可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳在敷纜船上的應用

樂明友

摘要：基于敷纜船在施工時的要求及淺水域特點對船舶推進系統(tǒng)的特殊要求，根據(jù)可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳的特性，以3500 DWT 敷纜船為研究對象，分析了全回轉(zhuǎn)舵槳在敷纜船上的應用，并對全回轉(zhuǎn)舵槳的安裝工藝進行總結(jié)，為后續(xù)類似船舶的設計和建造提供參考。

關(guān)鍵詞：敷纜船;可伸縮;全回轉(zhuǎn)舵槳;設備安裝;造船工藝

中圖分類號：U664.31? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0053-03

0? 引言

我國有1.8萬公里海岸線，300多萬平方公里管轄海域，擁有超過5000個島嶼或海島，這些島嶼或海島有些有人類群體長期生活，有些適合發(fā)展近海風電，有些具有戰(zhàn)略意義，這些島嶼與大陸的電力通信連接大部分是靠海底電纜、光纖電纜或光纖復合海底電纜等。風力發(fā)電是世界上發(fā)展最快的綠色能源技術(shù)，隨著國家的重視和產(chǎn)業(yè)自身的逐步成熟，中國海上風電將健康、規(guī)?；l(fā)展，并逐步呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭，風力發(fā)電都是通過海底電纜傳輸電能到陸地。海洋石油平臺也是通過海底電纜實現(xiàn)通訊等工作。敷纜船是一種必不可少的敷設海底電纜的設備。為了防止電纜在敷設時被破壞和滿足敷設電纜時精度要求，敷纜船動力定位系統(tǒng)十分的重要，而舵槳就是一種非常高效的推進器和動力定位裝置。敷纜船在淺灘敷設電纜時，往往會出現(xiàn)坐灘現(xiàn)象，為了保護推進器和延長舵槳的使用周期，可短距離伸縮的全回轉(zhuǎn)舵槳滿足了敷設電纜時環(huán)境使用要求。

1? 可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳的介紹

1.1 全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)的組成（舵槳外形結(jié)構(gòu)見圖1）

①全回轉(zhuǎn)舵槳：全回轉(zhuǎn)舵槳又稱全回轉(zhuǎn)推進器、Z形推進器、Z軸螺旋槳、全向推進器、舵推進器、轉(zhuǎn)向螺旋槳、旋回螺旋槳等（見圖2）。

②驅(qū)動馬達：為舵槳提供動力，由船舶電站供電產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，用于驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳，一般采用變頻控制（見圖2）。

③可伸縮萬向軸：驅(qū)動馬達與舵槳的連接載體，傳遞扭矩到舵槳用于驅(qū)動螺旋槳的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生推力，同時滿足舵槳的伸縮要求（見圖2）。

④圍井及驅(qū)動馬達基座：圍井及驅(qū)動馬達基座采用焊接方式固定于船體結(jié)構(gòu)上，用于安裝推進裝置本體及驅(qū)動馬達基座。圍井頂部法蘭有一定的平面度、粗糙度以及厚度要求，以確保強度和密性達到要求（見圖2）。

⑤回轉(zhuǎn)液壓單元：由回轉(zhuǎn)液壓單元組成的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)實現(xiàn)舵槳的回轉(zhuǎn)功能，系統(tǒng)包括液壓油箱、主回轉(zhuǎn)泵、液壓馬達、閥件、濾器和冷卻器等。主回轉(zhuǎn)泵為軸向柱塞式變量泵，與油箱集成一體，由馬達帶動，主回轉(zhuǎn)泵與液壓馬達構(gòu)成閉式液壓回路?；剞D(zhuǎn)液壓系統(tǒng)有獨立油箱，該系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)是完全分開的油路。潤滑系統(tǒng)由齒輪泵從舵槳本體吸齒輪油經(jīng)冷卻器冷卻后，返回舵槳實現(xiàn)冷卻潤滑的目的，回油路設有一定的背壓，回油路分兩個支路對上箱傳動系統(tǒng)中的軸承冷卻潤滑。

⑥升降液壓單元：由升降液壓單元組成的升降液壓系統(tǒng)采用液壓傳動，通過升降泵站驅(qū)動下導柱組件的兩個伸縮液壓油缸，推動油缸中的活塞上下運動，從而帶動舵槳整體上下移動。

