SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器缺陷分析及改進(jìn)措施研究

馬明軒

摘 要：文章主要簡(jiǎn)述SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)中止回器的設(shè)計(jì)目的、工作原理，并通過(guò)介紹某拖輪一次SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器故障維修，分析SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器設(shè)計(jì)方面存在的缺陷，進(jìn)一步研究SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)止回器的改進(jìn)措施，對(duì)SRP1515FP及同類(lèi)型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器設(shè)計(jì)和改進(jìn)有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：舵槳；止回器；全回轉(zhuǎn)；拖輪

引言

作為全回轉(zhuǎn)拖輪核心的設(shè)備之一，全回轉(zhuǎn)舵槳是一種Z型推進(jìn)裝置，使船舶調(diào)頭靈活，原地回轉(zhuǎn)、倒車(chē)快、航行安全，重量輕、拆裝方便、可省略常規(guī)的舵，改善駕駛員工作和生活條件，減少對(duì)環(huán)境的污染，是一種新穎、緊湊、高效率、銷(xiāo)售價(jià)適應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的節(jié)能、環(huán)保性推進(jìn)裝置。同時(shí)全回轉(zhuǎn)舵槳有著嚴(yán)格的要求，螺旋槳在水流的作用下不能反轉(zhuǎn)。否則會(huì)造成較大的啟動(dòng)負(fù)荷，甚至損壞舵槳及主機(jī)。因此，各種形式舵槳均會(huì)采取一定的措施來(lái)防止舵槳反轉(zhuǎn)，其中SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳的止回器作為其中一種防反轉(zhuǎn)形式，被廣泛的應(yīng)用在同類(lèi)型全回轉(zhuǎn)舵槳的系統(tǒng)中。但由于這種止回器設(shè)計(jì)方式存在一定缺陷，給使用者帶來(lái)了很大的隱患和麻煩。我們?cè)谀惩陷哠RP1515FP型全回轉(zhuǎn)a舵槳止回器故障維修中積累了一些經(jīng)驗(yàn)，并提出了幾種改進(jìn)辦法，希望能給同類(lèi)型舵槳的生產(chǎn)者和使用者提供一些參考。

1 SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器運(yùn)行原理介紹

SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器是一個(gè)由多個(gè)楔塊和保持架構(gòu)成的，安裝于舵槳裝置上齒箱中間軸末端的，可起到正轉(zhuǎn)通行，反轉(zhuǎn)鎖止的裝置，如圖1所示。

SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器功能作用是防止螺旋槳在水流作用下反轉(zhuǎn)，主要體現(xiàn)在以下三種情況：（1）在脫排狀態(tài)下，以避免合排時(shí)的過(guò)大扭矩；（2）在合排狀態(tài)和主機(jī)停車(chē)時(shí)，避免主機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）在一側(cè)舵槳工作時(shí)，防止沒(méi)有投入運(yùn)行的另一側(cè)舵槳，在船舶航行時(shí)反轉(zhuǎn)。

SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器工作原理：在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，楔塊及保持架隨內(nèi)環(huán)一齊旋轉(zhuǎn)，離心力FC促使楔塊沿保持架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣楔塊和外環(huán)之間產(chǎn)生間隙，在這種狀態(tài)下運(yùn)行，止回器沒(méi)有任何摩擦，使用壽命是無(wú)限長(zhǎng)的；當(dāng)內(nèi)環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度下降到離心力不足以克服彈簧的彈力時(shí)，楔塊在彈簧的作用下，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并重新和外環(huán)接觸，止回器進(jìn)入自鎖狀態(tài)，防止軸系反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。

2 某拖輪SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器故障維修概況

某日黃驊港煤炭港區(qū)某拖輪結(jié)束作業(yè)返回拖輪碼頭途中，發(fā)現(xiàn)右主機(jī)突然降速，右主機(jī)排煙管冒黑煙，該船輪機(jī)員立即停車(chē)檢查，發(fā)現(xiàn)右舵槳手動(dòng)盤(pán)車(chē)不動(dòng)，初步判斷該舵槳槳葉卡住異物，經(jīng)潛水員水下探摸，確認(rèn)右舵槳槳葉與導(dǎo)流罩間卡住廢舊輪胎，如圖3所示，水下清除無(wú)果后，最終拖輪進(jìn)塢將輪胎清除，隨后試車(chē)試航均未發(fā)現(xiàn)舵槳工作異常，舵槳系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)一切正常。

