新型船用伸縮式側向推進器

舒永東，田忠殿，陳孟澤

(南京高精船用設備有限公司，江蘇 南京 211103)

0 引言

船用側向推進器是提高船舶操作性能的重要部件，傳統的側向推進器是通過固定的導管焊接在船體內，其定位尺寸和槳葉中心線距輕載水線的尺寸直接影響側向推進器的性能，且增加了整船的船體阻力，從而造成能源浪費。特別是對于一些安裝空間有限的船只，如小型游艇、工作平臺、工程船、公務船等，使用傳統側向推進器造成的損傷就更大。如何在吃水深度不足或定位尺寸不夠等特殊使用工況下既不增加了整船的船體阻力，又能提高船舶操作性能，一直是船用設備領域亟待解決的問題。本文介紹一種本公司新開發的船用伸縮式側向推進器結構，從而解決這個問題。

1 傳統側向推進器的安裝尺寸要求和局限性

傳統的側推器(圖1)焊接在船體的固定隧道內，對槳葉中心線與輕載水線a，基線的距離b 與槳葉直徑d 的關系有著一定要求:

槳葉中心線與輕載水線(設計水線)的距離a≥(1～1.5)d;

槳葉中心線與基線的距離b≥(1～1.5)d。

當在船舶吃水深度不足或定位尺寸不夠等特殊工況下，因各參數間關系無法滿足側推裝置推薦的布置結構［1］，船舶的推進效率會降低，這也正體現了傳統側推的局限性，為了彌補缺陷并提高側推性能，本公司研發了一種新型的伸縮式側推裝置。

圖1 傳統側推裝置推進布置圖

2 新型船用伸縮式側向推進器介紹

2.1 新型伸縮式側推裝置概述

伸縮式側推裝置主要結構［2］包括:機械本體、潤滑系統、伺服液壓系統、原動機及控制系統等部件。主要通過原動機驅動螺旋槳轉速，變頻器控制轉向，電磁換向閥和伺服液壓泵站控制水下推進部分的升降，并通過中央控制單元實現其控制。當螺旋槳處于上部，可與船體的管遂一起作為傳統側推使用;當螺旋槳處于下部，可360°旋轉作為臨時全回轉推進器使用。目前可廣泛應用在油船和海洋平臺工作船。

傳動型式包括L 型傳動和Z 型傳動，如圖2 所示。

2.2 機械本體的結構

如圖3 所示，船用伸縮式側向推進器是通過下齒輪箱和圓筒體3 通過螺釘固定在支撐管9 下端。槳軸15 一端插入下齒輪箱22 并通過軸承支撐于齒輪箱22 的前后軸承座上，槳葉18 位于齒輪箱22 外;齒輪箱輸入軸17 由頂部插入齒輪箱22，其上部靠軸承實現軸向和徑向定位，下部通過軸承支撐于齒輪箱22 軸承座上;齒輪箱內布置大齒輪16 和輸入軸17，實現減速。

兩個油缸5 與固定底座6 之間靠固定耳軸連接，固定底座6 上布置有固定支架;活塞桿端與支撐底座10 之間為帶球面軸承的固定耳環;油缸5 上下部各設置一油口，換向通油實現油缸的伸縮;油缸5 伸展運動時，推動支撐底座10 向上運動，拉動下端支撐管9、圓筒體3 和齒輪箱22 等結構向上收縮，當支撐底座10 運動到頂部機械止檔時，掛鉤12 掛住支撐底座10，防止推進器自然下落;當油缸5 需要回縮時，油缸13 推動掛鉤12，使支撐底座10 與掛鉤12 分開，可使推進系統下降到需要位置。

支撐管9 下端使用法蘭與下齒輪箱22 連接，支撐管內的傳動軸上端利用一球面磙子軸承固定，下端靠齒形聯軸器19 與齒輪箱22 輸入軸17 連接，把原動機扭矩最終通過槳軸15 傳遞到槳葉18，產生需要的推力;在圓筒體3上布置一個連接板4，連接板4 把槳葉18 產生的推力通過受力軸2 傳遞到船體上;導向桿8 上下端通過導向桿基座7 與安全掛鉤基座11 和固定底座6 固定。導向桿8 兩端各布置一個球面關節軸承，補償安裝偏心量。填料箱14 實現支撐管9 出水處的密封，箱體內布置幾道纖維編織盤根21 和一個合金軸瓦23;填料箱14 焊接在固定底座6 上。

2.3 伸縮式側推裝置(FPP)控制系統結構及原理

如圖4 所示，伸縮式側推控制部份包括:指令單元、中央控制箱、電力驅動單元和液壓伺服單元等。指令單元發出控制命令，反饋器將反饋信號傳給中央控制單元，中央控制單元經比較分析輸出控制信號控制驅動單元的啟停和液壓伺服單元動作。

a)指令單元

指令單元即駕駛臺控制面板，在駕駛臺操控臺上有主控制面板，左右兩翼有輔助控制面板。在控制面板上可以遙控進行推進器的起、停，螺旋槳的升降，轉速的控制，操縱地點的轉換等功能。

圖5 為控制面板裝配圖(局部)，主控制面板上有驅動電動機起停控制開關、操縱地點轉換開關、轉速指示器、轉速遙控手柄、螺旋槳升降按鈕、應急控制開關等元件。輔助控制面板上則只有地點轉換開關、遙控手柄和停止開關。

