一種遙控開(kāi)體拋石船的輪機(jī)設(shè)計(jì)

程婷菲

（中交四航局江門(mén)航通船業(yè)有限公司，廣東 江門(mén)529145）

0 引言

在碼頭施工作業(yè)中，常常會(huì)用到小型工程船舶，這些小型工程船舶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，但在風(fēng)浪較大的海邊碼頭施工作業(yè)中，存在安全隱患。在這些小型船舶上，機(jī)艙往往位于船體水線之下，采用傳統(tǒng)的推進(jìn)軸系，即發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪箱和軸來(lái)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，通過(guò)甲板上的舵機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)舵板，舵系和軸系是分開(kāi)設(shè)置的。這些小型船舶，軸穿出機(jī)艙的位置有進(jìn)水的危險(xiǎn)，機(jī)艙內(nèi)需要有足夠的空間以便人員進(jìn)去檢修設(shè)備；為了動(dòng)力設(shè)備的散熱，機(jī)艙頂部往往有較大的開(kāi)敞口，在風(fēng)浪較大時(shí)，容易導(dǎo)致機(jī)艙進(jìn)水，導(dǎo)致設(shè)備損壞。如果機(jī)艙頂部不設(shè)置開(kāi)敞口，就需要設(shè)置機(jī)械通風(fēng)，來(lái)帶走動(dòng)力艙的多余熱量，保持設(shè)備的正常運(yùn)行和人員檢修所需的環(huán)境。如果能有一種輪機(jī)設(shè)計(jì)方案，既能消除機(jī)艙進(jìn)水隱患，又不需要通風(fēng)設(shè)施，那將會(huì)在一些碼頭施工作業(yè)的船舶建造中被廣泛應(yīng)用。

某施工單位，已在別的船廠建造過(guò)多艘50立方的自航式開(kāi)體拋石船，然而某項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)，風(fēng)浪很大，以前建造的自航式開(kāi)體拋石船不能滿足安全要求。因此，需設(shè)計(jì)一種滿足較大風(fēng)浪要求的小型開(kāi)體拋石船，需要遙控駕駛功能，并且造價(jià)要盡可能低。

1 設(shè)計(jì)輸入

船東給出的船舶基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 船舶基本參數(shù)

船東要求新設(shè)計(jì)的開(kāi)體拋石船不僅滿足安全要求，在主尺度保持原船基本不變的情況下，要盡可能多裝貨，造價(jià)盡可能低，需要增加遙控駕駛功能，航速可以稍低于原船。

2 輪機(jī)專業(yè)初步設(shè)計(jì)計(jì)算

船體專業(yè)在進(jìn)行了船舶主尺度的核算、船舶線型設(shè)計(jì)后，對(duì)船東給出的船舶主尺度進(jìn)行了修正，最后確定船舶參數(shù)，如表2所示。

表2 核算后的船舶基本參數(shù)

根據(jù)船體結(jié)構(gòu)，采用艉機(jī)艙布置形式，輪機(jī)專業(yè)初步擬采用傳統(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳作為推進(jìn)系統(tǒng)，采用簡(jiǎn)易式手動(dòng)液壓操作轉(zhuǎn)舵的操舵系統(tǒng)。采用單機(jī)單槳單平板舵。增加遙控功能來(lái)滿足安全需求。

2.1 螺旋槳設(shè)計(jì)

根據(jù)船體核算后修正的參數(shù)，采用艾亞法進(jìn)行有效功率估算，7 kn時(shí)船的有效功率21.4 kW，需要主機(jī)輸出功率56.7 kW?？紤]到遙控要求和主機(jī)自帶冷卻泵等的需求，初步選用玉柴80 kW的直列、水冷、立式、四沖程、直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)組。

根據(jù)《船舶原理》中的螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)，螺旋槳直徑選用0.75 m，選用四葉槳。

2.2 軸系初步設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2021版，對(duì)軸系進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)計(jì)算確定軸系主要參數(shù)。螺旋槳直徑為0.8 m，槳數(shù)為4，螺旋槳材料為鎳鋁青銅，軸材料為35#鍛鋼，軸徑DN70，數(shù)量為1套/船。

