郭晟江 周 琦

（上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前言

船舶在海上航行與進出港時需要對船舶航速進行適當控制，由駕駛?cè)藛T在駕駛室通過主機車令操作手柄發(fā)出調(diào)速指令，并由柴油機的調(diào)速器完成控制目標。一般情況下，這部分控制的實現(xiàn)由主機遙控廠家完成。

某船在試驗時，船廠提出：希望能夠?qū)χ鳈C遙控系統(tǒng)進行把關(guān)，確定主機車令操作手柄擋位的設置。經(jīng)過主機車令與轉(zhuǎn)速邏輯關(guān)系分析、推進系統(tǒng)設備配置梳理、主機車令與對應轉(zhuǎn)速預設定、實船試驗驗證等一系列過程，取得了一定經(jīng)驗。

1 主機車令與轉(zhuǎn)速間的關(guān)系

1.1 主機車令系統(tǒng)

主機車令系統(tǒng)是對主機進行各種操作的指令發(fā)送系統(tǒng)。

駕駛?cè)藛T在駕駛室的控制站遙控推進裝置上，對主機進行起動、調(diào)速和停車的遙控。對可逆轉(zhuǎn)低速柴油機還可實現(xiàn)換向遙控，對不可逆轉(zhuǎn)柴油機則通過對齒輪箱進行嚙合、脫開和倒車的遙控實現(xiàn)主推進系統(tǒng)正/倒車。其中遙控操作手柄的推動方向應與船舶運動方向一致。

1.2 主機車令的實現(xiàn)

主機車令實際上是通過內(nèi)部指令傳送系統(tǒng)實現(xiàn)。如駕駛室發(fā)出改變航速控制指令，則主機機旁控制箱接收指令，并下達到主機調(diào)速器，調(diào)速器再根據(jù)指令協(xié)調(diào)柴油機進行加速或減速，最后達到駕駛室車令所要求的轉(zhuǎn)速位置，反映到船舶本身，則為船舶航速增加或遞減。如駕駛室發(fā)出改變船舶前進方向控制指令，對于可逆轉(zhuǎn)柴油機則直接換向即可實現(xiàn)；對于不可逆轉(zhuǎn)柴油機則通過齒輪箱內(nèi)的倒順車離合器實現(xiàn)。

1.3 主機車令與轉(zhuǎn)速

主機車令與轉(zhuǎn)速間有一定的對應關(guān)系。這種對應關(guān)系主要根據(jù)不同主推進系統(tǒng)采取相應的設定原則，力求車令信號準確、主機響應迅速、控制過程主機工作平穩(wěn)。

2 主機車令擋位與轉(zhuǎn)速設定的原則

2.1 幾種典型的柴油機推進裝置遙控系統(tǒng)

船舶的主推進系統(tǒng)由主機、減速齒輪箱、軸系、螺旋槳等組成。為保證船舶能在各種復雜情況下航行，必須為柴油機設置起動、換向、調(diào)速和安全保護裝置，也稱主推進裝置遙控系統(tǒng)。

按柴油機推進裝置的傳動方式及螺旋槳的形式，主要有以下幾類遙控系統(tǒng)：

1）可逆轉(zhuǎn)柴油機與定距槳直接連接傳動的遙控系統(tǒng)；

2）可逆轉(zhuǎn)柴油機與調(diào)距槳連接的遙控系統(tǒng)；3）不可逆轉(zhuǎn)柴油機與調(diào)距槳經(jīng)減速齒輪箱傳動的遙控系統(tǒng)；

4）不可逆轉(zhuǎn)柴油機與定距槳經(jīng)減速齒輪箱傳動的遙控系統(tǒng)。

在上述4種遙控系統(tǒng)中，1）和4）是比較常見的主推進遙控系統(tǒng)方式，是本次車令與轉(zhuǎn)速關(guān)系研究的重點。而帶調(diào)距槳的推進系統(tǒng)，還涉及螺距控制，一般由調(diào)距槳廠家打包整個遙控系統(tǒng)，因此本文不作贅述。

2.2 可逆轉(zhuǎn)柴油機與定距槳直接連接傳動的遙控系統(tǒng)

此遙控系統(tǒng)是由主機車令操作手柄、邏輯程序控制電路和執(zhí)行機構(gòu)組成。當在駕駛室實施遙控時，可直接操縱主機。該系統(tǒng)通過各種邏輯控制程序自動完成起動、換向、調(diào)速等各項動作，整個流程詳見圖1。

圖1 可逆轉(zhuǎn)柴油機遙控系統(tǒng)邏輯控制程序

為保證主機能夠安全、準確地按指令實施，通常包含以下邏輯控制程序［1］：

1）起動邏輯程序——保證主機只有在盤車機脫開、預潤滑、油門桿零位、換向結(jié)束、轉(zhuǎn)速低于發(fā)火轉(zhuǎn)速時才能起動。

2）重復起動程序——通常設置為3次重復起動。在主機起動過程中，當?shù)?次起動失敗，暫停數(shù)秒鐘后，自動進行第2次、第3次起動。若3次起動均失敗，則起動過程中止，同時發(fā)出“起動失敗”報警信號，以提醒船員檢查故障。

