船舶螺旋槳防纏繞螺旋切割刀的設計

胡加永　樓衛(wèi)增

摘要：為解決螺旋槳尾軸被海中懸浮物纏繞的問題，運用刀具設計的基本原理和方法，創(chuàng)新性的提出了纏繞物多刀片螺旋切割刀的設計方案，在舟山近海的航行試驗中，所設計的多刀片螺旋切割刀能夠較好的完成海中柔性懸浮物的切割任務，試驗表明：該設計方案可行。

關鍵詞：螺旋槳；防纏繞；螺旋切割刀

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）06-0056-02

船舶在航行中，船體底部經(jīng)常會接觸到網(wǎng)具、繩索等海中懸浮物，這些懸浮物在船體線型的作用下，隨著水流迅速流向船舶尾部，并纏繞在尾軸靠近螺旋槳的軸段上。

浙江舟山擁有各類船舶1300余艘，這些船舶在不同的海區(qū)航行，特別是漁船在起放網(wǎng)具時、受風浪流等影響，網(wǎng)具被壓人船底附近，經(jīng)常發(fā)生船舶螺旋槳尾軸段纏繞事故，該事故的出現(xiàn)，輕則影響航速，重則螺旋槳阻力增加、甚至阻轉(zhuǎn)，造成船舶停航事故，嚴重影響了船舶的航行安全和正常的生產(chǎn)作業(yè)。

目前的處理方法：停機停航，派潛水員下海用刀切割纏繞物，或用其它船舶將故障船舶拖至岸邊或港口，擱淺進行拖拉辦法去掉纏繞物。除此之外，還沒有更好的辦法，這給漁民的生產(chǎn)、生命安全帶來了極大的隱患，因此，螺旋槳尾軸段防纏繞問題急待解決。

1.國內(nèi)外漁船螺旋槳尾軸防纏繞研究現(xiàn)狀

1.1國內(nèi)船舶螺旋槳纏繞異物預防方法及所面臨的問題

1.1.1利用渦輪噴射水流技術防止纏繞的方法

在船舶的尾部，利用渦輪噴射水流原理，采用強力噴水的方法驅(qū)趕異物靠近螺旋槳，同時發(fā)出電子警報信號，通知船舶駕駛人員，經(jīng)過綜合分析船舶通過異物區(qū)時的方位與風、浪、流以及船舶自身特點，摸索出一套有效的安全通過異物區(qū)域的船舶駕駛工藝和技術。

面臨的問題：此方法可以一定程度預防海上異物對船舶螺旋槳尾軸的纏繞，但是，該方案的實現(xiàn)所需成本極高，而且由于該裝置技術復雜程度很高，無法向漁民推廣使用，對于海上大面積纏繞物來說，此方法效果很差。

1.1.2保護套筒防止纏繞的方法

舟山當?shù)貪O民在長期的海上航行中摸索出了許多行之有效的土方法。在考察舟山某造船廠時，發(fā)現(xiàn)當?shù)氐臐O民在尾軸處安裝了一個保護套筒，即將螺旋槳尾軸外露部分完全罩住，使發(fā)生纏繞的關鍵部位得到了保護，從而減少了海上異物纏繞螺旋槳事故發(fā)生的可能性，這是一個從實踐中總結出的預防方法。面臨的問題：一旦螺旋槳尾軸軸承斷裂、研死或螺旋槳發(fā)生故障，需要修理，船只能上岸，將密封罩取下后才能修理，這就使得修理比較麻煩，同時修理成本增高。該裝置只起到一定的纏繞異物的預防作用，一旦套筒外圈被異物纏繞，無任何排除措施。

1.2國外螺旋槳纏繞異物的排除技術

1.2.1液壓傳動的不銹鋼伸縮刀片防止纏繞：

即將傳動軸設計為空心軸，在里面安裝一個有液壓傳動的不銹鋼伸縮刀片，刀口露在尾軸處，一旦有纏繞物發(fā)生纏繞時，由液壓帶動刀片來回往復運動，從而來實現(xiàn)切割纏繞物的目的，該項技術國外正在研發(fā)中，還未見產(chǎn)品出現(xiàn)。

面臨的問題：①尾軸強度因軸的空心而大幅度下降；②空心軸內(nèi)的液壓裝置由于受到空間的限制，制造成本極高；③空心軸內(nèi)的液壓裝置由于進水而快速失效；④螺旋槳及尾軸結構需重新設計，主要零部件互換性遭到極大破壞；⑤該裝置實現(xiàn)成本極高。

1.2.2機械手（簡易機器人）防止纏繞：

通過對船舶螺旋槳纏繞異物情況的分析，可以在船舶尾部安裝一個螺旋槳纏繞異物排除的機械手（簡易機器人），使船舶螺旋槳纏繞發(fā)生時，可以施放機械手（簡易機器人），施行拖帶導引或自動切割纏繞物等辦法解決，該裝置使用后可以縮回，以免影響船舶正常航行。