該拖輪恢復(fù)正常作業(yè)運(yùn)行約10天后，舵槳滑油濾器壓差高報(bào)警，輪機(jī)員在清洗滑油濾器時(shí)，發(fā)現(xiàn)濾器內(nèi)有大量金屬屑等雜質(zhì)，最初懷疑金屬屑是滑油系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)副異常磨損產(chǎn)生。將此情況向設(shè)備廠家報(bào)告后，設(shè)備廠家安排服務(wù)工程師到船對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行拆檢，先后檢查了上齒箱傘齒和回轉(zhuǎn)齒圈，均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)討論如對(duì)其他部位采取進(jìn)一步檢查，工程量較大且工作環(huán)境不允許。因此先對(duì)滑油取樣進(jìn)行化驗(yàn)分析金屬屑化學(xué)成分進(jìn)而確定磨損部位?；?yàn)報(bào)告顯示滑油成分中無(wú)水，有較多金屬顆粒及少量非金屬顆粒，元素分析顯示鐵元素含量高于正常值，其他元素基本正常。

服務(wù)工程師結(jié)合舵槳纏擺事件和油樣分析，推斷止回器可能出現(xiàn)問(wèn)題，滑油中的金屬碎屑極有可能是止回器零部件碎裂產(chǎn)生的。經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，止回器已完全碎裂，楔塊散落周?chē)?，保持架?chē)?yán)重變形，局部有摩擦高溫灼傷痕跡，并伴有大量金屬屑在其中，如圖4所示。由于出口管接頭處帶孔墊片的阻擋作用，大塊金屬無(wú)法通過(guò)，但仍有大量屑狀金屬隨滑油進(jìn)入系統(tǒng)，油樣檢測(cè)報(bào)告中顯示的大量鐵元素，即為止回器碎裂后產(chǎn)生的金屬屑的主要成分。

根據(jù)故障根源，制定解決方案：首先需徹底清空系統(tǒng)內(nèi)滑油，并更換全部滑油；其次需拆除三臺(tái)液壓馬達(dá)，對(duì)錐體油腔進(jìn)行清潔；然后要清除破損止回器，并更換新件，如圖5所示；最后在檢查其他部件正常后，試車(chē)試航。由于滑油全部換新必須在船塢內(nèi)進(jìn)行，且當(dāng)時(shí)正值寒冬，氣溫低、滑油粘稠，滑油放空僅能靠重力自流，這進(jìn)一步增加了維修的難度。這次故障自舵槳纏擺至最終恢復(fù)正常歷時(shí)34天，先后進(jìn)塢2次，其中止回器換新約4天，僅滑油放空時(shí)間就約40小時(shí)，消耗殼牌滑油13桶約合2600升，總維修費(fèi)用約20萬(wàn)元，且未考慮拖輪脫產(chǎn)一個(gè)多月對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的損失，可謂損失巨大。

3 SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器設(shè)計(jì)缺陷分析

SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器從設(shè)計(jì)原理上固然能起到一定程度防反轉(zhuǎn)作用，但未能全面考慮到止回器一旦發(fā)生故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的嚴(yán)重后果。止回器反向鎖緊是由楔塊機(jī)械摩擦產(chǎn)生的制動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)。因此有制動(dòng)力矩上限，一般情況下僅靠水流作用于螺旋槳產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩，可由制動(dòng)力矩抵消，而不至損壞止回器。但當(dāng)有其他外力作用使反轉(zhuǎn)力矩過(guò)大，超過(guò)制動(dòng)力矩上限時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致楔塊產(chǎn)生形變甚至損壞保持架，而無(wú)任何保護(hù)措施。

造成止回器出現(xiàn)過(guò)大反轉(zhuǎn)力矩有多種原因，但主要有兩種途徑：一種是有直接強(qiáng)大外力作用于螺旋槳使槳葉反轉(zhuǎn)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)力矩，另一種是螺旋槳槳葉鎖住情況下操舵的轉(zhuǎn)舵力產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)力矩。第一種情況較為少見(jiàn)，而第二種情況多發(fā)于螺旋槳纏擺，在國(guó)內(nèi)拖輪使用中較為常見(jiàn)。