操縱地點轉換開關，可以將控制權在開關之間轉換，主控制面板上有操縱地點指示燈可以指示是由哪個面板在控制。

操控手柄連接電位器，手柄帶動觸點滑動，手柄可以同時調節螺旋槳轉速和舵角位置。

控制面板上的“應急控制”按鍵按下時可將控制模式轉為應急操縱。此時按下相關應急控制按鈕，按鍵將控制電源直接供電給比例換向閥的左推、右推控制電磁閥，可直接改變螺旋槳的升降或者舵角及轉速變化。

各控制面板的舵角和轉速指示器可以顯示PLC 輸出指示電流信號，電流信號改變指針轉動指示舵角和轉速實際值。

b)中央控制單元

中央控制單元在駕駛臺，是一個電子控制箱，主要組成是電源、PLC、系統調試裝置、執行繼電器等。總控單元接收指令和反饋信號，在內部經過計算放大，然后輸出信號控制液壓伺服單元動作改變舵角和轉速，同時接收推進系統的狀態信號，有異常時及時發出聲光報警，實現控制和監視功能。

該系統具有電動機啟動聯鎖裝置。在推進裝置縮回船體內部或者在伸縮運動過程中，無法啟動電動機和進行舵角控制，只有推進器裝置伸到最低止檔位置，行程開關發出信號，才能進行相關操作。

PLC 是控制單元的核心，由電源模塊、CPU 處理器模塊、程序存儲卡、模擬量控制模塊、獨立輸出模塊、數字量輸入輸出模塊組成。電源模塊為PLC 各工作模塊供電，其上有指示燈顯示電池的工作狀態，程序存儲內部存有推進系統控制和報警程序。

c)電力驅動單元

如圖4 推進系統原理圖所示，電力驅動單元由電力驅動控制箱，驅動電動機和變頻器組成，該單元為推進裝置提供原動力。

電控箱控制電動機的啟動、停止操作，空間加熱器和風機的開關，并反饋驅動電動機的運行、負荷等狀態，對電動機進行過載等其他連鎖保護，記錄電動機工作時間等。

對于定螺距槳葉電推系統常規一般使用變頻啟動，在啟動箱內包含一個變頻器(其變頻范圍0～50 Hz/60 Hz)，通過對主電源頻率的控制，調節原動機的轉速。啟動箱內配置有空間加熱器和風冷裝置，保持箱內理想的工作環境，延長設備使用壽命和降低故障率。

如圖6 所示，當推進裝置重載詢問允許，螺旋槳在要求位置時，伺服液壓系統啟動，自動停機復位等條件滿足，連鎖開關閉合時才可以啟動電動機。

d)液壓伺服單元

圖6 電動機變頻啟動原理圖

如圖4 所示，液壓伺服單元包括伺服控制箱、液壓伺服泵站、轉舵和舵角反饋裝置、伺服油缸等部件。液壓系統為推進裝置提供伺服油壓，在控制單元作用下改變定距槳的舵角，調整螺旋槳的垂直位置，并保證推進裝置密封良好。

液壓系統包含:轉舵液壓單元、升降液壓單元、安全掛鉤液壓單元三部分，分別起到舵角改變，推進裝置的提升和下降，推進裝置下降時脫掉安全掛鉤的作用。

轉舵液壓單元包括:電磁換向閥、液壓馬達、舵角反饋裝置等，推進裝置的轉舵功能利用換向閥改變壓力油路方向，依靠液壓馬達調整舵角，最終實現推力方向的改變，通過比例換向閥來切換油路實現液壓馬達的正反轉，從而實現舵的正反轉。

升降液壓單元包含:電磁換向閥、伸縮油缸、手動換向閥等，遠程控制電磁換向閥的閥芯位置，改變壓力油路方向，使壓力油分別進入伸縮油缸的兩個油腔，油缸伸長時推動推進器本體回收，推進裝置縮進船體內部，反之推進器伸出船體，通過液壓泵來推動兩個升降液壓缸實現側推本體的升降。通過電磁或手動控制使先導閥換向，從而控制液控主閥換向，實現本地控制并與遙控互鎖，來實現升降液壓缸的上升與下降。

安全掛鉤液壓單元包含:電磁閥和液壓油缸，推進裝置需要伸出船體時，液壓缸伸長推動安全掛鉤，使推進裝置與安全掛鉤脫開，在伸縮油缸的作用下下降。

3 新型船用伸縮式側向推進器的優點

綜上所述，本新型船用伸縮式側向推進器的優點在于:由于固定底座兩側各布置一個油缸，可以推動下齒輪箱和圓筒體上下伸縮運動，彌補因船體結構而導致側向推進器定位尺寸不足的問題，使得側向推進器的推力穩定。并能在不使用的情況下可以把側向推進器收縮回來，使得船體線性比較完整，船體阻力小，整船主推進效率高。

在結構上填料箱內選用特種纖維編織盤根，提高密封的使用壽命和密封性能;在固定底座下使用兩個受力軸分擔支撐管的彎矩，保證使用的安全性;固定底座上部通過兩個導向桿引導推進器伸縮運動，引導桿的兩端使用調心關節軸承可補償安裝偏差，使整個伸縮動作更加平穩。

4 結語

通過這種新型船用伸縮式側向推進器的開發，使得一些船舶在吃水深度不足或安裝尺寸不夠等特殊使用工況下，既能不降低整船主推進效率，又能提高船舶操作性能，具有很好的推廣意義。目前已經在一些船上使用。

［1］汪海翰，汪誠儀.側推器的初步設計［J］.船舶，1996(3).

［2］中國船舶工業總公司編.船舶設計使用手冊［M］.北京:國防工業出版社，2004.