃油消耗率的曲線法，適于新裝船不久的柴油機(jī)，而且要獲得準(zhǔn)確的測量實(shí)船實(shí)時(shí)燃油消耗量比較困難。二是扭矩儀測量法，測試精度高，但安裝、測試復(fù)雜，測試精度受安裝精度的影響大。三是電阻應(yīng)變片法，該方法安裝相對簡單，臺架實(shí)驗(yàn)較為準(zhǔn)確，但實(shí)船環(huán)境復(fù)雜，老舊船的軸系表面通常銹蝕嚴(yán)重，難以打磨至要求的粗糙度，而且實(shí)船容易受到電磁場干擾而嚴(yán)重影響測量精度[6]。

目前對大機(jī)小標(biāo)現(xiàn)象查處的主要方法一般只是通過現(xiàn)場對柴油機(jī)的實(shí)際的缸徑、沖程、增壓器、中冷器、噴油泵等配置與型譜申報(bào)材料進(jìn)行一一核對。該方法直接有效，但對缸徑?jīng)_程的核查需要拆缸，檢查流程復(fù)雜、成本高，且需要核查人員對該柴油機(jī)的配置和臺架實(shí)驗(yàn)都十分熟悉，國內(nèi)相關(guān)專家十分匱乏。該方法檢查周期長，一般只適用于抽查。

鑒于以上種種實(shí)船檢驗(yàn)柴油機(jī)大機(jī)小標(biāo)方法的弊端，本研究嘗試從船舶螺旋槳軸徑的選取的合理性入手，探索一種簡便易行的判斷方法。船舶軸系的螺旋槳軸徑與船舶的安全性、建造成本以及軸功率的傳遞效率密切相關(guān)。相同材料的前提下，螺旋槳軸徑越小越可能造成由于強(qiáng)度不足發(fā)生塑性變形，疲勞裂紋甚至斷軸等事故[9]，所以船舶的建造規(guī)范只對軸徑的選取規(guī)定了最小值。但軸徑越大，加工和建造的成本越高，主機(jī)軸功率的傳遞效率也會降低，因此通常船東會盡力要求船廠和設(shè)計(jì)院盡量將軸徑控制在略高于規(guī)范要求的最小值。如果某條船的螺旋槳軸的實(shí)際軸徑遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的最小值，是不合理的。

經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，國家自1987年開始對海洋捕撈業(yè)開始實(shí)行“雙控”制度，其基本方法是對全國的漁船艘數(shù)及總馬力指標(biāo)進(jìn)行總量控制。中國漁船數(shù)量巨大[7]，而驗(yàn)船師數(shù)量嚴(yán)重不足，有些甚至未經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)[8]。實(shí)船主機(jī)額定功率測試成本高、難度大，每條漁船都做實(shí)船測量實(shí)驗(yàn)幾乎不可能。本研究提出通過測量實(shí)船螺旋槳軸徑和額定轉(zhuǎn)速來初步判斷有否明顯的“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象，操作簡單，而且對驗(yàn)船師人員的技術(shù)水平要求不高，為有效查處問題船只，降低漁船安全隱患，以及為更好地落實(shí)雙控政策提供技術(shù)支持。

1 研究方法

采用“歸謬法”用主機(jī)的銘牌功率和轉(zhuǎn)速等參數(shù)以及調(diào)研的參數(shù)，計(jì)算出判斷典型“大機(jī)小標(biāo)”的合理上限值，以此判定是否為“大機(jī)小標(biāo)”，并用一組實(shí)船螺旋槳軸徑數(shù)據(jù)來驗(yàn)證該方法有效性。

1.1 典型“大機(jī)小標(biāo)”漁船螺旋槳軸最小值“增幅”的計(jì)算

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分“大機(jī)小標(biāo)”的主機(jī)實(shí)際額定功率要比標(biāo)定功率增大30%以上，可見至少達(dá)到30%的功率增幅，漁民才有利可圖，并愿意為之鋌而走險(xiǎn)。改動增壓器是增加主機(jī)功率慣用的方法，目前主流的增壓器增壓比已達(dá)5.2，并有望進(jìn)一步提高[10]，而同種型號的柴油機(jī)采用增壓器和中冷技術(shù)后，可以使額定功率增加30%～100%[11]。改裝或者非法更換主機(jī)后，轉(zhuǎn)速可能會增大或減小，也可能保持不變。若轉(zhuǎn)速變化，驗(yàn)船師在轉(zhuǎn)速測量讀取環(huán)節(jié)就會發(fā)現(xiàn)實(shí)船主機(jī)轉(zhuǎn)速與標(biāo)定轉(zhuǎn)速的差別較大，可認(rèn)定主機(jī)參數(shù)與證書不符。本研究重點(diǎn)討論在改裝后額定轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，計(jì)算相對應(yīng)的螺旋槳軸徑“增幅”。