由于SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳是德國(guó)制造，設(shè)計(jì)施工及產(chǎn)品運(yùn)行試驗(yàn)多考慮歐洲海域工況，對(duì)我國(guó)國(guó)內(nèi)海域特殊情況結(jié)合較少。歐洲國(guó)家港口及航運(yùn)業(yè)起步早，發(fā)展程度高，尤其對(duì)港口水域管理環(huán)境治理方面更為嚴(yán)格，因此其港口水域狀況較好，航道水深大，水中雜物少，更適宜舵槳工作環(huán)境。而我國(guó)國(guó)內(nèi)港口及航運(yùn)業(yè)起步晚，發(fā)展程度相對(duì)較低，尤其許多港口自然水文條件較差，同時(shí)為追求快速發(fā)展，港口水域管理方面較為不足，航道水深較小，水中雜物多，各種漁船等閑雜船只來(lái)往頻繁，多年積攢的廢舊纜繩、廢舊輪胎、廢舊皮筏艇等淤積水底，對(duì)螺旋槳的正常工作帶來(lái)了極大的安全隱患，舵槳纏擺的概率也大大提高。

在國(guó)內(nèi)拖輪使用中，駕駛員應(yīng)對(duì)螺旋槳纏擺有不同的辦法，有些駕駛員會(huì)采取將螺旋槳對(duì)吹的方法將纏繞的異物排除，這一方法在一些類(lèi)型舵槳且纏擺不牢的情況中能起到作用，但并不適用于帶止回器的SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳。因?yàn)镾RP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳在轉(zhuǎn)舵時(shí)，會(huì)帶動(dòng)螺旋槳發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)舵方向順向槳葉正轉(zhuǎn)時(shí)止回器不起到作用，槳葉正向旋轉(zhuǎn)一定角度，但當(dāng)轉(zhuǎn)舵方向逆向槳葉反轉(zhuǎn)時(shí)止回器會(huì)阻止反轉(zhuǎn)，而槳葉又被卡住，從而無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，力矩便集中在止回器上，這一力矩隨著舵角轉(zhuǎn)舵增加而逐漸增大，當(dāng)力矩超出止回器承載能力后，止回器便會(huì)受到損壞。

SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳的止回器處于整個(gè)裝置的滑油循環(huán)系統(tǒng)中， 如圖6所示，由滑油潤(rùn)滑和冷卻，滑油入口承接于舵槳機(jī)帶的滑油儲(chǔ)存柜，出口連接到底部滑油循環(huán)腔，出口管路上未設(shè)置觀察孔和過(guò)濾器，僅在管路接頭處設(shè)有一孔徑約2mm的墊片。因此一旦止回器發(fā)生損壞，產(chǎn)生的金屬碎屑就會(huì)混合于滑油中流至底部滑油腔，從而污染整個(gè)滑油系統(tǒng)。一臺(tái)舵槳設(shè)備滑油系統(tǒng)添加至正常液位油量約2600L，除上部滑油儲(chǔ)存柜內(nèi)由于滑油濾器的過(guò)濾不至被污染外，其余約2000L的滑油均會(huì)被污染，滑油中會(huì)出現(xiàn)大量金屬碎屑，甚至有少量片狀及顆粒狀金屬物，而底部滑油系統(tǒng)中浸沒(méi)有多個(gè)滾動(dòng)軸承、傘狀傳動(dòng)齒輪等運(yùn)動(dòng)部件，一旦故障未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而長(zhǎng)期存在其中繼續(xù)使用，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備機(jī)械部件，從而導(dǎo)致整臺(tái)設(shè)備癱瘓，后果十分嚴(yán)重。

而且就算及時(shí)發(fā)現(xiàn)止回器損壞，也不僅是通過(guò)更換止回器就能解決問(wèn)題的，被污染的滑油同樣需要全部換新，而SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳的設(shè)計(jì)要求，如果要完全放干凈舵槳系統(tǒng)內(nèi)滑油，則需要將位于水下舵槳底部的放油旋塞打開(kāi)，從底部放油，因此就要求船舶必須進(jìn)塢才能徹底換油。如果不進(jìn)船塢，采取從上部將滑油抽出的辦法，一方面油管需從滑油儲(chǔ)存柜進(jìn)入，繞過(guò)過(guò)第一道橫向傳動(dòng)軸，從立軸中心孔穿入，順?lè)较蛞恢毕蛳虑斑M(jìn)約4米多，再繞過(guò)第二道橫向傳動(dòng)軸，再繼續(xù)下伸近1米后，方可觸及底部，過(guò)程十分繁瑣和困難，一般只能伸到第二道橫向傳動(dòng)軸前，再往下伸就需要專(zhuān)用的管子，精巧的配合和一定的運(yùn)氣了，一方面立軸的孔徑非常小，要求吸管不能太粗，過(guò)軟或過(guò)硬均不便于穿透，另一方面就算管子穿到底部，也不能將底部滑油抽凈，勢(shì)必會(huì)留存一部分在底下，而且由于受到管徑的限制，要將整個(gè)系統(tǒng)中的滑油抽出需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和耐心。

