船用L型升降式舵槳推進(jìn)器介紹

摘 要：介紹南京東嘉船廠50m應(yīng)急反應(yīng)救助船上配套的L型升降式舵槳推進(jìn)器，該推進(jìn)器是一種新型船用舵槳推進(jìn)器，同時(shí)擁有側(cè)向推進(jìn)器和舵槳推進(jìn)器兩種工作模式，可滿足船舶在不同的作業(yè)模式下使用，極大提高了船舶操作性能。

關(guān)鍵詞：L型，舵槳推進(jìn)器，升降式

1 升降式舵槳推進(jìn)器介紹

1.1 概述

L型升降式舵槳推進(jìn)器是一種新型推進(jìn)器，因推進(jìn)器輸入端立式變頻電機(jī)至輸出端水平螺旋槳結(jié)構(gòu)形式而命名為L(zhǎng)型推進(jìn)器。該推進(jìn)器是集升降、推進(jìn)和回轉(zhuǎn)功能為一體的綜合型推進(jìn)器，其主要結(jié)構(gòu)[1]包括：機(jī)械本體、液壓系統(tǒng)及電控系統(tǒng)等部件。L型升降式舵槳推進(jìn)器擁有側(cè)向推進(jìn)器和舵槳推進(jìn)器兩種工作模式，當(dāng)船舶為靠岸或橫向移動(dòng)模式時(shí)，可驅(qū)動(dòng)舵槳上升內(nèi)縮至船艏內(nèi)部形成側(cè)推推進(jìn)模式，該模式下舵槳是不允許360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)行的，其中舵槳螺旋槳可與船艏隧道形成一體充當(dāng)傳統(tǒng)側(cè)推推進(jìn)器來使用，當(dāng)船舶為DP模式或轉(zhuǎn)彎模式時(shí)，可驅(qū)動(dòng)舵槳下降至船體底部形成舵槳推進(jìn)模式，該模式允許舵槳360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，其中舵槳突出船體底部獨(dú)自運(yùn)行充當(dāng)常規(guī)舵槳推進(jìn)器來使用。目前該類型舵槳已少量配套國(guó)內(nèi)外搜救船、LNG船、鋪管船和大型海工運(yùn)輸船等多種船型。

1.2 推進(jìn)器基本參數(shù)

1.3 機(jī)械本體結(jié)構(gòu)

升降式舵槳通常安裝在船體艏部，采用自上而下的井式安裝型式。舵槳的井箱法蘭通過螺栓擰緊在船體方型基座上，法蘭與船體間需安裝方形密封墊片，可有效防止海水進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部。其中舵槳機(jī)械本體包括上齒輪箱組件1、井箱基座組件2、中間立軸組件3、下齒輪箱組件4、槳葉5、安全掛鉤組件6、升降轉(zhuǎn)舵管組件7等。

上齒輪箱部件由上箱體、輸入軸組件、舵槳反饋器組件、上支撐組件等零部件組成。其中輸入軸組件中的輸入軸配置有圓錐滾子軸承，輸入軸上部端帶平鍵槽，與電機(jī)輸出端通過彈性聯(lián)軸器連接，另一端與中間立軸組件花鍵配合連接，將扭矩及轉(zhuǎn)速傳遞到下齒輪箱。輸入軸上端均采用兩對(duì)唇式密封圈及經(jīng)氮化的襯套組成旋轉(zhuǎn)密封，防止內(nèi)部潤(rùn)滑油流向外部，上部頂端安裝有防塵圈，可有效地保證輸入軸在運(yùn)行過程中的防塵功能，其中輸入軸內(nèi)部為空心軸，頂部有螺塞堵死，軸在徑向方向有多處油孔，主要對(duì)外部軸承起油浴潤(rùn)滑作用。

井箱組件是舵槳裝置的支撐、升降與回轉(zhuǎn)主體，由井箱基座、法蘭蓋板、升降密封、下支撐桿等組成。井箱上部和下部法蘭通過螺栓將密封組件安裝在舵槳基座內(nèi)部，其中密封組件主要為防止海水在舵槳升降過程進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部及起到上升和下降運(yùn)行導(dǎo)向作用。其中上部和下部支撐桿分別安裝在舵槳井箱圓柱座內(nèi)的上部法蘭和井箱基座孔內(nèi)，孔內(nèi)均配置O型圈進(jìn)行密封防止海水進(jìn)入，支撐桿的主要作用是在升降過程中對(duì)上齒輪箱組件和下齒輪箱組件起到支撐和聯(lián)動(dòng)作用，保證舵槳升降的可靠性。

