基于船舶轉(zhuǎn)矩測(cè)試的某小型運(yùn)輸船機(jī)槳匹配分析

袁 帥，姬朋輝，史祥東，叢孟營(yíng)

(濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

目前市場(chǎng)上一些小型船舶，其設(shè)計(jì)和建造過(guò)程不規(guī)范、水平普遍不高，如果船機(jī)槳匹配不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致航速不達(dá)標(biāo)或運(yùn)營(yíng)成本高等問(wèn)題，且難以使用理論計(jì)算來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。市場(chǎng)中舊船更換主機(jī)也存在同樣的問(wèn)題：舊船在使用多年后，技術(shù)圖紙不全，船體老舊，雜物、污底較多，難以使用理論計(jì)算來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的船機(jī)槳匹配。

針對(duì)此種情況，根據(jù)多年的船機(jī)槳匹配經(jīng)驗(yàn)，本文提出了基于船舶轉(zhuǎn)矩測(cè)試來(lái)分析船舶的船機(jī)槳匹配情況，并實(shí)際應(yīng)用于某港口運(yùn)輸船，取得了良好的匹配分析結(jié)果。本方法通過(guò)測(cè)試船舶在運(yùn)營(yíng)時(shí)，主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速獲取主機(jī)實(shí)際工作數(shù)據(jù)，結(jié)合主機(jī)性能參數(shù)、螺旋槳數(shù)據(jù)綜合分析船機(jī)槳匹配情況，提出優(yōu)化建議。另外，可詳細(xì)準(zhǔn)確的調(diào)研客戶使用習(xí)慣，也為船用主機(jī)廠開(kāi)發(fā)主機(jī)提供參考。

1 船舶轉(zhuǎn)矩測(cè)試

1.1 測(cè)試原理

船舶在航行作業(yè)時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞給螺旋槳，軸在傳遞過(guò)程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，通過(guò)測(cè)試軸的變形量，結(jié)合軸特性(軸材料、軸內(nèi)外徑)，計(jì)算出轉(zhuǎn)矩然后換算成主機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。同時(shí)通過(guò)光感轉(zhuǎn)速傳感器采集主機(jī)轉(zhuǎn)速，以此計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率。

1.2 測(cè)試過(guò)程

軸的變形量是通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量的，因此首先需要確定應(yīng)變片在傳動(dòng)軸的位置，并使用游標(biāo)卡尺測(cè)量該處軸直徑。然后對(duì)該處進(jìn)行仔細(xì)打磨，確保應(yīng)變片黏貼處光滑、干凈(無(wú)油污、銹蝕、麻點(diǎn)等)。主機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)光感轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量，傳感器應(yīng)在合適位置固定安裝，一方面要確保在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生搖晃、移動(dòng)，另一方面要確保可以接收到反光片反射的信號(hào)，一般要求傳感器與反光片的距離在15 cm以內(nèi)。

應(yīng)變數(shù)據(jù)信號(hào)無(wú)線傳輸至測(cè)試電腦，轉(zhuǎn)速信號(hào)需通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至測(cè)試電腦中。在電腦端通過(guò)對(duì)測(cè)試軸特性的設(shè)置，可實(shí)時(shí)顯示出主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、功率等數(shù)據(jù)，以此可確定主機(jī)工作狀態(tài)，分析船機(jī)槳匹配情況，為后續(xù)的優(yōu)化工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。軸轉(zhuǎn)矩測(cè)試示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 軸轉(zhuǎn)矩測(cè)試示意圖

1.3 某港口運(yùn)輸船轉(zhuǎn)矩測(cè)試

本次測(cè)試船型為小型港口運(yùn)輸船，作業(yè)范圍為港口碼頭到在附近海域停靠的大型船舶之間，以運(yùn)輸少量乘客、船員供給品為主，船舶吃水變化較小。測(cè)試船舶如圖2所示，船舶基本信息見(jiàn)表1。

圖2 測(cè)試船舶

表1 船舶基本信息

船舶平時(shí)停靠在碼頭附近，在接到運(yùn)輸任務(wù)后，需快速到達(dá)目的地進(jìn)行人員或貨物的運(yùn)輸。此類船舶以短途運(yùn)輸為主，停靠港操作頻繁，對(duì)航速、操縱性、機(jī)動(dòng)性以及加速性要求較高。為詳細(xì)了解船舶運(yùn)行工況，獲取主機(jī)工作信息、評(píng)估船機(jī)槳匹配狀態(tài)，對(duì)本船進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩測(cè)試。