2.3 機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)《CB/T3772-1996柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)條件和計(jì)算基準(zhǔn)》對(duì)該船機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算，又通過(guò)柴油機(jī)廠家給定的參數(shù)和溫升要求，核算了機(jī)艙通風(fēng)量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果采用自然通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)口或排風(fēng)口的面積需至少達(dá)到0.50277 m2，若采用菌型通風(fēng)筒，直徑需達(dá)到DN800 mm。根據(jù)船體結(jié)構(gòu)，機(jī)艙不易開(kāi)口和布置如此大的風(fēng)口。若采用機(jī)械通風(fēng)，風(fēng)口面積可適當(dāng)減小，但是船東為了節(jié)約成本，并不打算為該船配備發(fā)電機(jī)組，以致本船設(shè)計(jì)者不容易為機(jī)械通風(fēng)找到合適的動(dòng)力來(lái)源。

3 輪機(jī)專業(yè)技術(shù)方案設(shè)計(jì)

如果按傳統(tǒng)推進(jìn)軸系布置在機(jī)艙的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，軸系零部件鍛打定制周期較長(zhǎng)，材料費(fèi)用也較高，而且因施工碼頭海浪較高，機(jī)艙要求水密，通風(fēng)問(wèn)題不容易解決。因此，設(shè)想是否能將機(jī)艙上移，或者有其它更合適的輪機(jī)設(shè)計(jì)方案。

3.1 可放置于集裝箱內(nèi)的動(dòng)力艙設(shè)計(jì)

在為機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)尋求合適的動(dòng)力源的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一種集成式動(dòng)力艙，可以放置于甲板，為船舶提供動(dòng)力，不需要機(jī)械通風(fēng)，還可以節(jié)省造船周期，使船舶遙控更容易實(shí)現(xiàn)。

柴油機(jī)連接齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、驅(qū)動(dòng)軸來(lái)驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置；柴油機(jī)同時(shí)可驅(qū)動(dòng)1臺(tái)液壓油泵，這臺(tái)液壓油泵既給轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，同時(shí)可給船舶開(kāi)體液壓油缸提供動(dòng)力；柴油機(jī)通過(guò)皮帶輪驅(qū)動(dòng)1臺(tái)5.5 kW左右的軸帶發(fā)電機(jī)。柴油機(jī)及其冷卻器、冷卻水泵，齒輪箱，聯(lián)軸節(jié)，5.5 kW軸帶發(fā)電機(jī)，液壓油泵，柴油日用柜，液壓油柜等全部可布置于動(dòng)力艙內(nèi)。這樣，所有輪機(jī)設(shè)備均可布置于動(dòng)力艙內(nèi)，動(dòng)力艙兩邊設(shè)計(jì)可開(kāi)閉的百葉門(mén)，用于設(shè)備散熱和便于設(shè)備檢修。這種去機(jī)艙化設(shè)計(jì)，主甲板以下船體結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成密閉浮體結(jié)構(gòu)，船舶安全性又多了一層保障。

經(jīng)過(guò)輪機(jī)專業(yè)計(jì)算，最終選用一臺(tái)濰柴（WP4C120-18） 88 kW的四沖程水冷式柴油機(jī)作為主機(jī)。主機(jī)經(jīng)高彈性聯(lián)軸器、液壓離合器、萬(wàn)向軸，將動(dòng)力傳遞到舵槳輸入軸，通過(guò)舵槳內(nèi)2對(duì)螺旋圓錐齒輪、傳動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生推力，使船舶航行。舵槳水下部分可以在360°范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，提供全方位推力，改變船舶航向，螺旋槳為固定螺距螺旋槳。離合器為液壓離合器，通過(guò)高彈連接主機(jī)飛輪。停船不需要停主機(jī)，通過(guò)離合器的合排、脫排，控制推力的有無(wú)。

5.5 kW的軸帶發(fā)電機(jī)用于為電控設(shè)備和船上無(wú)線遙控設(shè)備提供電源。

3.2 駕駛艙設(shè)計(jì)

雖然該船的控制設(shè)計(jì)為在岸基遙控，但考慮到風(fēng)浪不大時(shí)或者遙控功能出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以在船上駕駛，于是設(shè)計(jì)在動(dòng)力艙前面用鋼板隔離1個(gè)駕駛艙，駕駛艙內(nèi)布置駕控臺(tái)等電氣設(shè)備。動(dòng)力艙和駕駛艙共用一道鋼質(zhì)艙壁，共用艙壁的上部只屬于駕駛艙，動(dòng)力艙低于駕駛艙，共用艙壁只屬于駕駛艙的部分采用鋼化玻璃，增加駕駛艙的視線范圍。駕駛艙的前艙壁的上半部和側(cè)艙壁的上半部分，均安裝鋼化玻璃艙，且在玻璃艙外側(cè)安裝雨刮。駕駛艙的前外側(cè)安裝大汽車(chē)用后視鏡，增加駕駛的視線范圍。

