船舶輪機自動化機艙動力裝置與系統

文盛

摘 要：船舶輪機動力裝置與系統設計需要滿足船用條件、符合國際公約或規則、相關法律法規、考慮動力系統內部以及外部裝置的協同與相互作用，動力系統設計過程中，需要考慮設計模塊化、參數化、規范化，整個動力系統中齒輪箱、助推柴油機需布局緊湊。船舶輪機動力裝置與系統自動化能夠實現進行保護、監視、測量、指示、調整、變換與控制等工作，設計時先進行船舶動力系統選型計算，而后設計與之匹配的自動化系統。

關鍵詞：船舶輪機；自動化；機艙；動力裝置；動力系統

船舶輪機自動化是船舶發展的趨勢，能夠有效的提高機輪的工作效率，延長輪機的使用壽命，縮短人工操作的流程，提高船舶的可操作性，降低駕駛風險。動力裝置與系統是整個船舶中的核心組成部分，也是自動化水平發展最快的部分，動力裝置與系統的建設水平一定程度代表整個船舶的建造工藝水平、設計理念。本次研究就船舶輪機自動化機艙動力裝置與系統發展情況進行概述。

1 船舶的動力裝置與系統

船舶的動力系統是確保船舶正常航行、作業、停泊以及乘客、駕駛者工作與生活所需的系統，是一個復雜的機電設備工程系統。一個理想的動力系統應考慮以下幾點：①需要符合船用條件，滿足船舶的環境、空間、使用、運行與保障條件；②符合國際公約或規則、相關法律法規，符合全面系統以及綜合設計思想；③考慮動力系統內部裝置的協同、相互作用，同時考慮與整個船舶其他設備、系統的相互關系。機艙動力裝置與系統設計方法主要可分為并行設計、優化設計、模塊化設計、協同設計、虛擬設計等方法，其中虛擬設計是基于計算機技術發展而來，以仿真、產品全壽命周期建模為基礎，采用人工智能、并行工程等多種先進技術于一體設計方法，極大的提高了設計質量，縮短了設計周期與設計成本，在海軍船舶設計與建造中發揮重要作用。當前工業產品呈多樣化發展，船舶的動力裝置可供選擇的品種較多，船舶的零件中還能多，功能結構非常復雜，一個企業往往無法生產，在船舶動力系統設計過程中，便需要采用一定的約束條件，選擇合適的組件，進行組合，以滿足整個系統設計需求。在動力系統設計過程中，需要考慮設計模塊化、參數化、規范化，同時滿足多樣化與個體化的用戶需求。船舶的動力系統一般分為主推動柴油機、齒輪箱兩個部分，也是主機控制系統的主要組成部分，主推進柴油機是主動力系統的心臟。以3600DWT供油船舉例，其屬于高速柴油機，適合在小型船舶上安裝。齒輪箱是傳動設備，包括齒輪變速器、離合器、彈性聯軸器、線性聯軸器等，功能上助推柴油機與齒輪箱是完整的，布局緊湊。

2 船舶動力裝置與系統自動化設計

2.1 基本理念

近年來船舶的自動化水平飛速發展，被廣泛用于動力系統之中，在選擇動力裝置、設計動力系統時，需要充分考慮自動化設計需求，在前文提到的設計原則基礎上，需要考慮是否能夠進行自動化的改造，與其他自動化系統匹配。動力系統的自動化系統需要能夠對動力系統進行保護、監視、測量、指示、調整、變換與控制等工作。與其他系統一樣，船舶的自動化是指能夠通過智能技術，綜合分析整個船舶各系統情況、行駛狀態、外部環境等因素，向動力系統發出指令，從而實現自動操作，目前尚沒有完全不依賴于人的船舶系統，但在部分船舶早已實現自動巡航功能。自動系統中控制器、控制對象（動力系統）是兩個關鍵組成部分，當前船舶的動力系統自動化控制已實現局部控制化向全面自動化轉變歷程，技術越來越完善。

船舶的動力系統自動化功能主要包括：①操作縱向轉換位置判斷、自動轉向、自動起始等功能邏輯控制；②轉速負荷控制：轉速信號發生速率限制和負荷程序等功能；③安全保護、應急操作；④系統故障自檢；⑤功能模擬操作等。常用的元器件主要包括氣動元器件、機械元器件、液壓元器件、繼電器元件等，隨著微型計算機的廣泛應用，船舶主機自動控制已初步實現了計算機綜合控制化。

2.2 設計方法

首先，需要進行船舶動力系統選型計算，主推進柴油機、齒輪箱型號需綜合考慮匹配問題，初步匹配需要考慮船體的主尺度、船舶有效功率、船舶航速、螺旋槳直徑、螺旋槳最佳轉速等所需主機功率，而后確定船舶能夠達到的最高航速、螺旋槳直徑等，確定齒輪箱的型號參數。需注意的是，有些主柴油機、齒輪箱是不適合自動化控制的，配件本身自動化水平低。

其次，設計自動化系統，前文提到了部分常見的自動化功能配置。現代建造的船舶動力系統自動化系統可分為電動部分與氣動部分兩個組成部分，船舶動力系統廠家一般提供氣動部分，在建造船舶時，會建成完整的動力系統自動遙控裝置系統。動力系統的核心柴油機，基本的自動化配元件包括空分器轉向機構、高壓油泵換向機構、高壓油泵、氣壓檢測、主機轉速檢測，其中高壓油泵又連接調速器轉換器、VIT執行器，換向機構與氣動操作系統連接，變速元件與電子調速器連接，整個船舶能夠通過主機遙控系統實現駕駛操作、集控操作、機旁操作。船舶主機自動遙控系統設計上主要包括航行速度、螺旋槳轉速、柴油機轉速、調速器，轉速設定值以及指令發射器6個環節，調速器是實現恒速控制的關鍵環節，轉速的檢測主要經過磁脈沖測速裝置完成。調速器是完成調速和執行的裝置，通過比例積分調節實現，近年來電子調速器逐漸取代了機械調速器。以3600DWT供油船為例，控控制系統為雙機、雙槳，可在駕駛室、集控室、機旁進行調速變向，貨控室、機旁控制貨油泵，實現了一機雙用。

3 小結

當前，船舶輪機動力裝置與系統設計理念、方法不斷進步發展，設計師的工作負荷明顯減輕，但自動化的設計所涉及的領域只是也越來越廣，跨學科理念作用越來越明顯，設計師們不能固步自封，在堅持基本的設計原則基礎上，了解當前柴油機元器件的特性，堅持科學設計原則，同時勇于創新，設計具有自身特殊的自動化動力系統。

參考文獻

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（作者單位：常州玻璃鋼造船廠有限公司）