中間立軸組件由聯(lián)接套、立軸等組成，聯(lián)接套熱套在立軸兩端，與上齒輪箱輸入軸及下齒輪箱輸入錐齒輪軸花鍵配合，用于傳遞主電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩。

下齒輪箱部件由錐齒輪軸部件和槳軸部件組成，錐齒輪軸部件及槳軸部件上都配置有推力軸承和調(diào)心滾子軸承，下齒輪箱箱體由高質(zhì)量鑄件制造而成，其外形經(jīng)水動(dòng)力試驗(yàn)校核設(shè)計(jì)，在很大程度上減少了對(duì)水流的阻力，從而保證舵槳最佳性能。錐齒輪軸一端加工成錐齒輪，與安裝在槳軸上傘齒輪構(gòu)成一對(duì)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。完成從輸入軸到螺旋槳的動(dòng)力傳遞與減速功能。其中艉密封裝置安裝于槳軸后端，用于密封下齒輪箱內(nèi)的潤(rùn)滑油，可有效防止海水的進(jìn)入和潤(rùn)滑油的滲出。槳葉通過平鍵安裝在下齒輪箱組件中的槳軸上，該槳葉主要通過立式變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)中間立軸組件并傳遞給下部齒輪箱內(nèi)螺傘付來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。安全掛鉤組件主要包括安全掛鉤基座、安全掛鉤、位置傳感器組件等。安全掛鉤組件作用為保證舵槳升降至最高位置時(shí)的安全裝置，保證在該狀態(tài)時(shí)舵槳升降位置，防止液壓缸突然失效導(dǎo)致舵槳掉入船底損壞的危險(xiǎn)，安全掛鉤通過止動(dòng)上齒輪箱組件內(nèi)的安全桿來起到安全作用。升降桿組件主要包括升降桿和轉(zhuǎn)舵管組件，升降桿主要作用為連接上齒輪箱與下齒輪箱，使得舵槳整體沿井箱組件作升降作用。轉(zhuǎn)舵管組件包括蝸輪和轉(zhuǎn)舵管，其中蝸輪由上齒輪箱的蝸桿驅(qū)動(dòng)起到轉(zhuǎn)舵作用。

1.4 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)是一套獨(dú)立的隨動(dòng)控制系統(tǒng)，可以通過安裝在駕駛室控制面板上的操縱手柄進(jìn)行舵槳裝置360度轉(zhuǎn)舵和高度位置升降以及主電機(jī)加減速等一系列的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)共有兩個(gè)控制站點(diǎn)：駕控臺(tái)和機(jī)旁，可任意進(jìn)行切換，但兩個(gè)控制站點(diǎn)不能同時(shí)有效，機(jī)旁優(yōu)先于駕控臺(tái)。電控系統(tǒng)電源采用雙重冗余設(shè)計(jì)，由220V經(jīng)開關(guān)電源模塊生成24VDC和24V蓄電池并聯(lián)供電，極大保證了整體的安全可靠性。（圖3）

1.4.1 控制面板。駕駛室配置有控制面板，通過控制面板可以遠(yuǎn)程遙控舵槳推進(jìn)器啟動(dòng)、停止、位置上升和下降及調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速等功能。其中控制面板主要包括：舵角指示器、螺旋槳轉(zhuǎn)速表、操縱機(jī)構(gòu)、升降控制按鈕、安全掛鉤控制按鈕、隨動(dòng)速度指示燈、隨動(dòng)操舵工作指示燈、重載問詢指示燈、應(yīng)急操舵按鈕、報(bào)警監(jiān)控報(bào)警燈等元器組件。

1.4.2 中央控制箱。中央控制箱通常安裝在集控室或機(jī)艙，主要包括電源、PLC、放大板和繼電器等。中央控制箱通過接受指令和相關(guān)反饋信號(hào)，通過內(nèi)部放大板和PLC運(yùn)算，輸出相關(guān)信號(hào)來控制變頻電機(jī)和液壓系統(tǒng)單元運(yùn)行。