⑦潤滑系統(tǒng)：用于潤滑推進部分的齒輪箱及轉(zhuǎn)舵部分的齒輪箱等相關(guān)部件。

⑧控制系統(tǒng)：舵槳回轉(zhuǎn)控制是以精密電位器作位置傳感器的閉環(huán)隨動系統(tǒng)。手柄的指令角度與推力方向的角度差作為系統(tǒng)的輸入訊號，輸出訊號驅(qū)動液壓電磁閥，操縱液壓馬達的正反向轉(zhuǎn)動，當推力方向至所需方向時，電磁閥截止，舵槳回轉(zhuǎn)也停止。推力方向由駕控臺上舵槳表顯示，舵槳回轉(zhuǎn)時，其指針亦相應回轉(zhuǎn)，駕駛員可按該舵槳表直觀地操縱舵槳，并可使舵槳停止在任何角度。舵槳回轉(zhuǎn)由一復合手柄統(tǒng)一實現(xiàn)，每一臺主機和推進裝置對應一操縱臺（包括復合手柄）控制。兩手柄組合使用，可提供任意的推力矢量，實現(xiàn)船舶的各種機動航行。

1.2 全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)的特點

①性能穩(wěn)定。驅(qū)動動力經(jīng)萬向軸、第一級圓錐齒輪（二個齒輪）、齒型聯(lián)軸器、第二級圓錐齒輪（二個齒輪）、帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。螺旋槳軸為簡支結(jié)構(gòu)，具有良好的剛度。所有齒輪與軸都采用無鍵過盈連接，具有很好的抗沖擊性能。

②淺水域工作及航行。全回轉(zhuǎn)舵槳的一個顯著特點是它可以在淺水域進行工作。具有高機動性的全回轉(zhuǎn)推進器，由于其安裝位置一般與船底平齊，不會造成船舶阻力增加，也不會產(chǎn)生與海里的漂浮物發(fā)生碰撞的危險;螺旋槳靠近船底布置，因此即使在很小的水深環(huán)境下仍能正常地工作。船體采用平底設計，舵槳可伸縮，可以在淺灘坐灘。

③結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝和維護。法蘭式安裝采用螺栓固定，僅需對圍頂部法蘭面進行平面度加工，施工簡單;采用由上而下的吊裝方式安裝，與自下而上的安裝方式相比更加簡單，省時省力;采用整體式導流罩有效的保護螺旋槳及提高推進效率。集成式離合器，結(jié)構(gòu)緊湊，這種推進裝置可在車間中整個組裝完成，不需水下作業(yè)，安裝及維修十分方便。

④操縱性。通過傘齒輪系統(tǒng)傳動機構(gòu)使螺旋槳或?qū)Ч芡七M器能在水平面內(nèi)繞豎軸作360°轉(zhuǎn)動，用以推進并操縱船舶的推進器。因其軸系布置呈Z字形，可同時起推進和操縱船舶的作用。能任意改變推力的方向，使船原地調(diào)頭，進退自如。全回轉(zhuǎn)舵槳盡管沒有舵，但卻可以使螺旋槳的推力完全轉(zhuǎn)換為相當于舵力的作用，以利操縱船舶，而且全回轉(zhuǎn)舵槳單位功率推力大，而且后退推力和前進推力基本相同。任何角度下均不會減小推力，操縱性極佳。

⑤可伸縮性。舵槳上有升降單元，當敷纜船在淺灘施工時，潮水可能退卻，敷纜船可以根據(jù)水底地形和潮水情況，將舵槳提升到一定高度，避免因為坐灘或淺灘造成螺旋槳的損壞（見圖2）。

⑥其他特性。采用變頻控制，低速航行可靠性好。冗余度大，推進動力系統(tǒng)有足夠的冗余度，推進系統(tǒng)不易受到單個設備故障的影響。低噪聲、低振動、低油耗、低廢氣排放、長時間低速航行、運行可靠、節(jié)省機艙空間等優(yōu)秀空間。通過功率管路系統(tǒng)（PMS）可選擇發(fā)馬達組投入運行數(shù)量，以達到最佳的經(jīng)濟效率。

2? 可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳的實船應用

2.1 3500 DWT敷纜船簡介

3500 DWT敷纜船總長84.80m，型寬28.00m，型深5.50m，設計吃水3.60m。本船為適用于近海航區(qū)的淺吃水敷纜船。主甲板面載貨量達到3500噸，本船用于敷設海底電纜、海底電纜維修平臺和海底電纜的運輸，并可兼顧運輸海洋工程建設需要的大件設備。船艏艉共安裝4套變頻驅(qū)動可升降全回轉(zhuǎn)舵槳1500kW×4，升降高度為400mm，滿足DP-2的動力定位。