螺旋槳軸徑的實(shí)際取值應(yīng)不小于按式(1)計(jì)算所得的值[12-13]。

式(1)

式(1)中:d為規(guī)范要求的螺旋槳軸的最小直徑，mm；C為不同軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)；F為推進(jìn)裝置型式系數(shù)，對于電力推進(jìn)裝置的中間軸，F(xiàn)=95；對于其他型式的柴油機(jī)推進(jìn)裝置和所有螺旋槳軸，F(xiàn)=100；Ne為軸傳遞的額定功率，等于主機(jī)額定功率，kW；ne為軸傳遞Ne時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min；Rm為軸材料的抗拉強(qiáng)度，MPa。

規(guī)范規(guī)定，軸系材料使用碳鋼和錳鋼的抗拉強(qiáng)度應(yīng)為400～600 N/mm2，根據(jù)具體材料的牌號取得，因此F、C、Rm三者都是常數(shù)，新的螺旋槳軸最小直徑與主機(jī)額定功率、軸的額定轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，其中軸系額定轉(zhuǎn)速可以通過實(shí)船測量容易獲取。

假定某臺漁船主機(jī)標(biāo)定的額定功率為Ne1，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為ni1、螺旋漿軸材料抗拉強(qiáng)度為σb1。非法改裝后額定功率增加30%，設(shè)改裝后的主機(jī)額定功率為Ne2，額定轉(zhuǎn)速為ni2、螺旋漿軸材料抗拉強(qiáng)度為σb2。

即：Ne2=1.3Ne1，ni1=ni2，螺旋槳軸材料相同σb1=σb2。

將數(shù)據(jù)代入公式(1)可得： d2=1.091d1?？梢娙粢_(dá)到30%主機(jī)功率的增幅，螺旋槳軸的最小直徑取值d2比d1要增加9.1%，也就是說“大機(jī)小標(biāo)”最小軸徑“增幅”為9.1%。

1.2 根據(jù)船舶設(shè)計(jì)手冊軸系設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值確定軸徑實(shí)際取值的合理區(qū)間

螺旋槳軸徑實(shí)際取值：D=d+△d

式(2)

式(2)中：D為螺旋槳軸徑實(shí)際取值，mm；△d為螺旋槳軸徑實(shí)際取值的推薦裕量，mm；d為規(guī)范規(guī)定的螺旋槳軸的最小直徑計(jì)算值，mm。

在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)手冊對于螺旋槳軸徑的推薦裕量應(yīng)確保軸系運(yùn)轉(zhuǎn)磨損后能重新車磨修理，其取值范圍一般為：當(dāng)螺旋槳軸直徑d≤150 mm時(shí)，△d為5 ～10 mm；當(dāng)150350 mm，△d應(yīng)大于15 mm[14]。由此可見，該合理區(qū)間為螺旋槳軸系的合理區(qū)間為3.3%d<△d<6.7%d。若采取偏保守的軸徑選取，可在此基礎(chǔ)上再增加5 mm浮動裕量。

對比采用船舶軸系的可靠性分析法驗(yàn)證的典型算例：某船主機(jī)型號為5RAT38，額定功率為2 610 kW，額定轉(zhuǎn)速為162 r/min，此例按公式(1)算得的最小直徑d為324 mm，相應(yīng)的可靠度為0.941 6，可靠度不足，通過可靠性分析后，實(shí)船設(shè)計(jì)螺旋槳軸直徑為350 mm，其軸徑取值裕量為3.4%[15]，在本研究提出的9.1%的界限值的范圍內(nèi)。

2 初步判斷

對于新造船，在圖紙送審階段對圖紙中軸徑取值的合理性進(jìn)行審核。由上文推導(dǎo)的緒論可知，軸徑取值的相對偏差△d″ 不應(yīng)超過合理取值的9.1%，以此為參考值判斷大機(jī)小標(biāo)。其計(jì)算方法為其軸系計(jì)算書中的螺旋槳軸徑的實(shí)際取值D扣除推薦裕量△d、規(guī)范規(guī)定的最小值d、浮動裕量的差值與d的比值，即△d″=(D-△d-d-5)/d≤9.1%。若計(jì)算結(jié)果大于9.1%，則說明軸徑的實(shí)際取值不合理，可以初步認(rèn)定該船具有大機(jī)小標(biāo)現(xiàn)象。基于扭轉(zhuǎn)振動、冰區(qū)加強(qiáng)等原因，需要對軸系進(jìn)行修正的不在此要求范圍。