測(cè)試前需將船舶吃水調(diào)整至設(shè)計(jì)吃水(或本船營(yíng)運(yùn)常用吃水)處，并將船舶行駛至營(yíng)運(yùn)海域，待準(zhǔn)備工作完成后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。為詳細(xì)收集主機(jī)在各常用轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行情況，在船員的配合下，對(duì)主機(jī)進(jìn)行逐步加載測(cè)試。具體實(shí)施步驟如下：主機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡∷匍_(kāi)始，以每100 r/min遞增至該主機(jī)油門(mén)最大或額定轉(zhuǎn)速處，每個(gè)轉(zhuǎn)速保持5～8 min；在航速穩(wěn)定后記錄主機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫、水溫及航速、海況等信息。

本次測(cè)試過(guò)程中，天氣晴朗，海域內(nèi)來(lái)往船只較多，測(cè)試船舶遭受海浪較多且隨機(jī)性較大。測(cè)試中，在主機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，船舶航速15.2 kn，此時(shí)船員告知油門(mén)尚未加到最大，因此繼續(xù)加大油門(mén)至最大后，左右主機(jī)轉(zhuǎn)速約2 170 r/min，船舶航速16.2 kn。保存數(shù)據(jù)，測(cè)試工作結(jié)束。

2 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化建議

2.1 轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)分析

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，主機(jī)能夠比較順利的拉升至額定轉(zhuǎn)速，在2 100 r/min時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩約955 N·m、輸出功率約212 kW，相比該轉(zhuǎn)速下主機(jī)理論推進(jìn)值240 kW，留有12.8%功率儲(chǔ)備。在油門(mén)最大時(shí)，主機(jī)最大轉(zhuǎn)速為2 172 r/min，基本上與本型號(hào)主機(jī)的超負(fù)荷轉(zhuǎn)速2 167 r/min相等，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩約1 039 N·m、輸出功率約238 kW，接近主機(jī)額定功率。時(shí)刻—轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 時(shí)刻—轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)

結(jié)合本主機(jī)性能數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，繪制出主機(jī)功率轉(zhuǎn)速曲線，如圖3所示。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，本船主機(jī)的實(shí)際推進(jìn)曲線位于理論推進(jìn)曲線下方，且隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，趨勢(shì)愈加明顯。在額定轉(zhuǎn)速下，主機(jī)理論推進(jìn)功率為240 kW，實(shí)際推進(jìn)功率212 kW，留有11.7%儲(chǔ)備；在超負(fù)荷轉(zhuǎn)速下，主機(jī)理論推進(jìn)功率為264 kW，實(shí)際推進(jìn)功率為238 kW，留有10.8%儲(chǔ)備。由此可得本船螺旋槳匹配偏輕[1]，可能出現(xiàn)主機(jī)油耗較高、無(wú)法發(fā)揮主機(jī)超負(fù)荷性能等問(wèn)題。

圖3 功率轉(zhuǎn)速曲線

2.2 優(yōu)化建議

在后續(xù)調(diào)研中了解到，本船在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中主機(jī)常用轉(zhuǎn)速在1 500～1 800 r/min，主機(jī)運(yùn)行在2 000 r/min以上的時(shí)間較少。綜合考慮主機(jī)性能、客戶使用習(xí)慣，建議更換螺旋槳，采用螺距更大的螺旋槳；根據(jù)測(cè)試結(jié)果，推薦螺旋槳螺距增大到0.7 m。如此可使主機(jī)實(shí)際推進(jìn)曲線向上移動(dòng)、使主機(jī)性能得到充分發(fā)揮，從而減小主機(jī)油耗，提高船舶航速，增加船舶運(yùn)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 優(yōu)化效果

本船更換螺旋槳后，新槳與舊槳直徑、盤(pán)面比保持一致，僅將螺距增加至0.7 m。主機(jī)最大轉(zhuǎn)速可達(dá)到2 160 r/min，船舶航速為17.1 kn，相比舊槳航速增加了0.9 kn；在常用轉(zhuǎn)速區(qū)，相比舊槳，在主機(jī)同轉(zhuǎn)速條件下，船舶航速增加了0.8～1.0 kn，極大的增加了本船運(yùn)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)力，取得了良好的市場(chǎng)效果。