3）慢車起動程序——當主機停車時間超過設定時間時，該程序起作用。先打開輔起動閥，使主機慢轉(zhuǎn)一周，然后該閥關(guān)閉，主起動閥開啟，再行起動。

4）負荷程序——不論駕駛室操作手柄如何變化，柴油機只能按所設定的負荷程序進行轉(zhuǎn)速變化，確保主機不致超負荷，以保護主機。

5）自動避開臨界轉(zhuǎn)速程序——使主機轉(zhuǎn)速自動校正，或在臨界轉(zhuǎn)速上限以上，或在臨界轉(zhuǎn)速下限以下，或快速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)?？焖偻ㄟ^臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時，應發(fā)出報警信號。

6）緊急換向程序——為配合船舶緊急避讓的需要而設定的，對主機極為不利。

7）安全保護程序——當主機部分重要運行參數(shù)發(fā)生異常時，為保護主機免受進一步損害，采取自動降速和自動停車功能。具體設定值根據(jù)主機廠家推薦。

8）應急操縱程序——緊急停車和越控功能。出現(xiàn)緊急情況時須立即停車，設置緊急停車按鈕，且獨立于主機遙控系統(tǒng)。越控功能指當安全保護程序出于保護主機而發(fā)出“自動停車”時，若船舶由于緊急避碰等需要而不允許停車，則可以通過“越控”按鈕使主機按撤消自動停車的程序而繼續(xù)運行。

2.3 不可逆轉(zhuǎn)柴油機與定距槳經(jīng)減速齒輪箱傳動的遙控系統(tǒng)

與2.2可逆轉(zhuǎn)柴油機與定距槳直接連接傳動的遙控系統(tǒng)相似，主要區(qū)別是柴油機為不可逆轉(zhuǎn)型式，主推進系統(tǒng)的倒車是通過齒輪箱的倒順車離合器實現(xiàn)的。

2.4 影響主機車令擋位與轉(zhuǎn)速設定的要素

2.4.1 柴油機工作特性

為使柴油機一直運行在良好的工作性能范圍內(nèi)，引入了最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速的概念。各船級社對此也有明確的規(guī)定。一般：

1）額定轉(zhuǎn)速≤300 r/min的柴油機，不高于額定轉(zhuǎn)速的30%；

2）300 r/min＜額定轉(zhuǎn)速≤1000 r/min的柴油機，不高于額定轉(zhuǎn)速的40%；

3）額定轉(zhuǎn)速＞1000 r/min的柴油機，不高于額定轉(zhuǎn)速的45%。

除了最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速外，還需考慮正車額定轉(zhuǎn)速、持續(xù)服務功率轉(zhuǎn)速、倒車最大允許轉(zhuǎn)速。為保護柴油機，船員通常會盡量避免柴油機運行在高負荷轉(zhuǎn)速，尤其是超過正車額定轉(zhuǎn)速，而柴油機廠家也經(jīng)常將轉(zhuǎn)速限制在額定轉(zhuǎn)速。為防止倒車時負荷過大，對倒車最大允許轉(zhuǎn)速也需要進行限制，一般限制在70%正車額定轉(zhuǎn)速。

怠速是指柴油機空載時的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，對于車令轉(zhuǎn)速設定也具有一定的參考價值。

2.4.2 推進軸系特性

主機通過軸系驅(qū)動螺旋槳，在運轉(zhuǎn)過程中需要考慮軸系的扭轉(zhuǎn)振動情況，以免軸段扭轉(zhuǎn)應力過大，對軸系造成破壞。在扭轉(zhuǎn)應力超過持續(xù)運轉(zhuǎn)扭振許用應力的轉(zhuǎn)速附近通常采取設置轉(zhuǎn)速禁區(qū)的方式，柴油機工作時需快速通過以避免長時間運行造成破壞。

主機正車發(fā)火和一缸熄火時均可能設轉(zhuǎn)速禁區(qū)。設操作手柄擋位時需要考慮與轉(zhuǎn)速禁區(qū)的隔離空間：對于低速機通常保持約5 r/min的空間，對于中速機通常結(jié)合齒輪箱減速比來考慮轉(zhuǎn)速保持空間，從而避免因螺旋槳負載的波動而使柴油機轉(zhuǎn)速進入轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

2.4.3 齒輪箱工作特性

與低速機直接換向不同，不可逆轉(zhuǎn)中/高速機通過減速齒輪箱內(nèi)部的倒順車離合器實現(xiàn)倒車。為使離合器工作可靠，其脫、合排轉(zhuǎn)速不能太高，一般脫、合排最高轉(zhuǎn)速要求不超過主機額定轉(zhuǎn)速的60%。

2.4.4 船員操縱性

船舶在海上航行、進出港等工況時對航速有不同的要求，需要設置一定數(shù)量的車令擋位以滿足船員操縱的便利性。車令擋位的多少會影響到船員操縱的精確度。擋位數(shù)越多，轉(zhuǎn)速分區(qū)劃分就越細，操縱選擇性大，燃油經(jīng)濟性較高，但太多則易繁瑣；擋位數(shù)越少，轉(zhuǎn)速分區(qū)劃分就較粗，操縱選擇性窄，燃油經(jīng)濟性不高。船員的操縱習慣有時也會影響車令擋位數(shù)。