經(jīng)過(guò)輪機(jī)設(shè)備計(jì)算選型和動(dòng)力艙艙內(nèi)設(shè)備布置，最終確定動(dòng)力艙的尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=3000 mm×1600 mm×1450 mm；前面駕駛艙尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=1800 mm×1800 mm×2200 mm。動(dòng)力艙和駕駛艙的布置如圖1所示。

圖1 動(dòng)力艙和駕駛艙布置圖

3.3 螺旋槳推進(jìn)性能估算

固定螺距螺旋槳在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有推進(jìn)特性下足夠的裕度。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量選用廠家已有的系列全回轉(zhuǎn)舵槳機(jī)，無(wú)需定做，設(shè)計(jì)成熟，生產(chǎn)周期更快。

根據(jù)廠家提供的螺旋槳參數(shù)和螺旋槳敞水特性數(shù)據(jù)以及船型，選定伴流分?jǐn)?shù)，計(jì)算推力減額分?jǐn)?shù)，在相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率為1的條件下，進(jìn)行螺旋槳推進(jìn)性能計(jì)算預(yù)報(bào)。根據(jù)船體阻力和螺旋槳推進(jìn)性能計(jì)算預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，最終預(yù)估該船靜水航速約為6 kn。具體參數(shù)詳見(jiàn)表3～ 5。

表3 螺旋槳基本參數(shù)

表4 螺旋槳敞水特性數(shù)據(jù)

假設(shè)伴流分?jǐn)?shù) 0.18，推力減額分?jǐn)?shù) 0.20，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率為1 的條件下，推進(jìn)器推進(jìn)性能預(yù)報(bào)。

表5 推進(jìn)器性能預(yù)報(bào)

航速/kn 伴流分?jǐn)?shù)推力減額分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)效率 主機(jī)功率 主機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-1推力/kN 4 0.159 0.196 1 72.2 1726 9.2 5 0.18 0.2 1 73.6 1760 9 6 0.18 0.2 1 75.2 1800 8.8 7 0.18 0.2 1 71.1 1800 8.1 8 0.18 0.2 1 66.7 1800 7.3 9 0.18 0.2 1 62 1800 6.6 7 0.18 0.2 1 71.1 1800 8.1 8 0.18 0.2 1 66.7 1800 7.3 9 0.18 0.2 1 62 1800 6.6相對(duì)旋

根據(jù)船體專業(yè)計(jì)算的船舶阻力和以上推進(jìn)器性能預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)靜水航速在6 kn左右。

3.4 石艙開(kāi)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶開(kāi)體形式主要有雙開(kāi)體和四開(kāi)體[1]。

雙開(kāi)體形式：整個(gè)船由縱向大致對(duì)稱的2個(gè)半體組成，在主甲板面設(shè)連接鉸鏈，在艏艉油缸艙設(shè)開(kāi)體油缸鉸鏈。船體半體在液壓油缸的作用下進(jìn)行開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，船體2個(gè)半體繞主甲板鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

四開(kāi)體形式：船體首部和尾部各自為一個(gè)整體，中間石艙部分分為左右2個(gè)半體，這樣將船體分為了4個(gè)部分。鉸鏈分別設(shè)置在首部片體和石艙處、尾部片體和石艙處，用于連接首尾片體和石艙。開(kāi)體時(shí)，只有石艙左右片體進(jìn)行開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。

四開(kāi)體形式相對(duì)于雙開(kāi)體形式更復(fù)雜，更加適用于首尾有上建或機(jī)艙的較大船舶。該船較小，改為采用可裝配式動(dòng)力艙后，無(wú)船體機(jī)艙，所以采用的雙開(kāi)體形式，但在尾部放置動(dòng)力艙的地方采用了偏離縱中心線分割開(kāi)體的形式，及船體首部和石艙區(qū)均是從縱中線分割剖開(kāi)，到首部放置動(dòng)力艙前進(jìn)行過(guò)渡斜切，使得船體尾部?jī)砂塍w分割線偏離中心線，根據(jù)船體專業(yè)穩(wěn)性等計(jì)算，最終確定尾部分割線偏離縱中線500 mm，如圖2所示。