面臨的問題：該方法在實施過程中會破壞船體，實施起來技術難度極大，國外此技術還處于研發(fā)狀態(tài)，而國內(nèi)對水下機器人的研究也正處于萌芽狀態(tài)，還未見對船舶防纏繞技術在各類工程科學類刊物上發(fā)表。

1.2.3單刀片回轉(zhuǎn)切割刀防止纏繞的方法

美國一家公司2006年研制了一種在螺旋槳尾軸外露部分安裝回轉(zhuǎn)切割刀，利用尾軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動刀片，刀片周向回轉(zhuǎn)使纏繞異物被橫向切斷，從而有效解決了纏繞異物纏繞螺旋槳事故發(fā)生。該方法很好的解決了刀片的周向驅(qū)動問題，其使用簡單，成本低，便于推廣。如圖1是美國一家公司的裝置。

面臨的問題：該裝置雖然進行了水下試驗，但目前困擾該裝置推廣的主要問題是：①該裝置無預防纏繞的功能；②在試驗中，海上異物軸向纏繞刀片時，刀片無法工作，同時使纏繞問題變得更加嚴重。

2.新研制的防纏繞裝置的創(chuàng)新點及設計內(nèi)容

2.1新研制防纏繞裝置的創(chuàng)新點

經(jīng)過技術攻關設計了一種多刀片螺旋回轉(zhuǎn)切割刀，該切割刀由于采用了多刀片螺旋設計，很好的解決了前面各種方法面臨的問題，且制造成本低，操作、安裝簡單，極易在各種船舶上推廣使用，如圖2所示。

2.2新型多刀片螺旋回轉(zhuǎn)切割刀的設計內(nèi)容

2.2.1多刀片螺旋回轉(zhuǎn)切割刀的安裝部位

多刀片螺旋回轉(zhuǎn)切割刀的設計汲取了美國單刀片回轉(zhuǎn)切割刀的長處，同時結合舟山漁民的保護套筒這一土辦法，創(chuàng)造性的提出了多刀片螺旋布置于切割刀外圓柱表面，從而很好的解決了刀片軸向切割運動這一難題，具體安裝部位如圖3。

2.2.2多刀片螺旋回轉(zhuǎn)切割刀的工作原理

螺旋槳尾軸的周向回轉(zhuǎn)帶動切割刀套筒做周向回轉(zhuǎn)運動，由于多刀片在刀具套筒外圓柱表面呈螺旋狀分布，刀具套筒的周向回轉(zhuǎn)運動分解為刀片的軸向切割異物的運動和切向預防異物纏繞的運動，使海中的異物不易纏繞上螺旋槳尾軸，起到預防海中異物纏繞的作用，同時當有大型異物纏繞上螺旋槳尾軸時，螺旋型的多刀片組能夠及時切割掉已經(jīng)纏繞的異物，從而起到排除纏繞異物的作用。這樣，該螺旋回轉(zhuǎn)切割刀同時具有預防和排除海中纏繞異物的作用，并且不需提供單獨動力源，該切割刀的動力僅僅借助于螺旋槳尾軸自身的回轉(zhuǎn)運動即可。在該切割刀設計中，還在刀具套筒外圓柱表面設計了螺旋導屑槽，使被切割碎的異物能及時排除掉。

2.3刀具材料的選取

2.3.1硬度和耐磨性

刀具將浸在在海水中工作，既要承受海水的摩擦阻力，又要切割柔軟的懸浮物，其硬度應大于HRC62，并同時具有一定的耐磨性。

2.3.2強度和韌性

在切割懸浮物過程中，刀具將承受較大的壓力、沖擊，為減少刀刃的崩損，刀具材料應具有足夠的強度和韌性，其抗彎強度應大于300kg/mm2。

2.3.3工藝性和經(jīng)濟性

為了便于制造，刀具材料應有良好的鍛造、熱處理及磨削加工性能，這應在制造和選用時應綜合考慮經(jīng)濟性。

2.3.4耐腐蝕性及其防護

由于所設計的刀具將工作在腐蝕性較大的海水中，刀具材料要求有較高的耐腐蝕性，因此采用了高速鋼刀具基體涂覆一層耐腐蝕性高的TiC的方法。

經(jīng)過綜合性能比較，刀具材料選用：20CANi4表面涂層TiC，以加強其耐腐蝕性。

3.結論

本文汲取國內(nèi)外好的船舶螺旋槳防纏繞經(jīng)驗，運用刀具設計的基本原理和方法，受螺旋傳動原理的啟發(fā)，創(chuàng)新性的提出了纏繞物多刀片螺旋切割刀的設計方案，根據(jù)設計圖紙，制造了多把該螺旋切割刀，在舟山近海的航行試驗中，所設計的多刀片螺旋切割刀能夠較好的完成海中柔性懸浮物的切割，試驗達到了目的，該切割刀向沿海修造船企業(yè)推廣潛力巨大。