全回轉拖輪作業過程中特殊工況對軸系穩定性影響研究

摘 要：全回轉拖輪具有良好的機動性、靈活性和回轉性，是目前港口靠離泊作業的主要力量，但在實際作業過程中，操作稍有不慎，就會發生碰撞事故，加之船舶大型化帶來的作業難度增加，導致其受到各種沖擊載荷的頻率增加。這些外力通過復雜的轉換和傳遞，會影響船舶柴油機推進軸系的穩定性，而作為連接Z型導流管式螺旋槳和柴油機的綜合體，其運行工況是否良好不僅關系著船舶動力系統的可靠性，更關乎貨輪靠離泊作業的安全。

關鍵詞：全回轉拖輪；船舶碰撞；轉速變化；沖擊；振動

1.全回轉拖輪推進裝置特點

在船舶分類中，一般把協助大型船舶進出港口、靠離碼頭、港內（錨地）移泊的拖輪歸類為“港口輔助船舶”，通稱為“港作拖輪”。若按其配置的推進器類型進行分類，配備Z型傳動推進器的港作拖輪稱為全回轉拖輪。

全回轉拖輪為雙機雙槳，由相互獨立的主機通過傳動軸系帶動各自的Z型傳動推進器運轉，分別稱為左推進裝置和右推進裝置。其中主機多為中速機，傳動軸系包括高彈性聯軸器、傳動軸承、萬向聯軸器及氣胎離合器等元件組成。推進器主要包括旋轉機、液壓操縱裝置等部分組成，螺旋槳可在水平面內360°旋轉，可省略常規的舵。鑒于以上結構特點，港作拖輪具有：操縱系統簡單、船舶旋回性能好、能夠橫向移動、船舶穩性好、舵效優等特點。

2.全回轉拖輪推進軸系損傷機理研究

船舶軸系作為船舶主推進系統的重要組成部分，其主要功能是作為一種剛性介質，將船舶的柴油主機和螺旋槳連接起來，并將船舶柴油機產生的動力傳遞給螺旋槳，帶動螺旋槳旋轉，螺旋槳槳葉會不斷把大量水向后推去。如何保證其安全、穩定的運行，很多學者都展開了相關研究，基本上都是從引起軸系破壞的因素入手，主要有四個方面。

一是扭轉振動，扭轉振動是在周期性激勵下引起的交變運動，進而產生的交變應力。嚴重扭轉振動會導致尾軸裂紋、斷裂，扭轉振動也一直是船舶動力裝置設計中的關鍵問題。二是橫向振動，在研究橫向振動時，一般不考慮回旋效應引起的回旋振動，根據震動的方向，將橫向振動分為橫向振動和垂向震動。三是縱向振動，目前絕大多數貨船的主動力裝置都是柴油機通過軸系直接帶動螺旋槳旋轉，螺旋槳在不均勻的艉流場中受到軸向激勵力。四是回旋振動，主要考慮螺旋槳的"陀螺力矩"作用。

3.作業過程中碰撞因素對軸系損傷

全回轉拖輪在作業過程中，由于天氣因素、駕駛員因素、設備因素，碰撞事故往往無法預測。尾軸屬于長桿件構件，在沖擊載荷作用下，容易產生變形，引起尾軸位移的變化。如果碰撞強度較大，還會導致船體總體剛度發生變化，進而對推進系統的軸系支撐剛度造成影響，從而改變船舶軸系的運動狀態。如果碰撞強度較低，一般不會引起相關從業者的足夠重視，而恰巧這類事故發生的概率很高，長期日積月累，也會導致全回轉拖輪的船舶剛度發生變化，船體損傷又會導致艉軸發生碰摩，最終造成船體軸系損傷，一旦達到臨界條件，將突然發生重大事故。

4.作業過程中轉速變化對軸系損傷

作為全回轉拖輪，由于港作拖輪作業的特殊性，根據引航員的指令，車速需要不斷變化，存在短時間內加速、減速、長時間高速運轉等狀況，加之船舶大型化帶來作業強度增加，軸系作為將主機功率傳遞到螺旋槳的中間介質，其所承受的扭矩將發生不均勻性，進一步加強軸系的扭轉振動，降低其使用壽命。

5.軸系安全運行的合理化建議

5.1拖輪作業過程中碰撞事故分析及預防

隨著港口貨物吞吐量的持續增長，進出港船舶艘次也在增加，一定程度上導致航道擁擠。如果碰見大風天氣，船舶容易偏離預定航道，尤其是大噸位的空載船舶，受風面積大，容易發生船位的偏轉或者是橫移，這些都對拖輪的安全作業構成一定威脅。此時船舶駕駛的操縱技術顯得尤為重要，應仔細地觀察船舶動態和周圍海況，進行預判并采取相應措施，避免事故的發生。

5.2拖輪作業過程中合理操車

一是輪機管理人員與碼頭調度的及時溝通，了解碼頭作業情況，以及到港船舶動態，根據作業計劃提前對主機進行暖缸。尤其是冬天，冷車啟動后，轉速變化不穩，對軸系損害較大。二是輪機管理人員與船舶駕駛臺及時溝通，全面了解港外錨地風浪情況。當遇見大風浪天氣時做好準備工作，調整主機油門，防止超負荷對軸系造成損害。全回轉拖輪采用雙機雙槳，如果為了節省燃油成本，可以單車航行，但應盡量避免兩主機一快一慢，防止出現軸系共振。

5.3加強軸系的監控和維護保養

軸系長時間遭受低強度碰撞，相關部件變形后會出現軸線不對中，軸頸與軸承間隙變小，軸承的潤滑環境改變，反映在數據上會出現軸系運轉溫度升高、產生異響。這是要及時查找原因，避免小事故引發大故障。若果條件允許，建議引入軸系狀態監測與故障診斷技術，目前主要有振動診斷技術、聲學診斷技術、溫度診斷技術和油膜電阻診斷技術四大類，其中振動信號檢測和分析的方法對軸系比較適用，對早期微小機械故障檢測非常有效，可以更大限度的節省維修成本，提高軸系使用壽命。

參考文獻：

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作者簡介：

吳鵬鵬，性別：男，民族：漢，籍貫：山東濰坊，出生年月：1988年1月，研究方向：船舶柴油機。