2.2 全回轉(zhuǎn)舵槳在敷纜船的應用情況

艏艉4套全回轉(zhuǎn)可伸縮舵槳，采用變頻控制，能任意改變推力的方向，使船原地調(diào)頭，進退自如，操縱性能好。為了滿足DP-2定位不需要安裝常規(guī)船舶的舵和隧道推進器，操縱性明顯改善。由于沒有軸系等船尾部附體對型線的限制，船尾設計便于改善伴流場，提高推進效率?？缮炜s保證了船舶在淺灘敷纜時的安全性。

通過實船驗證，可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳使船舶具有較高的靈活性、回轉(zhuǎn)性和全向推進能力，能很好地滿足敷纜船在實際運營和操作需要;同時，可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳可以實現(xiàn)船舶自主的靠船和靠碼頭能力，省去了拖輪的輔助約束，提高了船舶的經(jīng)營性和競爭力。前期安裝簡單，后期維護保養(yǎng)也簡單，不存在進塢檢修等事情，假如出現(xiàn)故障舵槳可以實現(xiàn)水上檢修和更換。

2.3 可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳的安裝工藝

下面以3500噸敷纜船舵槳RFRP-RT-2000型號為例，介紹可伸縮全回轉(zhuǎn)舵槳的安裝工藝流程，本船舵槳采用從上往下安裝方式。

2.3.1 舵槳圍井安裝

①圍井頂部法蘭與船體外板需平行，與船體的中縱都沒有角度。高度應滿足圖紙要求，圍井的中心盡可能接近理論中心，前后左右允許定位公差為±5mm;②外井與船體結(jié)構(gòu)對接焊處需完全焊透，以確保強度足夠;③裝焊后頂部法蘭平面度誤差不超過2mm，精加工圍井上平面和O型圈槽，加工后圍井安裝面的變形量≯0.2mm，粗糙度級別為6.3μm。如不滿足要求，應再精加工至要求范圍內(nèi)，同時確保加工后的法蘭厚度不低于45mm（見圖3）;④根據(jù)安裝圖舵槳圍井有四個M30的緊栓（前后左右對稱位置），根據(jù)安裝圖的將理論的四個定位緊栓的孔預轉(zhuǎn)至？準28mm左右，作為安裝舵槳的定位。同時將舵槳推進馬達的定位螺栓孔預轉(zhuǎn)孔。

2.3.2 舵槳和馬達的吊裝

①安裝前，需再次檢查圍井頂部法蘭平面度、粗糙度級別以及厚度。將舵槳、推進馬達、圍井和馬達基座的密封表面清潔干凈，去除油漆、油脂、焊渣和毛刺，并進行干燥處理，以確保密性和澆筑環(huán)氧達到要求。

②徹底清理圍井安裝面及密封溝槽，安裝？準14 橡膠條至密封溝槽，放好后圍井密封面涂密封膠。

③按照廠家要求的吊孔起吊舵槳，推進器運輸和擺放時處于水平狀態(tài)，吊裝前先拆掉運輸支架上的固定螺栓，采用吊機將推進器吊至豎直狀態(tài)，在推進器吊至豎直狀態(tài)時，打開RFRP-RT-2000的回轉(zhuǎn)鎖緊蓋板，用專用扳手轉(zhuǎn)動手動轉(zhuǎn)舵齒輪的六角方榫，將全回轉(zhuǎn)推進器的水下回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動180 度。吊裝舵槳至圍井座。根據(jù)定位預轉(zhuǎn)的定位孔將舵槳安裝到位。檢查圍井安裝接觸面的均勻性，如果發(fā)現(xiàn)O型圈或其他異物導致舵槳平面與圍井平面密封接觸不良，將推進器平穩(wěn)向上起吊10cm 左右，整理好后再平穩(wěn)放下推進器直至接觸良好及均勻。

④將舵槳推進馬達及中間軸吊裝進想對應的位置，馬達底部用木板墊高。

2.3.3 舵槳與圍井緊固

根據(jù)最終的舵槳位置，將圍井其他的普通螺栓孔位置鉆孔至？準33mm，4個緊栓位置按照M30緊栓的配合要求鉸孔。按照對稱鎖緊方法，將所有螺栓鎖緊，扭力為1300 N.m（見圖3）。

