可伸縮式吊艙推進(jìn)器升降系統(tǒng)對比分析

杜 鵬，舒永東

(南京高精船用設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展，人們對推進(jìn)器的高效和環(huán)保方面的要求越來越高。吊艙推進(jìn)器優(yōu)化了船舶的水動力性能，節(jié)省了船內(nèi)空間，增加了設(shè)計建造及使用的靈活性，具有高效、節(jié)能的特性，在船舶配套中的應(yīng)用范圍越來越廣泛，如：應(yīng)急救助船、深水鋪纜船、大型遠(yuǎn)洋郵輪、海上平臺等高附加值船舶均要求配備可升降式吊艙推進(jìn)器。

目前，研究可伸縮式吊艙推進(jìn)器系統(tǒng)的文獻(xiàn)較少，而升降系統(tǒng)在設(shè)計、選型標(biāo)準(zhǔn)和整體系統(tǒng)配套等方面面臨較多困難。為此，本文以可伸縮式吊艙推進(jìn)器為研究對象，對多種升降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用范圍等進(jìn)行研究。

1 可伸縮吊艙推進(jìn)器升降系統(tǒng)特點和類型

1.1 特點

可伸縮吊艙推進(jìn)器是將電機(jī)放置在吊艙殼體內(nèi)直接驅(qū)動螺旋槳的一種新型特種推進(jìn)器。在船舶航行期間，推進(jìn)器在不工作時可伸縮至船體內(nèi)部，以減少水流阻力，降低油耗并提高船體航速。

可伸縮吊艙推進(jìn)器主要結(jié)構(gòu)包括推進(jìn)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)和升降系統(tǒng)。具體特點如下：

(1)推進(jìn)系統(tǒng)主要包括滑環(huán)、水下殼體、永磁或勵磁推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳軸、螺旋槳等。動力通過電纜從船上發(fā)電機(jī)連接到滑環(huán)，再經(jīng)滑環(huán)為布置在水下殼體中的推進(jìn)電機(jī)供電。

(2)轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)主要包括井箱、轉(zhuǎn)舵電機(jī)/液壓馬達(dá)、行星減速箱、轉(zhuǎn)舵齒輪、回轉(zhuǎn)支撐等組件。通過轉(zhuǎn)舵電機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動行星減速箱吊艙推進(jìn)器的水下部分360°轉(zhuǎn)舵，為船舶提供矢量推力。

1.2 類型

目前，可伸縮式吊艙推進(jìn)器的升降系統(tǒng)可分為液壓缸升降系統(tǒng)、絲杠桿升降系統(tǒng)和齒輪齒條升降系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍見表1。

表1 3種吊艙推進(jìn)器升降系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

2 液壓缸升降系統(tǒng)

液壓缸升降系統(tǒng)通過液壓缸將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)行直線往復(fù)運動，具有整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等優(yōu)點。該系統(tǒng)通常安裝在舯部或兩翼，主要包括滑環(huán)、井箱、安全掛鉤組件、升降基座、升降轉(zhuǎn)舵管、船體基座、導(dǎo)柱、水下箱體、螺旋槳等組件，其布置見圖1。系統(tǒng)工作時液壓站通過液壓油使液壓缸驅(qū)動水下整體組件作上升或下降運動。

圖1 液壓缸升降系統(tǒng)吊艙推進(jìn)器布置圖

目前，液壓缸升降系統(tǒng)有側(cè)向推進(jìn)器和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器2種。當(dāng)船舶進(jìn)行靠岸或橫向移動時，將吊艙推進(jìn)器收縮至船首內(nèi)部實現(xiàn)側(cè)推功能；當(dāng)船舶為DP模式或轉(zhuǎn)彎模式時，驅(qū)動吊艙推進(jìn)器下降至船體底部切換為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)模式。在船舶尾部主推進(jìn)器全部失效的極端情況下，該升降系統(tǒng)可臨時充當(dāng)主推進(jìn)器來使用，將船舶帶回港口維修處理。

該系統(tǒng)由于升降的行程受限于液壓缸的長度，故多配套在小功率吊艙推進(jìn)器(2 MW以下)或升降高度較小的中、小型船舶上。

3 絲杠桿升降系統(tǒng)