對于可逆轉(zhuǎn)柴油機與定距槳，一般設置10擋，見表1。由于柴油機可直接驅(qū)動螺旋槳，因此必須在前進擋位與倒車擋位間設置“停車”擋，柴油機停車后才能實現(xiàn)螺旋槳停轉(zhuǎn)。如果需要由前進模式換為倒車模式，則必須先通過“停車”擋指令停止向柴油機供油，待柴油機轉(zhuǎn)速降至足夠低后再推至倒車擋，實現(xiàn)螺旋槳反轉(zhuǎn)。

表1 可逆轉(zhuǎn)柴油機與定距槳擋位

對于不可逆轉(zhuǎn)柴油機與減速齒輪箱、定距槳，一般設置9擋，見表2。由于柴油機需通過齒輪箱內(nèi)的離合器才能驅(qū)動螺旋槳，因此柴油機不必停車，只需在前進擋位與倒車擋位間設置“空車”擋，讓離合器脫開就能實現(xiàn)螺旋槳停轉(zhuǎn)。如果需要由前進模式換為倒車模式，則必須先通過“空車”擋指令讓離合器脫開，待柴油機轉(zhuǎn)速降至離合器的合排允許轉(zhuǎn)速后再推至倒車擋，離合器合排的同時實現(xiàn)螺旋槳反轉(zhuǎn)。

表2 不可逆轉(zhuǎn)柴油機與減速齒輪箱及定距槳擋位

2.5 主機車令擋位與轉(zhuǎn)速設定的原則

根據(jù)影響要素及不同柴油機特性，擬定主機車令擋位與轉(zhuǎn)速設定的原則如下：

1）掌握柴油機工作特性，了解最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、持續(xù)服務功率轉(zhuǎn)速、怠速，以確定低擋位轉(zhuǎn)速和前進五轉(zhuǎn)速；

2）掌握推進軸系特性，了解轉(zhuǎn)速禁區(qū)，以確定擋位轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速禁區(qū)的隔離空間；

3）倒車最大允許轉(zhuǎn)速（正車額定轉(zhuǎn)速的70%）作為倒車限制條件（倒車三或倒車四）；

4）掌握齒輪箱及其離合器工作特性，以確定空車和低擋位轉(zhuǎn)速；

5）根據(jù)機型及推進系統(tǒng)特點，選擇擋位數(shù)；

6）根據(jù)上述約束條件設好幾個車令后，其他車令可按負荷均衡法或者轉(zhuǎn)速均衡法進行插值確定。

3 主機車令與轉(zhuǎn)速設定實例

3.1 推進系統(tǒng)配置情況

目標船的推進系統(tǒng)由中速柴油機、減速齒輪箱、推進軸系、定距槳組成。

與主機、減速齒輪箱相關(guān)的幾個轉(zhuǎn)速分別為：

額定轉(zhuǎn)速 900 r/min

CSR轉(zhuǎn)速（0.85MCR） 853 r/min

怠速 500 r/min

最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速 360 r/min

減速齒輪箱最大脫、合排轉(zhuǎn)速 540 r/min

倒車最大允許轉(zhuǎn)速 630 r/min

該船軸系運轉(zhuǎn)特性良好，主機正常發(fā)火和一缸熄火均無轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

3.2 與設定原則相關(guān)的幾個約束條件設置

結(jié)合主機、齒輪箱的工作特性，各約束條件的設定如下：

1）按主機怠速設置“前進一/空車/倒車一”為500 r/min；

2）按倒車最大允許轉(zhuǎn)速設置“倒車三”為630 r/min；

3）按主機額定轉(zhuǎn)速設置“前進五”為900 r/min。

3.3 設定

在根據(jù)主機和減速齒輪箱的各約束條件設置好幾個車令后，其他車令則按主機負荷均衡的方式分配，最后形成完整的主機車令與轉(zhuǎn)速對應關(guān)系，詳見表3。

表3 主機車令與轉(zhuǎn)速對應關(guān)系

3.4 試驗

該船按預設定轉(zhuǎn)速，順利完成了各項試驗任務。船員反饋操縱順暢、主機工作平穩(wěn)。

4 結(jié)語

本文對船舶主機車令與轉(zhuǎn)速的對應關(guān)系進行了探索。針對幾種典型柴油機推進裝置遙控系統(tǒng)，通過對柴油機工作特性、推進軸系特性、齒輪箱特性、船員操縱性等影響要素的分析，摸索出車令擋位與轉(zhuǎn)速的設定原則，并通過實船案例驗證了該設定原則的合理性。為今后幫助船東和船廠理順主機車令與對應轉(zhuǎn)速、優(yōu)化主機遙控系統(tǒng)具有很好的指導意義。

［1］中國船舶工業(yè)集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船工程學會.船舶設計實用手冊——輪機分冊［M］.3版.北京：國防工業(yè)出版社，2013.