圖2 船體開(kāi)體分割線示意圖

該船首尾油缸艙各設(shè)開(kāi)體油缸一支，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓泵給液壓開(kāi)體油缸提供動(dòng)力，開(kāi)體油缸作用于油缸鉸鏈支座，油缸鉸鏈支座安裝于油缸艙，鉸鏈支座安裝眼板于油缸安裝孔通過(guò)不銹鋼軸安裝連接，并安裝角接觸球軸承。兩半體開(kāi)合時(shí)間定為：開(kāi)體≤100 s，合體≤60 s。經(jīng)過(guò)計(jì)算，選用油缸壓力為16 MPa、油缸流量25 L/min時(shí)滿足開(kāi)體要求，液壓泵最高壓力選用25 MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算和布置優(yōu)化，最終選用液壓開(kāi)體油缸180/100-1000，即油缸腔內(nèi)徑180 mm，桿徑100 mm，行程1000 mm。油缸配備雙向平衡閥，安裝距離1700 mm。

艏艉油缸艙上方主甲板上開(kāi)體分割線處各設(shè)置一對(duì)甲板鉸鏈，用于連接2個(gè)船體片體。每對(duì)鉸鏈由2塊橫向立板和1塊中間眼板組成，通過(guò)中間銷軸連接而成，并在眼板于銷軸中間安裝軸承[2]。

4 輪機(jī)設(shè)備控制設(shè)計(jì)

該船不設(shè)發(fā)電機(jī)，主機(jī)軸帶5.5 kW發(fā)電機(jī)可用于船上輪機(jī)設(shè)備控制的供電。

主機(jī)與舵槳機(jī)的控制主要有：柴油機(jī)啟動(dòng)/停止，轉(zhuǎn)舵、加/減速多功能聯(lián)合操作手柄（其中包含離合器的控制），急停/復(fù)位按鈕，主機(jī)轉(zhuǎn)速表、舵角指示表，調(diào)光按鈕，主機(jī)、舵槳機(jī)及運(yùn)行指示、故障報(bào)警指示燈（其中包含主機(jī)故障、舵槳綜合故障、離合器油壓低、轉(zhuǎn)舵油壓低、油溫高等報(bào)警）。

開(kāi)體油缸控制：開(kāi)體油缸開(kāi)/合控制使用轉(zhuǎn)舵液壓泵通過(guò)電磁閥控制，操作臺(tái)設(shè)置控制開(kāi)關(guān)或按鈕。

液壓泵站實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵和控制船體開(kāi)體油缸開(kāi)體，液壓系統(tǒng)由軸帶恒流量油泵提供動(dòng)力，通過(guò)控制電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)舵和船體開(kāi)體控制。油缸液壓管路上配備溢流閥和節(jié)流閥等閥組。

動(dòng)力艙內(nèi)不設(shè)本地控制箱，動(dòng)力艙內(nèi)所有設(shè)備的控制和監(jiān)視均集成至駕駛室操作臺(tái)上，在駕駛室內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有操作，包含柴油機(jī)、齒輪箱、軸帶發(fā)電機(jī)、軸帶油泵、液壓閥組等設(shè)備。同時(shí)動(dòng)力艙的控制具備遠(yuǎn)程遙控接口。

動(dòng)力艙內(nèi)的電纜盡可能采用重載連接器進(jìn)行連接，方便檢修、拆裝；電纜成束敷設(shè)，做好防護(hù)，動(dòng)力電纜和通訊電纜分開(kāi)敷設(shè)。

另外，電氣專業(yè)設(shè)計(jì)有用于船舶遙控和定位的GPS、無(wú)線通訊、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)體拋石船主要用于碼頭填充拋石作業(yè)，海港碼頭在拋石填充階段一般環(huán)境較為惡劣，采用遙控船舶，可以實(shí)現(xiàn)零船員要求，去除安全隱患，降低人工成本。設(shè)計(jì)選用合適的輪機(jī)設(shè)計(jì)方案，可以使船舶遙控功能更易于實(shí)現(xiàn)。

該船采用去機(jī)艙化輪機(jī)設(shè)計(jì)，動(dòng)力艙置于主甲板，采用螺栓和墊塊安裝。當(dāng)駁船用于海外項(xiàng)目，施工結(jié)束后，由于考慮運(yùn)輸成本駁船殼體往往被扔棄，而采用可裝于集裝箱運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力艙輪機(jī)設(shè)計(jì)方案時(shí)，動(dòng)力艙可重復(fù)利用，這樣可較大降低施工成本。目前，該輪機(jī)設(shè)計(jì)方案已通過(guò)實(shí)船試驗(yàn)，得到船東認(rèn)可。

此外，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要跟用戶多溝通，了解清楚船舶使用工況，更利于方案的設(shè)計(jì)和選用。