因此，SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器的設(shè)計(jì)雖然起到了螺旋槳止回的作用，但由于設(shè)計(jì)方面的不完善，極易由纏擺引發(fā)故障，且一旦發(fā)生故障，對(duì)滑油系統(tǒng)乃至整個(gè)設(shè)備都將造成巨大的損傷，而且維修起來(lái)也異常困難，造成的直接和間接損失，都將是巨大且無(wú)法彌補(bǔ)的。

4 SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器改進(jìn)措施

SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳止回器，作為其舵槳系統(tǒng)的典型特征之一，在一定程度上能起到防反轉(zhuǎn)的作用，這與其他舵槳形式有明顯區(qū)別，但止回器一旦出現(xiàn)故障，帶來(lái)的損失也是巨大的。因此，為避免此問(wèn)題發(fā)生，將損失將至最小，有必要采取合理的辦法解決此問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理進(jìn)行綜合分析和討論，提出以下三種解決方案供參考。

方案一：在原有系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)，為止回器建立獨(dú)立的滑油循環(huán)系統(tǒng)，滑油不參與整個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)的循環(huán)，即使止回器損壞也不需更換全部滑油，只需將止回器換新，清洗局部管路即可，大大降低了維修工程量，減少了維修費(fèi)用。此方法需配套增加小型滑油泵一臺(tái)，滑油冷卻器一只，滑油儲(chǔ)存單元一個(gè)，配套管路數(shù)根。該方案初始安裝費(fèi)用略高，改動(dòng)程度一般，會(huì)增大舵槳裝置體積，總體方案可行性一般，適用于新造舵槳設(shè)備選用。方案二：在原有系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)，在止回器的滑油出口管路上，設(shè)置過(guò)濾及檢測(cè)裝置，一旦止回器發(fā)生損壞，一方面金屬雜質(zhì)不會(huì)隨滑油流動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)，另一方面雜質(zhì)使濾器堵塞觸發(fā)檢測(cè)裝置報(bào)警，便于工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)采取措施。此方法需配套細(xì)濾器一只，滑油壓差報(bào)警器一個(gè)，主機(jī)報(bào)警板聲光報(bào)警一只。該方案初始安裝費(fèi)用較低，改動(dòng)程度較小，但不能避免止回器損壞，總體方案可行性較高，適用于在用舵槳設(shè)備改造選用。方案三：改變?cè)兄够叵到y(tǒng)，取消止回器，并將離合器部分進(jìn)行改進(jìn)，取消原有氣動(dòng)離合器，采用液壓離合器，一方面脫排狀態(tài)下螺旋槳反轉(zhuǎn)不會(huì)損壞任何部件，另一方面合排狀態(tài)下靠摩擦片鎖緊力起到止回作用。此方法需配套離合器一套，液壓管系數(shù)只。該方案改造費(fèi)用高，改動(dòng)程度大，雖避免了止回器的損壞，但止回效果變差，總體方案可行性一般，適用于新造舵槳設(shè)備選用。

根據(jù)以上三種改進(jìn)方案，經(jīng)與該型舵槳廠家相關(guān)專(zhuān)家探討，并組織相關(guān)專(zhuān)題交流會(huì)議。經(jīng)過(guò)多方的努力，SRP1515FP型全回轉(zhuǎn)舵槳生產(chǎn)總公司在一定程度上認(rèn)可了該型止回器的不適用性，并采取上述方案三的辦法，計(jì)劃對(duì)同類(lèi)型全回轉(zhuǎn)止回系統(tǒng)進(jìn)行了徹底的改造，同時(shí)更換了離合器結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。目前該改進(jìn)方案已在部分新造同類(lèi)型全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)中建造實(shí)施。

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