絲杠桿升降系統(tǒng)中，絲杠桿通過螺紋將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，可將電機(jī)/液壓馬達(dá)的扭矩轉(zhuǎn)換為軸向的雙向作用力。與液壓缸升降系統(tǒng)相比，絲杠桿升降系統(tǒng)在升降方面具有更優(yōu)的自鎖性和精度，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高。該系統(tǒng)主要由滑環(huán)、液壓馬達(dá)、同步鏈、升降基座、絲桿、升降轉(zhuǎn)舵管、船體基座、導(dǎo)柱、水下箱體、螺旋槳組成，其布置見圖2。導(dǎo)柱的上端固定在船體基座底部。底端與船體支撐連接，與吊艙本體之間滑動連接，在升降過程中為吊艙本體提供導(dǎo)向。絲杠的頂端固定在船艙頂部，絲杠的底端固定在船體基座上。當(dāng)推進(jìn)器升降時，液壓站驅(qū)動2套液壓馬達(dá)帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，2根絲桿之間通過同步鏈條連接，保證2根絲桿同步轉(zhuǎn)動。螺紋襯套安裝在升降基座上，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動螺紋襯套繼而帶動升降基座、滑環(huán)及吊艙水下箱體等一同升降。

4 齒輪齒條升降系統(tǒng)

齒輪齒條升縮吊艙推進(jìn)器主要應(yīng)用在5 MW及以上的吊艙推進(jìn)器、海洋工作平臺、大型起重船、深水鋪纜船等大型遠(yuǎn)海船舶上。相比于上述2種升降系統(tǒng)，齒輪齒條升降系統(tǒng)具有升降速度平穩(wěn)、工作行程長、抗偏載能力強(qiáng)等優(yōu)點，整體系統(tǒng)冗余度高、便于外部維護(hù)保養(yǎng)。

圖2 絲杠桿升降系統(tǒng)吊艙推進(jìn)器布置圖

齒輪齒條升降系統(tǒng)可通過對齒條長度的非標(biāo)設(shè)計來滿足不同船型對升降行程的要求。通常根據(jù)升降機(jī)構(gòu)的承載特性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，一般在升降筒體對角線處設(shè)置2處齒輪齒條裝置并將齒條固定在船體上，通過升降機(jī)構(gòu)內(nèi)的液壓馬達(dá)驅(qū)動行星減速箱升降機(jī)構(gòu)，驅(qū)動單元始終承受推進(jìn)器的重量載荷。由于液壓馬達(dá)回路采用雙向平衡、高冗余度和模塊化的設(shè)計方案，當(dāng)一個驅(qū)動單元模塊出現(xiàn)破壞故障時，可以單獨拆除維修，其余單元仍然正常工作。在筒體上布置有多處伸縮銷。在推進(jìn)器提升或下降至指定工位后，伸縮銷插入船體的銷孔內(nèi)，用以承受推進(jìn)器運行時產(chǎn)生的推力。

因大型船舶的高度高，在升降井內(nèi)具有充足空間，可將吊艙推進(jìn)器的配套件諸如轉(zhuǎn)舵電機(jī)啟動柜、推進(jìn)電機(jī)啟動柜、推進(jìn)電機(jī)變頻器和行星減速器等集成于升降筒體內(nèi)部，以節(jié)省艙內(nèi)空間。其布置圖見圖3。升降筒體外部需進(jìn)行耐腐蝕處理，以滿足長時間外部海況設(shè)計要求。

圖3 齒輪齒條升降系統(tǒng)吊艙推進(jìn)器布置圖

5 結(jié)語

2017年亞洲巨型海上浮吊“華天

龍”號改造項目首次采用了齒輪齒條伸縮式吊艙推進(jìn)器，實船運行情況良好，在甲板上即可對推進(jìn)器進(jìn)行維護(hù)且無需進(jìn)入船塢即可拆卸，節(jié)省了維護(hù)時間和成本，降低了運營風(fēng)險。目前可伸縮式吊艙推進(jìn)器市場前景應(yīng)用廣泛。

本文詳細(xì)介紹了吊艙推進(jìn)器的3種升降系統(tǒng)的原理及應(yīng)用范圍，分析了3種升降系統(tǒng)的特點，對吊

艙推進(jìn)器升降系統(tǒng)的設(shè)計、操作流程等具有一定的指導(dǎo)意義。