對于現(xiàn)存漁船，先測量實(shí)船主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，若測得額定轉(zhuǎn)速與標(biāo)定轉(zhuǎn)速偏差超過3%，則可以判定主機(jī)與標(biāo)定轉(zhuǎn)速不符，有非法改裝主機(jī)的重大嫌疑。若測得額定轉(zhuǎn)速與標(biāo)定轉(zhuǎn)速一致，再測量螺旋槳軸徑，并按照主機(jī)的標(biāo)定功率與標(biāo)定轉(zhuǎn)速以及軸系材料參數(shù)計(jì)算出規(guī)范要求的最小值d，將測得的螺旋槳軸徑D扣除相應(yīng)的推薦裕量△d、規(guī)范規(guī)定的最小值d、浮動裕量的差值與d的比值不超過9.1%。即若(D-△d-d-5)/d≤9.1%，則說明實(shí)船軸徑的取值不合理，可以初步認(rèn)定該船是大機(jī)小標(biāo)。

實(shí)船主機(jī)額定轉(zhuǎn)速與實(shí)船螺旋槳軸徑的測量是非常容易實(shí)現(xiàn)，建議主管部門在年度檢驗(yàn)等常規(guī)檢驗(yàn)過程中增加這兩項(xiàng)內(nèi)容，如此可以初步篩選出大機(jī)小標(biāo)的漁船。

3 實(shí)船驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述方法，從農(nóng)業(yè)部漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局審圖中心審查的漁船中隨機(jī)抽取了一組漁船的軸系數(shù)據(jù)作為實(shí)船驗(yàn)證樣本(表1)。觀察表1中8條漁船，比較實(shí)取螺旋槳軸徑裕量的相對偏差值△d″隨最小軸徑d增加的變化，得出曲線圖1。由圖1可見，曲線變化的趨勢是隨著最小軸徑的增加實(shí)取螺旋槳軸徑裕量的相對偏差Δd"向螺旋槳軸徑的合理取值d+Δd+5收窄。

表1中顯示大部分的漁船螺旋槳軸徑裕量的實(shí)際取值范圍在10～20 mm，取值偏于保守，但仍屬合理范圍。第3條漁船(某燈光漁船)的實(shí)際選取裕量△d′達(dá)到了39.9 mm，扣除相應(yīng)推薦裕量值10 mm和浮動裕量5mm，還比螺旋槳軸最小直徑增加了16.6 %，相對偏差值明顯高于本研究提出的參考值9.1 %。按照上述判斷標(biāo)準(zhǔn)可初步判定該船是大機(jī)小標(biāo)。該船上報(bào)至主管部門后，對第3條漁船(某燈光漁船)漁船進(jìn)一步核查，發(fā)現(xiàn)其主機(jī)標(biāo)定功率為262 kW， 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，與其船網(wǎng)功率指標(biāo)吻合，但實(shí)際準(zhǔn)備安裝的主機(jī)的功率為440 kW，轉(zhuǎn)速1 350 r/min，主機(jī)功率增幅達(dá)到178 kW，是原主機(jī)功率67.9%，遠(yuǎn)超過農(nóng)業(yè)部漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局頒布的柴油機(jī)型譜內(nèi)選型功率浮動不超過5%[16]的規(guī)定，屬于嚴(yán)重大機(jī)小標(biāo)。兩臺主機(jī)為同一型號，但區(qū)別在于前者屬于自然吸氣型柴油機(jī)，后是是增壓中冷型柴油機(jī)。

表1 8條漁船軸系設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)

Tab.1 Propeller shaft technical parameter of 8 fishing vessel

參數(shù)Parameter50t漁政船6.5m型寬張網(wǎng)船某燈光漁船35m玻璃鋼網(wǎng)船33.2m雙甲板拖網(wǎng)漁船45m電力推進(jìn)圍漁船3000t漁業(yè)運(yùn)輸船7600dwt漁業(yè)運(yùn)輸船主機(jī)型號WPC175-18Z6170CZ-5AYC6CD355CYC6CL1200L-C20LB6250ZLC-3YJ282BZC6330ZLC-43DN8330ZC4Y標(biāo)定功率/kW129x1臺280x1臺262x2臺882x2臺750x1臺1200x1臺2574x1臺3666x1臺額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)21001200100010006501000580620齒輪箱減速比2.96003.42007.84003.96004.00005.04504.51304.9375軸材料35#鍛鋼35#鍛鋼35#鍛鋼35#鍛鋼35#鍛鋼35#鍛鋼35#鍛鋼35#鍛鋼軸抗拉強(qiáng)度530480520490500500480480中間軸最小直徑59.888.72119.2144.28157.62172.54250.6294.5最小軸徑d/mm68.5111.78150.1181.79198.6217.4315.7371.1中間軸實(shí)取值不設(shè)110不設(shè)160185190260310實(shí)取軸徑D/mm80130190200220235325385實(shí)取裕量△d'/mm11.5018.2239.9018.2121.4017.609.3013.90相對偏差△d″2.2%7.3%16.6%1.8%3.2%1.2%-1.8%-1.6%