1.4.3 原動(dòng)機(jī)控制單元。原動(dòng)機(jī)控制單元[3]包括電機(jī)控制箱、變頻電機(jī)和變頻柜等。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的控制功能如下：（1）變頻電機(jī)啟/停控制：推進(jìn)系統(tǒng)既可在駕駛室遙控操作，也可以在變頻柜就地操作。（2）轉(zhuǎn)速控制：可通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來控制螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到并維持所設(shè)定數(shù)值。（3）工作狀態(tài)指示；對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和顯示，各類故障狀態(tài)的顯示和報(bào)警等。（4）聯(lián)鎖控制：變頻器的啟/?？刂婆c舵槳的升降位置、機(jī)械鎖軸裝置位置及手柄位置等信號(hào)聯(lián)鎖，對(duì)錯(cuò)誤的操作流程發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。（5）功率限制：在控制變頻器升降速的過程中，與電站管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制以保證電網(wǎng)供電的安全和可靠。（6）安全保護(hù)功能：整體系統(tǒng)在駕控臺(tái)、變頻柜等地設(shè)置緊急停車按鈕，出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)刻立刻強(qiáng)制停機(jī)；電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)功能及系統(tǒng)電網(wǎng)斷電保護(hù)功能等等。

1.4.4 液壓系統(tǒng)單元

液壓系統(tǒng)單元包括轉(zhuǎn)舵液壓系統(tǒng)、升降液壓系統(tǒng)和安全掛鉤系統(tǒng)，其中三個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行其中某一種功能時(shí)，其余兩種功能是無法運(yùn)行的。液壓系統(tǒng)單元電機(jī)采用三相交流異步電機(jī)，功率11kW、轉(zhuǎn)速1460rpm、電制380V/50Hz，液壓泵采用變量柱塞泵，排量28ml/r，該液壓站系統(tǒng)單元還配置了備用手搖泵裝置，在系統(tǒng)在完全故障極端情況下備用，具有極高的安全可靠性。（圖4）

當(dāng)液壓站組件開啟轉(zhuǎn)舵功液壓系統(tǒng)時(shí)，整體為一套隨動(dòng)的電液轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。液壓站上油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)液壓油泵工作。當(dāng)電控系統(tǒng)給出轉(zhuǎn)舵指令后，液壓系統(tǒng)電磁閥調(diào)節(jié)油路換向，變量泵抽取液壓油至安裝在上齒輪箱側(cè)轉(zhuǎn)舵液壓馬達(dá)，并最終驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過蝸輪與蝸桿動(dòng)力傳遞，將舵槳裝置轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的角度。該系統(tǒng)中配置有液位傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控整體系統(tǒng)的運(yùn)行情況。當(dāng)液壓站組件開啟升降液壓系統(tǒng)時(shí)，整體系統(tǒng)為一套非隨動(dòng)的電液升降系統(tǒng)。液壓站上油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)液壓油泵工作。當(dāng)電控系統(tǒng)給出升降指令后，液壓系統(tǒng)電磁閥調(diào)節(jié)油路換向，變量泵抽取液壓油至安裝在井箱上的升降油缸，驅(qū)動(dòng)油缸里的活塞作升降運(yùn)動(dòng)，將舵槳裝置升降至設(shè)定的高度位置。該系統(tǒng)配置位置傳感器，可監(jiān)控舵槳實(shí)際升降高度位置。當(dāng)液壓站組件開啟安全掛鉤系統(tǒng)時(shí)，整體系統(tǒng)為一套非隨動(dòng)的電液升降系統(tǒng)。液壓站上油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)液壓油泵工作。當(dāng)電控系統(tǒng)給出安全止動(dòng)指令后，液壓系統(tǒng)電磁閥調(diào)節(jié)油路換向，變量泵抽取液壓油至安裝在掛鉤組件上的油缸，并最終驅(qū)動(dòng)掛鉤上油缸內(nèi)活塞前后運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到驅(qū)動(dòng)掛鉤至設(shè)定止動(dòng)位置。該系統(tǒng)配置位置傳感器，可監(jiān)控安全掛鉤的實(shí)際工作位置。

2 結(jié)束語

文章詳細(xì)介紹了船用L型升降式舵槳推進(jìn)器系統(tǒng)的組成及功能，目前該推進(jìn)器已順利通過現(xiàn)場(chǎng)試車和船級(jí)社船檢，國(guó)內(nèi)相關(guān)類似案例較少，有很大的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：杜鵬（1981，8-），男，南京人，2006年畢業(yè)于山西太原科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)，研究生?，F(xiàn)南京高精船用設(shè)備有限公司工作，工程師。