2.3.4 圍井內(nèi)升降下導柱的安裝

①圍井內(nèi)有舵槳升降的2個下導柱，圍井定位后，需要將導柱支持板牢固的固定在圍井壁上，焊接的反面位置船體有專門的加強。每個“導柱下支撐板”配2 塊“連接板”（見圖4）。②在下導柱端面零時焊接臨時校中可調(diào)工裝，采用M36的絲桿“十字”方向焊接，保證可以調(diào)整下導柱與銅套之間的間隙。③調(diào)整校中工裝，調(diào)整下導柱的相對位置，測量導柱在下支撐座內(nèi)4個方位的圓周側(cè)隙。將數(shù)值記入，將導柱1 與導柱2 相同方位的側(cè)隙對比，其差值應不大于0.3mm。④啟動液壓泵站（舵槳的可升降系統(tǒng)臨時接入），操作升降油缸，舵槳通過上導柱升至最高，升降高度為400mm;操作掛鉤油缸，將掛鉤靠緊轉(zhuǎn)舵外套，點動操作升降油缸，將舵槳落在掛鉤上。⑤定位“連接板”。將2 塊“連接板”分別貼在“導柱下支撐板”的上下兩面，“連接板”的端面靠緊圍井圓筒的內(nèi)壁，將焊接破口朝外。（注意：不可在“導柱下支撐板”與“連接板”之間做點焊固定）（見圖5）。⑥焊接“連接板”與圍井之間的焊縫。要求采用多道連續(xù)焊，焊接尺寸要求見圖紙，焊接前可在“連接板”與圍井之間做固定支撐，防止“連接板”產(chǎn)生過大的翹曲變形。⑦定位“導柱下支撐板”，點焊“導柱下支撐板”與上下“連接板”之間的焊縫。然后進行舵槳的升降操作，將舵槳降至最低，測量導柱在下支撐座內(nèi)4 個方位的圓周側(cè)隙，與初始記錄對比，側(cè)隙值應基本一致。再將舵槳升至最高，并用掛鉤掛好舵槳。⑧焊接“導柱下支撐板”與上下“連接板”之間的角焊縫：焊腳高度15mm，要求采用多道連續(xù)焊（不少于8道），上下兩面同時焊接或交替焊接，盡量減少焊接變形。⑨檢查導柱的變形量，將舵槳降至最低，測量導柱在下支撐座內(nèi)4 個方位的圓周側(cè)隙（見圖5），將導柱1 與導柱2 相同方位的側(cè)隙對比，其差值應不大于0.3mm。

2.3.5? 舵槳推進馬達的安裝

①定位舵槳與推進馬達。RFRP-RT-2000處于工作高度（推進器降至最低時），推進器的輸入軸與推進馬達的輸出軸要求同軸線，兩軸線的對中要求（即萬向軸安裝技術(shù)要求）：

1）兩軸線角度誤差不大于0.3°。

2）輸入法蘭與輸出法蘭同心度誤差不大于0.2mm。

3）萬向軸工作長度設計值1400mm，要求輸入法蘭與輸出法蘭間距1400±2mm。

②環(huán)氧：澆筑推進馬達環(huán)氧，環(huán)氧的厚度約為35mm。環(huán)氧固化以后，按照要求將緊固螺栓鎖緊。

③止推塊：根據(jù)安裝圖要求將止推塊安裝在推進馬達的四個角，止推塊的接觸面不小于70%。

2.3.6 萬象軸的安裝

萬向軸工作長度設計值1400mm，要求輸入法蘭與輸出法蘭間距1400±2mm。萬向軸兩端聯(lián)結(jié)螺栓根據(jù)廠家要求為現(xiàn)場配鉸，螺栓按照圖紙要求鎖緊至扭力值。

3? 結(jié)語

通過本文對可伸縮舵槳的結(jié)構(gòu)、原理、特性等方面的分析可知，選擇可伸縮舵槳作為敷纜船在淺水域的動力推進器使用，能夠大大提高其在淺水域航道上的操縱性及安全可靠性，提高敷纜的效率，提高市場競爭力，為船東贏得廣闊的市場空間。另外，本文通過總結(jié)可伸縮舵槳的安裝工藝，為將來同類的船舶的設計建造提供參考。

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