圖1 漁船螺旋槳軸徑實(shí)際裕量的相對偏差值△d″隨螺旋槳軸最小直徑d增加的變化趨勢Fig.1 Variation tendency of the actual values relative allowance of propeller shaft diameter △d″ as propeller shaft minimum diameter increases

由該驗(yàn)證過程可以看出，不用實(shí)船去測試軸功率，僅僅通過對漁船螺旋槳軸徑的實(shí)際取值的合理性進(jìn)行評估，就可以發(fā)現(xiàn)某些大機(jī)小標(biāo)現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過研究漁船主機(jī)標(biāo)定功率與實(shí)選螺旋槳軸徑的選取裕量的關(guān)系，分別對新造漁船和現(xiàn)存漁船提出判斷“大機(jī)小標(biāo)”的辦法。把送審階段的新造船，以及主機(jī)、軸系重大改造的現(xiàn)存漁船，凡是其螺旋槳軸徑裕量大于9.1%的都列為重點(diǎn)檢查對象，由此可大大提高“大機(jī)小標(biāo)”治理工作的效率，降低核查成本。同時(shí)建議將本研究針對主機(jī)螺旋槳軸系的設(shè)定上限引入漁船建造規(guī)范，在船舶圖紙送審階段就篩選出軸徑取值不合理的漁船，從而更好地打擊大機(jī)小標(biāo)現(xiàn)象。然而，由于樣本船數(shù)量較少，漁船種類繁雜，船型尚未全部覆蓋，回歸曲線尚不穩(wěn)定；作為初步判斷“大機(jī)小標(biāo)”的途徑，未對需扭振計(jì)算、冰區(qū)加強(qiáng)的軸系進(jìn)行分析，尚存一定的局限性。

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Phenomenon of actual engine power higher than rated power innameplate based on the propeller shaft diameter of fishing vessel

LI Shengyong1，LI Chao2，WANG Yongsheng2，CHEN Zhixin2*

(1. Register of Fishing Vessel Plan Approval Center; 2. Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences: Shanghai 200092，China)

The purpose of this article was to explore a simple method for preliminarily judging the phenomenon that "actual power of fishing vessel engine was higher than rated power in nameplate", and preliminarily discovering the possibility whether a new ship's propeller shaft diameter foreshadowed increases the actual power of main engine by installing fake plate or remoulding engine. By means of studying the relationship of nominal power, rotational speed and the minimum allowable value of the propeller diameter in rules, and the relationship between actual allowance of propeller shaft diameter, the allowance recommended by the shaft design manual, it drew that there was certain correlation between the reasonableness of actual value of shaft diameter and the phenomenon of "actual power higher than the rated power", thereby proposed the method for preliminary judging "actual power higher than rated power" by measuring the propeller shaft diameter and rotational speed. The existing fishing vessels can be screened in this way, if necessary, we could based on facts by measuring engine actual shaft power further, therefore it would save so much inspecting costs. It played a part as well as new fishing vessels, which could discover the phenomenon of "actual power higher than rated power" at the stage of drawing approval. The control of the propeller shaft diameter margin can increase the costs of illegal remoulding very much, so that it would reduce the phenomenon of "actual power higher than rated power", and it would make the fishing machine market more formal, and it would make the implement of the dual-control policy effectively in China. [Chinese Fishery Quality and Standards, 2016, 6(6):27-31]

fishing vessel main engine; measurement speed; the propeller diameter of tube; diesel engine rated power than that in nameplate; the number of vessels and power control policy

CHEN Zhixin,chenzhixin@fmiri.ac.cn

2016-08-02；接收日期：2016-10-10

自動化捕撈關(guān)鍵裝備研發(fā)與漁船技術(shù)法規(guī)體系構(gòu)建(2016YJS-ZX0300)；漁業(yè)船舶技術(shù)法規(guī)體系研究 (2016YJS-ZX0304)

李勝勇(1980-)，男，工程師，研究方向?yàn)闈O船圖紙審查及漁船法規(guī)政策，lishengyong512@hotmail.com 通信作者：諶志新，研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ鬂O業(yè)工程裝備，chenzhixin@fmiri.ac.cn

S972.72

A

2095-1833(2016)06-0027-05